一种基于k跳可达性的主动保持无人集群网络连通性的方法技术

本发明专利技术提出一种基于k跳可达性的主动保持无人集群等动态网络连通性的方法，该方法通过主动调整网络拓扑结构来减轻节点或链路失效对网络连通性的影响，该方法主要特征在于：1)建立无人集群网络模型并定义衡量网络局部连通度的k

【技术实现步骤摘要】
一种基于k跳可达性的主动保持无人集群网络连通性的方法


[0001]本专利技术属于无人集群(swarm)领域和动态网络通信领域，具体地说是提出一种基于k 跳可达性的主动保持无人集群等动态网络连通性的方法，该方法通过主动调整网络拓扑结构来减轻节点或链路失效对网络连通性的影响。

技术介绍

[0002]由多个小型化无人节点组成的无人集群，由于其具有降低系统成本效率、扩展性强、生存性高和缩短任务完成时间等优点，受到了产业界和学术界的广泛关注。无人集群的优点来源于节点间的协同，而支撑节点协同的基础是保证无机集群网络的有效连通。在动态、移动甚至对抗的环境中，集群节点因为种种原因而易于损毁或失效，大量节点失效将无法保证无人集群网络的连通。网络连通度是直接影响网络可生存性的一个重要指标，只有保证无人集群网络具有一定的连通度才能支持无人集群正常工作。因此，为无人集群网络设计一种能够维持节点连通度的方法至关重要。
[0003]解决因节点失效而引发的无线网络连通性不足通常有两种途径：主动式和响应式策略。主动式策略通过部署冗余资源或路径来减轻节点失效对连通性造成的影响，使网络不致分割成多块。响应式策略则在检测到网络分块后设法恢复其连通性，主要方法包括移动节点、数据骡、协作通信等。目前在无线传感网、移动自组网等领域，尽管也具有类似的问题，而事实上无人集群网络所面临的问题与它们有所不同。例如，首先无人集群网络中的节点是智能节点，它们具有感知周边状况并依据任务进行自主决策的能力；其次，无人集群网络中的节点具有自主移动的能力，它具有为执行自主决策而移动到特定的位置的能力。
[0004]本专利技术利用无人集群的特点而提出一种全新的技术解决方案，当节点失效导致网络连通度不满足特定要求时，通过某种智能决策过程，主动调整拓扑来提升网络的连通度，从而降低节点失效导致网络发生分块的概率，提升网络的可靠性。

技术实现思路

[0005][专利技术目的]：本专利技术提供了一种主动保持无人集群网络连通性的方法。通过设计一种基于k-跳可达性的分布式网络连通性异常识别方法和基于k-跳可达性定义的k-跳约束局部代数连通性指标，设计了一种拓扑重构方法，以保持网络从初始拓扑到目标拓扑的转换过程中的连通性。
[0006][技术方案]：
[0007]1.一种基于k-跳可达性的主动保持无人集群网络连通性的方法，其特征在于，该方法的具体实施步骤如下：
[0008]步骤1：建立无人集群网络模型并定义衡量网络局部连通度的k-跳约束局部代数连通度指标；
[0009]步骤2：节点周期性的检查与其邻节点间的链路状态，若检测出链路断开，则启动网络连通性异常识别过程，具体包括以下三个子步骤：
[0010]步骤2.1：与1-跳邻节点通信，获取节点ID、位置、及k-跳邻节点的相关信息；
[0011]步骤2.2：根据获取到的信息，计算节点的k-跳约束局部代数连通度
[0012]步骤2.3：如果节点的k-跳约束局部代数连通度小于设定的阈值，则判定当前网络处于异常状态，并将异常信息报告给主节点处理。
[0013]步骤3：当主节点接收到当前网络处于异常状态的报告后，主节点启动轮询所有节点获取全局拓扑信息，然后启动基于虚拟边的拓扑重构过程，计算出满足连通度需求的目标拓扑结构。具体包括以下7个子步骤：
[0014]步骤3.1：计算无人集群网络初始拓扑对应的无向图的最小生成树MST；
[0015]步骤3.2：计算所有节点的k-跳约束局部代数连通度，判断所有节点的k-跳约束局部代数连通度是否均不小于设定的阈值ζ，如果则结束目标拓扑的计算过程，否则转入步骤3.3；
[0016]步骤3.3：构造矩阵M(t)＝P
T
L
G
(t)P，其中，L
G
(t)是当前无人集群网络对应的拉普拉斯矩阵，P＝[p
1 p2...p
n
]是一个n
×
(n-1)矩阵，对于所有i，j＝1，...，n，且1 表示所有元素为1的n维向量；
[0017]步骤3.4：计算矩阵M(t)对应的行列式的值detM，如果上一次迭代过程中的行列式的值小于等于detM，则表示当前重构过程陷入局部最优。此时通过以下步骤跳出局部最优：
[0018]步骤3.4.1：检查是否有符合条件的虚拟边，如果存在符合条件的虚拟边ve
ij
，则将传输范围R设置为ve
ij
的距离，然后更新矩阵M(t)和L
G
(t)的值；
[0019]步骤3.4.2：如果不存在符合条件的虚拟边，则判断所有节点是否位于一条直线，若所有节点位于一条直线，则首先构造一个包含该直线且与xOy平面夹角最小的平面，然后在度为 1的节点的邻节点处构造一个与该平面的法向量平行的轴，并将度为1的节点绕该轴旋转120 度。若节点数为3，则仅旋转其中的一个度为1的节点。若所有节点不位于一条直线，则该方法失效；
[0020]步骤3.5：根据势场法计算每个节点受到的引力和斥力分别对应的运动分量和
[0021]步骤3.6：更新节点u
i
的目标位置q
′
i
(t)，确保生成树MST中的链路不会断开；
[0022]步骤3.7：转入步骤3.2。
[0023]步骤4：确定目标拓扑结构的位置和朝向，使得从初始拓扑变换到目标拓扑的过程中的节点总移动距离最短；
[0024]步骤5：使所有节点以相同的运动时间从初始拓扑变换到目标拓扑。
[0025]2.对于步骤1中所述的“建立集群网络模型并定义衡量网络局部连通度的k-跳约束局部代数连通度指标”，其特征在于：
[0026](1)令时变无向图G(t)＝{U(t)，E(t)}表示t时刻执行任务的无人集群，U(t)＝ {u
i
|i＝1，2，...，n}表示t时刻集群的n个无人机节点，E(t)＝{e
ij
|u
i
∈U(t)，u
j
∈U(t)}表示t时刻集群节点间的双向无线宽带通信链路。q
i
(t)表示节点u
i
在t时刻的位置，d
ij
表示节点u
i
和u
j
间的距离，无人集群节点间的距离不小于R
min
∈(0，R)；
[0027](2)令表示t时刻节点u
i
的k-跳邻节点集合，定义如下：
[0028][0029]表示节点u
i
的l跳邻节点集合，其中包含u
i
节点自身。
[0030](3)c
i，j
(t)是一个用于表示节点u
i
和u
j
是否相邻的布尔变量，其值如下：
[0031][0032](4)对于令表示节点u
i
和u
j
间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于k-跳可达性的主动保持无人集群网络连通性的方法，其特征在于，该方法的具体实施步骤如下：步骤1：建立无人集群网络模型并定义衡量网络局部连通度的k-跳约束局部代数连通度指标；步骤2：节点周期性的检查与其邻节点间的链路状态，若检测出链路断开，则启动网络连通性异常识别过程，具体包括以下三个子步骤：步骤2.1：与1-跳邻节点通信，获取节点ID、位置、及k-跳邻节点的相关信息；步骤2.2：根据获取到的信息，计算节点的k-跳约束局部代数连通度；步骤2.3：如果节点的k-跳约束局部代数连通度小于设定的阈值，则判定当前网络处于异常状态，并将异常信息报告给主节点处理。步骤3：当主节点接收到当前网络处于异常状态的报告后，主节点启动轮询所有节点获取全局拓扑信息，然后启动基于虚拟边的拓扑重构过程，计算出满足连通度需求的目标拓扑结构。具体包括以下7个子步骤：步骤3.1：计算无人集群网络初始拓扑对应的无向图的最小生成树MST；步骤3.2：计算所有节点的k-跳约束局部代数连通度，若所有节点的k-跳约束局部代数连通度均不小于特定阈值，则结束目标拓扑的计算过程，否则转入步骤3.3；步骤3.3：构造矩阵M(t)＝P
T
L
G
(t)P，其中，L
G
(t)是当前无人集群网络对应的拉普拉斯矩阵，P＝[p
1 p2…
p
n
]是一个n
×
(n-1)矩阵，对于所有i，j＝1，...，n，且表示所有元素为1的n维向量；步骤3.4：计算矩阵M(t)对应的行列式的值detM，如果上一次迭代过程中的行列式的值小于等于detM，则表示当前重构过程陷入局部最优。此时通过以下步骤跳出局部最优：步骤3.4.1：检查是否有符合条件的虚拟边，如果存在符合条件的虚拟边ve
ij
，则将传输范围R设置为ve
ij
的距离，然后更新矩阵M(t)和L
G
(t)的值；步骤3.4.2：如果不存在符合条件的虚拟边，则判断所有节点是否位于一条直线，若所有节点位于一条直线，则首先构造一个包含该直线且与xOy平面夹角最小的平面，然后在度为1的节点的邻节点处构造一个与该平面的法向量平行的轴，并将度为1的节点绕该轴旋转120度。若节点数为3，则仅旋转其中的一个度为1的节点。若所有节点不位于一条直线，则该方法失效；步骤3.5：根据势场法计算每个节点受到的引力和斥力分别对应的运动分量和步骤3.6：更新节点u
i
的目标位置q
′
i
(t)，确保生成树MST中的链路不会断开；步骤3.7：转入步骤3.2。步骤4：确定目标拓扑结构的位置和朝向，使得从初始拓扑变换到目标拓扑的过程中的节点总移动距离最短；步骤5：使所有节点以相同的运动时间从初始拓扑变换到目标拓扑。2.对于步骤1中所述的“建立集群网络模型并定义衡量网络局部连通度的k-跳约束局部代数连通度指标”，其特征在于：(1)令时变无向图G(t)＝{U(t)，E(t)}表示t时刻执行任务的无人集群，U(t)＝{u
i
|i＝
1，2，...，n}表示t时刻集群的n个无人机节点，E(t)＝{e
ij
|u
i
∈U(t)，u
j
∈U(t)}表示t时刻集群节点间的双向无线宽带通信链路。q
i
(t)表示节点u
i
在t时刻的位置，d
ij
表示节点u
i
和u
j
间的距离，无人集群节点间的距离不小于R
min
∈(0，R)；(2)令表示t时刻节点u
i
的k-跳邻节点集合，定义如下：跳邻节点集合，定义如下：表示节点u
i
的1跳邻节点集合，其中包含u
i
节点自身。(3)c
i，j
(t)是一个用于表示节点u
i
和u
j
是否相邻的布尔变量，其值如下：(4)对于令表示节点u
i
和u
j
间不包含节点u
l
的路径，即使得：其中u
a_0
表示节点u
i
，u
a_k
表示节点u
j
。令表示路径的长度，表示节点u
i
和u
j
间不包含节点u
l
的所有路径，表示中最短路径的长度。(5)对于令表示节点u
i
和u
j
间不包含节点u
l
的k-跳可达性，定义如下：(6)令节点u
l
所对应的1-跳邻节点集合所对应的子图为SG
l
，其k-跳约束加权邻接矩阵的定义如下所示：其中，f(d
ij
(t))＞0是一个关于节点间距离d
ij
(t)的sigmoid函数。令表示节点u
l
的k-跳约束的拉普拉斯矩阵，与k-跳约束加权邻接矩阵对应。(7)令表示节点u
i
的k-跳约束局部代数连通度，其值被定义为的第二最小特
征值。(8)根据网络连通性将无人集群网络划分为三种状态：正常、异常、故障。正常状态被定义为网络保持连通且所有节点的k-跳约束局部代数连通度均不小于特定阈值ζ，即跳约束局部代数连通度均不小于特定阈值ζ，即其中λ
G
(t)表示网络的全局代数连通度；异常状态被定义为网络保持连通且存在任意节点的k-跳约束局部代数连通度小于特定阈值ζ，即跳约束局部代数连通度小于特定阈值ζ，即故障状态被定义为存在任意节点不与其它任意节点连通，即λ
G
(t)＝0。本方法仅针对异常状态下的连通性保持进行处理。3.对于步骤3.4.1中所述的“检查是否有符合条件的虚拟边”，其特征在于：将同时满足以下要求的虚拟边加入候选虚拟边集合VE：(1)节点u
i
和u
j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王汇彬，陈鸣，
申请(专利权)人：南京华鹞信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：