一种灾后应急通信地下飞行自组网拓扑控制方法技术

本发明专利技术公开了一种灾后应急通信地下飞行自组网拓扑控制方法，首先提出一种层次化方法自适应维护支配集，然后通过维护带权最小生成树修复支配集连通性，最后动态检测失效关节节点，保证连通支配集的最小性。为了确保每次更新后维护最小连通支配集的时间复杂度小于重新计算的时间复杂度，本发明专利技术仅处理拓扑变化的部分，且能够处理飞行自组网中所有类型的拓扑变化，包括节点的进入、离开和移动，具有较好的普适性与可扩展性。

【技术实现步骤摘要】
一种灾后应急通信地下飞行自组网拓扑控制方法
本专利技术属于灾后地下通信
，特别涉及了一种飞行自组网拓扑控制方法。
技术介绍
随着我国经济的高速发展与基建智能化水平的不断提升，经过多年的开发与建设，现在拥有了全世界最多的地下空间，包含矿井、隧道、地铁、人防工程、地下停车场等。随着地下空间的开发规模不断扩大，地下灾害发生的频率和成灾强度也不断增大。地下空间一旦发生灾害，不仅施救非常困难，现场灾情信息的全面感知、快速回传以及救援应急通信指挥网络的快速灵活构建也是一大难题。现阶段的地下空间安防系统依赖于人工监视或预安装的固定传感及通信设备，使用范围受限、灵活性差，难以满足动态感知、可靠传输与快速响应的需求，特别是在灾后应急场景中基础设施部分或全部失效、短时间难以恢复的情况下，更需要对事故区域进行快速地态势感知及数据回传。由于具有灵活部署、无人化作业、机动性强、能在狭小空间飞行等特点，当地下空间灾害事故发生后，无人机能够迅速深入危险区域执行侦测搜救任务，并能够利用自身携带的微型基站与用户前置设备同时实现地下通信网络的恢复重构与灾情信息的实时回传。由于单架无人机感知与通信范围的局限性，多无人机集群可以通过态势感知与信息交互实现自组织组网，构建飞行自组网，从而使得距离较远的无人机借助其他节点的中继转发功能实现无线多跳回传。在构建飞行自组网时，一般采用构建虚拟骨干网的形式实现拓扑控制，将路由转发功能限制在部分节点上，以减少并发多跳链路造成大量的路由开销。目前国际上大多采用建立最小连通支配集的方式构建虚拟骨干网，即对于任何非支配集节点都存在一个支配集节点在它的直连通信范围内，且支配集节点互相连通。连通支配集内节点数目越少，路由开销越小。与传统地面移动自组网相比，无人机集群自组网具有空间立体性、节点高移动性等特性。这些特性导致拓扑结构快速变化，群体决策难以收敛，需要设计一种自适应连通支配集构建方法。XiaohanQi等人在2019年提出一种基于多连通支配集的飞行自组网拓扑控制方法，在当前连通支配集后替换备选连通支配集。然而这种方法仅适用于拓扑变化频率较低的情况，当拓扑快速变化时，备选连通支配集全部失效，需要重新构建多连通支配集，极大增加了计算复杂度与信令开销，导致当前连通支配集与拓扑不匹配，业务质量无法保障，不具备良好的应用前景。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种灾后应急通信地下飞行自组网拓扑控制方法，能够处理飞行自组网中所有类型的拓扑变化，具有较好的普适性与可扩展性。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种灾后应急通信地下飞行自组网拓扑控制方法，包括以下步骤：(1)初始阶段，每个无人机周期性交换节点支配能力的相关信息，根据支配能力选择支配节点，直至所有节点都被支配；在时隙t内，执行步骤(2)-(4)；(2)检测网络拓扑变化，通过自适应支配集维护算法自适应更新支配集Dt，所述支配集的近似比为其中表示近似比小于log(N)，N为初始时刻无人机的数量；(3)通过构建带权最小生成树确定需要添加到连通性维护节点集合Ct中的节点，确保连通支配集的连通性，其中(4)遍历v∈Ct的所有节点来检测的连通性，输出时隙t的连通支配集其中表示在连通支配集中除去节点v。进一步地，在步骤(2)中，所述自适应支配集维护算法的过程如下：(2A)算法进程到时隙t，用表示从时隙t-1到时隙t的拓扑变化，分为节点插入、节点删除、边插入和边删除四类拓扑变化；(2B)如果从中随机选择一个元素ρ并执行以下操作直至为空集：如果ρ为节点vi的插入，则添加支配对(vi,Dom(vi)＝vi)到集合S(t)和层级1中，Dom(vi)被节点vi支配的节点集合；对于任意vi∈V(t)，V(t)为t时刻网络拓扑的节点集合，如果vi在层级l处于不稳定状态，则执行稳定性维护算法；如果ρ为节点vi的删除，则移除支配对(vi,Dom(vi))和相对应的边εi(t)；对于任意(vi,vj)∈εi(t)，如果节点vi支配节点vj，则添加支配对(vj,Dom(vj)＝vj)到集合S(t)和层级1中；对于任意vi∈V(t)，如果vi在层级l处于不稳定状态，则执行稳定性维护算法；如果ρ为节点vi与节点vj之间的边插入，如果节点vi或节点vj在层级l处于不稳定状态，则执行稳定性维护算法；如果ρ为节点vi与节点vj之间的边删除，若节点vi支配节点vj，则从Dom(vi)中移除节点vj，添加支配对(vi,Dom(vi)＝vi)到支配集Dt和层级1中，执行稳定性维护算法；若节点vj支配节点vi，则从Dom(vj)中一处节点vi；添加支配对(vj,Dom(vj)＝vj)到支配集Dt和层级1中，执行稳定性维护算法。进一步地，所述稳定性维护算法的过程如下：(2a)输入节点vi与层级l，将支配对(vi,Vl(t)∩NBi(t))移动到能够放置的最低层级中，满足|Vl(t)∩NBi(t)|∈Rl，Vl(t)为属于层级l的所有节点的集合，NBi(t)为节点vi的邻居节点集合，Rl＝[2l-10,2l]为第l层容量处于的区间；(2b)从支配对(vj,Dom(vj)＝vj)中移除Vl(t)∩NBi(t)中的所有节点，替换为(vj,Dom(vj)\{Dom(vj)∩Vl(t)∩NBi(t)})：如果则将移除；如果|(vj,Dom(vj)\{Dom(vj)∩Vl(t)∩NBi(t)})|＜2l-10，则将(vj,Dom(vj)\{Dom(vj)∩Vl(t)∩NBi(t)})移动到能够放置的最高层级里。进一步地，在步骤(3)中，所述带权最小生成树的特性如下：如果是连通支配集，使用权重为1的条边构造一个生成树使用权重为w的条边生成Gt，V(t)为t时刻网络拓扑的节点集合，Gt为t时刻动态拓扑图，则最小生成树的权重之和为否则最小生成树的权重之和大于进一步地，在步骤(3)中，对集合Ct进行更新的类型包括：类型1：对于因拓扑变化或因自适应支配集维护算法中的节点移除所导致的边插入、节点删除或节点插入的情况，需在集合Ct中添加节点来修复连通性；类型2：对于由拓扑动态变化、自适应支配集维护算法或连通性修复过程引发的边/节点插入的情况，需删除集合Ct中无用的节点以保持连通支配集的最小性。进一步地，对于类型1，在一个边删除操作完成后，变为不连通，此时最多涉及带权最小生成树的2个内部节点不在支配集Dt中，将涉及的节点添加到集合Ct中以确保连通性；如果删除节点v导致不连通，那么将节点v被添加到集合Ct中；如果插入节点v导致不连通，带权最小生成树最多需要添加2个内部节点到集合Ct中以确保连通性。进一步地，对于类型2，确保集合Ct中的每个节点都为连通支配集的导出子图的关节节点。采用上述技术方案带来的有益效果：为了解决自适应连通支配集维护问题，本专利技术提出了一种飞行自组网拓扑控制方法，首先提出一种层次化方法自适应维护本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种灾后应急通信地下飞行自组网拓扑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)初始阶段，每个无人机周期性交换节点支配能力的相关信息，根据支配能力选择支配节点，直至所有节点都被支配；在时隙t内，执行步骤(2)-(4)；/n(2)检测网络拓扑变化，通过自适应支配集维护算法自适应更新支配集D

【技术特征摘要】
1.一种灾后应急通信地下飞行自组网拓扑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)初始阶段，每个无人机周期性交换节点支配能力的相关信息，根据支配能力选择支配节点，直至所有节点都被支配；在时隙t内，执行步骤(2)-(4)；
(2)检测网络拓扑变化，通过自适应支配集维护算法自适应更新支配集Dt，所述支配集的近似比为其中表示近似比小于log(N)，N为初始时刻无人机的数量；
(3)通过构建带权最小生成树确定需要添加到连通性维护节点集合Ct中的节点，确保连通支配集的连通性，其中
(4)遍历v∈Ct的所有节点来检测的连通性，输出时隙t的连通支配集其中表示在连通支配集中除去节点v。


2.根据权利要求1所述灾后应急通信地下飞行自组网拓扑控制方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述自适应支配集维护算法的过程如下：
(2A)算法进程到时隙t，用表示从时隙t-1到时隙t的拓扑变化，分为节点插入、节点删除、边插入和边删除四类拓扑变化；
(2B)如果从中随机选择一个元素ρ并执行以下操作直至为空集：
如果ρ为节点vi的插入，则添加支配对(vi,Dom(vi)＝vi)到集合S(t)和层级1中，Dom(vi)被节点vi支配的节点集合；对于任意vi∈V(t)，V(t)为t时刻网络拓扑的节点集合，如果vi在层级l处于不稳定状态，则执行稳定性维护算法；
如果ρ为节点vi的删除，则移除支配对(vi,Dom(vi))和相对应的边εi(t)；对于任意(vi,vj)∈εi(t)，如果节点vi支配节点vj，则添加支配对(vj,Dom(vj)＝vj)到集合S(t)和层级1中；对于任意vi∈V(t)，如果vi在层级l处于不稳定状态，则执行稳定性维护算法；
如果ρ为节点vi与节点vj之间的边插入，如果节点vi或节点vj在层级l处于不稳定状态，则执行稳定性维护算法；
如果ρ为节点vi与节点vj之间的边删除，若节点vi支配节点vj，则从Dom(vi)中移除节点vj，添加支配对(vi,Dom(vi)＝vi)到支配集Dt和层级1中，执行稳定性维护算法；若节点vj支配节点vi，则从Dom(vj)中一处节点vi；添加支配对(vj,Dom(vj)＝vj)到支配集Dt和层级1中，执行稳定性维护算法。


3.根据权利要求2所述灾后应急通信地下飞行自组网拓扑控制方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博文，孙彦景，董锴文，牛勇，陈岩，周家思，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32