CN116437371B - 基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，涉及无人机集群通信技术领域，包括：每个子网中包括多个节点，所述节点分为多模态节点和普通节点；所述多模态节点同时具备全向通信模式和定向通信模式，所述普通节点仅具备定向通信模式；每个子网包含多个多模态节点，具备冗余备份抗毁作用，当其中一个多模态节点出现工作异常或被毁时，其他的多模态节点自动承担其功能角色；本发明，提升了集群节点的冗余抗毁及低截获性能，同时实现高灵活自适应的子网拆分与重构协同组网。

Description

基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法

技术领域

本发明涉及无人机集群通信技术领域，具体涉及基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

在无人机集群网络中，多个无人机节点之间可通过采用不同的通信模式进行集群组网，协同开展指定任务；因此无人机群协同拓扑控制方法直接影响整个无人机集群的组网性能及协同任务成败。

当前无人机集群组网场景将面临越来越复杂的电磁环境，特别是在强拒止环境下，集群协同任务对网络抗毁s性、抗截获性能提出了更高的要求；传统的无人机群拓扑优化方法通常基于全向通信模态，从飞控角度控制无人机间距、构型、队形等进行拓扑优化，对集群网络抗毁性、抗截获性能等整体性能提升尚没有达到理想效果，还需进一步优化提升。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中存在的问题，提供了基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，提升集群节点的冗余抗毁及低截获性能，同时实现高灵活自适应的子网拆分与重构协同组网，从而解决了上述问题。

本发明的技术方案如下：

基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，包括：

每个子网中包括多个节点，所述节点分为多模态节点和普通节点；所述多模态节点同时具备全向通信模式和定向通信模式，所述普通节点仅具备定向通信模式；

每个子网包含多个多模态节点，具备冗余备份抗毁作用，当其中一个多模态节点出现工作异常或被毁时，其他的多模态节点自动承担其功能角色。

进一步地，所述多模态节点在全向通信模式下大部分时间处于仅接收状态，获取其他节点的网络状态，小部分时间周期性的发送集群网络节点共享信息，用于与其他节点保持持续通信，且根据与其他节点之间的相对位置关系，自适应调整发射功率为当前最小状态，刚好覆盖与其他节点的通信范围，以减小截获概率；

所述普通节点在定向通信模式下，在飞行过程中通过定向天线周期转动，保证能及时接收多模态节点的网络维护消息，进行集群网络维护处理；

当普通节点需要与其他普通节点进行业务互通时，将定向天线指向对方节点，完成本节点与对方节点的通信握手过程，然后开始互传业务数据，并保持持续的通信。

进一步地，包括以下多模态通信模式冗余抗毁过程：

多模态节点上配置全向天线和定向天线，同时具备全向通信模式和定向通信模式；普通节点仅配置定向天线，具备定向通信模式；

节点通过接收周围其他节点的网络维护消息获取周围节点的通信模式配置信息，并将通信模式配置信息填入本地节点通信模式表；所述通信模式配置信息，包括：全向通信模式或定向通信模式；

每个子网包含多个多模态节点，默认其中一个多模态节点为主多模态节点，同时使用全向通信模式和定向通信模式，维护子网通信与稳定拓扑结构；其他多模态节点配置为副多模态节点，仅使用定向通信模式以减小截获概率；

当主多模态节点出现工作异常或被毁时，其他的副多模态节点通过交互集群多模态节点切换消息自动承担其功能角色，具备冗余备份抗毁作用；并将最新的节点通信模式配置信息通过网络维护消息发送给周围节点，节点收到该消息后更新本地节点通信模式表。

进一步地，包括以下多模态节点、普通节点低截获通信过程：

多模态节点在全向通信模式大部分时间处于仅接收状态，获取其他节点的网络状态，小部分时间周期性的发送集群网络节点共享信息，用于与其他节点保持持续通信，且根据与其他节点之间的相对位置关系，自适应调整发射功率为当前最小状态，刚好覆盖与其他节点的通信范围，以减小截获概率；同时，针对特定的业务数据传输，使用定向通信模式，进一步减小截获概率；每个节点将本子网所有其他节点的网络状态参数存入集群子网网络状态表；

不同子网的多模态节点之间通过全向通信模式交互子网各个节点的网络状态，使每个节点能感知整个集群网络的整体拓扑结构信息，每个节点将其他子网所有节点的网络状态参数存入集群子网网络状态表；

普通节点仅仅使用定向通信模式，飞行过程中通过定向天线周期转动，保证能及时接收多模态节点的网络维护消息，进行网络维护处理；所述普通节点通过接收网络维护消息，实时获取其他节点的网络信息，当需要与指定的某个普通节点进行业务互通时，将定向天线指向对方节点，发送通信握手消息，等待对方节点定向天线收到消息后再进行应答，完成本节点与对方节点的通信握手过程；然后开始互传业务数据，并保持持续的通信。

进一步地，包括以下多个节点重组到另一个子网协同组网过程：

多个节点重组到另一个子网进行协同组网时，多模态节点进行重组网处理；

将本子网的频道信息转发给需要重组的普通节点进行频道切换，然后这些节点通过定向天线周期转动接收新子网的多模态节点的网络维护消息，完成新子网的入网处理及稳定子网通信。

进一步地，所述多个节点重组到另一个子网协同组网过程，包括：

多模态节点进行重组网处理，通过全向通信模式与另一个子网的多模态节点交互网络重构消息，将本子网的频道信息通过另一个子网多模态节点转发给需要重组的普通节点；

需要重组的普通节点通过定向通信模式接收本子网多模态节点转发的频道信息，将频道切换为对应的子网频道，通过定向天线周期转动接收新子网多模态节点的网络维护消息，并通过网络维护消息发送本节点的网络信息，完成子网的稳定通信；

多模态节点及其他普通节点根据当前最新的子网成员状态，更新本地集群子网网络状态表。

进一步地，包括以下多个不同子网节点拆分出来重构成一个新的子网协同组网过程：

多个不同子网的节点拆分出来重构成一个新的子网进行协同组网时，多模态节点通过在网络重构公共频道上发送重构消息，拆分出来的节点在重构公共频道上通过定向天线周期转动接收该消息，调整自身频道，在新的子网完成入网处理及稳定子网通信。

进一步地，所述多个不同子网节点拆分出来重构成一个新的子网协同组网过程，包括：

多模态节点通过在网络重构公共频道上发送网络重构消息，各个不同子网拆分出来的节点将本地频道调整到重构公共频道上，通过定向天线周期转动接收多模态节点的网络重构消息，获取重构的新子网的信息；

各个不同子网拆分出来的节点根据网络重构消息中的重构频道参数，调整自身频道，在新的子网进行入网处理，并通过网络维护消息发送本节点的网络信息，通过定向天线周期转动完成与多模态节点、其他普通节点之间的信息交互，完成子网的稳定通信，并根据当前最新的子网成员状态，更新本地集群子网网络状态表。

进一步地，所述网络状态，包括：节点ID、位置、速度、跳数、通信模式、入网信息；

所述集群网络节点共享信息，包括：每个节点的ID、位置、速度、跳数、通信模式。

进一步地，所述通信握手消息，包括：本节点位置、速度；

所述重构消息，包括：节点ID、类型、位置、速度、重构频道。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

1、基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，采用基于多模态通信模式的具有冗余抗毁特性的群拓扑控制算法，在实现多模态节点冗余抗毁的同时，能动态实时根据无人机运动情况实现高灵活自适应的子网拆分与重构协同组网，保证整个集群稳定的网络拓扑结构。

2、基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，采用基于多模态通信模式低截获的群拓扑控制算法，多模态节点全向通信模式大部分时间处于仅接收状态，小部分时间发送集群网络节点共享信息，且根据节点相对位置自适应调整发射功率为当前最小状态，最大程度减小截获概率；普通节点仅仅使用定向通信模式，可显著提升集群节点之间的低截获性能。

附图说明

图1为基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

当前无人机集群组网场景将面临越来越复杂的电磁环境，特别是在强拒止环境下，集群协同任务对网络抗毁性、抗截获性能提出了更高的要求。因此，为适配无人机集群在强拒止环境下的组网应用，需要基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑控制方法，提升集群节点的冗余抗毁及低截获性能，同时实现高灵活自适应的子网拆分与重构协同组网。

因此，本实施例中提出了基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，请参阅图1，具体包括：

每个子网中包括多个节点，所述节点分为多模态节点和普通节点；所述多模态节点同时具备全向通信模式和定向通信模式，所述普通节点仅具备定向通信模式；

每个子网包含多个多模态节点，具备冗余备份抗毁作用，当其中一个多模态节点出现工作异常或被毁时，其他的多模态节点自动承担其功能角色。

在本实施例中，具体的，所述多模态节点在全向通信模式下大部分时间处于仅接收状态，获取其他节点的网络状态，小部分时间周期性的发送集群网络节点共享信息，用于与其他节点保持持续通信，且根据与其他节点之间的相对位置关系，自适应调整发射功率为当前最小状态，刚好覆盖与其他节点的通信范围，以减小截获概率；

所述普通节点在定向通信模式下，在飞行过程中通过定向天线周期转动，保证能及时接收多模态节点的网络维护消息，进行集群网络维护处理；

当普通节点需要与其他普通节点进行业务互通时，将定向天线指向对方节点，完成本节点与对方节点的通信握手过程，然后开始互传业务数据，并保持持续的通信。

在本实施例中，具体的，包括以下多模态通信模式冗余抗毁过程：

多模态节点上配置全向天线和定向天线，同时具备全向通信模式和定向通信模式；普通节点仅配置定向天线，具备定向通信模式；

节点通过接收周围其他节点的网络维护消息获取周围节点的通信模式配置信息，并将通信模式配置信息填入本地节点通信模式表；所述通信模式配置信息，包括：全向通信模式或定向通信模式；

每个子网包含多个多模态节点（典型配置为2~3个），默认其中一个多模态节点为主多模态节点，同时使用全向通信模式和定向通信模式，维护子网通信与稳定拓扑结构；其他多模态节点配置为副多模态节点，仅使用定向通信模式以减小截获概率；

当主多模态节点出现工作异常或被毁时，其他的副多模态节点通过交互集群多模态节点切换消息自动承担其功能角色，具备冗余备份抗毁作用；并将最新的节点通信模式配置信息通过网络维护消息发送给周围节点，节点收到该消息后更新本地节点通信模式表。

在本实施例中，具体的，包括以下多模态节点、普通节点低截获通信过程：

多模态节点在全向通信模式大部分时间处于仅接收状态，获取其他节点的网络状态（包含节点ID、位置、速度、跳数、通信模式、入网信息等网络状态），小部分时间周期性的发送集群网络节点共享信息（包含每个节点的ID、位置、速度、跳数、通信模式等），用于与其他节点保持持续通信，且根据与其他节点之间的相对位置关系，自适应调整发射功率为当前最小状态，刚好覆盖与其他节点的通信范围，以减小截获概率；同时，针对特定的业务数据传输，使用定向通信模式，进一步减小截获概率；每个节点将本子网所有其他节点的网络状态参数存入集群子网网络状态表；

不同子网的多模态节点之间通过全向通信模式交互子网各个节点的网络状态（包含节点ID、位置、速度、跳数、通信模式等），使每个节点能感知整个集群网络的整体拓扑结构信息，每个节点将其他子网所有节点的网络状态参数存入集群子网网络状态表；

普通节点仅仅使用定向通信模式，飞行过程中通过定向天线周期转动，保证能及时接收多模态节点的网络维护消息，进行网络维护处理；所述普通节点通过接收网络维护消息，实时获取其他节点的网络信息，当需要与指定的某个普通节点进行业务互通时，将定向天线指向对方节点，发送通信握手消息（包含本节点位置、速度等基本信息），等待对方节点定向天线收到消息后再进行应答，完成本节点与对方节点的通信握手过程；然后开始互传业务数据，并保持持续的通信。

在本实施例中，具体的，包括以下多个节点重组到另一个子网协同组网过程：

多个节点重组到另一个子网进行协同组网时，多模态节点进行重组网处理；

将本子网的频道信息转发给需要重组的普通节点进行频道切换，然后这些节点通过定向天线周期转动接收新子网的多模态节点的网络维护消息，完成新子网的入网处理及稳定子网通信。

在本实施例中，具体的，所述多个节点重组到另一个子网协同组网过程，包括：

多模态节点进行重组网处理，通过全向通信模式与另一个子网的多模态节点交互网络重构消息，将本子网的频道信息通过另一个子网多模态节点转发给需要重组的普通节点；

需要重组的普通节点通过定向通信模式接收本子网多模态节点转发的频道信息，将频道切换为对应的子网频道，通过定向天线周期转动接收新子网多模态节点的网络维护消息（包含当前多模态节点的位置、速度等信息），并通过网络维护消息发送本节点的网络信息（包含节点ID、位置、速度、跳数），完成子网的稳定通信；

多模态节点及其他普通节点根据当前最新的子网成员状态，更新本地集群子网网络状态表。

在本实施例中，具体的，包括以下多个不同子网节点拆分出来重构成一个新的子网协同组网过程：

多个不同子网的节点拆分出来重构成一个新的子网进行协同组网时，多模态节点通过在网络重构公共频道上发送重构消息（包含节点ID、类型、位置、速度、重构频道等基本信息），拆分出来的节点在重构公共频道上通过定向天线周期转动接收该消息，调整自身频道，在新的子网完成入网处理及稳定子网通信。

在本实施例中，具体的，所述多个不同子网节点拆分出来重构成一个新的子网协同组网过程，包括：

多模态节点通过在网络重构公共频道上发送网络重构消息（包含节点ID、通信模式、位置、速度、重构频道等基本信息），各个不同子网拆分出来的节点将本地频道调整到重构公共频道上，通过定向天线周期转动接收多模态节点的网络重构消息，获取重构的新子网的信息（包含频道信息、当前多模态节点的位置、速度等信息）；

各个不同子网拆分出来的节点根据网络重构消息中的重构频道参数，调整自身频道，在新的子网进行入网处理，并通过网络维护消息发送本节点的网络信息，通过定向天线周期转动完成与多模态节点、其他普通节点之间的信息交互，完成子网的稳定通信，并根据当前最新的子网成员状态，更新本地集群子网网络状态表。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。

Claims (8)

1.基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，其特征在于，包括：

每个子网中包括多个节点，所述节点分为多模态节点和普通节点；所述多模态节点同时具备全向通信模式和定向通信模式，所述普通节点仅具备定向通信模式；

每个子网包含多个多模态节点，具备冗余备份抗毁作用，当其中一个多模态节点出现工作异常或被毁时，其他的多模态节点自动承担其功能角色；

所述多模态节点在全向通信模式下大部分时间处于仅接收状态，获取其他节点的网络状态，小部分时间周期性的发送集群网络节点共享信息，用于与其他节点保持持续通信，且根据与其他节点之间的相对位置关系，自适应调整发射功率为当前最小状态，刚好覆盖与其他节点的通信范围，以减小截获概率；

所述普通节点在定向通信模式下，在飞行过程中通过定向天线周期转动，保证能及时接收多模态节点的网络维护消息，进行集群网络维护处理；

当普通节点需要与其他普通节点进行业务互通时，将定向天线指向对方节点，完成本节点与对方节点的通信握手过程，然后开始互传业务数据，并保持持续的通信；

包括以下多模态通信模式冗余抗毁过程：

多模态节点上配置全向天线和定向天线，同时具备全向通信模式和定向通信模式；普通节点仅配置定向天线，具备定向通信模式；

节点通过接收周围其他节点的网络维护消息获取周围节点的通信模式配置信息，并将通信模式配置信息填入本地节点通信模式表；所述通信模式配置信息，包括：全向通信模式或定向通信模式；

每个子网包含多个多模态节点，默认其中一个多模态节点为主多模态节点，同时使用全向通信模式和定向通信模式，维护子网通信与稳定拓扑结构；其他多模态节点配置为副多模态节点，仅使用定向通信模式以减小截获概率；

当主多模态节点出现工作异常或被毁时，其他的副多模态节点通过交互集群多模态节点切换消息自动承担其功能角色，具备冗余备份抗毁作用；并将最新的节点通信模式配置信息通过网络维护消息发送给周围节点，节点收到该消息后更新本地节点通信模式表。

2.根据权利要求1所述的基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，其特征在于，包括以下多模态节点、普通节点低截获通信过程：

针对特定的业务数据传输，使用定向通信模式，进一步减小截获概率；每个节点将本子网所有其他节点的网络状态参数存入集群子网网络状态表；

不同子网的多模态节点之间通过全向通信模式交互子网各个节点的网络状态，使每个节点能感知整个集群网络的整体拓扑结构信息，每个节点将其他子网所有节点的网络状态参数存入集群子网网络状态表；

所述普通节点通过接收网络维护消息，实时获取其他节点的网络信息，当需要与指定的某个普通节点进行业务互通时，将定向天线指向对方节点，发送通信握手消息，等待对方节点定向天线收到消息后再进行应答，完成本节点与对方节点的通信握手过程；然后开始互传业务数据，并保持持续的通信。

3.根据权利要求2所述的基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，其特征在于，包括以下多个节点重组到另一个子网协同组网过程：

多个节点重组到另一个子网进行协同组网时，多模态节点进行重组网处理；

将本子网的频道信息转发给需要重组的普通节点进行频道切换，然后这些节点通过定向天线周期转动接收新子网的多模态节点的网络维护消息，完成新子网的入网处理及稳定子网通信。

4.根据权利要求3所述的基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，其特征在于，所述多个节点重组到另一个子网协同组网过程，包括：

多模态节点进行重组网处理，通过全向通信模式与另一个子网的多模态节点交互网络重构消息，将本子网的频道信息通过另一个子网多模态节点转发给需要重组的普通节点；

需要重组的普通节点通过定向通信模式接收本子网多模态节点转发的频道信息，将频道切换为对应的子网频道，通过定向天线周期转动接收新子网多模态节点的网络维护消息，并通过网络维护消息发送本节点的网络信息，完成子网的稳定通信；

多模态节点及其他普通节点根据当前最新的子网成员状态，更新本地集群子网网络状态表。

5.根据权利要求1所述的基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，其特征在于，包括以下多个不同子网节点拆分出来重构成一个新的子网协同组网过程：

多个不同子网的节点拆分出来重构成一个新的子网进行协同组网时，多模态节点通过在网络重构公共频道上发送重构消息，拆分出来的节点在重构公共频道上通过定向天线周期转动接收该消息，调整自身频道，在新的子网完成入网处理及稳定子网通信。

6.根据权利要求5所述的基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，其特征在于，所述多个不同子网节点拆分出来重构成一个新的子网协同组网过程，包括：

多模态节点通过在网络重构公共频道上发送网络重构消息，各个不同子网拆分出来的节点将本地频道调整到重构公共频道上，通过定向天线周期转动接收多模态节点的网络重构消息，获取重构的新子网的信息；

各个不同子网拆分出来的节点根据网络重构消息中的重构频道参数，调整自身频道，在新的子网进行入网处理，并通过网络维护消息发送本节点的网络信息，通过定向天线周期转动完成与多模态节点、其他普通节点之间的信息交互，完成子网的稳定通信，并根据当前最新的子网成员状态，更新本地集群子网网络状态表。

7.根据权利要求1所述的基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，其特征在于，所述网络状态，包括：节点ID、位置、速度、跳数、通信模式、入网信息；

所述集群网络节点共享信息，包括：每个节点的ID、位置、速度、跳数、通信模式。

8.根据权利要求4所述的基于多模态通信模式冗余抗毁低截获群协同拓扑优化方法，其特征在于，所述通信握手消息，包括：本节点位置、速度；

所述重构消息，包括：节点ID、类型、位置、速度、重构频道。