适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法及系统

摘要

本发明提供一种适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法及系统，该方法包括：浮空器节点广播CH消息、Hello消息，其中，CH消息用于宣告浮空器节点为簇首身份，Hello消息中携带网络节点信息表，浮空器节点具有最大稳定性度量，稳定性度量根据浮空器节点的连接度和平均连接时间获得，无人机节点和地面节点接收CH消息、Hello消息，根据CH消息、Hello消息向浮空器节点发送反馈信息，无人机节点和地面节点处于浮空器节点的通信覆盖范围内，反馈信息为加入请求信息或拒绝加入信息或已加入信息，浮空器节点根据反馈信息确定浮空器节点所在簇中的节点。解决了路侧通信基础设施薄弱的地区，铁路交通信息传输有效性较低的问题。

权利要求

1.一种适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法，其特征在于，所述天临空地车专用网络包括：浮空器节点、无人机节点和地面节点；

所述浮空器节点广播簇首CH消息、问候Hello消息，其中，所述CH消息用于宣告所述浮空器节点为簇首身份，所述Hello消息中携带网络节点信息表，所述浮空器节点具有最大稳定性度量，所述稳定性度量根据所述浮空器节点的连接度和平均连接时间获得；所述连接度用于指示所述浮空器节点可连接的邻居节点的个数，所述平均连接时间用于指示所述浮空器节点与所有邻居节点的链路连接时间的均值；

所述无人机节点和所述地面节点接收所述CH消息、所述Hello消息，并根据所述CH消息、所述Hello消息向所述浮空器节点发送反馈信息，所述无人机节点和所述地面节点处于所述浮空器节点的通信覆盖范围内，所述反馈信息为加入请求信息或拒绝加入信息或已加入信息；

所述浮空器节点根据所述反馈信息确定所述浮空器节点所在簇中的节点；

所述方法还包括：

所述浮空器节点根据所述网络节点信息表中所有节点的稳定性度量从所述天临空地车专用网络的无人机节点中选择一个无人机节点为备用簇首，备用簇首身份的所述无人机节点用于在簇首身份的所述浮空器节点故障时成为新簇首；

所述浮空器节点广播备用簇首通知消息，所述备用簇首通知消息用于携带所述备用簇首身份的无人机节点的标识。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：所述无人机节点和所述地面节点广播Hello消息；

其中，所述Hello消息中携带的所述网络节点信息表中包含有以所述浮空器节点为簇首的簇中所有节点的节点信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述节点信息包括以下一项或多项：节点身份、节点ID号、节点位置、节点速度、节点连接度、节点平均连接时间、稳定性度量；

其中，所述节点身份包括：簇首身份、普通簇员身份、网关身份、备用簇首身份。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浮空器节点广播备用簇首通知消息之后，还包括：所述浮空器节点根据所述无人机节点发送的Hello消息中更新的稳定性度量更新所述备用簇首，并广播备用簇首更新通知消息，所述备用簇首更新通知消息用于携带更新后的所述备用簇首身份的无人机节点的标识。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：所述无人机节点向所述浮空器节点发送网关请求信息，其中，所述无人机节点可与相邻簇中的节点进行通信；

所述浮空器节点同意所述网关请求信息后，广播网关通知消息，所述网关通知消息用于携带所述网关身份的无人机节点的标识。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：网关身份的所述无人机节点根据所述网络节点信息表判断是否存在网关身份的其他节点且连接了相同的相邻簇；

若存在，则将满足预设条件的无人机节点的节点身份更新为普通簇员身份；

若不存在，则所述无人机节点保持网关身份。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天临空地车专用网络还包括：地面控制中心；

所述浮空器节点将所述网络节点信息表发送至地面控制中心。

8.一种天临空地车专用网络系统，其特征在于，包括至少一个簇；

所述簇包括：浮空器节点、无人机节点以及地面节点；

其中，所述系统用于执行权利要求1-7任一项所述的方法。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：地面控制中心，用于接收所述至少一个簇中的浮空器节点发送的所述网络节点信息表。

说明书

适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及通信组网技术领域，尤其涉及一种适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法及系统。

背景技术

[0002] 我国铁路进入实现现代化建设的关键时期，尤其是在“一带一路”战略发展下，西部边远地区铁路交通以及重载铁路快速发展，与此同时，对铁路运营管理与安全综合保障也提出了更高的要求，因此，对于铁路交通的监测以及铁路交通信息的实时更新也须同步提高，以满足铁路交通系统全信息化安全保障和运营支持的需求。目前，我国铁路交通信息的传输主要通过列车与轨边蜂窝通信系统连接构成铁路移动通信系统来实现，从而提供列车信息服务。典型的铁路移动通信系统如铁路专用数字移动通信系统(Global System For Mobile Communications-Railway，简称：GSM-R)、铁路专用宽带移动通信系统(Long Term E-volution-Railway，简称：LTE-R)。

[0003] 现有技术中的铁路移动通信系统严重依赖于完善的陆侧通信基础设施来实现铁路交通信息传输，对于路侧通信基础设施薄弱的地区，铁路交通信息传输的有效性较低。

发明内容

[0004] 本发明提供一种适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法及系统，以解决铁路移动通信系统对于路侧通信基础设施薄弱的地区，铁路交通信息传输有效性较低的问题。

[0005] 第一方面，本发明提供一种适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法，该方法适用于天临空地车专用网络系统中，所述天临空地车专用网络包括：浮空器节点、无人机节点和地面节点。

[0006] 该方法包括：

[0007] 所述浮空器节点广播簇首(Cluster Header，简称：CH)消息、问候(Hello)消息，其中，所述CH消息用于宣告所述浮空器节点为簇首身份，所述Hello消息中携带网络节点信息表，所述浮空器节点具有最大稳定性度量，所述稳定性度量根据示所述浮空器节点的连接度和平均连接时间获得；所述连接度用于指示所述浮空器节点可连接的邻居节点的个数，所述平均连接时间用于指示所述浮空器节点与所有邻居节点的链路连接时间的均值；

[0008] 所述无人机节点和所述地面节点接收所述CH消息、所述Hello消息，并根据所述CH消息、所述Hello消息向所述浮空器节点发送反馈信息，所述无人机节点和所述地面节点处于所述浮空器节点的通信覆盖范围内，所述反馈信息为加入请求信息或拒绝加入信息或已加入信息；

[0009] 所述浮空器节点根据所述反馈信息确定所述浮空器节点所在簇中的节点。

[0010] 进一步地，还包括：

[0011] 所述无人机节点和所述地面节点广播Hello消息；

[0012] 其中，所述Hello消息中携带的所述网络节点信息表中包含有以所述浮空器节点为簇首的簇中所有节点的节点信息。

[0013] 进一步地，所述节点信息包括以下一项或多项：节点身份、节点ID号、节点位置、节点速度、节点连接度、节点平均连接时间、稳定性度量；

[0014] 其中，所述节点身份包括：簇首身份、普通簇员身份、网关身份、备用簇首身份。

[0015] 进一步地，还包括：

[0016] 所述浮空器节点根据所述网络节点信息表中所有节点的稳定性度量从所述天临空地车专用网络的无人机节点中选择一个无人机节点为备用簇首，备用簇首身份的所述无人机节点用于在簇首身份的所述浮空器节点故障时成为新簇首；

[0017] 所述浮空器节点广播备用簇首通知消息，所述备用簇首通知消息用于携带所述备用簇首身份的无人机节点的标识。

[0018] 进一步地，所述浮空器节点广播备用簇首通知消息之后，还包括：

[0019] 所述浮空器节点根据所述无人机节点发送的Hello消息中更新的稳定性度量更新所述备用簇首，并广播备用簇首更新通知消息，所述备用簇首更新通知消息用于携带更新后的所述备用簇首身份的无人机节点的标识。

[0020] 进一步地，还包括：

[0021] 所述无人机节点向所述浮空器节点发送网关请求信息，其中，所述无人机节点可与相邻簇中的节点进行通信；

[0022] 所述浮空器节点同意所述网关请求信息后，广播网关通知消息，所述网关通知消息用于携带所述网关身份的无人机节点的标识。

[0023] 进一步地，还包括：

[0024] 网关身份的所述无人机节点根据所述网络节点信息表判断是否存在网关身份的其他节点且连接了相同的相邻簇；

[0025] 若存在，则将满足预设条件的无人机节点的节点身份更新为普通簇员身份；

[0026] 若不存在，则所述无人机节点保持网关身份。

[0027] 进一步地，所述天临空地车专用网络还包括：地面控制中心；

[0028] 还包括：所述浮空器节点将所述网络节点信息表发送至地面控制中心。

[0029] 第二方面，本发明还提供一种天临空地车专用网络系统，所述系统包括至少一个簇；

[0030] 所述簇包括：浮空器节点、无人机节点以及地面节点；

[0031] 其中，所述系统用于第一方面所述的内容。

[0032] 进一步地，所述系统还包括：地面控制中心，用于接收所述至少一个簇中的浮空器节点发送的所述网络节点信息表。

[0033] 本发明提供一种适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法及系统，该方法通过浮空器节点广播CH消息、Hello消息，其中，CH消息用于宣告所述浮空器节点为簇首身份，Hello消息中携带网络节点信息表，浮空器节点具有最大稳定性度量，所述稳定性度量根据浮空器节点的连接度和平均连接时间获得，连接度用于指示所述浮空器节点可连接的邻居节点的个数，平均连接时间用于指示浮空器节点与所有邻居节点的连接时间的平均值，无人机节点和地面节点接收CH消息、Hello消息，并根据所述CH消息、所述Hello消息向所述浮空器节点发送反馈信息，无人机节点和所述地面节点处于所述浮空器节点的通信覆盖范围内，反馈信息为加入请求信息或拒绝加入信息或已加入信息，进一步，所述浮空器节点根据所述反馈信息确定所述浮空器节点所在簇中的节点。通过对空间以及地面两部分的有效整合，采用基于连接度和连接时间的分簇组网方法建立天临空地车专用网络系统，扩大通信覆盖范围，解决了铁路移动通信系统对于路侧通信基础设施薄弱的地区，铁路交通信息传输的有效性较低的问题。另外，本实施例通过采用基于连接度和链路连接时间的分簇组网方法，能够保证快速组网，并且生成的网络系统的稳定性较高，能够减小由于网络系统中簇不稳定对接入协议以及路由协议造成的严重干扰，提高了数据投递率以及网络吞吐量性能。

附图说明

[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0035] 图1为本发明提供的天临空地车专用网络系统架构示意图；

[0036] 图2为本发明提供的适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法实施例一的流程示意图；

[0037] 图3为本发明提供的天临空地车专用网络中同一高度的两个相邻节点的连接时间示意图；

[0038] 图4为本发明提供的适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法实施例二的流程示意图；

[0039] 图5为本发明提供的适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法实施例三的流程示意图；

[0040] 图6为本发明提供的天临空地车专用网络系统实施例一的结构示意图；

[0041] 图7为本发明提供的天临空地车专用网络系统实施例二的结构示意图；

[0042] 图8为本发明提供的分簇组网后的网络系统实施例一的结构示意图。

具体实施方式

[0043] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0044] 图1为本发明提供的天临空地车专用网络系统架构示意图，参照图1所示，本实施例中提供的天临空地车专用网络系统包括：浮空器节点、无人机节点以及地面节点。

[0045] 本实施例中涉及的浮空器节点可为临近空间飞艇。临近空间飞艇利用飞行器自身的浮力克服重力，飞行的动力一般由太阳能电力系统提供。例如，临近空间飞艇可通过在气囊内灌充非常轻的大量氦气，使整个飞艇的密度比2万米以下的空气还小，因此，能够长期待在一个地区上空而不需要额外的消耗动力，能够实现全面监控该地区的交通等。浮空器节点位于距离地面高度为h1千米的临空空间中，其通信覆盖范围为d1千米，即以浮空器节点映射在地面上的点为圆心，半径为r1＝d1/2千米的圆内的所有其他节点可以与浮空器节点进行通信，其中，h1、d1、r1均大于0。浮空器节点的理想驻留状态是固定不动的。

[0046] 无人机节点的飞行高度一般低于浮空器节点，可以与其通信覆盖范围内的其他节点进行通信，同时还可与浮空器节点进行通信，以实现更细粒度的监测和通信。例如，无人机节点可在距离地面高度为h2千米的空中，飞行速度为v千米/小时，其对地面节点的通信覆盖范围为d2千米，即以无人机节点映射在地面上的点为圆心，半径为r2＝d2/2千米的圆内的所有地面节点进行通信，还可以与浮空器节点通信，其中，h2、d2、r2均大于0。

[0047] 地面节点即位于地面上的节点，主要包括：列车节点、轨旁监测节点。可选地，列车节点为铁路列车。

[0048] 本实施例中的天临空地车专用网络系统通过空间以及地面两部分的有效整合，能够实现对铁路交通的全面监测以及对铁路交通信息的有效传输，解决铁路移动通信系统对于路侧通信基础设施薄弱的地区，铁路交通信息传输的有效性较低的问题。

[0049] 由浮空器节点、无人机节点以及地面节点三种节点类型组成的天临空地车专用网络中的无人机节点和地面节点具有高速移动性，使得网络拓扑结构变化迅速。为了使设计的组网协议能够适应频繁变化的拓扑结构以及减小控制开销的负担，优选地采用分簇机制。

[0050] 现有技术中的分簇组网方法，如最小ID算法(Lowest-ID Clustering Scheme)，通过节点之间交换一轮控制消息获取相邻节点的ID，在邻节点中具有最小ID的节点声明其为簇首，其他节点收到消息后，加入宣布成为簇首节点所在的簇中。最小ID算法简单、实现方便、算法收敛较快，但是簇首的数目较大，增加了分组投递的时延，由于簇内节点分布不均匀，簇首更新频率较快，因此，无法适用于移动性较高的网络系统中。

[0051] 现有技术中的分布式分簇算法(Distributed Clustering Algorithm，简称：DCA)，通过为网络系统中的每个节点分配一个由遗传基因算法给出的大于0的权重，然后每个节点广播它对所有邻居节点的权重值。一跳邻居节点中权重值最高的节点会成为簇首，否则加入由其他邻居节点所形成的簇中。当多个邻居节点具有相同的权重值时，ID号最小的节点将被指定为簇首。分布式分簇算法同样继承了最小ID算法的缺点，另外，采用分布式分簇算法生成的簇首的数目会比采用最小ID算法生成的簇首数目更大。

[0052] 基于上述现有分簇组网算法的缺陷，本发明还提供一种适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法。

[0053] 图2为本发明提供的适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法实施例一的流程图，如图2所示，本实施例的方法可以包括：

[0054] S201、浮空器节点广播CH消息、Hello消息。

[0055] 其中，CH消息用于宣告浮空器节点为簇首身份，Hello消息中携带网络节点信息表，所述浮空器节点具有最大稳定性度量，所述稳定性度量根据所述浮空器节点的连接度和平均连接时间获得。所述连接度用于指示所述浮空器节点可连接的邻居节点的个数，所述平均连接时间用于指示所述浮空器节点与所有邻居节点的链路连接时间的平均值。

[0056] 由于浮空器节点的通信覆盖范围是天临空地车专用网络系统中通信覆盖范围最大的节点，且具有最大稳定性度量，因此，默认浮空器节点竞争簇首节点，且竞争成功。

[0057] 需要说明的是，节点的稳定性度量是用于反映节点的稳定性的参数。

[0058] 进一步，浮空器节点通过广播CH信息的方式，向所述天临空地车专用网络系统中的其他节点宣告浮空器节点的簇首身份。浮空器节点通过广播Hello消息将浮空器节点所在簇中的网络节点信息表发送至浮空器节点通信覆盖范围内的其他节点，接收到浮空器节点发送的Hello消息的节点可根据网络节点信息表获知浮空器节点的簇首身份。可选地，浮空器节点可周期性地广播Hello消息。浮空器节点还可按照预先设定时间广播Hello消息。

[0059] 由于Hello消息是周期性的发送且与CH消息的发送是独立的，且浮空器节点周期性地广播Hello消息，若浮空器节点发送CH消息的时刻与发送Hello消息的时刻相同时，则只发送Hello消息，以指示浮空器节点的簇首身份。其中，Hello消息中携带的网络节点信息表，以表明浮空器节点的簇首身份和已经接受的簇成员节点的节点信息。

[0060] 可选地，以浮空器节点为簇首的簇号可为浮空器节点的ID号，也可为其他特殊标识，本发明对此不做限定。

[0061] 接下来，首先对节点的连接时间以及平均连接时间进行详细介绍。需要说明的是，节点的时钟可通过北斗或全球定位系统(Global Positioning System，简称：GPS)的时钟定位系统来实现同步，并能从北斗或GPS定位系统中获取节点本身的实时位置信息、运动速率和运动方向信息。网络系统中的节点可以通过广播的方式获知到其他邻居节点(处于本节点通信覆盖范围内的其他节点)的位置信息、运动速率以及运动方向信息。

[0062] 根据各节点的位置信息、运动速率以及运动方向信息可分别获取该节点与其他邻居节点的链路连接时间，进一步根据该节点与所有其他邻居节点的链路连接时间获取该节点的平均连接时间。

[0063] 针对位于同一高度的两个相邻节点的链路连接时间(Link Connection Time，简称：LCT)可通过以下方式获取：

[0064] 假设多个节点在距离地面同一高度的一个平面上，它们之间的通信半径r都相同，其中r大于0，那么对于任意时刻的两个相邻节点之间的距离不大于有效的通信半径r，即可认为此两相邻节点保持连接。

[0065] 这里结合图3，举例说明如何获取两相邻节点的链路连接时间，请参照图3所示，节点i和节点j通过北斗/GPS获取自己的位置信息、运动速率、运动方向，假设同一空间高度上的节点i和节点j的通信半径都为r，其中r大于0，(xi，yi)和(xj，yj)分别为节点i和节点j的坐标。vi和vj分别为节点i和节点j的移动速率，θi和θj(0≤θi＜2π，0≤θj＜2π)为节点i和节点j的速度方向与坐标轴x轴的夹角。

[0066] 两个节点以当前的运动速率与运动方向进行移动(由于该算法是基于移动预测的算法，故假设将来的一段时间内节点i和节点j的运动速率以及运动方向不变)，经过时间t后，分别到达位置(xi+xicosθit，yi+yisinθit)和(xj+xjcosθjt，yj+yjsinθjt)。易知，当两个节点的距离达到节点间的通信半径r时，此时，时间t为两个节点的最大链路连接时间LCT。因此，可得公式(1)、(2)。

[0067]

[0068] 令a＝vicosθi-vjcosθj，b＝xi-xj，c＝visinθi-vjsinθj，d＝yi-yj得[0069] [b+at]2+[d+ct]2＝r2  (2)

[0070] 由公式(1)、(2)得出同一空间高度上任意两个相邻节点的链路连接时间(Link Connection Time，简称：LCT)，解该一元二次方程得公式(3)。

[0071]

[0072] 由公式(3)可得出，节点可进一步计算出平均连接时间ALCT。

[0073] TjALCT＝(T1LCT+T2LCT+...+TNLCT)/N  (4)

[0074] TALCTj为节点j的平均连接时间(Average Link Connection Time，简称：ALCT)，其中，TLCTi为节点j与邻居节点i的连接时间，N为节点j的邻居节点的个数。即节点j与各个邻居节点的LCT相加，除以邻居节点的个数N获取。

[0075] 对于不同高度上的两个不同类型的节点，例如浮空器节点和地面节点，可以转化为两个地面投影节点之间的链路连接时间。举例说明，如判断浮空器节点和地面节点是否可以通信，可转化为判断浮空器节点与地面节点的地面投影之间距离是否小于浮空器节点的通信半径，若小于，则说明地面节点在浮空器节点的通信覆盖范围内，二者可以进行通信。二者的链路连接时间也可以用浮空器节点地面投影与地面节点二者间的链路连接时间来计算，即转化为同一空间高度二节点间的链路连接时间问题，可以使用公式(3)计算得出。进一步，根据与通信覆盖范围内不同高度的其他所有节点的链路连接时间可获得该节点的平均连接时间。

[0076] S202、无人机节点和地面节点接收所述CH消息、所述Hello消息，并根据所述CH消息、所述Hello消息向浮空器节点发送反馈信息，所述反馈信息为加入请求信息或拒绝加入信息或已加入信息。

[0077] 其中，所述无人机节点和所述地面节点处于所述浮空器节点的通信覆盖范围内。

[0078] 具体地，无人机节点和地面节点可根据接收到的CH消息确定浮空器节点为簇首，并向浮空器节点发送加入请求信息。或者，无人机节点和地面节点根据接收到的由浮空器节点发送的Hello消息确定自己是否已加入以浮空器节点为簇首的簇中，若已加入，可向浮空器节点反馈已加入信息，若未加入，则可向浮空器节点发送加入请求消息。

[0079] 一种可能的实现方式中，浮空器节点发送的Hello消息中携带的网络节点信息表，无人机节点和地面节点接收到的网络节点信息表查找自己的节点信息，若自己的节点信息已存在于网络节点信息表中，则说明该节点已加入以浮空器节点为簇首的簇中，则可向浮空器节点反馈已加入信息，若自己的节点信息未存在于网络节点信息表中，则可向浮空器节点发送加入请求消息。

[0080] 可选地，网络节点信息表中包含有以浮空器节点为簇首的簇中所有节点的节点信息。其中，节点信息可包括以下一项或多项：节点身份、节点ID号、节点位置、节点速度、节点连接度、节点平均连接时间、稳定性度量，所述节点身份包括：簇首身份、普通簇员身份、网关身份、备用簇首身份。

[0081] 可选地，无人机节点和地面节点接收到浮空器节点发送的CH消息、Hello消息后，不向浮空器节点发送反馈消息，浮空器节点发送CH消息、Hello消息达到预设次数后，仍没有收到该无人机节点或地面节点发送的反馈消息，则默认该节点拒绝加入以浮空器节点为簇首的簇中。

[0082] S203、浮空器节点根据所述反馈信息确定所述浮空器节点所在簇中的节点。

[0083] 浮空器节点根据接收到的由无人机节点和地面节点发送的反馈消息执行相应的处理。具体地，若浮空器节点发送给接收的是加入请求消息，则浮空器节点可同意上述加入请求，发送加入请求的节点成为以浮空器节点为簇首的簇中。若浮空器节点接收的是拒绝加入信息，则浮空器节点可确定发送该拒绝加入信息的节点拒绝加入以浮空器为簇首的簇中。若浮空器节点接收的是已加入信息，则发送已加入信息的节点已加入以浮空器节点为簇首的簇中。可通过重复以上步骤，浮空器节点可确定所述浮空器节点所在簇中的所有成员节点，也就是说通过重复上述步骤，浮空器节点可确定所述浮空器节点所在簇中具体包含的哪些无人机节点以及哪些地面节点，同时根据无人机节点、地面节点与浮空器节点之间的信息交互，浮空器节点可获知浮空器节点所在簇中的所有节点的节点信息。

[0084] 本实施例中，通过浮空器节点广播CH消息、Hello消息，其中，所述CH消息用于宣告所述浮空器节点为簇首身份，所述Hello消息中携带网络节点信息表，所述浮空器节点具有最大稳定性度量，所述稳定性度量根据所述浮空器节点的连接度和平均连接时间获得，所述连接度用于指示所述浮空器节点可连接的邻居节点的个数，所述平均连接时间用于指示所述浮空器节点与所有邻居节点的链路连接时间的平均值，无人机节点和地面节点接收所述CH消息、所述Hello消息，并根据所述CH消息、所述Hello消息向所述浮空器节点发送反馈信息，所述无人机节点和所述地面节点处于所述浮空器节点的通信覆盖范围内，所述反馈信息为加入请求信息或拒绝加入信息或已加入信息，进一步，所述浮空器节点根据所述反馈信息确定所述浮空器节点所在簇中的节点。通过对空间以及地面两部分的有效整合，采用基于连接度和连接时间的分簇组网方法建立天临空地车专用网络系统，扩大通讯覆盖范围，解决了铁路移动通信系统对于路侧通信基础设施薄弱的地区，铁路交通信息传输的有效性较低的问题。另外，本实施例通过采用基于连接度和连接时间的分簇组网方法，能够保证快速组网，并且生成的网络系统稳定性较高，能够减小由于网络系统中簇不稳定对接入协议以及路由协议造成的严重干扰，提高了数据投递率以及网络吞吐量性能。

[0085] 图2所示实施例之后还可包括以下步骤，浮空器节点将所述网络节点信息表发送至地面控制中心。

[0086] 可选地，浮空器节点可周期性的将网络节点信息表发送至地面控制中心，以使所述地面控制中心能够及时获取网络系统中各节点的最新状态。或者，地面控制中心主动发送更新请求，浮空器节点接收到地面控制中心发送的更新请求后，将最新的网络节点信息表发送至地面控制中心。

[0087] 由于地面控制中心能够有效获取到天临空地车专用网络系统中各节点最新的节点信息，因此，能够实现及时响应突发事件，并制定准确的响应策略。

[0088] 图4为本发明提供的适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法实施例二的流程示意图，如图4所示，在图2所示实施例之后还可包括本实施例中的步骤。具体地，本实施例的方法可以包括：

[0089] S401、浮空器节点根据所述网络节点信息表中所有节点的稳定性度量从所述天临空地车专用网络的无人机节点中选择一个无人机节点为备用簇首。

[0090] 其中，备用簇首身份的无人机节点用于在簇首身份的所述浮空器节点故障时成为新簇首。

[0091] 为了防止由于浮空器节点突发故障导致网络系统瘫痪，浮空器节点在确定浮空器节点所在簇中所有节点后，根据簇中所有无人机节点的稳定性度量选择一个无人机节点作为备用簇首。可选地，浮空器节点选择稳定性度量最大的无人机节点作为备用簇首。

[0092] 稳定性度量是用于衡量同一空间平面中节点的稳定性的参数，可用φ表示。可通过以下公式(5)计算节点j的稳定性度量：

[0093]

[0094] 其中，c表示节点j的连接度，C表示簇内节点上限，TALCTj表示节点j的平均连接时间，T表示连接时间阈值。当TALCTj＞T时，取TALCTj＝T，通过设置连接时间阈值避免运动趋势相似的两个节点出现连接时间无限大的情况。

[0095] 根据公式(5)可知，节点的稳定性度量φ越大，节点稳定性越高。

[0096] S402、浮空器节点广播备用簇首通知消息，所述备用簇首通知消息用于携带所述备用簇首身份的无人机节点的标识。

[0097] 当浮空器节点确定备用簇首后，浮空器节点广播备用簇首通知消息，将备用簇首身份的无人机节点的标识广播至浮空器节点所在簇中的其他所有节点，接收到由所在簇中浮空器节点广播的备用簇首通知消息的节点，根据接收到的备用簇首身份的无人机节点的标识更新备用簇首身份的无人机节点的节点身份。

[0098] 可选地，备用簇首身份的无人机节点接收到浮空器节点发送的备用簇首通知消息后，将网络节点信息表中自己的节点身份更改为备用簇首身份，并通过Hello消息将更新后的网络节点信息表广播至以自己所在簇中的其他所有节点。其他节点接收到无人机节点发送的Hello消息后，将更新各自节点中保存的网络节点信息表中备用簇首身份的无人机节点的节点身份，以确保簇中所有节点保存的网络节点信息表中各节点的节点信息的准确性。

[0099] S403、浮空器节点根据所述无人机节点发送的Hello消息中更新的稳定性度量更新所述备用簇首，并广播备用簇首更新通知消息，所述备用簇首更新通知消息用于携带更新后的所述备用簇首身份的无人机节点的标识。

[0100] 由于无人机节点处于不断的快速移动中，无人机节点的邻居节点数目以及链路连接状态可能会发生变化，进而导致无人机节点的稳定性度量发生变化。为保证网络系统的稳定性，一种可能的实现方式中，无人机节点周期性的发送Hello消息，浮空器节点根据接收到的由所在簇中所有无人机节点周期性发送的Hello消息更新备用簇首。

[0101] 具体地，无人机节点发送的Hello消息中携带有网络节点信息表，网络节点信息表中保存有更新后的稳定性度量，浮空器节点根据接收到的簇中所有无人机节点更新后的稳定性度量维护备用簇首，例如，当前的备用簇首在本簇内的无人机节点中具有最大的稳定性度量，则维持当前的备用簇首不变；否则，选择稳定性度量最大的无人机节点为更新后的备用簇首，并广播备用簇首更新通知消息。同时向原来的备用簇首身份的无人机节点发送节点身份更改消息，原来的备用簇首收到消息后将自身节点身份更改为普通簇员身份。另外，当前的备用簇首身份的无人机节点同时是网关身份，若当前的备用簇首不是本簇内的无人机节点中具有最大的稳定性度量的无人机节点，则保持该无人机节点的网关身份，删除无人机节点的备用簇首身份。所述备用簇首更新通知消息用于携带更新后的所述备用簇首身份的无人机节点的标识，无人机节点的标识可为无人机节点的节点信息，例如节点ID号，或其他特殊的标识信息。

[0102] 通过及时更新备用簇首，保证备用簇首身份的无人机节点始终是簇中稳定性最高的无人机节点，有利于提高系统的稳定性。

[0103] 本实施例中所述浮空器节点根据所述网络节点信息表中所有节点的稳定性度量从天临空地车专用网络的无人机节点中选择一个无人机节点为备用簇首，备用簇首身份的无人机节点用于在簇首身份的浮空器节点故障时成为新簇首，所述浮空器节点广播备用簇首通知消息，所述备用簇首通知消息用于携带所述备用簇首身份的无人机节点的标识，进一步，所述浮空器节点根据所述无人机节点发送的Hello消息中更新的稳定性度量更新所述备用簇首，并广播备用簇首更新通知消息，所述备用簇首更新通知消息用于携带更新后的所述备用簇首身份的无人机节点的标识。所述备用簇首身份的无人机节点的标识可为该无人机节点的节点ID号，或其他特殊的标识信息。

[0104] 通过采用本实施例中的方法，备用簇首身份的无人机节点在簇首发生故障时，能够成为新簇首，快速建立起新的簇，保证了网络系统的稳定性。

[0105] 图5为本发明提供的适用于天临空地车专用网络的分簇组网方法实施例三的流程示意图，如图5所示，在图2所示实施例之后还可包括本实施例中的步骤。具体地，本实施例的方法可以包括：

[0106] S501、无人机节点向所述浮空器节点发送网关请求信息，其中，所述无人机节点可与相邻簇中的节点进行通信。

[0107] 若无人机节点可与相邻簇中的簇首身份的浮空器节点，或者无人机节点可与相邻簇中的无人机节点进行通信，则说明该无人机处于两个簇的交界或者重叠处，因此，无人机节点向所在簇中的簇首即浮空器节点发送网关请求信息。网关请求信息用于请求成为网关节点。

[0108] S502、浮空器节点同意所述网关请求信息后，广播网关通知消息，所述网关通知消息用于携带所述网关身份的无人机节点的标识。

[0109] 浮空器节点接收到网关请求消息，并同意无人机节点发送的网关请求。可选地，浮空器节点向发送网关请求信息的无人机节点回复网关确认信息，网关确认信息用于指示浮空器节点同意网关请求。

[0110] 进一步，浮空器节点同意所述网关请求信息后，广播网关通知消息，将网关身份的无人机节点的标识广播至浮空器节点所在簇中的其他所有节点。

[0111] 可选地，网关身份的无人机节点接收到浮空器节点发送的网关确认信息后，将网络节点信息表中自己的节点身份更改为网关身份，并通过Hello消息将更新后的网络节点信息表广播至以自己所在簇中的其他所有节点。其他节点接收到无人机节点发送的Hello消息后，将更新各自节点中保存的网络节点信息表中网关身份的无人机节点的节点身份。

[0112] S503、网关身份的所述无人机节点根据所述网络节点信息表判断是否存在网关身份的其他节点且连接了相同的相邻簇，若存在，则将满足预设条件的无人机节点的节点身份更新为普通簇员身份。

[0113] 由于无人机节点处于不断的快速移动中，经过一段时间后，会出现网关身份的无人机节点离开两个相邻簇通信覆盖范围的交界或者重叠处的现象，导致网关身份的无人机节点不能实现相邻簇之间的通信，因此，浮空器节点需要更新网关身份对应的无人机节点，以实现两个相邻簇的有效通信。

[0114] 一种可能的实现方式中，网关身份的无人机节点根据网络节点信息表判断是否存在同样是网关身份的其他无人机节点，且这些无人机节点连接了相同的相邻簇。由于浮空器节点、无人机节点以及地面节点均周期性通过Hello消息进行交互更新网络节点信息表，网关身份的无人机节点根据最新的网关节点信息表中各个节点的节点信息可判断是否存在同样是网关身份的其他无人机节点，且这些无人机节点连接了相同的相邻簇，网关身份的无人机节点根据判断结果执行相应的处理。

[0115] 可选地，若存在网关身份的其他节点，且连接了相同的相邻簇，则将网关生存时间小的无人机节点的节点身份转换为普通簇员身份，网关生存时间最大的无人机节点保持网关身份。进一步，转换为普通簇员身份的无人机节点更新自己的网络节点信息表中自己的节点身份。之后，转换为普通簇员身份的无人机节点通过Hello消息将更新后的网络节点信息表广播至自己所在簇中的所有节点，以使其他所有节点更新网络节点信息表中的节点信息。若不存在网关身份的其他节点，且连接了相同的相邻簇，则网关身份的无人机节点保持网关身份。由于网关生存时间小，则说明该节点相对于原来网关状态的无人机节点来说，属于入侵者，因此，根据网关时间大小将网关时间小于预设阈值的无人机节点的身份状态转换为普通簇员身份。

[0116] 可选地，浮空器节点还可发送CH消息，其中，CH消息用于指示解散以浮空器节点为簇首的簇，若网关身份的无人机节点接收到簇首身份的浮空器节点发送的所述CH消息，网关身份的无人机节点判断是否处于其他相邻簇的通讯覆盖范围内，若处于一个相邻簇的通信覆盖范围内或多个相邻簇的通信覆盖范围重叠处，则保持网关身份。若未处于任何其他簇的通信覆盖范围内，则该无人机节点处于节点身份不确定状态，之后该无人机节点可根据接收到的CH消息和/或Hello消息重新加入某个簇中。

[0117] 可选地，若网关身份的无人机节点未接收到所在簇的簇首发送的Hello消息达到预设时长，则认为该无人机节点已离开所在簇中簇首的通讯覆盖范围。网关身份的无人机节点判断是否处于其他相邻簇的簇首或其他簇成员的通信覆盖范围内，若处于一个相邻簇的簇首或其他簇成员的通信覆盖范围内或多个相邻簇的的簇首或其他簇成员的通信覆盖范围重叠处，则保持网关身份。若未处于任何其他簇的簇首或其他簇成员的通信覆盖范围内，则该无人机节点节点身份不确定，之后该无人机节点可根据接收到的CH消息、Hello消息重新加入某个簇中。

[0118] 需要说明的是，本发明中天临空地车专用网络系统中不同簇所使用的通信信道并不相同。

[0119] 本实施例，通过所述无人机节点向所述浮空器节点发送网关请求信息，其中，所述无人机节点可与相邻簇中的节点进行通信，所述浮空器节点同意所述网关请求信息后，广播网关通知消息，所述网关通知消息用于携带所述网关身份的无人机节点的标识，网关身份的所述无人机节点根据所述网络节点信息表判断是否存在网关身份的其他节点且连接了相同的相邻簇，若存在，则将满足预设条件的无人机节点的节点身份更新为普通簇员身份。实现了相邻簇之间的通信，且不同的簇使用不同的通信信道，能够达到减小信道干扰的目的。

[0120] 图6为本发明提供的天临空地车专用网络系统实施例一的结构示意图，如图6所示，本实施例的系统可以包括至少一个簇60。

[0121] 所述簇60包括：浮空器节点61、无人机节点62、地面节点63。

[0122] 可选地，所述簇60可包括多个无人机节点62以及多个地面节点63。

[0123] 本实施例的系统，可以用于执行图2、图4和图5所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

[0124] 图7为本发明提供的天临空地车专用网络系统实施例二的结构示意图，在图6所示实施例的基础上，上述系统还可包括：地面控制中心64。

[0125] 地面控制中心64用于接收所述至少一个簇60中的浮空器节点61发送的网络节点信息表。

[0126] 图8为本发明提供的分簇组网后的网络系统实施例一的结构示意图，参照图8所示，本实施例中的天临空地车专用网络系统由两个相邻簇构成。其中，H1、H2分别为簇1、簇2的簇首身份的浮空器节点，S为网关身份的无人机节点，S可以为簇1中的成员，也可为簇2中的成员，簇1以及簇2中还包括其他普通簇员身份的无人机节点以及地面节点。普通簇员身份的节点即为图8中普通成员节点。

[0127] 本实施例中的天临空地车专用网络系统能够通过执行前述方法实施例的内容，实现对铁路交通的全面监测以及对铁路交通信息的有效传输，能够解决铁路移动通信系统对于路侧通信基础设施薄弱的地区，铁路交通信息传输的有效性较低的问题。

[0128] 本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0129] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。