CN109586966A - 一种无人系统网络拓扑连通性恢复方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人系统网络拓扑连通性恢复方法和系统，包括：当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居的报文或收到邻居的失效通知，则以邻居作为割点，将无人系统网络分为第一簇和第二簇；判断第一簇和第二簇之间是否存在单向链路，若存在，则构建与单向链路相反的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通，否则把割点在第一簇和第二簇的邻居集合分别表示为f₁和f₂，f₁和f₂中通信节点依次在自身帮助节点的帮助下尝试与另一邻居集合中通信节点建立相连的协作式通信链路，如果f₁与f₂间能互相建立协作式通信链路则连通性成功恢复。由此，本发明涉及可通过拓扑控制技术来保持和修复节点间的网络连通性。

Description

一种无人系统网络拓扑连通性恢复方法及系统

技术领域

本发明属于无人系统技术领域，具体涉及一种无人系统网络拓扑连通性恢复方法及系统。

背景技术

随着科技的快速进步及跨学科融合的日益加深，深度融合了机械制造、电子、信息等多学科关键技术的无人系统日益多见并愈发受到关注。随着相关技术的高速发展，无人系统的作业、运动、决策、感知、通信等能力不断提高，造价不断降低，并逐渐能够胜任遥感、监测、追踪、网络覆盖提供等各类复杂任务。然而，因受制于现有技术和成本，无人系统的单体作业能力正越来越难以胜任不断涌现的新任务需求。通过网络通信技术使多个无人系统能够在网络的连接下协同作业，共同完成任务，正成为一种新的技术趋势并逐渐受到广泛认可。

本发明后续将重点以无人机网络为例展开讨论。这是因为无人机作为一种常见的飞行无人系统，在多个领域发挥了重要作用并广为人知，且无人机网络相较地面无人系统网络而言，其复杂度及技术需求方面通常为地面等无人系统组网技术需求的超集(例如：地面一般考虑二维平面组网模型即可，而无人机必须考虑三维组网模式)。本发明所述方法能够适用于包括无人机网络在内的所有无人系统网络。

多无人机通过网络连接以集群等形式组织及作业以完成巡逻、作战、搬运等复杂任务，被普遍认为能够从根本上提升无人机的作业能力和效率。网络连接是保障集群内所有无人机的控制信令可达、数据信息可共享，这是实现集群高效组织的基础性需求，目前一般采用以下两种方法：

第一种是所有无人机与地面站保持网络连接，所有信息均首先汇聚到地面站并以“上下行”的方式实现无人机间的交互和分享。然而，这样的做法存在问题：一是地面站会因为流量负载过重、单点地位过高而成为性能和安全的瓶颈；二是地面站到多架无人机的上下行链路难以始终满足通信距离、带宽、速率、时延等方面的要求，例如远距离通信往往无法满足飞机强实时性应用的低时延需求；三是无人机集群在敌占区作业时，仅依靠上下行链路通信易被破坏，这导致系统整体抗毁性差；四是远距离作业情况下，无人机要保持到地面站的远距离连接需要大功率通信设备，而该类型设备的功耗和重量增加了无人机自身的负重和能耗开销，影响了无人机的体积、续航等。需要明确，这些问题在如陆上、水下机器人等在内的无人系统网络中均同样存在。

第二种方法是所有无人机可以在全部或部分与地面站保持网络连接的同时，无人机间通过无线对等通信手段自组织形成不依赖于任何基础设施的无线自组织网络。在这一场景下，当那些与地面站没有直接通信能力的飞机需要与地面站通信时，可以通过首先将数据多跳转发至有与地面站直接通信能力的飞机上，继而利用这些飞机的中转与地面站实现通信。该方法能够克服上述第一种方法所述的问题，使集群具有很强的抗毁性和鲁棒性。

相比于传统自组织网络，无人机自组织网络在大量的应用场景中有着更强的网络连通性要求：当网络连接出现中断，部分无人机就成为了控制信令无法到达的孤岛。则集群就出现了物理分簇，在没有通信基础设施的情况下(很多场景下无基础设施可用)，两个簇内的无人机将无法再重新恢复合为一个集群。这样的危害显而易见，举例而言，当某个离群的节点或簇内的所有节点不具有与远端地面站通信的能力，则集群将彻底丧失这些节点，而这些离群节点也无法接收到新的指令，甚至可能成为原集群改变队形后移动时的潜在障碍，引发碰撞风险。因此，在无人机自组织网络中，通过拓扑控制技术来保持节点间的网络连通性极为关键。

现有无人机网络保持连通性的拓扑控制方法一般分为以下几类：

1)每架无人机始终处于集群中其他任一飞机的通信覆盖半径R距离内：然而该方法无法判断网络整体状态，同时仅判断飞机间的距离无法衡量飞机间真实网络连接的速率、丢包率等。因此，该方法无法真正从网络通信的角度确保网络中链路的真实连通性。

2)保证现有链路连通并始终不变的方法：该方法要求，在无人机集群的运动过程中，如果一对节点间存在链路，则该链路应始终保持存在。该方法能够保证现有链路保持其已有的网络性能，但这样方法的问题是，如果网络初始即为非全网强连通的，则该方法只能维持这一状态；此外，网络的拓扑形态会被锁死，一旦连通的网络因意外发生中断，网络无法重新回复到连通状态。

3)基于代数连通性的优化方法：通过使无人机网络的拉普拉斯矩阵的第二小特征值恒大于零来优化网络的连通性。然而，该特征值是大于零的虽然能够保证网络连通，却无法了解这种连通的属性，即无法了解：网络究竟处于什么状态、能够容忍多少条链路的失败等。此外，该方法同样无法真正从网络层面保证网络的网络连通性。

4)保持网络K-连通性的方法：该方法不再约束个别链路的存在性，而是着眼于网络整体的连通性。同时，该方法要求网络中任意一对节点间应具有K条不相交路径可达，即，网络在最多被移除K-1个节点时网络仍能够保持连通。这一方法能够量化网络容错程度，是目前自组织网络中较为常用的连通性优化方法。然而，在现有自组网网络拓扑控制工作中，节点在保持网络K-连通的前提下，均为通过调整自身的无线发射功率连控制自身的覆盖半径，从而控制和其他节点间的连通性。然而，在无人机网络中，节点的可移动性，使无人机能够通过移动至更远距离来代替功率缩减。这样做的好处是，保持网络连接的同时提升了无人机网络的覆盖范围，后者对于大量应用和无人机网络本身的防节点间碰撞需求具有极佳的实用价值。然而，以节点移动性为主要手段的无线自组网拓扑控制方法目前仍然缺乏。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种无人系统网络拓扑连通性恢复方法及系统。

具体来说，本发明涉及一种无人系统网络拓扑连通性恢复方法，包括：

步骤1、无人系统网络中包括多个通信节点，当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居的报文或收到邻居的失效通知，则以该邻居作为割点，将该无人系统网络分为第一簇和第二簇，执行步骤2；

步骤2、判断第一簇和第二簇之间是否存在单向链路，若存在，则构建与该单向链路相反的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通，否则执行步骤3；

步骤3、把割点在第一簇和第二簇的邻居集合分别表示为f₁和f₂，f₁和f₂中通信节点依次在自身帮助节点的帮助下尝试与另一邻居集合中通信节点建立相连的协作式通信链路，如果f₁与f₂间能互相建立协作式通信链路则连通性成功恢复，否则执行步骤4；

步骤4、f₁中每个通信节点把自身到f₂中通信节点的CC-SNR累加，得到第一总CC-SNR，选择第一总CC-SNR最大的通信节点作为f_1，i，f₂中每个通信节点把自身到f₁中通信节点的CC-SNR累加，得到第二总CC-SNR，选择第二总CC-SNR最大的通信节点作为f_2，j，通过移动靠近f_1，i和f_2，j，建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复方法，其中该步骤4还包括：若f_1，i和f_2，j移动到各自邻居的通信范围边界仍不能建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，则执行步骤5；

步骤5、f_1，i和f_2，j的帮助节点会逐一向该割点移动，以进一步靠近f_1，i和f_2，j，并尝试建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复方法，其中该步骤5还包括：若在所有的帮助节点都移动后仍然不能实现建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，则执行步骤6；

步骤6、把f_1，i和其邻居节点表示为B₁，若B₁是第一簇的割集，则把第一簇的通信节点加到B₁里，直到B₁不再是割集，接着B₁的通信节点朝割点处一起移动，若B₁在移动过程中成了一个割集，则继续把第一簇的通信节点加到B₁里，直到f_1，i和f_2，j间建立协作式通信链路。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复方法，其中把f_2，j和其邻居表示为B₂，该步骤6还包括：在移动B₁的通信节点向割点处一起移动的同时，若B₂是第二簇的割集，则把第二簇的通信节点加到B₂里，直到B₂不再是割集，接着B₂的通信节点朝割点处一起移动，若B₂在移动过程中成了一个割集，则继续把第二簇的其他通信节点加到B₂里直到f_1，i和f_2，j间建立协作式通信链路。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复方法，其中该步骤1具体包括：

当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居节点的报文或收到邻居节点的失效通知，则该邻居节点失效，若该邻居节点的失效导致该通信节点无法与其两跳邻居进行通信，则判定该邻居节点为该割点，该无人系统网络已分为了该第一簇和该第二簇。

本发明还公开了一种无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其中包括：

无人系统网络划分模块，用于当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居的报文或收到邻居的失效通知，则以该邻居作为割点，将该无人系统网络分为第一簇和第二簇，调用第一判断模块；

第一判断模块，用于判断第一簇和第二簇之间是否存在单向链路，若存在，则构建与该单向链路相反的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通，否则调用第一连通模块；

第一连通模块，用于把割点在第一簇和第二簇的邻居集合分别表示为f₁和f₂，f₁和f₂中通信节点依次在自身帮助节点的帮助下尝试与另一邻居集合中通信节点建立相连的协作式通信链路，如果f₁与f₂间能互相建立协作式通信链路则连通性成功恢复，否则调用第二连通模块；

第二连通模块，用于将f₁中每个通信节点把自身到f₂中通信节点的CC-SNR累加，得到第一总CC-SNR，选择第一总CC-SNR最大的通信节点作为f_1，i，f₂中每个通信节点把自身到f₁中通信节点的CC-SNR累加，得到第二总CC-SNR，选择第二总CC-SNR最大的通信节点作为f_2，j，通过移动靠近f_1，i和f_2，j，建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其中该第二连通模块还包括：若f_1，i和f_2，j移动到各自邻居的通信范围边界仍不能建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，则调用第三连通模块；

第三连通模块，用于将f_1，i和f_2，j的帮助节点会逐一向该割点移动，以进一步靠近f_1，i和f_2，j，并尝试建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其中该第三连通模块还包括：若在所有的帮助节点都移动后仍然不能建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，则调用第四连通模块；

第四连通模块，用于把f_1，i和其邻居节点表示为B₁，若B₁是第一簇的割集，则把第一簇的通信节点加到B₁里，直到B₁不再是割集，接着B₁的通信节点朝割点处一起移动，若B₁在移动过程中成了一个割集，则继续把第一簇的通信节点加到B₁里，直到f_1，i和f_2，j间建立协作式通信链路。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其中把f_2，j和其邻居表示为B₂，该第四连通模块还包括：在移动B₁的通信节点向割点处一起移动的同时，若B₂是第二簇的割集，则把第二簇的通信节点加到B₂里，直到B₂不再是割集，接着B₂的通信节点朝割点处一起移动，若B₂在移动过程中成了一个割集，则继续把第二簇的其他通信节点加到B₂里直到f_1，i和f_2，j间建立协作式通信链路。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其中该无人系统网络划分模块具体包括：

当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居节点的报文或收到邻居节点的失效通知，则该邻居节点失效，若该邻居节点的失效导致该通信节点无法与其两跳邻居进行通信，则判定该邻居节点为该割点，该无人系统网络已分为了该第一簇和该第二簇。

本发明提出的无人系统网络拓扑连通性恢复方法，旨在通过拓扑控制技术来保持和修复节点间的网络连通性。

附图说明

图1为节点A、B、C未使用协作通信技术与节点D通信的示例图；

图2为节点A、B、C采用协作通信技术与节点D通信的示例图。

具体实施细节

为让本发明的上述特征和效果能阐述的更明确易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。

无人系统网络的高动态性(如节点的离开及加入、因躲避障碍物而导致的网络分簇等)，会造成网络拓扑的改变甚至割裂，因此需要节点具备分布式的方法对拓扑进行维护甚至局部的更新、修复、重构。

接下来将对相关部分进行详细说明：

拓扑控制模型：

本发明利用了协作式通信(以下简称为CC)技术，通过在节点间分配不同角色，使潜在传输节点间存在互助节点(以下简称helper)，从而扩展节点间的通信可达半径。其原理示例为图1与图2，及公式(1)和(2)：

图1展示了A、B、C三个节点在无协作传输的条件下，其通信范围难以覆盖D。以公式表达，节点i与j在无CC的情况下希望通信则必须满足：

其中，P代表节点通信功率，τ代表接收端能够正确接收并且解码数据报文的信噪比(SNR)阈值，d_ij代表节点i和j之间的距离，α代表路径损耗系数，h_ij代表符合瑞利分布(Rayleigh Distribution)的信道系数(Channel Coefficient)，N为噪声功率。式(1)解释了图1的原因，即节点在无协作传输下，每次传输必须在接收端达到信噪比需求，受限于功率距离等因素，而单节点，如公式(1)中的i，如果其在远端j的信噪比不能大于接收需求，则无法与远端节点通信。

图2展示了在节点间有协作传输并采用最大比率混合(Maximal-RatioCombining，MRC)技术时的情况，公式表达为：

其中Ω代表：当i采用CC传输时，i及其所有潜在的帮助节点(helper)的集合，而节点i被称为中心节点。公式含义为，接收节点j处的信噪比是所有接收到单个信噪比之和，亦可知，CC扩展了节点的通信半径。

基于上述分析，本发明给出以下定义：

定义1CC链路：当网络中存在一个节点A能够在其周围的帮助节点(属于Ω集合中的节点)的协助下，利用CC与原本无法通信的节点(如B)实现通信，则称A在Ω帮助下所形成的链路AB为基于CC通信的链路，简称CC链路。相对的，无须CC即可通信的一对节点间所具有的链路称为直接链路。其中节点A的一跳邻居节点(简单讲就是A的通信范围内的节点)都可以作为A的帮助节点，不过A可以选择哪些邻居节点作为最终的帮助节点，具体需要考虑上层应用的需求，结合具体的帮助选择策略决定。

定义2CC-SNR：基于公式(2)，网络中一个中心节点A在其周围的帮助节点的协助下，在另一节点B处的信噪比之和(即公式(2)等号左边部分)，称为节点A到B的CC-SNR。

基于CC链路定义，本发明重新定义网络的全连通性：

定义3基于CC链路的网络全连通：网络中任意一对节点间都存在路径可达，这些路径中可能包括直接链路和CC链路，则称网络为基于CC的全连通。

需要注意的是，此处的全连通并不单指双向链路下的全连通。即在网络中存在单向链路的情况下，A到B的路径与B到A的路径可能不同，但A与B间仍然存在相互可达的路径。

在前述拓扑控制模型的指导下，网络中各个无人系统可通过分布式本地决策，利用移动完成网络的拓扑控制需求。

分布式拓扑维护及更新方法：

分布式拓扑维护与更新是指无人机对当前网络情况和与相邻节点的连通情况持续更新。主要应对两种情况：

第一是节点在已知自身将退出网络、或移动到新的位置时，对具体信息进行广播，告知相邻节点。

第二是节点因突然断电、故障、受到攻击等原因，导致在无告知的情况下突然离开网络。

在上述两种情况下，节点的离开有可能会导致网络的通信断裂，因此网络拓扑必须进行相应的改变来实现网络连接的恢复。决定这一改变的模型应该是：网络连接恢复后现有网络拓扑中所有节点产生移动的最小化。本发明旨在利用移动性强化的CC链路实现网络的拓扑控制，完成拓扑维护更新。

维护和更新主要以定期报文交互(或主动退出节点的告知)来完成。核心在于决策模型，以及模型所确定的移动决策如何分发到各个节点。在本发明中，由于各节点的移动对网络中所有节点均会产生影响，因此以广播方式来完成数据包扩散。

模型及协议实现细节见具体实施细节部分。

最后，需明确本发明与现有工作的区别：现有工作也曾提出过利用CC链路进行拓扑控制(TPDS’15、JSAC’12)，与本发明的主要区别在于：本发明所提出的模型利用节点移动性强化了利用CC链路来扩展网络覆盖范围的机会。而现有工作之所以无法这样做的原因在于，现有工作均基于静态节点网络，节点仅能够通过控制发射功率改变链路连接状态，一旦直接链路断裂，则可能在网络中引起断路，从而影响了网络整体的连通性。而本发明所提出的适用于无人机网络的基于CC链路的拓扑控制，利用无人机的可移动性，使其能够主动的通过移动形成和其他节点的通信链路，从而能决定网络的拓扑是何种形态。

接下来对本发明上述各机制的具体实施细节给出实施例。

为实现上述方案，需实现以下部分：

1)分布式的失效节点检测方法

需要针对两种情况实现拓扑更新，即：计划性退出、意外退出。

节点间需要广播HELLO报文并维护邻居表，从而实现对邻居情况的了解。此外，HELLO报文需要将自身的邻居节点列表向自己的邻居节点广播。从而使每个节点都能够了解自身的两跳邻居。继而，在给定时间阈值T内未收到邻居表内某个邻居的HELLO时，视为该邻居发生了意外退出。此外节点主动退出网络时会给邻居节点发送失效通知，本发明将失效节点称为f。接着f的一跳邻居们会向邻居列表中的节点发送信息来判断失效节点的影响。如果它们不能与自己的某些两跳邻居通信，则可以推断f是一个割点，网络已经分区，执行网络恢复程序。

注意此时的网络可能存在两种状态，一是分区间不存在任何链路，二是分区间可能存在单向链路。很明显第二种情况更容易恢复网络，因为只需要再形成一条单向链路即可形成通路，但第一种情况至少需要形成两条链路。之后的分析中将以基于CC的网络全连通为恢复终止条件。

2)静态CC链路的建立

首先通过建立静态的CC链路尝试恢复网络。考虑节点失效导致网络分为两个簇的情况，这意味着f的邻居被分成了两个部分。由于每个节点都维护了两跳邻居表，所以f在一个簇中的邻居会保存另外一个簇中邻居的信息。本发明把f在簇1和簇2的邻居集合分别表示为f₁和f₂。当恢复程序开始时，f₁中的节点会设法在它们自己的帮助节点的帮助下建立通往另一个簇的CC链路，对于f₂也是如此。具体可以根据节点失效后两个簇间是否还存在单向路径分别进行分析。分簇与分区的区别在于，“分区”是指网络的一种状态，表示原先全连通的网络，由于某个节点失效，现在存在至少两个无法连接的部分，这个“部分”可以用“簇”表示。所以分成两个区和分成两个簇意思相同，但本技术领域不用“区”表示“部分”这种概念，一般用“簇”或者直接用“部分”。区比较抽象，更多的是用分区表示状态。

(1)如果两个簇间存在单向路径，如簇1到簇2存在一条单向路径，则只需要建立从簇2到簇1的一条单向CC链路即可实现网络连通。f₂中节点会依次将自身设置为主节点，并将剩余节点视为帮助节点，并在帮助节点的帮助下尝试建立CC链路并广播必要通知信息，如果f₂建立的CC链路可达簇1中的节点，则簇1与簇2间实现连通，恢复过程结束。注意建立CC链路的过程在f₁中也同时进行，但是并不影响恢复过程。

(2)如果两个簇间不存在任何链路。此时f₁中节点会依次作为主节点，并在自己帮助节点的帮助下建立CC链路并广播消息，消息会包含自身的节点信息，同样f₂中节点也执行同样操作。假设f₁中节点先建立起了通往簇2的CC链路，则f₂会得知f₁中此时正在建立CC链路的节点的信息，f₂中节点会把这些信息加入到自身的信息中一起发送。假设一段时间后f₂建立起通往簇1的CC链路，f₁同样也会得知f₂中正在建立CC链路的节点的信息，并同时得知了刚才f₁中哪些节点可以建立起通往簇2的CC链路。则f₁中节点可以据此直接建立起通往簇2的CC链路，并告知对方f₂中哪些节点可以建立起通往簇1的CC链路。f₂在收到消息后，也能立刻恢复刚才通往簇1的CC链路，至此两个簇可以互相连通，恢复过程结束。

其中f₂中节点会把这些信息加入到自身的信息中一起发送，指的是f₂中节点会把这些信息发送给f₁中的节点。首先说明CC链路的建立过程。CC链路是通过帮助节点的帮助，让自己的通信范围扩大，来连接上原先通信范围外的节点。举例说明CC链路的建立：假设节点A尝试建立到节点B的CC链路，那A在自己帮助节点的帮助下，会广播“A想建立CC链路”的消息(此时通信范围已经变大了)。如果B节点在通信范围内就会收到这个消息，那就相当于A建立了到B的CC链路。但是，在网络分区后形成的两个簇之间无法直接交换信息，所以此时即使B已经收到了A想要建立CC链路的消息包，也无法回复A节点ACK消息，A也无法得知自己是否成功建立了CC链路。所以在这里，当f₁中节点尝试建立CC链路时，f₂中节点恰巧收到了f₁中节点想要建立CC链路的消息，那f₂就知道是f₁中哪些节点建立的CC链路，但是由于两个簇之间无法通信，f₁无法得知自己的尝试是否成功。因此需要f₂把刚才成功建立的节点信息(节点ID等)发回给f₁，这样f₁就可以成功再次建立起CC链路。

如果在上述过程结束后两个簇之间没有形成通路，则恢复程序会继续执行下面步骤。

3)节点移动决策与执行

如果2)没有恢复网络连通，则执行此步操作：移动无人机UAV节点来建立CC链路。如果在上一步后网络没有恢复，本发明会移动节点建立CC链路以确保网络能恢复。到现在为止，在两个簇之间还没有互相可达的路径，节点移动决策就是决定将哪些节点作为CC链路的中心节点并移动来建立CC链路以实现两个簇间相互可达。以f₁为例，f₁中节点会把自己到f₂中节点的CC-SNR累加得到一个总CC-SNR，同时f₁内节点间会交换总CC-SNR对并选出一个节点，使该节点的总CC-SNR最大。因为总CC-SNR最大的节点意味着离f₂中的各个节点最近也就最有可能建立起CC链路，本发明会把它作为可移动的UAV来进行CC链路的建立。这个过程在两个簇中分别进行，本发明假设在两个簇中选出的节点分别是f_1，i和f_2，j。

从公式(2)本发明可以知道节点间距离的减少能使总SNR增加，而且中心点间距离的减少能带来最大收益。所以f_1，i和f_2，j会同时向失效节点位置移动，这是节点移动的第一阶段。中心点f_1，i和f_2，j会在互相收到信息时或在它们将要移出它们邻居的通信范围时停止运动。f_1，i和f_2，j互相收到信息意味着两个簇之间建立了互相可达的路径，实现了基于CC的网络全连通，恢复过程停止。如果它们在到达自己邻居的通信范围边界时仍不能建立可达路径，它们就需要移动其他节点。

下一个阶段是移动f_1，i和f_2，j的帮助节点。f_1，i的帮助节点会逐一向失效节点f移动，对于f_2，j的帮助节点也是如此。和中心点一样，它们在两个簇间恢复通信或者将要超出邻居通信范围时才会停止移动。如果两个簇间恢复通信，恢复过程停止。如果在所有的帮助节点都移动后仍然不能实现全连通，算法会进行到最后一步。

4)节点簇移动

如果3)失败，则执行此步操作：将簇中的所有节点向失效节点处移动来确保网络最终可以恢复。本发明把f_1，i和它的邻居节点表示为B₁，f_2，j和它的邻居表示为B₂。以B₁为例。如果B₁是簇1的割集，它将把簇1的其他节点加到B₁里直到B₁不再是个割集。接着B₁的节点将会朝失效节点f处一起移动。在移动过程中，B₁和簇1中的其他节点的一些连接可能会断裂。当两个簇间建立了互相可达的路径或者B₁成了一个割集时移动才结束。这个过程会重复直到簇1中的所有节点都加入到B_i中，这就意味着B₁是整个簇。接着B₁会向失效节点移动直到两个簇能互相通信，恢复过程停止。上述的移动在簇2中也同时进行。最坏的情况就是移动两个簇中的所有节点，虽然这样开销最大，但一定能保证最终网络的连接恢复。

以下为与上述方法实施例对应的系统实施例，本实施方式可与上述实施方式互相配合实施。上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。

本发明还公开了一种无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其中包括：

无人系统网络划分模块，用于当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居的报文或收到邻居的失效通知，则以该邻居作为割点，将该无人系统网络分为第一簇和第二簇，调用第一判断模块；

第一判断模块，用于判断第一簇和第二簇之间是否存在单向链路，若存在，则构建与该单向链路相反的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通，否则调用第一连通模块；

第一连通模块，用于把割点在第一簇和第二簇的邻居集合分别表示为f₁和f₂，f₁和f₂中通信节点依次在自身帮助节点的帮助下尝试与另一邻居集合中通信节点建立相连的协作式通信链路，如果f₁与f₂间能互相建立协作式通信链路则连通性成功恢复，否则调用第二连通模块；即f₁中通信节点依次在自身帮助节点的帮助下尝试建立与f₂中通信节点相连的协作式通信链路，若建立成功，则广播包含自身的节点信息的消息，同时f₂中通信节点也依次在自身帮助节点的帮助下尝试建立与f₁中通信节点相连的协作式通信链路，若建立成功，则广播包含自身的节点信息的消息。

第二连通模块，用于将f₁中每个通信节点把自身到f₂中通信节点的CC-SNR累加，得到第一总CC-SNR，选择第一总CC-SNR最大的通信节点作为f_1，i，f₂中每个通信节点把自身到f₁中通信节点的CC-SNR累加，得到第二总CC-SNR，选择第二总CC-SNR最大的通信节点作为f_2，j，通过移动靠近f_1，i和f_2，j，建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其中该第二连通模块还包括：若f_1，i和f_2，j移动到各自邻居的通信范围边界仍不能建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，则调用第三连通模块；

第三连通模块，用于将f_1，i和f_2，j的帮助节点会逐一向该割点移动，以进一步靠近f_1，i和f_2，j，并尝试建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其中该第三连通模块还包括：若在所有的帮助节点都移动后仍然不能建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，则调用第四连通模块；

第四连通模块，用于把f_1，i和其邻居节点表示为B₁，若B₁是第一簇的割集，则把第一簇的通信节点加到B₁里，直到B₁不再是割集，接着B₁的通信节点朝割点处一起移动，若B₁在移动过程中成了一个割集，则继续把第一簇的通信节点加到B₁里，直到f_1，i和f_2，j间建立协作式通信链路。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其中把f_2，j和其邻居表示为B₂，该第四连通模块还包括：在移动B₁的通信节点向割点处一起移动的同时，若B₂是第二簇的割集，则把第二簇的通信节点加到B₂里，直到B₂不再是割集，接着B₂的通信节点朝割点处一起移动，若B₂在移动过程中成了一个割集，则继续把第二簇的其他通信节点加到B₂里直到f_1，i和f_2，j间建立协作式通信链路。

所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其中该无人系统网络划分模块具体包括：

当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居节点的报文或收到邻居节点的失效通知，则该邻居节点失效，若该邻居节点的失效导致该通信节点无法与其两跳邻居进行通信，则判定该邻居节点为该割点，该无人系统网络已分为了该第一簇和该第二簇。

Claims (10)

1.一种无人系统网络拓扑连通性恢复方法，其特征在于，包括：

步骤1、无人系统网络中包括多个通信节点，当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居的报文或收到邻居的失效通知，则以该邻居作为割点，将该无人系统网络分为第一簇和第二簇，执行步骤2；

步骤2、判断第一簇和第二簇之间是否存在单向链路，若存在，则构建与该单向链路相反的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通，否则执行步骤3；

步骤3、把割点在第一簇和第二簇的邻居集合分别表示为f₁和f₂，f₁和f₂中通信节点依次在自身帮助节点的帮助下尝试与另一邻居集合中通信节点建立相连的协作式通信链路，如果f₁与f₂间能互相建立协作式通信链路则连通性成功恢复，否则执行步骤4；

步骤4、f₁中每个通信节点把自身到f₂中通信节点的CC-SNR累加，得到第一总CC-SNR，选择第一总CC-SNR最大的通信节点作为f_1，i，f₂中每个通信节点把自身到f₁中通信节点的CC-SNR累加，得到第二总CC-SNR，选择第二总CC-SNR最大的通信节点作为f_2，j，通过移动靠近f_1，i和f_2，j，建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通。

2.如权利要求1所述的无人系统网络拓扑连通性恢复方法，其特征在于，该步骤4还包括：若f_1，i和f_2，j移动到各自邻居的通信范围边界仍不能建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，则执行步骤5；

步骤5、f_1，i和f_2，j的帮助节点会逐一向该割点移动，以进一步靠近f_1，i和f_2，j，并尝试建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路。

3.如权利要求2所述的无人系统网络拓扑连通性恢复方法，其特征在于，该步骤5还包括：若在所有的帮助节点都移动后仍然不能实现建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，则执行步骤6；

步骤6、把f_1，i和其邻居节点表示为B₁，若B1是第一簇的割集，则把第一簇的通信节点加到B₁里，直到B₁不再是割集，接着B₁的通信节点朝割点处一起移动，若B₁在移动过程中成了一个割集，则继续把第一簇的通信节点加到B₁里，直到f_1，i和f_2，j间建立协作式通信链路。

4.如权利要求3所述的无人系统网络拓扑连通性恢复方法，其特征在于，把f_2，j和其邻居表示为B₂，该步骤6还包括：在移动B₁的通信节点向割点处一起移动的同时，若B₂是第二簇的割集，则把第二簇的通信节点加到B₂里，直到B₂不再是割集，接着B₂的通信节点朝割点处一起移动，若B₂在移动过程中成了一个割集，则继续把第二簇的其他通信节点加到B₂里直到f_1，i和f_2，j间建立协作式通信链路。

5.如权利要求1到4任意一种所述的无人系统网络拓扑连通性恢复方法，其特征在于，该步骤1具体包括：

当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居节点的报文或收到邻居节点的失效通知，则该邻居节点失效，若该邻居节点的失效导致该通信节点无法与其两跳邻居进行通信，则判定该邻居节点为该割点，该无人系统网络已分为了该第一簇和该第二簇。

6.一种无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其特征在于，包括：

无人系统网络划分模块，用于当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居的报文或收到邻居的失效通知，则以该邻居作为割点，将该无人系统网络分为第一簇和第二簇，调用第一判断模块；

第一判断模块，用于判断第一簇和第二簇之间是否存在单向链路，若存在，则构建与该单向链路相反的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通，否则调用第一连通模块；

第一连通模块，用于把割点在第一簇和第二簇的邻居集合分别表示为f₁和f₂，f₁和f₂中通信节点依次在自身帮助节点的帮助下尝试与另一邻居集合中通信节点建立相连的协作式通信链路，如果f₁与f₂间能互相建立协作式通信链路则连通性成功恢复，否则调用第二连通模块；

第二连通模块，用于将f₁中每个通信节点把自身到f₂中通信节点的CC-SNR累加，得到第一总CC-SNR，选择第一总CC-SNR最大的通信节点作为f_1，i，f₂中每个通信节点把自身到f₁中通信节点的CC-SNR累加，得到第二总CC-SNR，选择第二总CC-SNR最大的通信节点作为f_2，j，通过移动靠近f_1，i和f_2，j，建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，以恢复第一簇和第二簇间的连通。

7.如权利要求1所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其特征在于，该第二连通模块还包括：若f_1，i和f_2，j移动到各自邻居的通信范围边界仍不能建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，则调用第三连通模块；

第三连通模块，用于将f_1，i和f_2，j的帮助节点会逐一向该割点移动，以进一步靠近f_1，i和f_2，j，并尝试建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路。

8.如权利要求7所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其特征在于，该第三连通模块还包括：若在所有的帮助节点都移动后仍然不能建立f_1，i和f_2，j间的协作式通信链路，则调用第四连通模块；

第四连通模块，用于把f_1，i和其邻居节点表示为B₁，若B₁是第一簇的割集，则把第一簇的通信节点加到B₁里，直到B₁不再是割集，接着B₁的通信节点朝割点处一起移动，若B₁在移动过程中成了一个割集，则继续把第一簇的通信节点加到B₁里，直到f_1，i和f_2，j间建立协作式通信链路。

9.如权利要求8所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其特征在于，把f_2，j和其邻居表示为B₂，该第四连通模块还包括：在移动B₁的通信节点向割点处一起移动的同时，若B₂是第二簇的割集，则把第二簇的通信节点加到B₂里，直到B₂不再是割集，接着B₂的通信节点朝割点处一起移动，若B₂在移动过程中成了一个割集，则继续把第二簇的其他通信节点加到B₂里直到f_1，i和f_2，j间建立协作式通信链路。

10.如权利要求6到9任意一种所述的无人系统网络拓扑连通性恢复系统，其特征在于，该无人系统网络划分模块具体包括：

当通信节点在给定时间阈值内未收到邻居表内某个邻居节点的报文或收到邻居节点的失效通知，则该邻居节点失效，若该邻居节点的失效导致该通信节点无法与其两跳邻居进行通信，则判定该邻居节点为该割点，该无人系统网络已分为了该第一簇和该第二簇。