CN105959973B

CN105959973B - 一种认知无线网络架构自适应重构的方法

Info

Publication number: CN105959973B
Application number: CN201610396798.5A
Authority: CN
Inventors: 赵海涛; 魏急波; 王海军; 马东堂; 习勇; 王杉; 黄圣春
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2019-02-22
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: CN105959973A

Abstract

发明属于无线通信网络技术领域，涉及一种认知无线网络架构自适应重构的方法，步骤如下：(S1)对中心控制器AP进行故障检测，当周围节点检测到AP发生故障后，节点自发构建自组织网络结构；(S2)在自组织网络结构下，发送节点进行数据发送，若直传链路断裂，则发送节点主动寻找一个节点用作协同中继节点，构建协同中继网络继续数据传输，传输完毕则构建自组织网络结构；若链路没有断裂，则保持自组织网络结构；(S3)没有数据发送任务以及数据发送完毕的节点检测AP是否恢复，若恢复，重新构建集中控制式网络结构，返回(S1)；若未恢复，则保持自组织网络结构，返回(S2)，本发明能有效增强认知无线网络在复杂多变通信环境下的生存能力。

Description

一种认知无线网络架构自适应重构的方法

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，涉及一种在认知无线网下的网络架构自适应重构方法。

背景技术

认知无线网络将认知无线电融入到传统无线网络中，使无线网络节点具有动态感知和使用网络区域内的空闲频谱的能力，解决了频谱资源稀缺和分配问题，从而提高网络频谱利用率。同时，协同通信技术融合了分集和中继的优点，将其引入认知无线网络能够对抗信道衰落，从而有效提高传输距离和传输速率。

认知无线网络架构一般分为集中控制式和分布式，其中分布式中比较典型的两种是自组织和协同中继网络结构。集中控制式网络中的中心控制器(Access Point，简称AP)控制所有节点的通信，因而管理高效，但网络过于依赖AP使得其成为整个网络的瓶颈。自组织网络结构中节点可以互相直接通信而不受AP控制，因此更加灵活稳健，但通信距离受发送功率限制，而协同中继网络结构可以解决节点间因距离远或障碍物遮挡所造成的直传链路断裂问题，提高网络连通性，但通信协议开销较大。因此，三种网络架构各具优缺点，实现三者之间的自适应重构将提高认知无线网络在复杂多变通信环境下的生存能力。

发明内容

本发明解决了现有认知无线网络工作在固定结构导致灵活性低、复杂环境适应力不足的问题，同时保证了认知无线网络在复杂多变通信环境下的连通性和较小的网络结构切换时间。以提高认知无线网络在复杂多变通信环境下的抗干扰和抗毁能力为目标，使认知无线网络在集中控制式、自组织和协同中继三种网络结构之间灵活自主切换，本发明提供了一种认知无线网络架构自适应重构的方法，保证了认知无线网络复杂多变环境下的连通性，即网络即使在AP发生故障或者直传链路断裂的情况下也能通过网络架构的切换而继续工作，具有一定的抗毁性。同时，本发明在保证网络连通性的条件下，网络架构切换时间在可接受范围内，保证了服务质量。

本发明基于以下常用且切合实际的假设：(1)整个系统的工作频带被划分成M个带宽相同且互不重叠的子信道，表示为ch1、ch2、…、chM；M为自然数；(2)存在一个公共控制信道ch0总是通畅的；(3)网络节点均配备单个半双工收发器且具有频谱感知功能。本发明的具体技术方案如下：

一种认知无线网络架构自适应重构的方法，初始时认知无线网络工作在集中控制式网络结构，具体包括以下步骤：

(S1)对中心控制器(简称AP)进行故障检测，当周围节点检测到AP发生故障后，节点自发构建自组织网络结构；否则，继续工作在集中控制式网络结构；

(S2)在自组织网络结构下，有数据发送任务的节点进行数据发送，期间判断直传链路是否断裂，若直传链路断裂，则发送节点主动寻找一个节点用作协同中继节点，构建协同中继网络继续数据传输，一旦数据传输完毕，则重新构建自组织网络结构；若在数据发送过程中，直传链路没有断裂，则保持自组织网络结构；

(S3)没有数据发送任务以及数据发送完毕的节点检测AP是否恢复，若恢复，重新构建集中控制式网络结构，返回步骤(S1)；若AP未恢复，节点保持自组织网络结构，返回步骤(S2)。

优选地，所述步骤(S1)中对中心控制器(AP)进行故障检测采用的算法为：AP每t₀秒周期性地广播Hello数据包向周围节点宣告自己的存在，同时广播指令，若周围节点在N·t₀秒时间内既没有收到Hello数据包(N表示次数，取值为自然数)，也没有收到指令，则认为AP发生故障；所述步骤(S3)中检测AP是否恢复的算法为：若AP重新加入了网络，则在自组织网络结构下处于在公共控制信道ch0上侦听的节点又会重新收到Hello数据包，故认为AP恢复。

优选地，所述步骤(S2)中对直传链路是否断裂进行检测采用的算法为：自组织网络结构下的发送节点在公共控制信道ch0无干扰的情况下，若连续发送N_talk次RTS(RequestTo Send，请求发送，简称RTS)而收不到CTS(Clear To Send，清除发送，简称CTS)，则认为与目的节点的链路断裂，无法直传，则两者需要寻找一个中继节点来帮助完成剩余的数据传输，N_talk表示发送次数，取值为自然数。

为更好地理解本发明技术方案，现作进一步说明：

本发明通过AP故障与恢复检测算法和直传链路断裂检测算法，使得认知无线网络在三种网络架构之间自适应地切换，从而保证网络连通性和服务质量。

在集中控制式网络结构下，AP和周围用户节点均工作在ch0上，AP每t₀秒周期性地广播Hello数据包向周围节点宣告自己的存在，期间也可以广播指令，同时向周围节点上传数据。在自组织网络结构下，两节点间的通信分为两个阶段：1)感知和协商：发送节点感知数据信道可用性，然后，通过在ch0上与目的节点交换RTS/CTS(Request To Send/Clear ToSend，请求发送/清除发送协议)来协商数据信道；2)数据发送：发送和目的节点跳至选择的数据信道上传输数据。如果发送节点在连续发送N_{pkt_retx}个数据包都没有收到ACK(Acknowledge，确认、应答)，则会跳至ch0重新协商另外一个数据信道，N_{pkt_retx}取值为自然数。完成数据传输以及空闲的节点会在ch0上保持侦听。协同中继结构下，发送节点向周围邻居节点广播协同请求帧，邻居节点如果探测到目的节点则会回复发送节点一个确认协同帧，至此，协同中继链路成功建立。中继节点将发送节点的数据放大并转发给目的节点。

自组织网络结构下的两个节点在进行数据交换过程中，如果链路由于距离过远或者障碍物遮挡而发生断裂，则发送节点会主动寻找另一个节点用作协同中继节点，及时构建协同中继网络继续数据传输，一旦数据传输完毕又会重新构建自组织网络结构。整个自适应过程全部由用户节点自主判断与决策。

采用本发明获得的有益效果：本发明克服了现有无线网络工作在固定网络结构而无法应对设备物理故障和通信链路断裂的缺点，提供一种能够根据通信环境自适应进行网络结构切换从而保证网络连通性和服务质量的网络架构重构方法。实验证明本发明具有可行性，能有效增强认知无线网络在复杂多变通信环境下的生存能力。

附图说明

图1是本发明网络结构互切换的流程图；

图2是本发明网络架构重构耗时；

图3是基于本发明的认知无线网络在复杂环境中的饱和吞吐量变化。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1是本发明网络结构互切换的流程图。认知无线网络在AP可用时处于集中控制式网络结构，当周围节点(即除AP之外的其它用户节点)检测到AP发生故障后，节点自发构建自组织网络结构，这时所有节点处于基于专有控制信道的多信道通信模式下，并且默认在ch0上侦听控制帧。有数据传输任务的节点会在数据信道上交换数据，交换完毕后重新跳到ch0上等待，没有数据交换任务的节点会一直在ch0上侦听。各节点在ch0上等待的过程中若检测到AP恢复(故障消除)，则重新构建集中控制式网络结构。自组织网络结构下的两个节点在进行数据交换过程中如果链路发生断裂，无法进行点对点通信，则发送节点会主动寻找另一个节点用作协同中继节点，及时构建协同中继网络继续数据传输，一旦数据传输完毕，又会重新回到自组织的无线网络结构。

图2给出了两个主要的网络结构切换耗时经20次测试的结果。实施例中，数据信道数M＝4，t₀＝0.5，N_{pkt_retx}＝3，N_talk＝3，N＝3，数据帧长度为4000B，比特速率为1.56Mb/s。由图可得，切换耗时的理论最小值与实测最小值基本吻合，理论最小值得计算方法为现有技术，两者的细微差值源于硬件的信道切换耗时；当信道环境不稳时，节点间会出现两次握手的情况，因而导致最大耗时；集中控制式网络结构切换至自组织网络结构平均耗时约为2.3s，自组织网络结构切换至协同中继网络结构平均耗时约为2.5s。

图3是基于本发明的认知无线网络与普通无线网络在复杂环境中的饱和吞吐量变化对比。其中参数设置与图2相同。从图中可得，自组织网络结构下平均吞吐量约为78KB/s，当直传链路断裂后(t＝10s)，基于本发明的网络及时切换至协同中继结构并且吞吐量恢复为原来的一半，约为37KB/s，保持了网络的连通性和生存性，而不使用本发明的网络(普通无线网络)吞吐量逐渐变为零且无法重新建立数据链接。在协同中继传输过程中，若直传链路恢复，网络在结束本轮图片发送后(t＝22s)又会切换至自组织网络结构进行下一张图片传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种认知无线网络架构自适应重构的方法，其特征在于，初始时认知无线网络工作在集中控制式网络结构，假设：1、整个系统的工作频带被划分成M个带宽相同且互不重叠的子信道；2、存在一个公共控制信道ch0总是通畅的；3、网络节点均配备单个半双工收发器且具有频谱感知功能；具体包括以下步骤：

S1、对中心控制器AP进行故障检测，当周围节点检测到中心控制器AP发生故障后，节点自发构建自组织网络结构；否则，继续工作在集中控制式网络结构；

S2、在自组织网络结构下，有数据发送任务的节点进行数据发送，期间判断直传链路是否断裂，若直传链路断裂，则发送节点主动寻找一个节点用作协同中继节点，构建协同中继网络继续数据传输，一旦数据传输完毕，则重新构建自组织网络结构；若在数据发送过程中，直传链路没有断裂，则保持自组织网络结构；

S3、没有数据发送任务以及数据发送完毕的节点检测中心控制器AP是否恢复，若恢复，重新构建集中控制式网络结构，返回步骤S1；若中心控制器AP未恢复，节点保持自组织网络结构，返回步骤S2。

2.如权利要求1所述的一种认知无线网络架构自适应重构的方法，其特征在于，所述步骤S1中对中心控制器进行故障检测采用的算法为：中心控制器AP每t₀秒周期性地广播Hello数据包向周围节点宣告自己的存在，同时广播指令，若周围节点在N·t₀秒时间内既没有收到Hello数据包，也没有收到指令，则认为中心控制器AP发生故障，N表示次数，取值为自然数。

3.如权利要求1所述的一种认知无线网络架构自适应重构的方法，其特征在于：所述步骤S2中对直传链路是否断裂进行检测采用的算法为：自组织网络结构下的发送节点在公共控制信道ch0无干扰的情况下，若连续发送N_talk次RTS而收不到CTS，则认为与目的节点的链路断裂，无法直传，N_talk表示发送次数，取值为自然数。

4.如权利要求1所述的一种认知无线网络架构自适应重构的方法，其特征在于：所述步骤S3中检测中心控制器AP是否恢复的算法为：若中心控制器AP重新加入了网络，则在自组织网络结构下处于在公共控制信道ch0上侦听的节点又会重新收到Hello数据包，则认为中心控制器AP恢复。