CN101111042A - 无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量无线移动自组织网络中通信量的区域分布的方法。其步骤是：使用飞行器在目标区域上空进行数据采集；通过飞行器上的GPS和无线网卡，定位飞行轨迹和勘测区域，测量通信节点的信号强度，利用信号强度公式计算通信节点与侦查位置的距离；利用飞行器在某通信节点通信范围内的两条不平行边上节点的位置信息以及距离信息，定位所测通信节点的中心位置；通过无线设备获得飞行轨迹上通信节点的通信量，根据MAC地址识别不同通信节点的通信量。本发明可应用于军事战场环境下无人机对敌方军事指挥中心的侦查，利用通信量密集程度来判断敌方军事指挥中心的所在；也可用于检测移动节点的通信冲突范围，用于无线移动自组织网络中路由协议的调整、评估和测试。

Description

无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法

技术领域

本发明属于面向军事应用的无线移动自组织网络中通信量的测量，具体而言涉及测量该网络中通信量的区域分布的方法。

背景技术

移动无线自组织网络(也称为Ad hoc网络)是由一组移动主机构成的动态、多跳、无线的网络。由于无线移动自组织网络具有节点对等、多跳无中心接入、不依赖网络基础设施、抗毁性强等特点，使得它的应用领域与普通的通信网络有着非常大的区别。军事应用是移动无线自组织网络的最早也是最主要的应用领域，该网络也被认为是数字战场通信的首选技术。目前Ad hoc已经成为美军战术互联网的核心技术，美军的数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了移动无线自组织网络技术。

本发明涉及现代化信息战中的情报收集环节的一种手段。单就军事意义讲，信息战是指战争双方都企图通过控制信息和情报的流动来把握战场主动权，在情报的支援下，综合运用军事欺骗、作战保密、心理战、电子战、摧毁敌方信息系统的实体、阻断敌方的信息流、制造虚假的信息等手段，以期影响和削弱敌方的指挥控制能力。同时，确保自己的指挥控制系统免遭敌方类似的破坏。信息战中可通过侦察手段窃取重要的机密信息，对敌方网络通信量的分析也是一种侦查手段。

分析作战区域的网络通信量，截获敌方的通信量进行分析可以获取对己方有利的作战信息，同时也可以对己方移动节点的通信报文进行诊断分析，检测通信信号冲突区域，用于路由评估和调整。现有的侦查网络通信量的工具，可以测量在仪器节点信号覆盖区域内与其他节点的通信量，但无法测量节点信号范围外的通信量。此外，在大范围的战场环境中，由于离散节点通信量的离散采样值无法覆盖较大区域的通信量分布情况，因而无法显示某区域内通信量的分布疏密程度，不利于作战中通信量区域分布的勘测。

发明内容

本发明的目的是提出一种在无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法，它可应用于军事信息战中无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)对敌方战场中通信量的侦查，判断敌方重要的通信区域，乃至敌方军事指挥中心的所在；同时也可用于检测移动节点的通信冲突范围，用于无线移动自组织网络中路由协议的调整、评估和测试。

为此，本发明采用以下技术方案：一种在无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法，它包括以下步骤：

1)使用配备了GPS设备和无线网卡的飞行器在目标区域上空进行数据采集；

2)通过GPS设备，定位飞行轨迹和勘测区域，将测量位置与地理信息相关联；

3)通过无线网卡探测扫描范围内各通信节点的信号强度，根据该信号强度计算飞行器与被测的通信节点之间的距离；

4)利用飞行器经过某通信节点通信范围的临界位置的平面坐标信息以及步骤3得出的距离信息，定位被测通信节点的中心位置；

5)通过无线设备获得飞行轨迹上通信节点的通信量，根据MAC地址识别不同通信节点的通信量；

6)对不同通信节点的通信量区域进行标识，得出目标区域内通信量的分布图。

本发明具有以下优点：

与现有的网络通信量测量方法相比，本发明考虑无线移动自组织网络移动性的特点，可移动测量某区域内的通信量，并且将测量值表示为区域内的分布图，更具直观显示性。

本发明引入通信量区域分布图思想，用通信量分布图显示不同节点通信量分布叠加的情况，还可利用通信量的密集程度，以及通信量的叠加区域进行下一步判断；并且可根据信号强度计算出的距离信息以及GPS地理信息，定位通信节点的中心位置。

附图说明：

图1是利用2架无人机探测的场景；

图2是利用1架无人机探测的场景；

图3是利用信号强度计算距离示意图；

图4是无人机探测到周围通信节点的分布图；

图5是检测到的通信节点信息；

图6是飞行轨迹上测量的通信区域；

图7是定位通信量中心位置；

图8是多个弧交点不重合示意图；

图9是交点定圆心示意图；

图10是通信量区域分布的示意图。

具体实施方式：

下面通过实验场景介绍、信号强度测量、通信节点位置定位、节点通信量测量、通信量分布图绘制几个步骤介绍本发明的实施方案。

1.实验场景

由坦克、装甲车、飞机和单兵构建的军事战场中，各节点通过无线链路进行通信、并可以自由移动。军事指挥中心与主要节点(也可能是战场中的某编制的负责节点)保持紧密通信，及时发布指令和收集战情信息。

为了对敌方的战场情况进行勘测，利用装配GPS设备和无线网卡的无人机(可以是单架或多架)在敌方上空进行数据采集。图1和图2描述了利用无人机进行通信量探测的场景。如图1所示，两架无人机在敌方上空，进行交叉轨迹的同步采集数据，它们的飞行轨迹平面图如图1中的灰色的交叉线。图2中，单架无人机在敌方上空进行蛇形轨迹的飞行扫描，飞行轨迹如图2中的折线箭头所示。此外，无人机通过GPS仪器定位飞行轨迹和勘测区域，将测量点位置与地理信息相关联。

2.信号强度测量

本发明中假定无人机的飞行速度远大于地面节点的移动速度，因此无人机可以在飞行轨迹上获得地面通信量及信号强度的快照信息。

测量通信节点的信号强度，是为了获得无人机(探测节点)与通信节点(被探测节点)的距离。信号强度可以理解为无人机处探测的通信节点的功率强度。

大多数环境中，通信节点的无线信号强度随着距离的α次幂而降低，称之为距离功率斜率或者路径损耗斜率。如果通信发送功率是P_s，经过d米距离后，信号强度将与P_sd^-α成比例。

本文假定最简单的自由空间传播模型，信号强度在自由空间中随着距离的平方而衰减(α＝2)。当天线发射信号时，信号会在各个方向上传播。如图3所示，设想通信节点S的传播范围是个圆形区域，信号强度随着传播距离而衰减，图3中的不同的灰色度表示信号强度的大小。在半径为d的球面上，信号强度密度等于发射的总信号强度除以球的面积4πd²。考虑到电波频率，还有额外的损耗，在自由空间中的发射功率P_s和接收功率P_r之间的关系如下式所示：

$\frac{P_r}{P_s}=G_s{G}_r{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πd}}\right)}^2---(2-1)$

上面公式中

P_s：表示通信节点发送的信号功率；

P_r：表示无人机节点接收的信号功率；

λ：载波波长。λ＝c/f，c是自由空间中的光速(3*10⁸m/s)，f是无线载波频率；

d：表示通信节点与无人机之间的距离

G_s、G_r：分别为发送器到接收器方向上的发送天线增益和接收天线增益。

如果把P₀＝P_sG_sG_r(λ/4π)²作为距离通信节点第1米范围的接收的信号强度，就可把(2-1)公式重新写为：

$P_r=\frac{P_0}{d^2}---(2-2)$

本文假设被探测的各个通信节点的功率强度一样，且已知P₀。当无人机检测到某通信节点的信号强度P_r时，根据公式(2-2)可以计算无人机与该被测通信节点的距离d。

如图4所示，无人机可以检测到周围通信节点的分布情况，如图4中的通信节点D1、D2、D3，在无人机处可以检测的信号强度随着它与各通信节点的距离而衰减。此外，还可探测到通信节点的无线方式、使用的无线通道和MAC地址，如图5所示。

3.定位通信节点位置

2架无人机在敌方区域上空交叉飞行同步采集数据，或者单架无人机进行蛇形轨迹的数据采集。假定被探测节点的通信区域为圆形，飞机在某时刻测得地面通信节点的通信范围内的两条弦。如图6所示，某个时间段内测得节点D1、D2、D3的通信区域，无人机在D1通信范围内测得的不平行2条轨迹ABC，DEF。通过步骤2中信号量与距离的计算公式(2-2)，计算得到ABCDE各点到通信中心节点的距离为d_A，d_B，d_C，d_D，d_E，d_F。

根据图4中出现通信节点的信息，可以判断A、C、D、F为通信区域D1的边缘节点(即临界位置)。其判别方法如下：在无人机飞行的某一时刻，其检测区域内的某一通信节点在图4中由显示状态变为消失，则判断该侦查位置为通信区域边缘上的位置。

通过这4个边缘节点定位区域D1的圆心，分别以点A、C、D、F节点为圆心、以d_A，d_C，d_D，d_F为半径作圆。如图7所示，假定4个圆弧交于D1区域内某点O，则将O点作为通信区域D1的中心节点位置，即通信节点位置。

如果由于误差，以点A、C、D、F节点为圆心所作的圆弧不相交于一点(如图8所示)，以A与D为圆心的2个圆弧交于点P1(x1，y1)、P2(x2，y2)，以A与C为圆心的2个圆弧交于点P3(x3，y3)、P4(x4，y4)，以C与F为圆心的2个圆弧交于点P5(x5，y5)、P6(x6，y6)，以F与D为圆心的2个圆弧交于点P7(x7，y7)、P8(x8，y8)。

如图9，作辅助线连接AD、CF，形成四边形ACFD。点P1、P2是边AD两旁的点，比较P1、P2到对边CF的距离，点P1到边CF的距离近(由于点P1在四边形ACFD内)，所以点P1是距离圆心O近的弧交点。同理，可以判断出点P3、P5、P7是距离圆心O近的弧交点。

则利用质心公式，计算圆心O(x，y)的中心位置，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{x_1+x_3+x_5+x_7}{4}\\ y=\frac{y_1+y_3+y_5+y_7}{4}\end{array}\right.$

4.节点通信量测量

假设通信量的测量值为T(x，y，t)，其中(x，y)表示测量位置的平面坐标，t表示测量时刻。仪器获得通信量，根据MAC地址识别属于不同通信节点的通信量，并进行统计。

如图6中，无人机的测量轨迹与D1区域有6个相交的测量点，设A、B、C、D、E、F处测得的通信量值的坐标值为：T_{A_MAC_D1}(x_A，y_A，t_A)、T_{B_MAC_D1}(x_B，y_B，t_B)、T_{C_MAC_D1}(x_C，y_C，t_C)、T_{D_MAC_D1}(x_D，y_D，t_D)、T_{E_MAC_D1}(x_E，y_E，t_E)、T_{F_MAC_D1}(x_F，y_F，t_F)。其中T_{A_MAC_D1}(x_A，y_A，t_A)表示t_A在平面坐标(x_A，y_A)位置、属于通信区域D1中的通信节点MAC地址的通信量，其他含义类似。

取t_min＝{t_A，t_B，t_C，t_D，t_E，t_F}，t_max＝{t_A，t_B，t_C，t_D，t_E，t_F}。由于无人机在轨迹上的不同时刻进行通信量测量，使得t_min≠t_max。求[t_min，t_max]时间段内的平均的通信量，计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{T_{A\_\mathrm{MAC}\_D1}+T_{B\_\mathrm{MAC}\_D1}+T_{C\_\mathrm{MAC}\_D1}+T_{D\_\mathrm{MAC}\_D1}+T_{E\_\mathrm{MAC}\_D1}{T}_{F\_\mathrm{MAC}\_D1}}{6}$

由于无人机侦察的飞行速度很快，可以认为在D1区域内的测量经历的时间很短，因此可用[t_min，t_max]内的

作为测量时间段内该区域的通信量值。

5.通信量分布图绘制

根据上一步骤得到的通信量区域的大小值，对不同通信节点区域用深浅不同的颜色标识，值越大颜色越深，最后得出区域内通信量的分布图。图10为其示意图，观察图10可以判断出D1区域为通信量最密集的区域，同时可判断出该通信区域的中心节点位置。在军事战场环境下该侦察结果可判断敌方通信密集区域，由该区域中心位置可推断敌方指挥中心的所在。

在无线自组织网络中，根据图10也可以判断出：D1和D2是通信较频繁的2个通信节点，D1和D2的通信量覆盖区域存在较大的通信冲突。

以上所述仅是本发明测量通信量区域分布的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明精神的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种在无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)使用配备了GPS设备和无线网卡的飞行器在目标区域上空进行数据采集；

2)通过GPS设备，定位飞行轨迹和勘测区域，将测量位置与地理信息相关联；

3)通过无线网卡探测扫描范围内各通信节点的信号强度，根据该信号强度计算飞行器与被测的通信节点之间的距离；

4)利用飞行器经过某通信节点通信范围的临界位置的平面坐标信息以及步骤3)得出的距离信息，定位被测通信节点的中心位置；

5)通过无线设备获得飞行轨迹上通信节点的通信量，根据MAC地址识别不同通信节点的通信量；

6)对不同通信节点的通信量区域进行标识，得出目标区域内通信量的分布图。

2.根据权利要求1所述的在无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法，其特征在于：在步骤1)中，利用两架无人机在目标区域上空进行交叉轨迹的同步数据采集。

3.根据权利要求1所述的在无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法，其特征在于：在步骤1)中，利用一架无人机在目标区域上空以蛇形轨迹进行数据采集。

4.根据权利要求1所述的在无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法，其特征在于：在步骤3)中，利用自由空间传播模型中信号强度与距离的关系公式，计算飞行器的探测位置与被探测的通信节点之间的距离。

5.根据权利要求1所述的在无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法，其特征在于：在步骤4)中，利用步骤3)计算出的通信节点与飞行器的距离长度，以飞行器在某通信节点区域临界位置上的几个位置点为圆心、相应的距离长度为半径画弧，利用各弧交点定位通信节点的中心位置。

6.根据权利要求1所述的在无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法，其特征在于：在步骤5)中，对某个通信节点不同时刻的通信量测量值，用求平均值的方法计算在测量时段内该通信节点的通信量值。

7.根据权利要求1所述的在无线移动自组织网络中测量通信量区域分布的方法，其特征在于：在步骤6)中，对不同通信节点的通信量区域进行标识时，采用深浅不同的颜色绘制，最后得出区域内通信量的分布图。

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