[发明专利]一种路径恢复方法

说明书

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。

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：