CN115883685A - 一种路径恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路径恢复方法，应用于接收节点和由若干无人机构成的无人机网络系统中。为解决无人机系统中恢复路径时存在的冗余记录而导致的开销过大技术问题，本发明仅记录必要的变化信息，且同一处变化信息只会被记录一次，消除了冗余记录，避免了经过相同子路径的数据包的重复开销。取得了即使物理拓扑结构发生频繁变化，在最坏情况下每一新周期全部节点的父节点都改变，仍然可以远低于其他现有方案的系统开销并维护全网拓扑准确恢复路径的技术效果。本发明适于无人机通信网络领域。

Description

一种路径恢复方法

技术领域

本发明涉及一种路径恢复方法，具体涉及一种能够应对无人机网络时变拓扑的低成本高准确率的路径恢复方法。

背景技术

由于高机动性和低成本的特点，无人机网络成为许多应用场景中灵活且经济的解决方案，如智能农业、智能交通、灾后救援等。一个无人机网络通常由多架无人机节点组成，其中具有强大的通信、存储、计算资源的无人机作为接收节点，从其他所有的无人机收集数据，负责网络维护、外部网络接入等功能。

广泛的网络部署范围使得无人机网络中的数据包(数据报)需要以多跳转发方式上传至接收节点。另外，由于设备具有较强的移动性，无人机网络拓扑高度动态，数据包传输路径变化频繁。出于方便路由管理或网络安全需要，网关节点(接收节点)重构出接收到的每一个数据包从源节点无人机到接收节点的完整传输路径，即从数据包生成到被成功交付至接收节点的网络路径上依次经过哪些设备转发，这被称为路径恢复。

作为最简单的路径方法，直接逐条记录转发设备ID的开销过大且开销随路径长度线性增长，无法适用于资源受限且数据包尺寸较小的无人机网络。如何高效的进行无人机网络的路径恢复就是本发明要解决的问题。部分现有的路径恢复方案如下：

1)利用时间相关性将记录开销分摊至多个同源数据包：同一节点在短时间内生成的多个数据包倾向于经过相同的转发路径，因此每个数据包仅用较小的开销记录部分路径信息，而在接收节点处将多个包中包含的信息拼接合并成完整的路径，从而恢复出多个同源数据包的传输路径。

具有代表性的方案如被动策略PAD算法要求每个数据包记录路径中的一跳ID及其对应的跳数，最终在接收节点进行拼接。而压缩感知路径恢复算法(CSPR)使用固定长度且逐跳更新的路径编码，每个数据包都以较小的空间开销压缩完整路径的不同编码信息，当接收节点收到足够数量的数据包后即可对压缩数据进行解码恢复出这些包的传输路径。这类方法依赖于数据包的时间相关性，要求节点频繁发包且网络拓扑稳定。

2)利用空间相关性将记录开销分摊至多个同一段时间生成的数据包：短时间内经由统一节点转发的来自不同节点的数据包时倾向于选择相同的下一跳节点，因此完整的路径信息可以分摊至具有相同子路径数据包，减少重复记录。具体而言，多跳网络断层算法(MNT)中每个数据包仅需记录自己的下一跳转发节点ID和转发的时间戳，接收节点根据来自多个节点的信息拼凑出网络拓扑进而恢复路径。iPath算法除了记录下一跳节点，还采用哈希函数逐跳编码路径信息以识别相同路径，并利用已恢复路径的哈希值尝试推测出未恢复路径。这类方法同样依赖于网络拓扑的稳定性，且要求网络中具有大量生成数据包的活跃节点。

综上，大多数现有路径恢复方案的原理是将完整路径信息分摊至多个数据包中，且要求短时间内拓扑稳定节点频繁发包或大量节点发包，即依赖于网络的时间相关性或空间相关性。然而无人机网络中拓扑变化频繁且资源受限，同源节点数据包或同期不同节点的数据包不再经历相同的子路径，因此数据包之间几乎不存在相关性，因此现有方案无法适用。

基于此，现有技术亟需一种能够应对无人机网络时变拓扑的低成本高精度的路径恢复方法。

发明内容

为了解决或部分解决上述部分或全部技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种路径恢复方法，应用于接收节点和由若干无人机构成的无人机网络系统中，所述若干无人机中包括第一无人机，所述接收节点和无人机网络系统之间的通信过程在时间上被划分为若干个稳定周期，且每个稳定周期具有对应的稳定周期序号，该路径恢复方法包括如下步骤：所述第一无人机根据接收到的数据包维护第一子节点集合，所述第一子节点集合是所有父节点为第一无人机的无人机；所述第一无人机在识别到拓扑变化后，更新第一子节点集合并将拓扑变化记录在报头中，最终随数据包到达接收节点；所述接收节点，根据接收到的数据包中所记录的信息，恢复路径。

在某实施例中，所述报头中还包括：生成该数据包的源节点信息或无人机节点ID、从源节点到接收节点的路径长度，和生成数据包的稳定周期序号。

在某实施例中，所述从源节点到接收节点的路径长度，初始值为1，每经历一次转发后自增1。

在某实施例中，所述第一无人机在以下任一情况下更新其本地维护的第一子节点集合：

1)接收到的新数据包来自于第一子节点集合以外的无人机，则加入新的子节点至所述第一子节点集合；

2)一段时间内没有收到其子节点发来的数据包，则去除第一子节点集合中的该子节点。

在某实施例中，当接收到的新数据包来自于第一子节点集合以外的无人机时，将稳定周期序号记录至转发给接收器节点的数据包的报头中。

在某实施例中，转发给接收器节点的数据包的报头中还包括：记录变化发生在路径上的哪一跳，以及记录拓扑变化后路径上新无人机的编号。

在某实施例中，接收节点为每个稳定周期创建一个父节点表，其与稳定周期序号对应；当接收节点接收到数据包后，从数据包的报头读取该数据包的稳定周期序号，然后查询该稳定周期序号对应的父节点表。

在某实施例中，从所述数据包的报头中记录的源节点开始，逐跳查找到报头中记录的发送路径变化的节点，以记录的新无人机编号替代原始父节点；由此从父节点表中获得的从源节点到接收节点的转发路径为所述数据包的恢复路径。

在某实施例中，接收节点收到所有数据包后，依据报头中记录的稳定周期序号进行排序后逐条更新，优先更新发生较早的变化，同一周期内的变化优先更新所在跳数较小的变化。

在某实施例中，在收集结束时执行路径恢复，按照数据包生成和变化发生的稳定周期的先后顺序更新历史拓扑并对所有的数据包进行路径恢复。

本发明所披露的多种实施例，分别具有如下有益的技术效果之一或多个，更多的有益效果将在具体实施例中介绍：

1)本发明的增量更新路径恢复方法仅在数据包经历拓扑变化时记录变化信息，若路径未发生变化则数据包无需进行记录，避免了后续数据包和经历相同子路径数据包的反复记录，极大消除了开销冗余。

2)同时不再依赖频繁发包或大量节点发包，可根据历史信息和变化信息直接恢复每个收到的数据包。

综上所述，本发明不依赖于多个数据包的之间的时间相关性或空间相关性，利用接收端保存的历史拓扑信息和收集的变换信息，以增量更新的方式凭借极低的开销维护无人机网络动态拓扑，进而恢复每一个接收到的数据包的完整传输路径。完整的历史拓扑维护使得该方案可在无人机网络拓扑变化频繁、节点活跃率低的苛刻网络环境下保障包级别路径恢复的准确性，可应对高度动态的移动网络。

此外，作为一种增量更新方式，本发明仅记录必要的变化信息，且同一处变化信息只会被记录一次，消除了冗余记录，避免了经过相同子路径的数据包的重复开销。即使物理拓扑结构发生频繁变化，最坏情况下每一新周期全部节点的父节点都改变，仍然可以远低于其他现有方案的系统开销维护全网拓扑并准确恢复路径。

上述技术方案/特征，旨在对具体实施方式部分中所描述的技术方案、技术特征进行概括，因而记载的范围可能不完全相同。但是该部分披露的这些新的技术方案及技术特征，与后续具体实施方式部分公开的技术特征，以相互合理组合的方式披露更多的技术方案。

本发明任意位置所披露的所有技术特征所组合出的技术方案，用于对技术方案的概括、专利文件的修改、技术方案的披露。

附图说明

图1是本发明应用场景的示意图；

图2是父节点表格与无人机网络关系示意图；

图3是数据报包头与网络拓扑关系图；

图4是本发明示例性路径恢复示意图。

具体实施方式

结合本文中所公开的实施例中描述的各方法步骤或模块，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各实施例的步骤及组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用或设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为在本发明所要求保护的范围之外。

本发明任意位置中的“第一”、“第二”等序号仅仅用于描述上的区分标记，并不暗示时间或空间上的绝对顺序，也不暗示冠以这种序号的术语与冠以其它定语的相同术语必然是不同的指代。

由于不能穷尽描述各种替代方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案中的要点内容进行清楚、完整地描述。对于下文未详细披露的其它的技术方案和细节，一般均属于本领域通过常规手段即可实现的技术目标或技术特征，限于篇幅，本发明不对其详细介绍。

本发明会对各种用于组合成各种不同具体实施例的要点进行描述，这些要点将被组合至各种方法、产品中。在本发明中，即便仅在介绍方法/产品方案时所描述的要点，意味着对应的产品/方法方案也明确地包括该技术特征。

本发明中任意位置处描述存在或包括某步骤、模块、特征时，并不暗示这种存在是排它性地唯一存在，本领域技术人员完全可以根据本发明所披露的技术方案而辅以其它技术手段而获得其它实施例。基于本发明中具体实施例描述的要点，本领域技术人员完全可以对某些技术特征施加替换、删减、增加、组合、调换顺序等手段，获得一个仍遵循本发明构思的技术方案。这些未脱离本发明技术构思的方案也在本发明保护范围之内。

在一个经典的无人机网络中，资源受限的无人机节点需要定期发送数据包给接收节点，接收器节点可以是功能强大的无人机或者基站，本发明用U＝{1,2,3…N}表示由一个接收器节点和N-1个无人机节点组成的无人机网络，由于通信范围有限，数据包以多跳转发的方式上传给接收节点。无线信号的动态变化以及物理拓扑的变化导致无人机网络拓扑也会频繁的变化，尽管如此，在短时间内，本发明将树形网络拓扑保持不变的最短持续时间定义为稳定周期，于是网络时间可以被分为多个周期t＝{1,2,3…}。对于每个稳定周期内的网络活动有如下前提假设：

1)除接收节点外，每个无人机既可以生成需要上传给接收节点的数据包，也可以作为中继节点转发其他无人机的数据包，二者互不影响；

2)每个无人机父节点稳定，即无人机转发数据包时会选择相同的下一跳无人机；

3)由于拓扑稳定周期时间较短，每个无人机在一个周期内最多生成一个数据包。

在树形结构中，若无人机节点i是无人机j的数据包传输路径中的下一跳节点，则称无人机节点i是无人机节点j的父节点，记作Parent(j)＝i；相应地，j是无人机节点i的子节点。例如在图1中Parent(3)＝1,Parent(2)＝3。每一个无人机节点都维护一个自己的子节点集合，无人机节点i是无人机节点j的子节点当且仅Parent(i)＝j，本发明记作S_j＝{i,…},例如在图一中S(1)＝{3,5},S(6)＝{7,8}。同时本发明使用Pt(i)来表示在稳定周期t中从无人机节点i到接收器节点的路径，例如在图1中，从节点8到接收节点的路径是Pt(8)＝{8,6,5,1}。每个数据包的报头中包含以下信息，如图4:

1)source：表示生成该数据包的无人机节点ID(编号)。

2)Length：表示从源节点到接收节点的路径长度，即路径上的无人机数，初始值为1逐跳更新(自增1)。

3)period sequence:表示生成数据包的稳定周期序号。

增量更新路径恢复方法的架构如图2所示，每个稳定周期的树形拓扑可表示为一个父节点表，记录当前拓扑下每个无人机的下一跳转发节点(唯一父节点)。一系列父节点表组成的历史拓扑信息由接收节点更新和存储。每个无人机仅需维护自己的子节点集合，一旦接收并转发非子节点无人机的数据包，则意味着拓扑变化发生。识别到拓扑变化的无人机更新自己的子节点集合并将拓扑变化记录入报头中，最终随数据包到达接收节点。若数据包经过的路径没有拓扑变化则无需记录任何额外信息，无额外开销。接收节点收到数据包后检查报头中是否含有变化信息，根据本地存储的历史拓扑和变化信息增量更新父节点表，以极低的开销维护拓扑，恢复收到数据包的路径。具体方案如下。

除接收节点外的所有无人机：无人机节点根据收包情况维护自己的子节点集合S_i，叶子结点的子节点集合为空集，如图2中S₃＝{5,7}，

无人机节点需要在以下情况下更新其本地维护的子节点集合：

1)接收到的新数据包来自于自身子节点集合以外的无人机(新的子节点加入集合)；

2)一段时间内没有收到的子节点发来的数据包(去除集合中离开的子节点)。

当无人机收到来自新子节点的数据包时，意味着该子节点的下一跳路径转变为自己，因此需要将这一拓扑变化记录到该数据包中，并将它们转发到接收器节点。具体来说，如果节点i在一段时间内没有收到其子节点j的数据包，S_i中的无人机节点j将被移除。如果节点i接收和转发S_i中不存在的无人机节点j的数据包，则无人机节点j将被添加到S_i中,无人机节点之间的更新需要和稳定周期序号一起记录到转发给接收器节点的数据包中。如图3，无人机节点使用数据包中的4位数据来记录变化发生在路径上的哪一跳，4位数据来记录数据包发送时的稳定周期序号，16位数据来记录拓扑变化后路径上新无人机的编号。

接收节点：负责历史拓扑维护以及路径恢复，具备充足的计算资源和存储资源。接收节整合全局信息，利用历史的网络拓扑信息构造一系列父节点表格。如图2，接收节点为每一个稳定周期创造一个新的父节点表,每一个表可表达一个树形拓扑,周期t的父节点表可以进一步简化为集合

其中/>

表示i节点在t周期的父节点，如图2中的树形拓扑可以表示为{0,1,1,2,3,4,3,4}。增量更新机制中，接收节点通过其本地维护的表格A_t-1和新接收到的变化信息为当前周期t创建A_t,初始的表格A₁是无人机网络初始化部署阶段已知信息。当接收节点接收到携带变化信息的数据包时，其操作如下：首先从报头的Period sequence项获取该数据包传输所在的周期，然后查询对应的父节点表，自报头中记录的源节点开始逐跳查找到报头中记录的发送路径变化的节点，以记录的新无人机ID替代原始父节点。这种更新机制依赖于顺序性，为避免先生成的数据包由于网络拥塞、丢包等原因到达接收节点的时间晚于后生成的包，InPrec等待收集任务结束后统一更新历史拓扑并恢复每个数据包的路径。具体而言，接收节点收到所有数据包后，依据报头中记录的稳定周期序号进行排序后逐条更新，优先更新发生较早的变化，同一周期内的变化优先更新所在跳数较小的变化。因此路径的恢复是在收集结束时进行的，按照数据包生成和变化发生的稳定周期的先后顺序更新历史拓扑并对所有的数据包进行路径恢复。

图4展示了一个具体场景的实施例，如图所示的一个小型的无人机网络，其中1代表的是接收节点，其他节点都是无人机节点，现在无人机网络中的网络拓扑发生了改变，当路径{3,1},{6,4},{7,3}分别变为{3,2},{6,5},{7,6}时，接收器节点和无人机节点具体的行为如下：

单次变化：数据包传输路径中只有一处路径变化的情况图4中情况1所示，无人机节点5生成的数据包经由无人机3交付给无人机2后，无人机2识别到该包来自于不属于自己子节点集合的无人机3(发现变化)，进而将当前跳数2和自身ID记录到报头中，随后交付给自己的父节点。该数据包最终经过路径{5,3,2,1}到接收节点1，数据包报头中消耗额外开销记录的变化信息如图4中的情况1所示。接收节点首先从父节点表中该数据包的源节点5开始逐跳查询父节点，定位到无人机5的父节点为3(第一跳)，然后查询无人机节点3的父节点1(第二跳)，由于变化信息中记录了该包传递路径的第二条变化为无人机2，表中节点3的父节点值更新为2。然后从2开始继续迭代路径恢复直至父节点为1(接收节点)，最后恢复的路径是{5,3,2,1}。

多次变化：数据包传输路径中有多处发生变化的情况如图4的情景2。无人机7生成的数据包传递至接收节点的过程中经历两处路径变化，无人机节点6和无人机节点5分别将他们的ID和所在路径中的跳数记录在报头中。尽管路径经过的无人机3的父节点也发送改变，这一改变在已被其他数据包(情况1)识别，因此无人机7生成的数据包经3到达2时，3已经被包含在2的子节点集合S₂中，不再作为新子节点识别，也无需再次重复记录。根据报头的变化信息，接收节点依次查询和更新父节点表恢复出路径P_t(7)＝{7,6,5,3,2,1}。

无变化：数据包经过的路径中没有发生变化如图4中的情况3。数据包传递过程中经过的节点都以包含在对应转发节点的子节点集合中，因此无需记录任何路径信息，不引入额外开销。可以直接查询接收节点中的父节点表进行路径恢复。

本发明路径恢复方法不依赖于多个数据包的之间的时间相关性或空间相关性，利用接收端保存的历史拓扑信息和收集的变换信息，以增量更新的方式凭借极低的开销维护无人机网络动态拓扑，进而恢复每一个接收到的数据包的完整传输路径。完整的历史拓扑维护使得该方案可在无人机网络拓扑变化频繁、节点活跃率低的苛刻网络环境下保障包级别路径恢复的准确性，可应对高度动态的移动网络。同时本发明路径恢复方法作为一种增量更新方式，仅记录必要的变化信息，且同一处变化信息只会被记录一次，消除了冗余记录，避免了经过相同子路径的数据包的重复开销。即使物理拓扑结构发生频繁变化，最坏情况下每一新周期全部节点的父节点都改变，仍然可以远低于其他现有方案的系统开销维护全网拓扑并准确恢复路径。

尽管已经参考本发明的具体特征和实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的情况下仍可以对其进行各种修改、组合、替换。本发明的保护范围旨在不限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例，并且这些方法、模块可能还被实施在相关联、相互依赖、相互配合、前/后级的一个或多个产品、方法当中。

所附的权利要求中所提及的若干技术特征可能存在替代的技术特征，或者对某些技术流程的顺序、物质组织顺序可以重组。本领域普通技术人员知晓本发明后，容易想到该些替换手段，或者改变技术流程的顺序、物质组织顺序，然后采用了基本相同的手段，解决基本相同的技术问题，达到基本相同的技术效果，因此即便权利要求中明确限定了上述手段或/和顺序，然而该些修饰、改变、替换，均应依据等同原则而落入权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种路径恢复方法，应用于由接收节点和若干无人机构成的无人机网络系统中，所述若干无人机中包括第一无人机，所述接收节点和无人机网络系统之间的通信过程在时间上被划分为若干个稳定周期，且每个稳定周期具有对应的稳定周期序号，特征在于，该路径恢复方法包括如下步骤：

所述第一无人机根据接收到的数据包维护第一子节点集合，所述第一子节点集合是所有父节点为第一无人机的无人机；

所述第一无人机在识别到拓扑变化后，更新第一子节点集合并将拓扑变化记录在报头中，最终随数据包到达接收节点；

所述接收节点，根据接收到的数据包中所记录的信息，恢复路径。

2.根据权利要求1所述的路径恢复方法，其特征在于：

所述报头中还包括：生成该数据包的源节点信息或无人机节点ID、从源节点到接收节点的路径长度，和生成数据包的稳定周期序号。

3.根据权利要求2所述的路径恢复方法，其特征在于：

所述从源节点到接收节点的路径长度，初始值为1，每经历一次转发后自增1。

4.根据权利要求2或3所述的路径恢复方法，其特征在于：

所述第一无人机在以下任一情况下更新其本地维护的第一子节点集合：

1)接收到的新数据包来自于第一子节点集合以外的无人机，则加入新的子节点至所述第一子节点集合；

2)一段时间内没有收到其子节点发来的数据包，则去除第一子节点集合中的该子节点。

5.根据权利要求4所述的路径恢复方法，其特征在于：

当接收到的新数据包来自于第一子节点集合以外的无人机时，将稳定周期序号记录至转发给接收器节点的数据包的报头中。

6.根据权利要求5所述的路径恢复方法，其特征在于：

转发给接收器节点的数据包的报头中还包括：记录变化发生在路径上的哪一跳，以及记录拓扑变化后路径上新无人机的编号。

7.根据权利要求6所述的路径恢复方法，其特征在于：

接收节点为每个稳定周期创建一个父节点表，其与稳定周期序号对应；当接收节点接收到数据包后，从数据包的报头读取该数据包的稳定周期序号，然后查询该稳定周期序号对应的父节点表。

8.根据权利要求7所述的路径恢复方法，其特征在于：

从所述数据包的报头中记录的源节点开始，逐跳查找到报头中记录的发送路径变化的节点，以记录的新无人机编号替代原始父节点；由此从父节点表中获得的从源节点到接收节点的转发路径为所述数据包的恢复路径。

9.根据权利要求8所述的路径恢复方法，其特征在于：

接收节点收到所有数据包后，依据报头中记录的稳定周期序号进行排序后逐条更新，优先更新发生较早的变化，同一周期内的变化优先更新所在跳数较小的变化。

10.根据权利要求9所述的路径恢复方法，其特征在于：

在收集结束时执行路径恢复，按照数据包生成和变化发生的稳定周期的先后顺序更新历史拓扑并对所有的数据包进行路径恢复。

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