CN118590959A - 一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本说明书提供一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法及装置，涉及无线通信组网领域。预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；基于本地节点预测信息及姿态信息预测准确概率，形成预判邻节点链路信息；判断本地节点与邻节点之间的建链能力；本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护本地节点的邻居表和路由表；在分簇网络中，超级簇头控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。解决了现有网络拓扑重构方法单纯利用方位信息结合有效通信距离确定的拓扑关系，无法准确的反映节点之间的拓扑连接状态的问题。

Description

一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法及装置

技术领域

本文件涉及无线通信组网技术领域，尤其涉及一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法及装置。

背景技术

无人机、高空平台等飞行器由于其高机动特性，会对无线通信链路产生影响，导致组网时网络拓扑的快速变化，为保证节点之间的可靠通信，需要具备路由维护和网络重构能力。针对节点高机动性对网络拓扑的影响，经常利用链路状态的预测结果对网络拓扑变化进行预判，快速实现网络的维护与按需重构。链路状态特性能够体现节点与其他节点进行无线通信的能力，主要与节点之间的距离相关。因此，现有的研究中，由于节点之间的位置关系可以直接反映链路状态特性，可以利用已知的节点运动状态信息结合轨迹预测算法对其进行方位信息的预测，然后根据预测的方位信息和通信的距离确定节点之间的拓扑连接，获取链路状态信息。

然而，飞行器等动态节点由于对天线安装的约束会导致节点不具备全空域的通信能力，即仅在某些特定方向具有通信能力，因此单纯利用方位信息结合有效通信距离确定的拓扑关系，无法准确的反映节点之间的拓扑连接状态，从而无法真实的反映链路状态信息。

因此，亟需一种网络重构与路由维护方法，解决现有网络拓扑重构方法单纯利用方位信息结合有效通信距离确定的拓扑关系，无法准确的反映节点之间的拓扑连接状态的问题。

发明内容

本说明书提供一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法及装置，用于解决现有网络拓扑重构方法单纯利用方位信息结合有效通信距离确定的拓扑关系，无法准确的反映节点之间的拓扑连接状态的问题。

第一方面，本说明书提供了一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法，包括：

在一个采用时分多址接入方式的无线网络中，本地节点在特定的时隙内与邻节点进行收发通信，并预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；

基于本地节点的方位信息、预测出的方位信息、姿态信息及姿态信息预测准确概率，进行网络拓扑预测，形成预判邻节点链路信息；

根据预测得到的本地节点的方位信息、本地节点的姿态信息、邻节点的方位信息，判断本地节点与邻节点之间的建链能力；

本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护本地节点的邻居表和路由表；

基于维护后的本地节点的邻居表和路由表，在分簇网络中，超级簇头控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。

第二方面，本说明书提供了一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护装置，包括：链路状态信息预测模块、预判邻节点链路信息形成模块、建链能力判断模块、信息交互模块、分簇全网更新模块，其中：

所述链路状态信息预测模块，用于在一个采用时分多址接入方式的无线网络中，节点在特定的时隙内与邻节点进行收发通信，并预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；

所述预判邻节点链路信息形成模块，用于基于本地节点的方位信息、预测出的方位信息、姿态信息及姿态信息预测准确概率，进行网络拓扑预测，形成预判邻节点链路信息；

所述建链能力判断模块，用于根据预测得到的本地节点的方位信息、姿态信息、邻节点的方位信息，判断本地节点与邻节点之间的建链能力；

所述信息交互模块，用于本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护本地节点的邻居表和路由表；

所述分簇全网更新模块，用于基于维护后的本地节点的邻居表和路由表，在分簇网络中，超级簇头控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。

本发明的有益效果如下：

本说明书提供一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法及装置，该方法包括：预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；基于本地节点预测信息及姿态信息预测准确概率，形成预判邻节点链路信息；判断本地节点与邻节点之间的建链能力；本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护本地节点的邻居表和路由表；在分簇网络中，超级簇头基于邻居表和路由表控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。该方法通过自身姿态和方位的预测和邻节点的方位预测，能够精准预测与邻节点进行通信时的指向和自身姿态信息，有效预判与邻节点的建链成功率，进而基于自身天线通信能力提前做出天线波束宽度等的控制调整，显著增强链路的稳定性，大幅降低节点移动对网络拓扑稳定性造成的潜在影响，确保网络始终保持高效稳定运行。同时提出在分层网络架构下利用跨层获取的链路状态预测得到的波束指向和位置信息的路由维护和重构方法，实现网络拓扑变化时新簇首的快速确定。该路由维护和重构方法利用预测准确度信息对路由的准确度进行量化，支持更准确的路由选择，在外导航受限条件下，也能实现路由的可靠维护和重构。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本说明书的进一步理解，构成本说明书的一部分，本说明书的示意性实施例及其说明用于解释本说明书，并不构成对本说明书的不当限定。在附图中：

图1是本说明书实施例中提供的一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法的示意图；

图2是本说明书实施例中提供的一种波束宽度的示意图；

图3是本说明书实施例中提供的一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护装置的示意图。

具体实施方式

为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及其相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文件保护的范围。

以下结合附图，详细说明本说明书各实施例提供的技术方案。

具体实施例一

本实施例提供了一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法，参见图1；

首先需要说明的是，本实施例针对TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址接入）系统，提出对链路状态信息的相关性要素从方位信息扩充至方位信息和姿态信息，通过方位和姿态信息的预测结果进行链路状态的预判，从而支撑可靠的路由维护和重构。其中路由维护和重构过程适用于采用分簇形式的分级网络中，即网络中存在簇首，簇首负责对整个网络进行管理。

对于一个采用TDMA方式的无线网络中，本地节点在特定的时隙内与邻节点进行收发通信，在进行业务交互的同时也会在不同的时隙资源内进行位置信息的交互。当节点之间完成组网后，各节点处于高机动运动状态，采用链路状态预测的快速可靠网络重构与路由维护方法实现网络的重构和路由的维护，具体处理步骤为：

步骤102、在一个采用时分多址接入方式的无线网络中，本地节点在特定的时隙内与邻节点进行收发通信，并预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；

其中所述本地节点指的是网络中通信节点中的任一个，邻节点指的是所述本地节点一跳范围内的相邻节点；

具体地，步骤102的一种具体实现方式可以为：

S21、根据实时测量信息，利用轨迹预测算法，对本地节点和邻节点的方位信息进行预测；

S22、对本地节点的姿态信息进行预测；

S23、根据预设的姿态预测方法和预测时间，确定预测得到的姿态信息的准确性概率；

预测得到的姿态信息的准确性概率即为姿态信息预测准确概率。

具体示例：

（1）利用轨迹预测算法对本地节点自身和邻节点的方位信息进行预测；

本实施例采用经典的卡尔曼滤波等方法，利用运动学方程和已知的测量信息，实现节点方位的预测。其中，对自身方位进行预测时已知的测量信息来自于导航信息，对邻节点的方位进行预测时已知的测量信息来自于过去邻节点发送过来的邻节点位置信息。

（2）对本地节点自身的姿态信息进行预测

姿态信息的预测可利用本地节点的动力学方程和运动学方程，或者根据当前的姿态信息进行外推获得。

（3）自身姿态预测准确性参数确定

根据所选取的姿态预测方法的预测准确程度，确定预测得到的姿态信息的准确概率。该准确概率取决与预测算法精度和预测时间，可以根据实际预测算法和应用需求等因素进行准确概率定义设计。这里给出一种准确概率的定义方法。设已知姿态的最大变化率为，对当前时间秒后的姿态进行预测。利用预测算法计算得到时间后的姿态变化为，姿态信息的准确概率可以表示为。

需要说明的是，在高动态网络，节点机动性强网络拓扑变化快，通过自身姿态、方位的预测和邻节点的方位预测，能够精准预测与邻节点进行通信时的指向和自身姿态信息，本实施例对于预测进行了扩展，除了节点位置的预测还有节点方向的预测，为后续实际链路连接状态的预测提供了基础。

步骤104、基于本地节点的方位信息、预测出的方位信息、姿态信息及姿态信息预测准确概率，进行网络拓扑预测，形成预判邻节点链路信息；

其中所述预判邻节点链路信息，包括：姿态信息预测准确概率、拓扑有效时间、目的节点标识地址、到目的节点的最后一跳节点地址。

具体地，本实施例提供了一种形成预判邻节点链路信息的技术方案，具体执行方式可以为：

S41、根据自身的姿态信息预测结果，确定姿态信息预测准确概率；

S42、利用本地节点和邻节点的方位信息预测结果，以及本地节点自身姿态信息预测准确概率，形成预判邻节点链路信息；

需要说明的是，每个节点都会在本地存储包含邻节点相关信息的邻居表和路由表项，节点通过交互方位和路由等控制信息进行邻居表和路由表的维护。本实施例中每节点在正常进行当前方位和路由信息等控制信息进行交互的同时，此外还会额外进行以下工作：

（1）预测信息交互

节点根据自身的预测信息进行拓扑信息更新，将更新的拓扑形成预判邻节点链路信息。预判邻节点链路信息还包含自身的姿态信息预测准确概率，以表征预测信息的准确度；

节点间会通过定期在所分配的网络管理时隙内交互条预判邻节点链路信息，以便邻节点进行网络拓扑的预测。的大小可以根据网络规模和交互信息承载能力进行确定。具体信息内容如下：

每个节点会发送个预判邻节点链路信息。若自身产生的预判邻节点链路信息数量大于等于，选择有效时间最长的个预判邻节点链路信息进行发送。若自身产生预判邻节点链路信息数量小于，在获取的其他节点发送的预判邻节点链路信息中，选择P_self最大的个预判邻节点链路信息随机向邻节点进行发送。

每个节点接收到的预判邻节点链路信息，会用于更新本地存储的邻居表和路由表项。

在分级分簇网络中，超级簇首、簇首和簇内普通节点按照不同的频率进行预判邻节点链路信息的发送，同时超级簇首、簇首和普通节点对其他节点发送的预判邻节点链路信息进行接收，完成预判邻节点链路信息的交互；

其中，普通节点发送预判邻节点链路信息的频率最大，簇首次之，超级簇首发送预判邻节点链路信息的频率最小；

若超级簇首的发送频率为，每级的簇内的最大节点数为，簇首的发送频率为，普通节点的发送频率为 ，其中表示临近的小于的整数，满足。频率根据实际网络无线资源情况进行确定。

基于此，通过节点与相近节点之间交互预判邻节点链路信息，每节点可以根据该信息有效预判未来网络拓扑，避免一些不必要的拓扑调整。

步骤106、根据预测得到的本地节点的方位信息、本地节点的姿态信息、邻节点的方位信息，判断本地节点与邻节点之间的建链能力；

其中，所述建链路能力指的是本地节点与邻节点之间至少同时符合通信距离约束条件、波束指向约束条件；

通信能力指的是节点通过自身天线与其它某节点进行信号的发射和接收的能力；

具体地，步骤106的一种具体实现方式可以为：

S61、根据预测得到的本地节点与邻节点的方位信息，预测本地节点与邻节点间的通信距离，若该通信距离小于或等于波束最大传输距离，则本地节点与邻节点之间满足通信距离约束；

S62、对于满足通信距离约束的邻节点，根据预测得到的本地节点的方位信息、本地节点的姿态信息及邻节点的位置信息，确定天线法向与邻节点方位之间的夹角，若所述夹角的角度小于天线的最大扫描角度，则判定本地节点与邻节点的通信满足波束指向约束；

S63、对于满足波束指向约束的邻节点，根据邻节点位置信息、本地节点姿态信息、本地节点天线传输能力，本地节点进行波宽的调整，选择具有最佳宽度的波束进行通信。

进一步地，若特定邻节点与本地节点之间不具备建链能力，则在下一时刻本地节点不再尝试与所述特定邻节点建链，同时本地节点会更新邻居表和路由表项，通过与其他邻节点协作，实现与所述特定邻节点之间的业务传输。

其中所述特定邻节点指的是本地节点中一跳范围内所有邻接点中的任意一个。

具体示例：

节点还会基于预测得到的方位信息和自身姿态信息来评估自身的通信能力，以确定未来时刻是否具备与其余邻节点建立高效稳定的无线通信链路的能力。如果某邻节点满足与本地节点建立通信链路的能力，本地节点会基于位置信息、姿态信息、传输能力等因素，进行波宽的调整，以选择具有最佳宽度的波束来保证通信质量和减小干扰。如果某邻节点无法满足与本地节点的建链需求，那么本地节点将在下一时刻不再尝试与该邻节点建链，同时本地节点会更新邻居表和路由表项，以寻找其他可用的通信路径，通过与其他邻节点的协作和配合来满足传输需求。与某邻节点的建链能力的确定方法如下：

节点定期评估与其一跳范围内邻节点的链路稳定状况。

1）通信距离判定

节点会依次查阅本地存储的邻居表，该表记录了一跳节点的方位信息的预测结果，包括经度、纬度和高度。然后，节点基于半正矢公式计算与该节点的通信距离，计算公式如下：（1）

其中，表示预测得到的该节点的经度和纬度，表示预测得到的邻节点经度和纬度，为两点纬度之差，为两点经度之差，6378.137为地球赤道半径，单位为千米。

假设最窄可选的波束宽度对应的最大传输距离为b。若S大于b，意味着它们之间的距离已经超出了节点自身的最大通信范围，无法满足建链的基本需求。若S小于等于b，则表明两节点的通信距离处于可接受的范围内，具备建链的潜力，此情况下，节点会进一步进行姿态的判断，以综合评估建链的可行性。

2）波束指向判定

在满足通信距离限制后，节点会进一步基于姿态信息进行波束指向的判断，从而确定节点是否能够配置波束以精准对准邻节点接收的天线阵列。根据预测得到的自身位置、姿态和邻节点的位置，确定天线法向与邻节点方位之间的夹角，若该角度小于天线的最大扫描角度，则认为能够与该节点进行通信，即未来某一时刻，天线可以正确指向邻节点。否则认为无法与该节点进行通信。

3）波束宽度调整

在完成基于方位角和姿态信息的通信能力评估后，若两节点具备建立通信链路的能力，节点会综合考虑通信距离、姿态信息以及周围邻节点的分布情况，进行波束宽度的自适应调整。波束宽度的调制策略旨在确保信号能够精确覆盖到邻节点，同时最大程度减少对其他节点的潜在干扰。

参见图2，假设波束最大覆盖范围为。首先，节点会判断可调控的波宽范围的可行域，其下界为最窄波束宽度。近似地认为弧长和半径之间是直线关系，即，近似认为最大波束覆盖范围为： ；

因此波束宽度上界 可通过下式近似计算得到：,其中L为节点之间的直线距离；

假设接收节点与其余节点最短距离为，此时应保证波束传到接收节点所在位置时，其覆盖范围满足，其对应波束宽度。因此，节点实际的可调控波宽范围为。

根据不同的抗干扰性能需求，通过对需求指标的量化，可采用智能搜索算法，例如粒子群算法、蚁群算法等进行快速搜索，进行具体波束宽度的确定。

基于此，通过对节点与邻节点之间设置通信距离、波束指向两个方面的约束，对节点与邻节点之间的链路连接状态的预测更加准确；基于自身通信能力提前做出天线波束宽度等的控制调整，显著增强链路的稳定性，大幅降低节点移动对网络拓扑稳定性造成的潜在影响，确保网络始终保持高效稳定运行。

步骤108、本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护本地节点的邻居表和路由表；

步骤110、基于维护后的本地节点的邻居表和路由表，在分簇网络中，超级簇头控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。

需要说明的是，分层网络中，选定一个节点作为超级簇头，对整个网络进行管理，整个网络分成若干各簇，每个簇设有一个簇头，簇头用于管理各自簇中的成员节点；

超级簇头、每个簇的簇头和每个簇的节点根据链路信息在MAC（Media AccessControl，媒体访问控制）层更新拓扑表，MAC层给网络层发送下层拓扑更新标识，网络层触发路由更新机制，根据拓扑表更新路由表。

具体地，步骤110的一种具体实现方式可以为：

S101、根据预设的准确性概率阈值，超级簇头、每个簇的簇头选择预测准确概率高于所述准确性概率阈值的节点进行先验信息备份；

针对层级化拓扑架构下的分簇网络，每个簇设有备份簇头，簇头在特定的时隙与备份簇头进行信息交互。

先验信息备份包括簇头和备用簇头之间的先验信息备份和进行信息交互的节点之间的先验信息备份。簇头和备用簇头的先验信息备份有助于实现网络的快速重构，任意节点之间的先验信息备份有助于提高节点的轨迹预测精度。

簇头和选定的备份簇头在固定通信时隙进行通信，无论是否有应用层数据传输都会根据固定格式打包发送数据包，在这个通信时隙，簇头还会向备用簇头发送网络拓扑预测信息，包含通过交互的预测信息得到的与当前簇头相连的簇内其他成员的、网络内其他簇头的以及超级簇头的位置、速度和加速度等信息。

网内任意节点在所分配的通信时隙进行通信时，会发送自身当前的方位信息与预测得到的自身的方位信息，接收节点可以根据此信息提升对该节点的方位预测精度。

某节点在与邻节点进行通信时，要根据自身的姿态信息预测准确概率确定天线控制方式。若，则采用现有天线控制方式直接进行天线控制。若，则根据当前姿态重新进行天线控制方式计算，调整波束指向、波束宽度；为预设的准确性概率阈值；

不同节点对之间的位置获取是异步的，这里的异步获取时间应该满足的计算条件为：

①根据节点间距和节点的最大相对移动速度计算逃逸时间，作为维护周期的上界；

②根据节点间固定的通信时隙排布确定异步获取本地链路消息的最长时间（一对节点的最长交互间隔）。

上述时间应该满足，根据确定的时隙排布规则。

基于此，通过将各个节点的姿态信息预测准确概率与准确性概率阈值进行判断，对于准确概率低于阈值的节点，不进行备份，提高了超级簇头、簇头备份效率，大大节省开销；

在执行步骤S101之后，本实施例还提供了一种簇头存在判断的技术方案，具体可以为：

根据时隙排布规则，如果备用簇头在某一次周期性交互直到当前与簇头的通信时隙结束都收不到来自簇头的网络层消息包，此时备用簇头就会判断认为簇头损毁，进一步设置标识位驱动物理层和MAC层完成重新建链。

进一步地，本实施例还提供了一种新簇头建链的技术方案，具体可以为：

MAC层建链流程如下：

①备用簇头修改自身属性中的身份字段，成为新簇头；

②备用簇头根据时隙排布规则，在本节点与其他簇成员通信的时隙，向簇内节点发送备份簇头升级消息，告知簇头更新。因为这个消息是在对应时隙收发的，所以波束指向模式是定向收定向发，备份簇头升级消息主要包含升级后新簇头的地址和消息标识位；

③根据备份阶段得到的超级簇头位置信息完成建链通信，在对应时隙与超级簇头进行建链并发送上述备份簇头升级消息，告知簇头更新。

基于此，当簇头损毁，需要启用新簇头建链，保证了网格结构的稳定性。

S102、拓扑集初始化后，根据预设的更新与维护约束条件，每个簇的节点更新与维护本地拓扑项、产生与发送本地链路消息、接收与转发本地链路消息、更新路由表。

其中，所述更新与维护约束条件，包括：

若当前拓扑项的有效时间在预设的时间阈值范围内，并且预判邻节点链路信息中的姿态信息预测准确概率大于预设的准确性阈值，则更新当前拓扑项；否则，不更新当前拓扑项；

其中，需要说明的是，拓扑项包含的数据项组成拓扑表，所述拓扑表包括：目的节点标识地址、到目的节点的最后一跳节点地址、拓扑准确概率、链路支持速率、拓扑有效时间；其中所述拓扑准确概率来源于当前节点的姿态信息预测准确概率；

所述路由表，包括：目的节点标识地址、下一跳地址、链路支持速率、链路可靠概率；

其中所述链路可靠概率取决于拓扑表中存储的每一跳的拓扑准确概率。

具体示例：

建链完成后，超级簇头、新簇头和簇成员都会各自根据新的链路信息在MAC层更新拓扑表中的内容，然后MAC层会给网络层发送一个标识信息，表示下层拓扑已更新，然后网络层再触发路由更新机制根据拓扑表更新路由表。

具体的拓扑更新方法如下：

1）拓扑集初始化

节点在本地维护拓扑集，由若干拓扑项组成，每项代表一条由T_dest的和T_last确定的链路。拓扑项包含的数据项如下：

当至少存在一条链路后，完成拓扑集初始化，建立本地链路对应的拓扑项。取值如下：

a)T_dest：与本节点一跳连接的邻节点地址；

b)T_last：本节点地址；

c)P_accu：链路准确概率，来源于T_last节点的姿态信息预测准确概率，若P_accu取值为0表明当前拓扑信息不是来源于预测邻节点链路信息；

d)T_speed：链路支持速率；

f)T_seq：拓扑流水号，初始为0，每更新一次进行加1；

g)T_time：有效时间，设置为当前时间+周期更新时间。

2)拓扑集维护

a)本地拓扑项更新与维护

本地拓扑项更新与维护来源于对邻节点的监测以及交互的预判邻节点链路信息。节点在网络运行过程中，根据监测到本地链路发生变化信息以及自身存储的预判邻节点链路信息，则T_last=本节点地址的拓扑进行维护：

周期性的网管资源片以不同速率对本节点的邻节点进行状态检测，

若有该邻节点，设当前时间为，判断当前时间与预判邻节点链路信息的大小，其中为设定的一个时间增量。仅当且预判邻节点链路信息内时，该拓扑项更新来源于预判邻节点链路信息，其他情况不利用预判邻节点链路信息（此时P_accu取值为0），可以根据网络特性进行确定，应大于更新周期；

当检测不到该邻节点，若存在相应的预判邻节点链路信息，则更新该拓扑项，否则删除对应拓扑项；

当检测到新的邻节点时则新增对应拓扑项，取值方式如上；

链路支持速率发生变化：计算并更新T_speed；

T_seq：每进行一次更新，对所有本地拓扑项的拓扑流水号加1；

此外，节点还会利用获取的预判邻节点链路信息对T_last=其他节点的拓扑进行维护。

b）本地链路消息的产生与发送

节点在网络运行过程中，需要通过周期性方式，产生本地链路消息，并以不同挡位的速率发送给所有一跳邻居。

周期方式：在扫描帧会以不同速率对本地链路消息进行发送，更新拓扑流水号和链路速率。本地链路消息包格式如下：

3）本地链路消息的接收与转发

以不同速率挡位接收到本地链路消息后，根据“路由类型”判断是“簇内本地链路消息”还是“簇间本地链路消息”。再根据本地链路消息的“源MAC地址”与对应挡位速率的拓扑集中所有拓扑项的T_last比较：

a)如果不存在T_last=“源MAC地址”的拓扑项，则将该消息以相同速率挡位转发给所有一跳邻节点，消息内容不变，同时建立新拓扑并放入对应速率挡位拓扑集：

①T_dest=获取的本地链路消息的“一跳邻居地址”；

②T_last=获取的本地链路消息的“源MAC地址”；

③P_accu=获取的本地链路准确概率；

④T_speed=获取的本地链路消息的“链路速率”；

⑤T_seq=获取的本地链路消息的“流水号”；

⑥T_time=当前时间+更新周期；

b）若存在T_last=“源MAC地址”的拓扑项，则比较本地链路消息中与该拓扑项中的拓扑流水号：

①若T_seq小于本地链路消息的“流水号”则丢包不处理；

②否则将该消息转发给所有的一跳邻节点，同时更新拓扑项，更新方式为：

如果T_dest=本地链路消息的“一跳邻居地址”，则按照本地链路消息更新P_accu、T_speed和T_seq，并且T_time=当前时间+更新周期；

如果T_dest和本地链路消息的“一跳邻居地址”都不等，则删除该项；

如果不存在T_dest=本地链路消息的“一跳邻居地址”的拓扑项，新建方法同a）。

4）路由表的更新与路由选择

完成上述拓扑表更新流程后，应该据此完成路由表更新，具体的路由更新方法如下：

首先计算路由表，再根据路由表的不同速率对应的表项选择路径传输。路由表项结构包括：

路由表的建立是计算到网络中每个节点的途径。节点通过寻找以本节点根节点的生成树的方式计算到拓扑集中各节点的路径，计算所有其它节点的路由表的算法如下：

a)为拓扑集中每个T_last等于本节点地址的拓扑项（邻居链路）生成一个路由项，并将该拓扑项设置为已计算。数据项的取值方法如下：

①R_dest= T_dest；

②R_next= T_dest；

③R_speed= T_speed；

④P_R取决于拓扑表中存储的每一跳的P_accu数值，若该路由经历了w跳到达目的节点，P_R的计算方法为：

b)判断所有的路由项是否均已经计算，若是则计算过程结束，否则继续执行a）；

c)为上步中新建立的路由项（称为原路由项）寻找T_last为R_dest且T_dest不等于本节点的拓扑项（以T_last为中继），为这些拓扑项的T_dest建立路由，并将这些拓扑项设为已计算。取值如下：

①R_dest=T_dest；

②R_next=原路由项的R_next；

③R_speed= min(原路由项R_speed，T_speed)；

d)回到c）迭代，直到所有拓扑项均已计算；

e)当新增拓扑项或T_speed发生改变时重新算路由表；

f)当拓扑项超时或被删除时重新计算路由表。

基于此，通过在更新当前拓扑项约束条件中增加姿态信息预测准确概率约束，进一步提高了维护更新准确度，也大大节省了高动态网络的拓扑信息交互开销，保证快速稳定地更新维护路由。

进一步地，本实施例还提供了一种选择最佳路由的技术方案，具体可以为：

在选用路由进行服务时，可以根据不同业务的路由的P_R进行路由服务的提供。

首先对业务进行类型匹配，然后确定业务承载顺序。根据业务的传输需求，划分为“高优先级”和“低优先级”两类。对于每类业务，根据其对应路由的P_R数值从大到小进行排列，依次进行发送。每完成n个高优先级业务服务后，进行一次低优先级业务服务。在路由进行更新时，同时对两个队列的顺序进行更新。

当路由进行更新时，对于同一目的节点，若存在多条路由信息时，则选用链路可靠概率数值大的路由作为选定路由；

所述链路可靠概率用于描述路由表内的节点的姿态对链路可靠性的影响，链路可靠概率大的路由表明信息传输经过节点在未来姿态发生变化时通信链路的可靠性大，经此路由进行传递的信息的传输成功率更高。

综上所述，本实施例通过预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；基于本地节点预测信息及姿态信息预测准确概率，形成预判邻节点链路信息；判断本地节点与邻节点之间的建链能力；本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护本地节点的邻居表和路由表；在分簇网络中，超级簇头基于邻居表和路由表控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。该方法通过自身姿态和方位的预测和邻节点的方位预测，能够精准预测与邻节点进行通信时的指向和自身姿态信息，有效预判与邻节点的建链成功率，进而基于自身通信能力提前做出天线波束宽度等的控制调整，显著增强链路的稳定性，大幅降低节点移动对网络拓扑稳定性造成的潜在影响，确保网络始终保持高效稳定运行。同时提出在分层网络架构下利用跨层获取的链路状态预测得到的波束指向和位置信息的路由维护和重构方法，实现网络拓扑变化时新簇首的快速确定。该路由维护和重构方法利用预测准确度信息对路由的准确度进行量化，支持更准确的路由选择，在外导航受限条件下，也能实现路由的可靠维护和重构。

具体实施例二

本实施例提供了一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法，具体包括：

本实施例针对TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址接入）系统，提出对链路状态信息的相关性要素从方位信息扩充至方位信息和姿态信息，通过方位和姿态信息的预测结果进行链路状态的预判，从而支撑可靠的路由维护和重构。其中路由维护和重构过程适用于采用分簇形式的分级网络中，即网络中存在簇首，簇首负责对整个网络进行管理。

对于一个采用TDMA方式的无线网络中，节点在特定的时隙内与邻节点进行收发通信，在进行业务交互的同时也会在不同的时隙资源内进行位置信息的交互。当节点之间完成组网后，各节点处于高机动运动状态，采用链路状态预测的快速可靠网络重构与路由维护方法实现网络的重构和路由的维护，具体处理步骤为：

步骤一：链路状态相关信息预测

（1）利用预测算法对自身和邻节点的方位信息进行预测

可以采用经典的卡尔曼滤波等方法，利用运动学方程和已知的测量信息，实现节点方位的预测。其中，对自身方位进行预测时已知的测量信息来自于导航信息，对邻节点的方位进行预测时已知的测量信息来自于过去邻节点发送过来的邻节点位置信息。

（2）对自身的姿态信息进行预测

姿态信息的预测可以利用节点的动力学方程和运动学方程，或者根据当前的姿态信息进行外推获得。

（3）自身姿态预测准确性参数确定

根据所选取的姿态预测方法的预测准确程度，确定预测得到的姿态信息的准确概率。该准确概率取决于预测算法精度和预测时间，可以根据实际预测算法和应用需求等因素进行准确概率定义设计。这里给出一种准确概率的定义方法。设已知姿态的最大变化率为，对当前时间秒后的姿态进行预测。利用预测算法计算得到时间后的姿态变化为 ,姿态信息的准确概率可以表示为。

步骤二：预测信息交互与邻节点建链能力确定

与常规路由方法相同，每个节点都会在本地存储包含邻居相关信息的邻居表和路由表项，节点通过交互方位和路由等控制信息进行邻居表和路由表的维护。在所提出的方法中，每节点在正常进行当前方位和路由信息等控制信息进行交互的同时，还会额外进行以下工作。

（1）预测信息交互

节点间会通过定期在所分配的网络管理时隙内交互条预判邻节点链路信息，以便邻节点进行网络拓扑的预测。的大小可以根据网络规模和交互信息承载能力进行确定。节点根据自身的预测信息进行拓扑信息更新，将更新的拓扑形成预判邻节点链路信息。预判邻节点链路信息还包含自身的姿态信息预测准确概率，以表征预测信息的准确度，具体信息内容如下：

每个节点会发送个预判邻节点链路信息。若自身产生的预判邻节点链路信息数量大于等于，选择有效时间最长的个预判邻节点链路信息进行发送。若自身产生预判邻节点链路信息数量小于，在获取的其他节点发送的预判邻节点链路信息中，选择P_self最大的个预判邻节点链路信息随机向邻节点进行发送。

每个节点接收到的预判邻节点链路信息，会用于更新本地存储的邻居表和路由表项。

（2）邻节建链能力确定

节点还会基于预测得到的方位信息和自身姿态信息来评估自身的通信能力，以确定未来时刻是否具备与其余邻节点建立高效稳定的无线通信链路的能力。如果邻节点满足与本地节点建立通信链路的能力，本地节点会基于位置信息、姿态信息、传输能力等因素，进行波宽的调整，以选择具有最佳宽度的波束来保证通信质量和减小干扰。如果邻节点无法满足与本地节点的建链需求，那么本地节点将在下一时刻不再尝试与该邻节点建链，同时本地节点会更新邻居表和路由表项，以寻找其他可用的通信路径，通过与其他节点的协作和配合来满足传输需求。与某邻节点的建链能力的确定方法如下：

节点定期评估与其一跳范围内邻节点的链路稳定状况。

1）通信距离判定

节点会依次查阅本地存储的邻居表，该表记录了一跳节点的方位信息的预测结果，包括经度、纬度和高度。然后，节点基于半正矢公式计算与该节点的通信距离，计算公式如下：

（1）

其中，表示预测得到的节点的经度和纬度，表示预测得到的邻节点经度和纬度，为两点纬度之差，为两点经度之差，6378.137为地球赤道半径，单位为千米。

假设最窄可选的波束宽度对应的最大传输距离为b。若S大于b，意味着它们之间的距离已经超出了节点自身的最大通信范围，无法满足建链的基本需求。若S小于等于b，则表明两节点的通信距离处于可接受的范围内，具备建链的潜力，此情况下，节点会进一步进行姿态的判断，以综合评估建链的可行性。

2）波束指向判定

在满足通信距离限制后，节点会进一步基于姿态信息进行波束指向的判断，从而确定本地节点是否能够配置波束以精准对准邻节点接收的天线阵列。根据预测得到的自身位置、姿态和邻节点的位置，确定天线法向与邻节点方位之间的夹角，若该角度小于天线的最大扫描角度，则认为能够与该节点进行通信，即未来某一时刻，天线可以正确指向邻节点。否则认为无法与该节点进行通信。

3）波束宽度调整

在完成基于方位角和姿态信息的通信能力评估后，若两节点具备建立通信链路的能力，节点会综合考虑通信距离、姿态信息以及周围邻节点的分布情况，进行波束宽度的自适应调整。波束宽度的调制策略旨在确保信号能够精确覆盖到邻节点，同时最大程度减少对其他节点的潜在干扰。

参见图2，假设波束最大覆盖范围为R。首先，节点会判断可调控的波宽范围的可行域，其下界为最窄波束宽度α。近似地认为弧长和半径之间是直线关系，即，近似认为最大波束覆盖范围为：；

因此波束宽度上界可通过下式近似计算得到：；其中L为两节点间的直线距离。

假设接收节点与其余节点最短距离为，此时应保证波束传到接收节点所在位置时，其覆盖范围满足，其对应波束宽度。因此，节点实际的可调控波宽范围为。

根据不同的抗干扰性能需求，通过对需求指标的量化，可采用智能搜索算法，例如粒子群算法、蚁群算法等进行快速搜索，进行具体波束宽度的确定。

步骤三：路由维护和网络重构

针对层级化拓扑架构下的分簇网络，每个簇设有备份簇头，簇头在特定的时隙与备份簇头进行信息交互。网络的维护和重构主要包括四个阶段：先验信息备份、簇头存在判断、新簇头建链、全网路由更新，此外根据所维护的路由信息，可以进行以服务特性为中心的路由选择。在先验信息备份和全网路由更新阶段，会考虑姿态信息的准确概率的影响，对链路的准确性进行量化描述，从而影响路由构建与选择。

（1）先验信息备份

先验信息备份包括簇头和备用簇头之间的先验信息备份和进行信息交互的节点之间的先验信息备份。簇头和备用簇头的先验信息备份有助于实现网络的快速重构，任意节点之间的先验信息备份有助于提高节点的轨迹预测精度。

簇头和选定的备份簇头在固定通信时隙进行通信，无论是否有应用层数据传输都会根据固定格式打包发送数据包，在这个通信时隙，簇头还会向备用簇头发送网络拓扑预测信息，包含通过交互的预测信息得到的与当前簇头相连的簇内其他成员的、网络内其他簇头的以及超级簇头的位置、速度和加速度等信息。

网内任意节点在所分配的通信时隙进行通信时，会发送自身当前的方位信息与预测得到的自身的方位信息，接收节点可以根据此信息提升对该节点的轨迹预测精度。

某节点在于邻节点进行通信时，要根据自身的姿态信息预测准确概率确定天线控制方式。若，则采用步骤二中的天线控制方式直接进行天线控制。若，则根据当前姿态重新进行天线控制方式计算，调整波束指向、波束宽度；

不同节点对之间的位置获取是异步的，这里的异步获取时间应该满足的计算条件为：

①根据节点间距和节点的最大相对移动速度计算逃逸时间，作为维护周期的上界；

②根据节点间固定的通信时隙排布确定异步获取本地链路消息的最长时间（一对节点的最长交互间隔）。

上述时间应该满足，根据确定的时隙排布规则。

（2）簇头存在判断

根据时隙排布规则，如果备用簇头在某一次周期性交互直到当前与簇头的通信时隙结束都收不到来自簇头的网络层消息包，此时备用簇头就会判断认为簇头损毁，进一步设置标识位驱动物理层和MAC层完成重新建链。

（3）新簇头建链

MAC层建链流程如下：

①备用簇头修改自身属性中的身份字段，成为新簇头；

②备用簇头根据时隙排布规则，在本节点与其他簇成员通信的时隙，向簇内节点发送备份簇头升级消息，告知簇头更新。因为这个消息是在对应时隙收发的，所以波束指向模式是定向收定向发，备份簇头升级消息主要包含升级后新簇头的地址和消息标识位；

③根据备份阶段得到的超级簇头位置信息完成建链通信，在对应时隙与超级簇头进行建链并发送上述备份簇头升级消息，告知簇头更新。

（4）全网路由更新

建链完成后，超级簇头、新簇头和簇成员都会各自根据新的链路信息在MAC层更新拓扑表中的内容，然后MAC层会给网络层发送一个标识信息，表示下层拓扑已更新，然后网络层再触发路由更新机制根据拓扑表更新路由表。

具体的拓扑更新方法如下：

1）拓扑集初始化

节点在本地维护拓扑集，由若干拓扑项组成，每项代表一条由T_dest的和T_last确定的链路。拓扑项包含的数据项如下：

当至少存在一条链路后，完成拓扑集初始化，建立本地链路对应的拓扑项。取值如下：

a)T_dest：与本节点一跳连接的邻节点地址；

b)T_last：本节点地址；

c)P_accu：链路准确概率，来源于T_last节点的姿态信息预测准确概率，若P_accu取值为0表明当前拓扑信息不是来源于预测邻节点链路信息；

d)T_speed：链路支持速率；

f)T_seq：拓扑流水号，初始为0，每更新一次进行加1；

g)T_time：有效时间，设置为当前时间+周期更新时间。

2)拓扑集维护

a)本地拓扑项更新与维护

本地拓扑项更新与维护来源于对邻节点的监测以及交互的预判邻节点链路信息。节点在网络运行过程中，根据监测到本地链路发生变化信息以及自身存储的预判邻节点链路信息，则T_last=本节点地址的拓扑进行维护：

周期性的网管资源片以不同速率对本节点的邻节点进行状态检测，

若有该邻节点，设当前时间为T_n，判断当前与预判邻节点链路信息的T_time大小，其中为设定的一个时间增量。仅当且预判邻节点链路信息内时，该拓扑项更新来源于预判邻节点链路信息，其他情况不利用预判邻节点链路信息（此时P_accu取值为0），可以根据网络特性进行确定，应大于更新周期；

当检测不到该邻节点，若存在相应的预判邻节点链路信息，则更新该拓扑项，否则删除对应拓扑项；

当检测到新的邻节点时则新增对应拓扑项，取值方式如上；

链路支持速率发生变化：计算并更新T_speed；

T_seq：每进行一次更新，对所有本地拓扑项的拓扑流水号加1；

此外，节点还会利用获取的预判邻节点链路信息对T_last=其他节点的拓扑进行维护。

b）本地链路消息的产生与发送

节点在网络运行过程中，需要通过周期性方式，产生本地链路消息，并以不同挡位的速率发送给所有一跳邻居。

周期方式：在扫描帧会以不同速率对本地链路消息进行发送，更新拓扑流水号和链路速率。本地链路消息包格式如下：

3）本地链路消息的接收与转发

以不同速率挡位接收到本地链路消息后，根据“路由类型”判断是“簇内本地链路消息”还是“簇间本地链路消息”。再根据本地链路消息的“源MAC地址”与对应挡位速率的拓扑集中所有拓扑项的T_last比较：

a)如果不存在T_last=“源MAC地址”的拓扑项，则将该消息以相同速率挡位转发给所有一跳邻节点，消息内容不变，同时建立新拓扑并放入对应速率挡位拓扑集：

①T_dest=获取的本地链路消息的“一跳邻居地址”；

②T_last=获取的本地链路消息的“源MAC地址”；

③P_accu=获取的本地链路准确概率；

④T_speed=获取的本地链路消息的“链路速率”；

⑤T_seq=获取的本地链路消息的“流水号”；

⑥T_time=当前时间+更新周期；

b）若存在T_last=“源MAC地址”的拓扑项，则比较本地链路消息中与该拓扑项中的拓扑流水号：

①若T_seq小于本地链路消息的“流水号”则丢包不处理；

②否则将该消息转发给所有的一跳邻节点，同时更新拓扑项，更新方式为：

如果T_dest=本地链路消息的“一跳邻居地址”，则按照本地链路消息更新P_accu、T_speed和T_seq，并且T_time=当前时间+更新周期；

如果T_dest和本地链路消息的“一跳邻居地址”都不等，则删除该项；

如果不存在T_dest=本地链路消息的“一跳邻居地址”的拓扑项，新建方法同a）。

4）路由表的更新与路由选择

完成上述拓扑表更新流程后，应该据此完成路由表更新，具体的路由更新方法如下：

首先计算路由表，再根据路由表的不同速率对应的表项选择路径传输。路由表项结构包括：

路由表的建立是计算到网络中每个节点的途径。节点通过寻找以本节点根节点的生成树的方式计算到拓扑集中各节点的路径，计算所有其它节点的路由表的算法如下：

a)为拓扑集中每个T_last等于本节点地址的拓扑项（邻居链路）生成一个路由项，并将该拓扑项设置为已计算。数据项的取值方法如下：

①R_dest= T_dest；

②R_next= T_dest；

③R_speed= T_speed；

④P_R取决于拓扑表中存储的每一跳的P_accu数值，若该路由经历了w跳到达目的节点，P_R的计算方法为：；

b)判断所有的路由项是否均已经计算，若是则计算过程结束，否则继续执行a）；

c)为上步中新建立的路由项（称为原路由项）寻找T_last为R_dest且T_dest不等于本节点的拓扑项（以T_last为中继），为这些拓扑项的T_dest建立路由，并将这些拓扑项设为已计算。取值如下：

①R_dest=T_dest；

②R_next=原路由项的R_next；

③R_speed= min(原路由项R_speed，T_speed)；

d)回到c）迭代，直到所有拓扑项均已计算；

e)当新增拓扑项或T_speed发生改变时重新算路由表；

f)当拓扑项超时或被删除时重新计算路由表。

进一步地，本实施例提供了一种选择路由方法，具体包括：

在选用路由进行服务时，可以根据不同业务的路由的P_R进行路由服务的提供。

首先对业务进行类型匹配，然后确定业务承载顺序。根据业务的传输需求，划分为“高优先级”和“低优先级”两类。对于每类业务，根据其对应路由的P_R数值从大到小进行排列，依次进行发送。每完成n个高优先级业务服务后，进行一次低优先级业务服务。在路由进行更新时，同时对两个队列的顺序进行更新。对于同一目的节点，可能存在多条路由信息，因此优先选用P_R数值大的路由作为选定路由。

P_R描述了路由表内的节点的姿态对链路可靠性的影响，P_R大的路由表明信息传输经过节点在未来姿态发生变化时通信链路的可靠性大，因此经此路由进行传递的信息的传输成功率就更高。

综上所述，本实施例通过预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；基于本地节点预测信息及姿态信息预测准确概率，形成预判邻节点链路信息；判断本地节点与邻节点之间的建链能力；本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护本地节点的邻居表和路由表；在分簇网络中，超级簇头基于邻居表和路由表控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。该方法通过自身姿态和方位的预测和邻节点的方位预测，能够精准预测与邻节点进行通信时的指向和自身姿态信息，有效预判与邻节点的建链成功率，进而基于自身通信能力提前做出天线波束宽度等的控制调整，显著增强链路的稳定性，大幅降低节点移动对网络拓扑稳定性造成的潜在影响，确保网络始终保持高效稳定运行。同时提出在分层网络架构下利用跨层获取的链路状态预测得到的波束指向和位置信息的路由维护和重构方法，实现网络拓扑变化时新簇首的快速确定。该路由维护和重构方法利用预测准确度信息对路由的准确度进行量化，支持更准确的路由选择，在外导航受限条件下，也能实现路由的可靠维护和重构。

具体实施例三

本实施例提供了一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护装置，参见图3，包括：链路状态信息预测模块301、预判邻节点链路信息形成模块302、建链能力判断模块303、信息交互模块304、分簇全网更新模块305，其中：

所述链路状态信息预测模块301，用于在一个采用时分多址接入方式的无线网络中，节点在特定的时隙内与邻节点进行收发通信，并预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；

所述预判邻节点链路信息形成模块302，用于基于本地节点的方位信息、预测出的方位信息、姿态信息及姿态信息预测准确概率，进行网络拓扑预测，形成预判邻节点链路信息；

所述建链能力判断模块303，用于根据预测得到的本地节点的方位信息、本地节点的姿态信息、邻节点的方位信息，判断本地节点与自邻节点之间的通信建链能力；

所述信息交互模块304，用于本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护当前节点的邻居表和路由表；

所述分簇全网更新模块305，用于在分簇网络中，超级簇头基于邻居表和路由表控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。

可选的，所述链路状态信息预测模块301，具体用于：

根据实时测量信息，利用轨迹预测算法，对本地节点和邻节点的方位信息进行预测；

对本地节点的姿态信息进行预测；

根据预设的姿态预测方法和预测时间，确定预测得到的姿态信息的准确性概率。

可选的，所述建链能力判断模块303，具体用于：

根据预测得到的本地节点与邻节点的方位信息，预测本地节点与邻节点间的通信距离，若该通信距离小于或等于波束最大传输距离，则本地节点与所述邻节点之间满足通信距离约束；依次确定出与本地节点满足通信距离约束的邻节点；

对于满足通信距离约束的当邻节点，根据预测得到的本地节点的方位信息、本地节点的姿态信息及邻的位置信息，确定天线法向与邻节点方位之间的夹角，若所述夹角的角度小于当前天线的最大扫描角度，则判定该邻节点满足波束指向约束；

对于满足波束指向约束的邻节点，根据邻节点位置信息、本地节点姿态信息、本地节点天线传输能力，本地节点进行波宽的调整，选择具有最佳宽度的波束进行通信。

可选的，所述装置还包括：不满足建链需求模块，其中所述不满足建链需求模块，用于：

如果特定邻节点不具备本地节点之间的通信建链能力，则在下一时刻本地节点不再尝试与所述特定邻节点建链，同时本地节点会更新邻居表和路由表项，通过与其他节点协作，实现与所述特定邻节点之间的业务传输。

可选的，所述预判邻节点链路信息，包括：姿态信息预测准确概率、拓扑有效时间、目的节点标识地址、到目的节点的最后一跳节点地址。

可选的，在分级分簇网络中，超级簇首、簇首和簇内普通节点按照不同的频率进行预判邻节点链路信息的发送，同时超级簇首、簇首和普通节点对其他节点发送的预判邻节点链路信息进行接收，完成预判邻节点链路信息的交互；

其中，普通节点发送预判邻节点链路信息的频率最大，超级簇首发送预判邻节点链路信息的频率最小；

若超级簇首的发送频率为，每级的簇内的最大节点数为，簇首的发送频率为 ，普通节点的发送频率为，其中表示临近的小于的整数，满足。

可选的，所述分簇全网更新模块305，具体用于：

根据预设的准确性概率阈值，超级簇头、每个簇的簇头选择预测准确概率高于所述准确性概率阈值的节点进行先验信息备份；

拓扑集初始化后，根据预设的更新与维护约束条件，每个簇的节点更新与维护本地拓扑项、产生与发送本地链路消息、接收与转发本地链路消息、更新路由表。

可选的，所述更新与维护约束条件，包括：

若当前拓扑项的有效时间在预设的时间阈值范围内，并且预判邻节点链路信息中的姿态信息预测准确概率大于预设的准确性阈值，则更新当前拓扑项；

拓扑项包含的数据项组成拓扑表，所述拓扑表包括：目的节点标识地址、到目的节点的最后一跳节点地址、拓扑准确概率、链路支持速率、拓扑有效时间；其中所述拓扑准确概率来源于当前节点的姿态信息预测准确概率；

所述路由表，包括：目的节点标识地址、下一跳地址、链路支持速率、链路可靠概率；

其中所述链路可靠概率取决于拓扑表中存储的每一跳的拓扑准确概率。

可选的，当路由进行更新时，对于同一目的节点，若存在多条路由信息时，则选用链路可靠概率数值大的路由作为选定路由；

所述链路可靠概率用于描述路由表内的节点的姿态对链路可靠性的影响，链路可靠概率大的路由表明信息传输经过节点在未来姿态发生变化时通信链路的可靠性大，经此路由进行传递的信息的传输成功率更高。

综上所述，本实施例通过预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；基于本地节点预测信息及姿态信息预测准确概率，形成预判邻节点链路信息；判断当本地节点与邻节点之间的建链能力；本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护本地节点的邻居表和路由表；在分簇网络中，超级簇头基于邻居表和路由表控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。该方法通过自身姿态和方位的预测和邻节点的方位预测，能够精准预测与邻节点进行通信时的指向和自身姿态信息，有效预判与邻节点的建链成功率，进而基于自身通信能力提前做出天线波束宽度等的控制调整，显著增强链路的稳定性，大幅降低节点移动对网络拓扑稳定性造成的潜在影响，确保网络始终保持高效稳定运行。同时提出在分层网络架构下利用跨层获取的链路状态预测得到的波束指向和位置信息的路由维护和重构方法，实现网络拓扑变化时新簇首的快速确定。该路由维护和重构方法利用预测准确度信息对路由的准确度进行量化，支持更准确的路由选择，在外导航受限条件下，也能实现路由的可靠维护和重构。

以上所述仅为本说明书的优选实施例而已，并不用于限制本说明书，对于本领域的技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护方法，其特征在于，包括：

在一个采用时分多址接入方式的无线网络中，本地节点在特定的时隙内与邻节点进行收发通信，并预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；

基于本地节点的方位信息、预测出的方位信息、姿态信息及姿态信息预测准确概率，进行网络拓扑预测，形成预判邻节点链路信息；

根据预测得到的本地节点的方位信息、姿态信息、邻节点的方位信息，判断本地节点与邻节点之间的建链能力；

若本地节点与邻节点之间具备建链能力，则本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护本地节点的邻居表和路由表；

基于维护后的本地节点的邻居表和路由表，在分簇网络中，超级簇头控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率，包括：

根据实时测量信息，利用轨迹预测算法，对本地节点和邻节点的方位信息进行预测；

对本地节点的姿态信息进行预测；

根据预设的姿态预测方法和预测时间，确定预测得到的姿态信息的准确性概率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据预测得到的本地节点的方位信息、姿态信息、邻节点的方位信息，判断本地节点与邻节点之间的建链能力，包括：

根据预测得到的本地节点与邻节点的方位信息，预测本地节点与邻节点之间的通信距离，若通信距离小于或等于波束最大传输距离，则本地节点与邻节点之间满足通信距离约束；

对于通信满足通信距离约束的邻节点，根据预测得到的本地节点的方位信息、本地节点的姿态信息及邻节点的方位信息，确定天线法向与邻节点方向之间的夹角，若所述夹角的角度小于天线的最大扫描角度，则判定该邻节点满足波束指向约束；

对于通信满足波束指向约束的邻节点，根据预测得到的邻节点的方位信息、本地节点的姿态信息、本地节点天线传输能力，本地节点进行波宽的调整，选择具有最佳宽度的波束进行通信。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，若特定邻节点与本地节点之间不具备建链能力，则在下一时刻本地节点不再尝试与所述特定邻节点建链，同时本地节点会更新邻居表和路由表项，通过与其他邻节点协作，实现与所述特定邻节点之间的业务传输。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预判邻节点链路信息，包括：姿态信息预测准确概率、拓扑有效时间、目的节点标识地址、到目的节点的最后一跳节点地址。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在分级分簇网络中，超级簇首、簇首和簇内普通节点按照不同的频率进行预判邻节点链路信息的发送，同时超级簇首、簇首和普通节点对其他节点发送的预判邻节点链路信息进行接收，完成预判邻节点链路信息的交互；

其中，普通节点发送预判邻节点链路信息的频率最大，超级簇首发送预判邻节点链路信息的频率最小；

若超级簇首的发送频率为，每级的簇内的最大节点数为，簇首的发送频率为，普通节点的发送频率为。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于维护后的本地节点的邻居表和路由表，在分簇网络中，超级簇头控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护，包括：

根据预设的准确性概率阈值，超级簇头、每个簇的簇头选择预测准确概率高于所述准确性概率阈值的节点进行先验信息备份；

拓扑集初始化后，根据预设的更新与维护约束条件，每个簇的节点更新与维护本地拓扑项、产生与发送本地链路消息、接收与转发本地链路消息、更新路由表。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述更新与维护约束条件，包括：

若当前拓扑项的有效时间在预设的时间阈值范围内，并且预判邻节点链路信息中的姿态信息预测准确概率大于预设的准确性阈值，则更新当前拓扑项；

拓扑项包含的数据项组成拓扑表，所述拓扑表包括：目的节点标识地址、到目的节点的最后一跳节点地址、拓扑准确概率、链路支持速率、拓扑有效时间；其中所述拓扑准确概率来源于本地节点的姿态信息预测准确概率；

所述路由表，包括：目的节点标识地址、下一跳地址、链路支持速率、链路可靠概率；

其中所述链路可靠概率取决于拓扑表中存储的每一跳的拓扑准确概率。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当路由进行更新时，对于同一目的节点，若存在多条路由信息时，则选用链路可靠概率数值大的路由作为选定路由；

所述链路可靠概率用于描述路由表内的节点的姿态对链路可靠性的影响，链路可靠概率大的路由表明信息传输经过节点在未来姿态发生变化时通信链路的可靠性大，经此路由进行传递的信息的传输成功率更高。

10.一种链路状态预测的快速网络重构与路由维护装置，用于实现权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，包括：链路状态信息预测模块、预判邻节点链路信息形成模块、建链能力判断模块、信息交互模块、分簇全网更新模块，其中：

所述链路状态信息预测模块，用于在一个采用时分多址接入方式的无线网络中，节点在特定的时隙内与邻节点进行收发通信，并预测本地节点的方位信息、姿态信息及邻节点的方位信息，确定姿态信息预测准确概率；

所述预判邻节点链路信息形成模块，用于基于本地节点的方位信息、预测出的方位信息、姿态信息及姿态信息预测准确概率，进行网络拓扑预测，形成预判邻节点链路信息；

所述建链能力判断模块，用于根据预测得到的本地节点的方位信息、姿态信息、邻节点的方位信息，判断本地节点与邻节点之间的建链能力；

所述信息交互模块，用于本地节点与邻节点之间交互方位信息、路由信息及预判邻节点链路信息，维护本地节点的邻居表和路由表；

所述分簇全网更新模块，用于基于维护后的本地节点的邻居表和路由表，在分簇网络中，超级簇头控制各个簇的簇头，每个簇的簇头控制簇内各个节点进行先验信息备份、全网路由维护。