CN107690170B - 基于位置和任务规划的动态路由计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于位置和任务规划的动态路由计算方法，通过基于位置的路由方法寻找到达目的节点的路由，包括以下步骤：节点通过位置设备获得本节点当前的位置信息；节点向邻居节点通告本节点的位置信息；在收到邻居节点的位置信息后，根据当前位置和历史位置数据，计算出该邻居节点相对自己的方向、速度和距离；根据计算的相对速度，计算t时刻链路的连通强度；节点通告自己的链路连通强度值；根据接收的网络链路连接强度值，运行Dijkstra算法，计算出到达网络其它节点的最优路由。本发明选择节点相对运动小、距离近的链路作为链路选择的优选链路，有效地减小数据传输的时延，提高网络吞吐量。

Description

基于位置和任务规划的动态路由计算方法
技术领域
本发明涉及动态路由技术，具体涉及一种基于位置和任务规划的动态路由计算方法。
背景技术
传统的动态路由协议通过路由节点间交互可达性信息或者链路连接状态来获得网络路由信息，如RIP路由协议和OSPF路由协议等。当网络拓扑结构发生变化时，这些信息在网络中传输需要一定的时间，即节点需要一定的时间才能感知到网络的变化。在网络路由表未收敛之前，可能某些路由表信息是错误的，到达这些错误路由表目的节点的数据就可能发生丢失。尤其是在运动频繁的无人机编队环境下，节点移动速度较快，拓扑变化快，数据可能发生丢失的可能性更大。
通常在无人机编队中，每个无人机节点都装载GPS或北斗等位置获取设备，可获得当前节点的位置信息。此外，无人机在飞行过程中通常也会根据相应的任务命令以形成特定编队，这些任务命令中携带了节点后续需要到达的位置信息。充分利用这些当前无人机节点的位置信息以及后续需要到达的位置信息，可预测节点运动轨迹和网络拓扑结构，提前规划路由，可有效减少拓扑变化带来的路由更新不及时而造成的数据丢失问题。同时，由于具有任务获得的后续节点的位置信息，也可以通过采用数据先缓存，等待节点可连通时再转发数据，可有效提高数据的交付率。
现有的主要动态路由协议，如基于链路状态的路由协议OSPF协议，或者是基于距离矢量的路由协议RIP协议，这些路由协议通过周期性或触发性交互连通关系以获得网络拓扑结构，当网络发生变化时，通过这些更新的连通关系，可以计算出新的拓扑表或路由表。
然而，现有的路由协议仅在节点链路通断关系发生变化时才发起拓扑更新消息。在节点快速运动的环境下，这些拓扑更新消息传播到网络中需要一定的时间，在此期间内，原有的路由表中部分路由为旧的失效路由，部分数据由于这些路由表错误而出现转发丢失。此外，在网络尚未完全连通情况下，数据也可能因为没有路由而无法发送出去。这些情况将会降低网络的吞吐量，增加数据的传输时延。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于位置和任务规划的动态路由计算方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于位置和任务规划的动态路由计算方法，通过基于位置的路由方法寻找到达目的节点的路由，包括以下步骤：
S101，节点通过位置设备获得本节点当前的位置信息；
S102，节点向邻居节点通告本节点的位置信息；
S103，在收到邻居节点的位置信息后，根据当前位置和历史位置数据，计算出该邻居节点相对自己的方向、速度和距离；
S104，根据计算的相对速度，计算t时刻链路的连通强度；
S105，节点通告自己的链路连通强度值；
S106，根据接收的网络链路连接强度值，运行Dijkstra算法，计算出到达网络其它节点的最优路由；
在位置路由失效时，采用基于任务规划的方法，具体包括以下步骤：
S201，节点根据接收的任务信息获得时刻t的各节点的位置信息；
S202，根据位置信息和通信距离，计算时刻t的网络拓扑结构；
S203，如果当前没有到达目的节点的路由，根据t时刻的网络拓扑结构，预先将数据发送至t时刻可达的最近节点m；
S204，在t时刻m节点将数据转发至目的节点。
进一步的，计算链路连通强度的具体过程为：
设D为两节点间能通信距离阈值，t为拓扑更新周期时间；(xi0,yi0,zi0)，(xj0,yj0,zj0)分别表示当前时间节点i和节点j的位置；(vix,viy,viz)表示节点i在当前时刻的X，Y，Z轴上的分速度；(vjx,vjy,vjz)表示节点j在当前时刻的X，Y，Z轴上的分速度；(xi1,yi1,zi1)，(xj1,yj1,zj1)分别表示t时间后节点i和节点j的预估位置，且计算方法如下：
Figure BDA0001383738590000021
d为t时间后两点间的距离：
Figure BDA0001383738590000022
设pij＝d/D表示节点i和节点j间的链路距离可通信程度，对pij进行量化处理得到链路的连通强度值Sij：
Figure BDA0001383738590000031
进一步的，计算到达网络其它节点最优路由的过程为：
每个节点相邻节点间的信息通告以交换计算出的链路连通强度值，同时，将这些链路连通强度值作为链路质量在网络中传播，这样，每个节点能获得网络中所有链路的连通值；
定义路径s-i-j-k的连通强度值Rs-i-j-d表示节点s经过节点i和节点j到达节点d的路径中链路连通强度值的和，即：
Figure BDA0001383738590000032
L表示s-i-j-d路径中的链路集合，lmn表示节点mn间的链路；
在连通的情况下，到目的节点有多条链路可选，Rsd表示s到d的多条路径中的最小路径连通强度，最小路径连通强度的路径即为最优路由。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明尽量选择节点相对运动小、距离尽量近的链路作为链路选择的优选链路，即选择最小路径连通强度的路径；(2)在无人系统中，通常在完成任务时，会通告各节点任务进行时间和地点位置等信息，节点可以根据这些位置和时间信息，提前计算出基于时间的网络拓扑结构；如果当前网络不连通或是部分连通，可根据预估的网络拓扑结构，将传输的业务数据提前交付后续可达目的节点的中间节点，这样可有效地减小数据传输的时延，提高网络吞吐量。
附图说明
图1为基于位置的路由方法示意图。
图2为基于任务规划的路由方法示意图。
具体实施方式
考虑到无人机通常飞行在开阔无遮挡的空间，节点间的距离和相对运动等因素对节点间的连通情况影响较大。在本发明中，相邻节点间除了周期性交换链路状态信息外，还通告自己的位置信息，包括经度、纬度、高度。同时在全网拓扑更新消息中，节点将携带自己和邻居节点的位置信息。这些位置信息将在全网传播，这样网络中的每个节点都能获得全网所有其它节点当前的位置信息。节点根据这些位置信息以及自身无线通信范围，能估计出网络拓扑连通情况，剔除那些处于易失联的链路，选择稳定的链路。同时根据节点位置信息的历史数据，也可以计算出节点间相互移动的平均速度、方向信息，根据节点通信范围值和节点间相对运动方向、速度、距离及连通情况，计算出节点间链路连通强度Sij。
设D为两节点间能通信距离阈值，t为拓扑更新周期时间；(xi0,yi0,zi0)，(xj0,yj0,zj0)分别表示当前时间节点i和节点j的位置；(vix,viy,viz)表示节点i在当前时刻的X，Y，Z轴上的分速度；(vjx,vjy,vjz)表示节点j在当前时刻的X，Y，Z轴上的分速度；(xi1,yi1,zi1)，(xj1,yj1,zj1)分别表示t时间后节点i和节点j的预估位置，且计算方法如下：
Figure BDA0001383738590000041
d为t时间后两点间的距离：
Figure BDA0001383738590000042
设pij＝d/D表示节点i和节点j间的链路距离可通信程度，对pij进行量化处理得到链路的连通强度值Sij：
Figure BDA0001383738590000043
每个节点相邻节点间的信息通告以交换计算出的链路连通强度值，同时，将这些链路连通强度值作为链路质量在网络中传播，这样，每个节点能获得网络中所有链路的连通值。定义路径s-i-j-k的连通强度值Rs-i-j-d表示节点s经过节点i和节点j到达节点d的路径中链路连通强度值的和，即：
Figure BDA0001383738590000051
L表示s-i-j-d路径中的链路集合，lmn表示节点mn间的链路；
在连通的情况下，可能到某目的节点有多条链路可选，Rsd表示s到d的多条路径中的最小路径连通强度。本方法尽量选择节点相对运动小、距离尽量近的链路作为链路选择的优选链路，即选择最小路径连通强度的路径。
同时，在无人系统中，通常在完成任务时，会通告各节点任务进行时间和地点位置等信息，节点可以根据这些位置和时间信息，提前计算出基于时间的网络拓扑结构。如果当前网络不连通或是部分连通，可根据预估的网络拓扑结构，将传输的业务数据提前交付后续可达目的节点的中间节点，这样可有效地减小数据传输的时延，提高网络吞吐量。
基于位置的路由方法和基于任务规划的路由方法两者都用到了位置信息，作为路由辅助，基于位置的路由方法是找一条到达目的节点的路由，而基于任务规划的方法则是在位置路由失效时，可以作为辅助手段加快数据传输。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供了一种基于位置的路由方法，结合图1，具体为：
S101：节点通过位置设备获得本节点当前的位置信息；
S102：节点向邻居节点通告本节点的位置信息；
S103：在收到邻居节点的位置信息后，根据当前位置和历史位置数据，可计算出该邻居节点相对自己的方向、速度和距离；
S104：根据计算的相对速度，计算t时刻链路的连通强度；
S105：通告自己的链路连通强度值；
S106：根据接收的网络链路连接强度值，运行Dijkstra算法，计算出到达网络其它节点的最优路由。
实施例2
结合图2，在位置路由失效时，基于任务规划的路由方法，作为辅助手段加快数据传输，具体步骤为：
S201：节点根据接收的任务信息获得时刻t的各节点的位置信息；
S202：根据位置信息和通信距离，计算时刻t的网络拓扑结构；
S203：如果当前到达目的节点数据不可达，可根据t时刻的网络拓扑结构，预先将数据发送至t时刻可达的最近节点m；
S204：在t时刻m节点将数据转发至目的节点。
本发明中涉及的缩写解释如下：
Figure BDA0001383738590000061

Claims (2)

1.一种基于位置和任务规划的动态路由计算方法，其特征在于，通过基于位置的路由方法寻找到达目的节点的路由，包括以下步骤：
S101，节点通过位置设备获得本节点当前的位置信息；
S102，节点向邻居节点通告本节点的位置信息；
S103，在收到邻居节点的位置信息后，根据当前位置和历史位置数据，计算出该邻居节点相对自己的方向、速度和距离；
S104，根据计算的相对速度，计算t时刻链路的连通强度；计算链路连通强度的具体过程为：
设D为两节点间能通信距离阈值，t为拓扑更新周期时间；(xi0,yi0,zi0)，(xj0,yj0,zj0)分别表示当前时间节点i和节点j的位置；(Vix，Viy，Viz)表示节点i在当前时刻的X，Y，Z轴上的分速度；(Vjx，Vjy，Vjz)表示节点j在当前时刻的X，Y，Z轴上的分速度；(xi1,yi1,zi1)，(xj1,yj1,zj1)分别表示t时间后节点i和节点j的预估位置，计算方法如下：
Figure FDA0002268518450000011
d为t时间后两点间的距离：
Figure FDA0002268518450000012
设pij＝d/D表示节点i和节点j间的链路距离可通信程度，对pij进行量化处理得到链路的连通强度值Sij：
Figure FDA0002268518450000013
S105，节点通告自己的链路连通强度值；
S106，根据接收的网络链路连通强度值，运行Dijkstra算法，计算出到达网络其它节点的最优路由；
在位置路由失效时，采用基于任务规划的方法，具体包括以下步骤：
S201，节点根据接收的任务信息获得时刻t的各节点的位置信息；
S202，根据位置信息和通信距离，计算时刻t的网络拓扑结构；
S203，如果当前没有到达目的节点的路由，根据t时刻的网络拓扑结构，预先将数据发送至t时刻可达的最近节点m；
S204，在t时刻m节点将数据转发至目的节点。
2.根据权利要求1所述的基于位置和任务规划的动态路由计算方法，其特征在于，计算到达网络其它节点最优路由的过程为：
每个节点相邻节点间的信息通告以交换计算出的链路连通强度值，同时，将这些链路连通强度值作为链路质量在网络中传播；
定义路径s-i-j-k的连通强度值Rs-i-j-d表示节点s经过节点i和节点j到达节点d的路径中链路连通强度值的和，即：
Figure FDA0002268518450000021
L表示s-i-j-d路径中的链路集合，lmn表示节点mn间的链路；
到目的节点有多条链路可选，Rsd表示s到d的多条路径中的最小路径连通强度，最小路径连通强度的路径即为最优路由。
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