CN110572797A - 用于应急通信的探路网拓扑结构及其路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于应急通信的探路网拓扑结构及其路由方法。主要解决现有技术应急通信探路网拓扑结构复杂，信息传输端对端时延过大的问题，其实现方案是：将探路网分为车载网与单兵网两层，一层由结构相对稳定的车载节点形成，一层由结构动态变化的单兵背负式或手持式节点形成，单兵节点具有中继路由功能。车载网作为路由的目标网络，单兵网作为路由的源网络与中继网络。基于探路网拓扑结构的路由方法是针对两跳网络，综合考虑可行路径的信道条件不同造成的传输时延、中继节点处理数据包造成的处理时延，在单兵节点能量有限的条件下，选择最优路径传输数据包。本发明结构简单，端对端时延小，可用于跨境地质复杂区重大突发灾害的应急通信。

Description

用于应急通信的探路网拓扑结构及其路由方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种探路网拓扑结构及其路由方法，可用于跨境地质复杂区重大突发灾害的应急通信。

背景技术

为了应对跨境地质复杂区重大突发灾害应急通信的需求，应急通信系统的研究是一种急需的技术。

我国是自然灾害多发国家，地震、洪水、过境台风等自然灾害时有发生，尤其近年来，特大地震、特大洪水、泥石流、火灾等重大灾难事件频繁发生。当遇到这些突发事件，通信设施被毁时，通信被迫中断，且很难在短时间内恢复，这将降低突发事件应急响应的执行效果，造成人力和物力的进一步损失。因此，在实施救援之前，很需要探路，以找寻需要救援的目标点，这就需要建立基于区域机动自组网的应急通信网络的网络。

区域机动自组通信网络解决的是在一定区域范围内移动终端之间的网络通信，如移动车辆、人员、便携式设备等。该网络的主要特点是终端的持续移动性、网络拓扑结构较快的变化性和通信数据的突发性。由于区域机动自组通信网络能支持在网络区域内的移动终端自动加入网络并与区域内的其他终端进行通信，因此该网络通信在很多领域具有广泛的应用前景和需求，如汽车交通、空间组网、军事等多个方面。例如自适应综合通信的mosale 计划，就是将由美国DARRA资助的空中通信节点CAN等项目技术与陆军通信及电子司令部 CECOM研究发展中心的几项技术结合在一起，进行移动通信演示，形成一个未来战场所需要的无缝隙通信体系结构。2014年华中科技大学提出的交通诱导系统TSSN，在车辆上安装能显示道路拥挤状况的嵌入式导航仪，车辆便成为一个节点，众多车辆构成一个自组网，实现道路信息共享，从而避免交通堵塞。但是由于区域机动自组通信网络终端具有持续的移动性，上述方法均存在网络拓扑结构复杂、不稳定，组网协议和数据路由复杂，通信可靠性低，端对端时延过大的问题。因此如何有效应对突发事件，建立满足性能要求的应急通信网络，成为迫在眉睫的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术现有的不足，提出一种用于应急通信的探路网拓扑结构及其路由方法，以在单兵能量有限的情况下，对网络的拓扑结构进行优化，降低其复杂性，同时针对该拓扑结构形成的两跳网络，对其路由方法进行改进，减少其端对端时延。

为实现上述目的，本发明用于应急通信的探路网拓扑结构，包括N个车载节点、A·N 个单兵节点、1个控制席位，N＞0，A＞0,其特征在于：

控制席位固定在灾害区域的某一位置，用于与空中对应的无人机进行通信，车载节点固定在控制席位通信范围内的任意位置上，以与控制席位和处于通信范围内的其他车辆节点相互通信，形成相对稳定的车载网；

单兵节点均位于车载网的外围，每个单兵的位置随时间变动，且运动方向随机，且任一单兵节点能与处于通信范围内的其他单兵节点相互通信，形成动态变化的单兵网，从而将探路网分成两层。

为实现上述目的，本发明利用上述提出的探路网拓扑结构进行路由的方法，其特征在于，包括如下：

(1)限定路由的目的节点为任意车载节点；限定路由的中继节点为位于车载网通信范围之内的单兵节点；限定路由的源节点为位于车载网通信范围之外，且在其通信范围内存在中继节点的单兵节点；

(2)任一节点周期地在无线信道上广播消息，收集处于该节点通信范围内的邻节点信息与中继节点信息，该信息更新周期记为T且T＞0，新的信息更新周期到来时，将清空上一次收集的节点信息；

(3)源节点向目的节点发送数据包，判断在所处信息更新周期内，该源节点是否还未发送过数据包，若是，则执行(4)；否则，执行(5)；

(4)源节点根据收集得到的邻节点信息与中继节点信息进行选路：

(4a)估计每条可行路径的传输时延t_传输和处理时延t_处理之和，即端对端时延t₁；

(4b)计算端对端时延t₁超过b的概率P₁，b表示一个常数；

(4c)计算所有可行路径的平均时延t₂；

(4d)搜索可行路径：

第一种情况：若搜索到一条可行路径满足t₁＜e·t₂，e＞0，且P₁＜f％，0＜f<100，则选择该可行路径作为传输路径，执行(4e)；

第二种情况：若搜索不到满足t₁＜e·t₂，e＞0，且P₁＜f％，0＜f<100的可行路径，则从最接近t₂的m条路径中，选择P₁最小的可行路径作为传输路径，执行(4e)，其中m≥1；

(4e)创建路由表，将该传输路径保存到路由表中，执行(6)；

(5)查询该源节点的路由表，选择路由表中唯一的可行路径作为传输路径；

(6)根据传输路径传输数据包，判断数据包是否传输成功，若传输失败，判断该传输路径是否来自第一种情况，若是，删除(4e)创建的路由表，返回(4d)继续搜索可行路径；若该传输路径来自第二种情况，则销毁该数据包，记录传输失败的信息；

(7)在新的信息更新周期到来时，删除源节点建立的路由表，即(4e)创建的路由表，返回(3)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明由于改动了区域机动自组通信网络中所有节点均可自由移动的特性，设定只有单兵节点可以自由移动，车载节点是固定不同的限制，简化了网络拓扑结构的复杂性，提高了网络结构的稳定性；

第二，本发明由于将网络分成车载网与单兵网的两层网络，并将结构稳定的车载网作为路由的目的网络，将结构动态变化的单兵网络作为路由的源网络和中继网络，使得分工明确，且对于每一个源节点，可以有多个目的节点与之对应，增加了目的节点的可选择性，有效缓解了只有一个目的节点时出现信息阻塞造成端对端延时过大的现象；

第三，本发明由于由多个车载节点担任目的节点且固定不动，当探路单兵能量不足强制退出网络，无法与其他节点进行信息交互时，可及时、安全地返回稳定的车载网补充能量或者在危险情况下进行紧急转移，所以适用于应急通信；

第四，本发明的路由方法由于不是对整个网络进行优化，而是针对两跳网络的端对端时延进行优化，对比一跳网络的搜索距离，其涉及的两跳网络的搜索距离更长，探索得到的消息更加丰富；对比三跳及三跳以上网络的信息传输，其涉及的两跳网络传输消息所用的时间更短，且误码率更低。因而，可通过减少两跳网络的端对端时延，及时将灾害区域的大致情况，如受灾程度，地形复杂度，受困人员估计数反馈给高层，提高救援效率。

附图说明

图1是本发明探路网拓扑结构组成框图；

图2是图1中的车载网结构示意图；

图3是图1中的单兵网结构示意图；

图4是对图1所示探路网拓扑结构进行路由的实现总流程图；

图5是对图4中进行信息更新的子流程图；

图6是对图4中源节点进行选路的子流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作的实施例作进一步的详细说明。

参照图1，本发明的探路网拓扑结构分为车载网与单兵网两层，且单兵网位于车载网的外围，车载网作为路由的目标网络，单兵网作为路由的源网络与中继网络，单兵网将探索得到的灾害区域相关信息传输到车载网。

参照图2，所述的车载网包括N个车载节点与1个控制席位，车载节点与控制席位的通信范围均为R，N＞0，R＞0。将唯一的控制席位固定在灾害区域的某一位置上，用于与空中对应的无人机进行通信，N个车载节点随机固定在控制席位通信范围内的任意位置上，以与控制席位和处于通信范围内的其他车载节点相互通信，控制席位与车载节点的位置固定不变，形成了相对稳定的车载网。车载网中的车载节点是指在车辆上嵌入通讯设备，并基于此设备进行信息交互的节点；控制席位是指能与所有车载节点进行通信，指挥整个探路网运作，并与空中无人机网络进行信息交互的一个特殊车辆。通信范围是指节点之间能进行通信的最大传输距离，车载节点能与处于其通信范围内的其他车载节点相互通信。

参照图3，所述的单兵网包括A·N个单兵节点，单兵节点的通信范围为r，A＞0，r＞0 且r＜R。将单兵节点均置于车载网的外围，设定其位置随时间变动，且运动方向随机。任一单兵节点能与处于通信范围内的其他单兵节点相互通信，因为他们的位置不固定，所以形成了动态变化的单兵网，从而将探路网分成车载网与单兵网两层网络。单兵节点包括单兵背负式节点与单兵手持式节点，单兵背负式节点是指背负能与车辆、单兵进行信息交互且能量有限的通讯设备的单兵；单兵手持式节点是指手持能与车辆、单兵进行信息交互且能量有限的通讯设备的单兵。单兵节点能与处于其通信范围内的单兵节点相互通信，车载节点能与处于其通信范围内的单兵节点相互通信。

参照图4，在本发明中，利用上述提出的探路网拓扑结构进行路由的方法，其实现步骤包括如下：

步骤1，限定路由的目的节点、中继节点与源节点。

限定路由的目的节点为任意车载节点；限定路由的中继节点为位于车载网通信范围之内的单兵节点；限定路由的源节点为位于车载网通信范围之外，且在其通信范围内存在中继节点的单兵节点。

步骤2，任一节点i周期性地更新收集的信息。

参照图5，本步骤的具体实现如下：

2.1)设置信息更新周期T,且T＞0。

信息更新周期T是指每经过T时间，节点会进行一次信息更新，重新收集该节点i通信范围内的邻节点、中继节点的信息。

2.2)实时判断新的信息更新周期是否到来:若是，则执行2.3)；否则，结束信息更新流程。

2.3)清空上一次收集的节点信息：

节点收集的信息会一直保留到新的信息更新周期到来前，因为节点的存储空间有限，且收集的节点信息已经部分失效，所以在新的信息更新周期到来时，需要先清空上一次收集的节点信息，释放存储空间来存储更准确的节点信息。

2.4)收集处于任一节点i通信范围内的邻节点信息：

邻节点信息包括该节点i到各邻节点的距离d₁、邻节点各自的到达强度λ和处理强度μ、该节点i到各邻节点的信道条件g₁及估计传输速率C₁，其中C₁通过公式求出，式中E_b表示给定传输功率下的每比特能量，B表示节点i的传输带宽，N₀表示窄带高斯噪声的双边功率谱密度，距离d₁与信道条件g₁通过节点的物理层进行收集；

邻节点会收到来自周边节点的需要转发的数据包，根据物理层的统计信息得到邻节点接收的数据包出现的概率，该概率是按照泊松流规律分布的，且其到达强度为λ；数据包大小不同，从而导致每个数据包的处理时间不同，根据物理层的统计信息可以得到邻节点对数据包的处理时间服从指数分布，且邻节点对数据包的处理强度为μ；

设置单兵节点同一时间只能处理一个数据包，即单兵节点是一个单服务台无限源系统，设定该系统为稳定系统，所以需满足

2.5)收集处于任一节点i通信范围内的中继节点信息：

中继节点信息包括中继节点到任意车载节点的距离d₂、信道条件g₂及估计传输速率 C₂，其中C₂通过公式求出，若中继节点与某个车载节点不可相互通信，则距离、信道条件与估计传输速率均记为∞；若某个中继节点不处于某个车载节点的通信范围之内，则表示两节点不可相互通信。

步骤3，判断源节点是否发送过数据包。

源节点可在任意时刻向目的节点发送任意大小的数据包，当源节点向目的节点发送数据包时，判断在该源节点所处信息更新周期内，源节点是否还未发送过数据包，若是，则执行步骤4；否则，执行步骤5。

步骤4，源节点根据收集得到的邻节点信息与中继节点信息进行选路。

参照图6，本步骤的具体实现如下：

4.1)估计每条可行路径的传输时延t_传输和处理时延t_处理之和，即端对端时延t₁：

可行路径是指，由一个源节点、一个处于源节点通信范围内的中继节点、一个与该中继节点之间的距离不为∞的目的节点构成的传输方案；

传输时延t_传输通过公式计算得到，其中d₁表示源节点到中继节点的传输距离，C₁表示源节点到中继节点的估计传输速率，d₂表示中继节点到目的节点的传输距离，C₂表示中继节点到目的节点的估计传输速率；

处理时延t_处理通过公式计算得到，其中λ表示中继节点的到达强度，μ表示中继节点的处理强度；

根据传输时延和处理时延得到端对端时延：t₁＝t_传输+t_处理；

4.2)计算端对端时延t₁超过b的概率：P₁＝e^-b(μ-λ)，其中b表示一个常数；

4.3)计算所有可行路径的平均时延：其中l表示可行路径的总数；

4.4)搜索可行路径：

第一种情况：若搜索到一条可行路径满足t₁＜e·t₂，e＞0，且P₁＜f％，0＜f<100，则选择该可行路径作为传输路径，执行4.5)；

第二种情况：若搜索不到满足t₁＜e·t₂，e＞0，且P₁＜f％，0＜f<100的可行路径，则从最接近t₂的m条路径中，选择P₁最小的可行路径作为传输路径，执行4.5)，其中m≥1。

4.5)创建路由表，将该传输路径保存到路由表中，执行步骤6。

步骤5，查询源节点的路由表：

源节点的路由表中有且仅有一条可行路径，选择此路由表中唯一的可行路径作为传输路径。

步骤6，根据传输路径传输数据包。

6.1)根据步骤4或步骤5选择的传输路径传输源节点发送的数据包；

6.2)判断源节点发送的数据包是否传输成功：若传输成功，结束路由；否则，执行6.3)；

6.3)进一步判断该传输路径是否满足限制条件t₁＜e·t₂，e＞0，且P₁＜f％，0＜f<100：若满足该限制条件，则删除源节点创建的路由表，返回步骤4继续搜索可行路径；若不满足该限制条件，则销毁该数据包，记录传输失败的信息。

步骤7，在源节点新的信息更新周期到来时，删除源节点建立的路由表，即步骤4创建的路由表，返回步骤3等待源节点再次发送过数据包。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于应急通信的探路网拓扑结构，包括N个车载节点、A·N个单兵节点、1个控制席位，N＞0，A＞0，其特征在于：

控制席位固定在灾害区域的某一位置，用于与空中对应的无人机进行通信，车载节点固定在控制席位通信范围内的任意位置上，以与控制席位和处于通信范围内的其他车载节点相互通信，形成相对稳定的车载网；

单兵节点均位于车载网的外围，每个单兵的位置随时间变动，且运动方向随机，且任一单兵节点能与处于通信范围内的其他单兵节点相互通信，形成动态变化的单兵网，从而将探路网分成两层。

2.如权利要求1所述的探路网拓扑结构，其特征在于：所述控制席位是指能与所有车载节点进行通信，指挥整个探路网运作，并与空中无人机网络进行信息交互的一个特殊车辆。

3.如权利要求1所述的探路网拓扑结构，其特征在于：所述车载节点是指在车辆上嵌入通讯设备，并基于此设备进行信息交互的节点。

4.如权利要求1所述的探路网拓扑结构，其特征在于：所述单兵节点包括单兵背负式节点与单兵手持式节点，单兵背负式节点是指背负能与车辆、单兵进行信息交互且能量有限的通讯设备的单兵；单兵手持式节点是指手持能与车辆、单兵进行信息交互且能量有限的通讯设备的单兵。

5.如权利要求1所述的探路网拓扑结构，其特征在于：所述通信范围是指节点之间能进行通信的最大传输距离，且车载节点的通信范围比单兵节点的通信范围广。

6.一种利用权利要求书1探路网拓扑结构进行路由的方法，其特征在于，包括如下：

(1)限定路由的目的节点为任意车载节点；限定路由的中继节点为位于车载网通信范围之内的单兵节点；限定路由的源节点为位于车载网通信范围之外，且在其通信范围内存在中继节点的单兵节点；

(2)任一节点周期地在无线信道上广播消息，收集处于该节点通信范围内的邻节点信息与中继节点信息，该信息更新周期记为T且T＞0，新的信息更新周期到来时，将清空上一次收集的节点信息；

(3)源节点向目的节点发送数据包，判断在所处信息更新周期内，该源节点是否还未发送过数据包，若是，则执行(4)；否则，执行(5)；

(4)源节点根据收集得到的邻节点信息与中继节点信息进行选路：

(4a)估计每条可行路径的传输时延t_传输和处理时延t_处理之和，即端对端时延t₁；

(4b)计算端对端时延t₁超过b的概率P₁，b表示一个常数；

(4c)计算所有可行路径的平均时延t₂；

(4d)搜索可行路径：

第一种情况：若搜索到一条可行路径满足t₁＜e·t₂，e＞0，且P₁＜f％，0＜f<100，则选择该可行路径作为传输路径，执行(4e)；

第二种情况：若搜索不到满足t₁＜e·t₂，e＞0，且P₁＜f％，0＜f<100的可行路径，则从最接近t₂的m条路径中，选择P₁最小的可行路径作为传输路径，执行(4e)，其中m≥1；

(4e)创建路由表，将该传输路径保存到路由表中，执行(6)；

(5)查询该源节点的路由表，选择路由表中唯一的可行路径作为传输路径；

(6)根据传输路径传输数据包，判断数据包是否传输成功，若传输失败，判断该传输路径是否来自第一种情况，若是，删除(4e)创建的路由表，返回(4d)继续搜索可行路径；若该传输路径来自第二种情况，则销毁该数据包，记录传输失败的信息；

(7)在新的信息更新周期到来时，删除源节点建立的路由表，即(4e)创建的路由表，返回(3)。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：(2)中收集的处于任一节点i通信范围内的邻节点信息，包括该节点i到各邻节点的距离d₁、邻节点各自的到达强度λ和处理强度μ、该节点i到各邻节点的信道条件g₁及估计传输速率C₁，其中C₁通过公式求出，式中E_b表示给定传输功率下的每比特能量，B表示节点i的传输带宽，N₀表示窄带高斯噪声的双边功率谱密度。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：(2)中收集的处于任一节点i通信范围内的中继节点信息，包括中继节点到任意车载节点的距离d₂、信道条件g₂及估计传输速率C₂，其中C₂通过公式求出，若中继节点与某个车载节点不可相互通信，则距离、信道条件与估计传输速率均记为∞。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：(4a)所述的可行路径是指，由一个源节点，一个处于源节点通信范围内的中继节点，一个与该中继节点之间的距离不为∞的目的节点构成的传输方案。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于：(4)中各参数的计算如下：

传输时延：其中d₁表示源节点到中继节点的传输距离，C₁表示源节点到中继节点的估计传输速率，d₂表示中继节点到目的节点的传输距离，C₂表示中继节点到目的节点的估计传输速率；

处理时延：其中λ表示中继节点的到达强度，μ表示中继节点的处理强度；

端对端时延t₁超过b的概率：P₁＝e^-b(μ-λ)，其中t₁＝t_传输+t_处理，b表示一个常数；

平均时延：其中l表示可行路径的总数。