CN106211197A - 一种海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建方法 - Google Patents

一种海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建方法 Download PDF

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和瑞亚
王伟明
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Abstract

本发明公开了一种海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建方法，首先根据给定的空分多址时隙分配表建立空分多址抽象拓扑；然后设计定向邻居发现机制，基于该机制节点可获取网络拓扑结构；最后利用子图同解决抽象拓扑与实际网络拓扑节点之间的映射关系，完成空分复用时分多址接入模型的构建。根据该模型，网络节点即可确定自己的工作时隙和通信对象，从而实现空分多址接入。本发明能够为海空定向自组织网络的空分多址接入提供理论模型支撑，并有效提高其频谱利用率及网络性能。

Description

一种海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建 方法
技术领域
本发明涉及一种无线通信技术，具体地说是一种海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建方法。
背景技术
海空定向自组织网络通信信道为无线广播信道，容易在物理层被干扰，从而导致网络吞吐率和数据转发效率的降低，这是因为物理层使用全向天线发送和接收数据。若海空定向自组织网络物理层采用定向天线，不但能有效增加单跳传输的距离、提高数据传输速率，还可利用定向天线产生的窄定向波束实现空分多址接入，即多个节点无干扰同时同频通信。空分多址可有效提高网络的吞吐率、降低信息端到端传输时延。随着相控阵天线在海空定向自组织网络中的广泛应用，迫切需要研究空分多址技术。
现有空分多址解决方案很多是从物理层天线波束设计的角度出发，对波束生成、波束赋形等进行设计。而这些解决方案只能提高点对点的通信性能，不能提高网络的整体性能。因此若要利用智能天线提升网络性能必须设计合适的信道接入控制机制。近年来，空分多址接入研究工作已经有了较大进展，但缺乏模型支撑，且针对海空定向自组织网络等广域MANET应用场景下的空分多址研究较少。此外，海空定向自组织网络十分强调信息的实时性传输，在空分多址接入协议设计的过程中最为重要的是结合时隙资源调度进行设计。因此研究基于空分复用的时分多址接入协议、建立空分复用时分多址接入模型，对提高海空定向自组织网络信息可靠性传输是十分必要和有意义的。
发明内容
本发明的目的就是提供一种海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建方法，用于超视距范围分布的N个节点的海空定向通信网络，能够为其空分多址接入提供理论模型，并有效提高其频谱利用率及网络性能。
本发明的目的是这样实现的：一种海空定向自组织网络空分复用时分多址接入(Space Reuse Time Division Multiple Access,STDMA)模型的构建方法，适用于超视距范围分布的N个节点的海空定向自组织网络，模型构建包括如下步骤：
(1)抽象拓扑构建
由给定的空分多址时隙分配表，可确定其对应各抽象节点的工作时隙和通信对象，并建立空分多址抽象拓扑及其邻接矩阵A；
(2)网络拓扑构建
网络的初始拓扑结构通过定向邻居发现和消息携带转发原则的方式实现；节点通过不断定向发布和接收hello消息获取邻居节点信息，再通过携带转发的方式发送到全网，最后各节点通过相同算法生成网络拓扑结构；所有节点首先进行定向邻居节点发现，具体过程为：
步骤(2a)：每个节点设置一个邻居节点列表NList，该列表初始为空；
步骤(2b)：节点随机选择一个时间生成M个波束并发送hello消息，消息中附带其ID、位置和NList等信息；消息发送完毕，节点立即进入全向接收状态；
步骤(2c)：若节点在Δt内收到其它节点的hello消息，则将该hello消息发送节点的ID添加到NList中，并转入步骤(2b)；若节点在Δt内没有收到其它节点的hello消息，则沿按顺时针方向转过角度α，重新生成M个波束并转入步骤(2b)；
如此循环，每个节点即可获知全网所有节点的NList和位置等信息，从而可以构造出全网的拓扑结构及其邻接矩阵B；
(3)抽象拓扑与网络拓扑映射
由于空分多址时隙分配表对应的是抽象网络拓扑，实际网络节点并不能按照该时隙表工作，为了实现空分多址接入，必须将实际网络节点映射到抽象拓扑中的抽象节点，网络节点才能按照其映射抽象节点的工作时隙进行消息的收发，从而实现网络的空分多址接入。本发明采用子图同构原理进行映射，映射过程包括如下步骤：
步骤(3a)：设定过滤策略为：若抽象拓扑图Gp的节点i的节点度大于网络拓扑图图Gt节点j的节点度，则这两个节点之间不可能映射；根据过滤策略可得每个抽象节点在网络中可能的映射节点集合CMS；
步骤(3b)：随意选取象拓扑图的一个节点作为根节点，按照深度优先搜索(DFS)算法构建抽象拓扑图的一棵根生成树T；
步骤(3c)：对网络拓扑图采用深度优先搜索算法进行遍历，遍历过程就是映射搜索过程；遍历过程中网络拓扑图依次增加节点与根生成树T中的节点按顺序映射，并逐步构建网络拓扑图的一棵根生成树T’；若映射成功，则将该节点添加到根生成树T’中，否则退回，从另一分支继续搜索，直到找到映射关系为止。
在步骤(1)中，根据给定的空分多址时隙分配表，抽象节点可确定每个时隙其通信对象，由此可确定其邻居节点并建立其邻接矩阵A，该矩阵为n×n对称矩阵，其中n为网络节点总数；若节点i与节点j互为邻居节点，则将邻接矩阵A对应的元素设置为1，即令Aij＝1，其余元素置为0。
在步骤(2d)中，通过定向邻居发现，每个节点均可获知其邻居节点的NList等信息，进而可以得到全网的邻接矩阵B，构建规则如下：
步骤(2d1)：B＝[Bij]n×n，其中n为网络节点数目；矩阵B为n阶方阵，其元素值为0或1，若Bij＝1(i,j＝1,2,...,n)，表示节点i与节点j互为邻居节点，Bij＝0则表示节点i与节点j不是邻接的；
步骤(2d2)：B为一个对称矩阵，即Bij＝Bji，并将所有元素的初值设为0；
步骤(2d3)：若节点xi的ID位于节点xj的中，即节点xi与节点xj互为邻居节点，则将B对应的元素设置为1，即令Bij＝1。
在步骤(3c)中，在抽象拓扑根生成树T与网络拓扑映射之前，首先设定映射矩阵M＝[mij]p×q；矩阵M的行号代表抽象拓扑图的节点号，列号代表网络拓扑图图的节点号，p为抽象拓扑图的节点数目，q为网络拓扑图图的节点数目；若mij＝1表示抽象拓扑图的节点i可以映射到网络拓扑图的节点j；映射过程即为矩阵M的构建过程，其构建规则为：
步骤(3c1)：初始化矩阵M；将其所有元素设定为1；
步骤(3c2)：计算各抽象节点与网络节点的节点度，节点度在数值上等于其邻居节点的数目，也即NList元素数目；
步骤(3c3)：若抽象拓扑图Gp的节点i的节点度大于网络拓扑图图Gt节点j的节点度，则令mij＝0；根据过滤策略可得每个抽象节点在网络中可能的映射节点集合CMS，如节点i的CMS为矩阵M第i行非零元素的列号；
步骤(3c4)：对网络拓扑图图采用DFS搜索算法进行遍历，遍历过程就是映射搜索过程，由于遍历过程涉及到回溯操作，因此本发明采用栈结构对搜索映射过程进行记录；遍历过程中网络拓扑图图依次增加的节点与根生成树T中的节点按顺序映射，当可以映射时，修改映射矩阵M对应的行和列，即令mij＝1，同时将矩阵的第i行和第j列的其余元素全部置0，然后将M压栈；当不能映射时，退回到上一节点并从栈点取出对应的M，然后从另一分支继续搜索，直到找到映射关系为止。
本发明的技术原理是：在海空定向自组织网络十分强调信息的实时性传输，在空分多址接入协议设计的过程中最为重要的是结合时隙资源调度进行设计。本发明建立在给定网络时隙分配表的前提下，根据给定的空分多址时隙分配表即可构建出空分多址抽象拓扑。由于空分多址抽象拓扑不是实际的网络拓扑，实际网络节点无法按照上述时隙分配表实现时空多址接入，因此必须建立实现网络拓扑与抽象拓扑映射的模型。而在建立映射模型之前，节点必须获取实际网络的拓扑结构，本发明中是通过定向邻居发现节点可获知网络拓扑结构，在获知了网络拓扑结构和空分多址抽象拓扑结构的基础上，本发明采用子图同构模型映射抽象拓扑与网络拓扑，实际网络节点即可确定自己的工作时隙和通信对象，由此实现空分多址接入。
现有空分多址方案大都没有给出通用的空分多址接入模型，本发明提供一种空分复用时分多址接入模型构建方法，能够为海空定向自组织网络等广域定向MANET领域的空分多址接入提供供理论模型支撑，并提能有效提高海空定向自组织网络的频谱利用率及网络性能，具有较为重要的科学研究和工程应用价值。
附图说明
图1是本发明的实现总流程图。
图2是根据表1给定的空分多址时隙分配表得到的空分多址抽象拓扑示意图。
图3是本发明中节点定向邻居发现流程图。
图4是本发明中空分多址抽象拓扑与实际网络拓扑间节点映射流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建方法的实现步骤如下：
步骤(1)：空分多址抽象拓扑构建
根据给定的空分多址时隙分配表构建抽象网络拓扑并建立其对应的邻接矩阵A。具体构建步骤为：
步骤(1a)：根据具体任务需求给定空分多址时隙分配表。如假定给出的空分多址时隙分配表如下表所示：
表1：空分多址时隙分配表
注：表中i-j表示在当前时隙下，节点i发送信息，节点j接收信息，这说明节点
i与j是邻接的，即它们之间存在通信链路。
由表1可得其对应的抽象网络拓扑如图2所示。
步骤(1b)：根据给定的空分多址时隙分配表构建空分多址抽象网络拓扑。具体构建步骤为：
步骤(1b1)：A＝[Aij]n×n，其中n为网络节点数目。矩阵A为n阶方阵，其元素值为0或1，若A＝[Aij]n×n＝1(i,j＝1,2,...,n)，表示节点i与节点j互为邻居节点，Aij＝0则表示节点i与节点j不是邻接的。
步骤(1b2)：A为一个对称矩阵，即Aij＝Aji，并将所有元素的初值设为0；
步骤(1b3)：若节点i的ID位于节点j的中，即节点i与节点j互为邻居节点，则将A对应的元素设置为1，即令Aij＝1。
步骤(2)：实际网络拓扑构建，通过定向邻居发现获取网络的拓扑结构并建立其邻接矩阵。
参照附图3，本发明步骤(2)的实现包括如下步骤：
步骤(2a)：为每个节点分配唯一的节点标示符(ID)。每个节点设置一个邻居节点列表NList，用以存储邻居节点ID，列表初始为空。
步骤(2b)：节点在周期Δt内随机选择一个时间生成M个波束并发送hello消息，消息中附带其ID、位置和NList等信息。消息发送完毕，节点立即进入全向接收状态。
步骤(2c)：若节点在Δt内收到其它节点的hello消息，则将该hello消息发送节点的ID添加到NList中，并转入步骤(2b)；若节点在Δt内没有收到其它节点的hello消息，则沿按顺时针方向转过角度α，重新生成M个波束并转入步骤(2b)。
通过定向邻居发现，每个节点可获知全网的拓扑信息，并结合步骤(1b)中邻接矩阵的构建方法即可构建出实际网络的邻接矩阵B。
步骤(3)：网络节点与抽象节点映射，通过子图同构模型映射抽象拓扑与网络拓扑。若映射成功，网络节点根据其映射的抽象节点即可确定自己的工作时隙和通信对象，从而实现空分多址接入；若映射失败，则返回步骤(1)，重新选择空分多址时隙分配表。
参照附图4，本发明步骤(3)的实现包括如下步骤：
步骤(3a)：构建映射矩阵M＝[mij]p×q。M的行号代表抽象拓扑图的节点号，列号代表实际网络拓扑的节点号，p为抽象拓扑图的节点数目，q为网络拓扑图图的节点数目。矩阵M的元素值只能为0或1，mij＝1表示抽象拓扑图的节点i可以映射到网络拓扑图图的节点j，即初始条件为抽象节点可映射到实际网络的任意一个节点。mij＝0表示抽象拓扑图的节点i不能映射到网络拓扑图图的节点j。
步骤(3b)：初始化矩阵M。将其所有元素设定为1。
步骤(3c)：计算各抽象节点与网络节点的节点度，节点度在数值上等于其邻居节点的数目，也即NList元素数目。
步骤(3d)：设定过滤策略为：若抽象拓扑图Gp的节点i的节点度大于网络拓扑图图Gt节点j的节点度，则令mij＝0。根据过滤策略可得每个抽象节点在网络中可能的映射节点集合CMS，如节点i的CMS为矩阵M第i行非零元素的列号。
步骤(3e)：随意选取抽象拓扑图的一个节点作为根节点，按照离散数学DFS搜索算法构建抽象拓扑图的一棵根生成树T。设置Order用以存储对CMS内节点的搜索顺序，设置Parent用以记录Order中对应节点的父节点。
步骤(3f)：对网络拓扑图图采用DFS搜索算法进行遍历，遍历过程就是映射搜索过程，映射过程如图4所示，由于遍历过程涉及到回溯操作，因此本发明采用栈结构对搜索映射过程进行记录。遍历过程中网络拓扑图图依次增加的节点与根生成树T中的节点按顺序映射，当可以映射时，修改映射矩阵M对应的行和列，即令mij＝1，同时将矩阵的第i行和第j列的其余元素全部置0，然后将M压栈；当不能映射时，退回到上一节点并从栈点取出对应的M，然后从另一分支继续搜索，直到找到映射关系为止。
通过上述三大步骤即可完成空分多址接入模型的构建，当海空定向自组织网络拓扑发生变化时，只要调用该模型重新进行映射，就能够实现动态空分多址接入。

Claims (4)

1.一种海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)抽象拓扑构建
由给定的空分多址时隙分配表，可确定其对应各抽象节点的工作时隙和通信对象，并建立空分多址抽象拓扑及其邻接矩阵A；
(2)网络拓扑构建
网络的初始拓扑结构通过定向邻居发现和消息携带转发原则的方式实现；节点通过不断定向发布和接收hello消息获取邻居节点信息，再通过携带转发的方式发送到全网，最后各节点通过相同算法生成网络拓扑结构；所有节点首先进行定向邻居节点发现，具体过程为：
步骤(2a)：每个节点设置一个邻居节点列表NList，该列表初始为空；
步骤(2b)：节点随机选择一个时间生成M个波束并发送hello消息，消息中附带其ID、位置和NList等信息；消息发送完毕，节点立即进入全向接收状态；
步骤(2c)：若节点在Δt内收到其它节点的hello消息，则将该hello消息发送节点的ID添加到NList中，并转入步骤(2b)；若节点在Δt内没有收到其它节点的hello消息，则沿按顺时针方向转过角度α，重新生成M个波束并转入步骤(2b)；
如此循环，每个节点即可获知全网所有节点的NList和位置等信息，从而可以构造出全网的拓扑结构及其邻接矩阵B；
(3)抽象拓扑与网络拓扑映射
采用子图同构原理进行映射，映射过程包括如下步骤：
步骤(3a)：设定过滤策略为：若抽象拓扑图Gp的节点i的节点度大于网络拓扑图图Gt节点j的节点度，则这两个节点之间不可能映射；根据过滤策略可得每个抽象节点在网络中可能的映射节点集合CMS；
步骤(3b)：随意选取象拓扑图的一个节点作为根节点，按照深度优先搜索算法构建抽象拓扑图的一棵根生成树T；
步骤(3c)：对网络拓扑图采用深度优先搜索算法进行遍历，遍历过程就是映射搜索过程；遍历过程中网络拓扑图依次增加节点与根生成树T中的节点按顺序映射，并逐步构建网络拓扑图的一棵根生成树T’；若映射成功，则将该节点添加到根生成树T’中，否则退回，从另一分支继续搜索，直到找到映射关系为止。
2.根据权利要求1所述的海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建方法，其特征在于，步骤(1)中，根据给定的空分多址时隙分配表，抽象节点可确定每个时隙其通信对象，由此可确定其邻居节点并建立其邻接矩阵A，该矩阵为n×n对称矩阵，其中n为网络节点总数；若节点i与节点j互为邻居节点，则将邻接矩阵A对应的元素设置为1，即令Aij＝1，其余元素置为0。
3.根据权利要求1所述的海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建方法，其特征在于，步骤(2d)中，通过定向邻居发现，每个节点均可获知其邻居节点的NList等信息，进而可以得到全网的邻接矩阵B，构建规则如下：
步骤(2d1)：B＝[Bij]n×n，其中n为网络节点数目；矩阵B为n阶方阵，其元素值为0或1，若Bij＝1(i,j＝1,2,...,n)，表示节点i与节点j互为邻居节点，Bij＝0则表示节点i与节点j不是邻接的；
步骤(2d2)：B为一个对称矩阵，即Bij＝Bji，并将所有元素的初值设为0；
步骤(2d3)：若节点Xi的ID位于节点Xj的中，即节点Xi与节点Xj互为邻居节点，则将B对应的元素设置为1，即令Bij＝1。
4.根据权利要求1所述的海空定向自组织网络空分复用时分多址接入模型的构建方法，其特征在于，步骤(3c)中，在抽象拓扑根生成树T与网络拓扑映射之前，首先设定映射矩阵M＝[mij]p×q；矩阵M的行号代表抽象拓扑图的节点号，列号代表网络拓扑图图的节点号，p为抽象拓扑图的节点数目，q为网络拓扑图图的节点数目；若mij＝1表示抽象拓扑图的节点i可以映射到网络拓扑图的节点j；映射过程即为矩阵M的构建过程，其构建规则为：
步骤(3c1)：初始化矩阵M；将其所有元素设定为1；
步骤(3c2)：计算各抽象节点与网络节点的节点度，节点度在数值上等于其邻居节点的数目，也即NList元素数目；
步骤(3c3)：若抽象拓扑图Gp的节点i的节点度大于网络拓扑图图Gt节点j的节点度，则令mij＝0；根据过滤策略可得每个抽象节点在网络中可能的映射节点集合CMS，如节点i的CMS为矩阵M第i行非零元素的列号；
步骤(3c4)：对网络拓扑图图采用DFS搜索算法进行遍历，遍历过程就是映射搜索过程，采用栈结构对搜索映射过程进行记录；遍历过程中网络拓扑图图依次增加的节点与根生成树T中的节点按顺序映射，当可以映射时，修改映射矩阵M对应的行和列，即令mij＝1，同时将矩阵的第i行和第j列的其余元素全部置0，然后将M压栈；当不能映射时，退回到上一节点并从栈点取出对应的M，然后从另一分支继续搜索，直到找到映射关系为止。
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