CN106686641A - 一种定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法。该方法首先定义了链路最大吞吐量，并将其作为定向链路可用带宽的上限值。然后，该方法要求节点通过载波检测机制侦听每个天线波束方向上的信道状态，获知每个天线波束方向上的信道可用时长信息，在此基础上采用分布式的方法分析链路收/发节点可用时长不同步的概率，得到链路可用带宽的初步估计值。最后，分别考虑了对定向链路实际可用带宽产生影响的七种不同因素，对链路可用带宽的初步估计值进行修正，得到定向链路可用带宽的最终估计值。无线网络仿真环境中的仿真结果证明了该方法的有效性。

Description

一种定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法

技术领域

本发明属于无线网络领域，特别涉及定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法。

背景技术

无线自组织网络因具有组网快速、灵活、可靠性高的特点，在民用和军事领域得到广泛应用。随着无线网络技术的迅速发展，无线网络中音频、视频等带宽敏感多媒体业务快速增多，在无线自组织网络中支持多媒体业务的传输吸引了越来越多人的关注。然而，无线自组织网络中网络带宽资源有限，加之无线信道的共享特性和节点之间的相互干扰使得保障多媒体业务的通信服务质量(Quality of Service，QoS)变得困难。在无线自组织网络中采用定向天线传输数据可有效提高网络空分复用度、增大网络总吞吐量、增强信号抗干扰能力，能够为多媒体业务的QoS保障提供有效支撑。链路可用带宽是指在不影响网络现有业务QoS水平的前提下，链路收/发节点所能获得的最大数据传输带宽。紧密结合定向数据传输的特点，有效预测定向信道接入控制(Medium Access Control，MAC)协议的链路可用带宽是为定向无线自组网多媒体业务提供QoS保证的关键。

现有的链路可用带宽预测方法主要针对全向无线自组织网络展开，按照是否发送探测包可以分为基于探测的预测方法和基于感知的预测方法。基于探测的链路可用带宽预测方法要求节点通过向网络中注入端到端的探测包来预测信道上的可用带宽。基于感知的链路可用带宽预测方法通常仅利用本地获得的带宽利用信息来预测链路的可用带宽。该类方法无需发送探测包，不占用网络中的可用带宽，不会对网络中的已有业务产生影响，因而与基于探测的预测方法相比，该类方法能够获得更加准确的链路可用带宽预测结果。

目前，尚未有研究工作针对定向无线自组织网络中链路可用带宽预测展开。与全向通信相比，在定向通信条件下，链路可用带宽预测方法必须保证节点能够预测每个天线波束上的可用带宽，同时需要充分考虑节点“聋”问题、“定向隐终端”以及隐藏节点干扰等问题对定向链路可用带宽预测的影响。本发明即紧密结合定向数据传输的特点，提出适用于定向信道接入控制协议的链路可用带宽预测方法，为定向无线自组网多媒体业务QoS保障提供支撑。

发明内容

本发明的目的是针对定向无线自组织网络中链路可用带宽预测的难点，紧密结合定向数据传输的特点，提出适用于定向信道接入控制协议的链路可用带宽预测方法，为定向无线自组网多媒体业务QoS保障提供支撑。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：

步骤1：计算链路最大吞吐量，链路最大吞吐量是指在不存在干扰业务的情况下，无线自组织网络链路层能获得的最大吞吐量，将链路传输的数据帧大小与链路成功完成一次数据传输所需要的时间相比，得到链路最大吞吐量，并将链路最大吞吐量视为定向链路可用带宽的上限值。

步骤2：节点通过载波检测机制估算每个波束方向上的发送可用时长和接收可用时长，节点为每个天线波束维护独立的用于统计可用时长的定时器，定时器定时长度设置为RTS帧和CTS帧的传输时间及两个收发转换时间之和，采用分段累加的方式统计发送可用时长和接收可用时长。

步骤3：计算发送节点和接收节点定向波束可用时长不同步的概率，同时结合定向链路可用带宽的上限值，得到定向链路可用带宽的初步估计值。

步骤4：计算由于信道忙发送节点不能发送RTS帧和接收节点不能应答CTS帧，发送节点接收CTS帧或ACK帧冲突，接收节点接收RTS帧或DATA帧冲突以及节点“聋”问题造成的链路可用时长的浪费，并通过去除这七种情况对链路可用时长的浪费，计算得到定向链路可用带宽的修正值。

本发明提出的定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法已经在EXata网络仿真环境中实现。考虑不同网络拓扑，将本发明提出的定向链路可用带宽预测方法预测的定向链路可用带宽理论值与定向链路可用带宽仿真值进行对比。仿真中链路可用带宽观测周期为1s，仿真时间为25s，信道传输速率为2Mbps。

附图6给出了两点拓扑下定向链路可用带宽理论值与仿真值的对比。仿真中在发送节点S和接收节点R有业务正在传输的情况下，预测链路剩余可用带宽。节点S和R已有业务负载由小到大递增，链路剩余可用带宽理论值和仿真值的比较如图中所示，理论值与仿真值的一致性证明了本发明提出的算法在目标链路已有业务传输的情况下预测链路剩余可用带宽的准确性。

附图7给出了“聋”问题干扰下定向链路可用带宽理论值与仿真值的对比。仿真中考虑三个节点S、R、V，节点S和节点V分别位于节点R的不同天线波束上。在节点R已有业务正在向节点V传输的情况下，预测节点S到节点R之间的链路可用带宽。节点R和节点V之间的背景业务负载从100Kbps增大到1000Kbps，附图7给出了定向链路(S，R)可用带的理论值与仿真值的对比，理论值与仿真值的一致性证明了本发明提出的算法在节点“聋”问题干扰下预测定向链路可用带宽的准确性。

附图8给出了方形拓扑下定向链路可用带宽理论值与仿真值的对比。仿真中，两条背景业务链路位于正方形的一组对边，目标链路节点分别位于两条背景链路中点，正方形边长为400m。背景链路的业务负载量从50Kbps增加到500Kbps。附图8给出了定向链路可用带宽理论值与仿真值的对比，可以看出理论值与仿真值一致。

附图9给出了随机均匀拓扑下定向链路可用带宽理论值与仿真值的对比。仿真中将1500m×1500m的仿真区域均匀划分为9个网格，整个仿真区域内随机均匀分布100个节点，目标链路(S，R)处于中心的网格区域，发送节点S和接收节点R之间的距离为400m。同时，其它八个网格区域内均随机建立一条相同负载的业务流作为背景业务流，每条业务流负载从50Kbps增加到500Kbps，在不同背景业务负载条件下观测目标链路的可用带宽情况。从仿真结果可以看出，本发明提出的方法能准确地预测出随机拓扑中不同负载条件下目标链路的可用带宽。

附图说明

图1是定向信道接入控制协议传输周期示意图；

图2是收发节点可用时长不同步分析示意图；

图3是定向链路可用带宽修正场景分析示意图；

图4是发送节点检测到信道忙而不能发送RTS帧示意图；

图5是接收节点收完RTS帧时由于信道忙而放弃应答CTS帧示意图；

图6是两点拓扑下定向链路可用带宽理论值与仿真值的对比；

图7是“聋”问题干扰下定向链路可用带宽理论值与仿真值的对比；

图8是方形拓扑下定向链路可用带宽理论值与仿真值的对比；

图9是随机均匀拓扑下定向链路可用带宽理论值与仿真值的对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

在后面的叙述中，将本发明提出的定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法简记为DABE(Available Bandwidth Estimation of Link Transmission based onDirectional Antennas)。DABE首先规定了以下网络模型：

(1)发送和接收节点通过RTS/CTS/DATA/ACK四次握手完成数据传输；

(2)RTS、CTS、DATA、ACK帧均为定向发送，接收节点通过全向侦听接收RTS帧，CTS、DATA、ACK帧均为定向接收；

(3)发送节点发送完ACK帧或接收节点接收完ACK帧后即切换到全向侦听状态，直到再次定向发送RTS帧或者接收完RTS帧后定向应答CTS帧。

本发明提出的定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法已经在无线网络仿真环境EXata中实现，并通过EXata环境中的仿真结果验证了该方法的有效性。DABE方法具体实施步骤为：

步骤1：计算链路最大吞吐量。

链路最大吞吐量B_max是指在不存在干扰业务的情况下，无线自组织网络链路层能够获得的最大吞吐量。定义链路收发节点成功完成一次数据传输所需要的时间为t，依据定向信道接入控制协议的规约可以得到B_max。具体方法如下：以附图1所示链路(S，R)的信道接入过程为例，图中完成RTS/CTS控制帧交互所需时间包括分布式帧间间隔DIFS(Distributed Inter Frame Space)、退避过程所经历的时间、传输RTS/CTS控制帧的时间和收发转换时间间隔SIFS(Short Inter Frame Space)；完成数据帧传输和应答所需时间包括传输DATA/ACK帧所需的时间和两个SIFS时间。整个传输周期t可表示为：

t＝t_DIFS+t_BO+t_RTS+t_SIFS+t_CTS+t_DATA+t_ACK+2×t_SIFS (1)

其中，t_DIFS表示DIFS时长，t_SIFS表示SIFS时长，t_BO表示一次数据传输过程中退避过程所经历的平均时间，t_RTS、t_CTS和t_ACK分别表示传输RTS、CTS和ACK帧的时长，t_DATA为传输DATA帧的时长，L_DATA表示DATA帧的长度。

当且仅当链路(S，R)在每个传输周期t内均可以成功进行数据传输时，该链路才能获得最大吞吐量，所以无线自组织网络中一条链路能获得的最大吞吐量B_max为：

最大吞吐量B_max即为无线自组织网络中一条链路可用带宽的上限值。

步骤2：节点统计每个波束方向上的发送可用时长和接收可用时长。

节点通过载波检测机制估算每个波束方向上的发送可用时长和接收可用时长。节点为每个天线波束维护发送可用时长和接收可用时长变量，初始值均为0；并为每个天线波束维护独立的用于统计可用时长的定时器，采用分段累加的方式统计发送可用时长和接收可用时长。定向信道接入控制协议中收发节点成功完成信道预约即可发起数据传输，因而DABE将可用时长定时器定时长度设置为t_RTS+t_CTS+2×t_SIFS时间。DABE判定某一天线波束i方向上信道可用的功率条件为：波束i上的噪声功率P_noise(i)小于或等于信号接收门限P_rxTH。

开启可用时长定时器的情况如下：

(1)初始预测开始，节点开启所有满足可用时长定时器开启功率条件的天线波束方向上的定时器。

(2)当前帧完成，如果当前发送的为ACK帧，节点则开启所有满足可用时长定时器开启功率条件的天线波束方向上的定时器；如果当前发送的不是ACK帧，且当前波束方向满足可用时长定时器开启功率条件，则开启当前波束的定时器，其它波束保持不变。

(3)当前帧接收完成，如果当前接收的为RTS帧，且当前波束方向满足可用时长定时器开启功率条件，则开启当前天线波束的定时器。如果当前接收的为ACK帧，节点则开启所有满足可用时长定时器开启功率条件的天线波束方向上的定时器。

(4)发生冲突，如果当前波束方向满足可用时长定时器开启功率条件，则开启当前天线波束的定时器。

(5)定时器超时，如果当前波束方向满足可用时长定时器开启功率条件，则开启当前天线波束的定时器。

(6)噪声变化，当噪声减少时，如果节点当前不处于发送或接收状态，且当前噪声功率小于或等于信号接收门限，并且该波束的定时器还未开启，则开启当前波束定时器。

取消可用时长定时器的情况如下：

(1)节点发送帧时取消所有波束方向上的可用时长定时器。

(2)节点判定可以正确接收当前到达的帧时，取消当前波束方向上的可用时长定时器。

当节点某一波束方向上的可用时长定时器超时时，节点将定时器时长累加到当前波束方向上的发送可用时长和接收可用时长。每个观测周期结束时，节点存储该周期内的可用时长信息，并开始下一个周期的可用时长统计，直到预测结束。

步骤3：计算发送节点和接收节点定向波束可用时长不同步概率，得到定向链路可用带宽的初步估计值。

通过步骤2可以获得每个观测周期内节点各天线波束的发送可用时长和接收可用时长，定向链路可用带宽由发送节点发送波束对应的发送可用时长和接收节点接收波束对应的接收可用时长共同决定。发送节点和接收节点在网络中所处的位置不同，受周围节点的干扰情况也各不相同，导致了收发节点定向波束可用时长不同步的现象，而实际中只有在满足发送节点发送波束可以发送，同时接收节点接收波束可以接收的条件下才能成功完成数据传输，即要求发送节点和接收节点定向波束的可用时长同步。

将目标链路发送节点相应发送波束可以发送，对应接收节点相应接收波束同时可以接收的可用时长定义为链路可用时长T_L。附图2具体分析了发送和接收可用时长不同步的情况，其中T_L(n₁)和T_L(n₂)表示同一节点在一个观测周期内的第n₁和第n₂段链路可用时长。

对于由发送节点S和接收节点R组成的定向链路(S，R)，作如下定义：

T：观测周期；

T_S(S，i)：发送节点S的第i个天线波束的发送可用时长；

T_R(R，j)：接收节点R的第j个天线波束的接收可用时长；

T_L(i，j)：定向链路(S，R)使用波束i发送、波束j接收时的链路可用时长；

CE1：链路发送节点S的天线波束i可以发送，但接收节点R的天线波束j不能接收的情况，对应事件概率为P_CE1(i，j)；

CE2：链路发送节点S的天线波束i不能发送，而接收节点R的天线波束j可以接收的情况，对应事件概率为P_CE2(i，j)。

DABE中，事件CE1的概率为发送端可以发送的概率与接收端不可以接收的概率之积，事件CE2的概率为发送端不可以发送的概率与接收端可以接收的概率之积，即

去除发送节点和接收节点可用时长不同步的部分，得到定向链路可用时长：

T_L(i，j)＝min{[1-P_CE1(i，j)]·T_S(S，i)，[1-P_CE2(i，j)]·T_R(R，j)} (5)

T_L(i，j)取T_S(S，i)和T_R(R，j)去除可用时长不同步部分后的较小值。所以，在每个观测周期T内，定向链路(S，R)可用带宽的初步估计值DAB_pre(i，j)为：

步骤4：计算定向传输条件下干扰信号造成的链路可用时长的浪费，对定向链路可用带宽进行修正，得到链路可用带宽的修正值。

在目标链路接入网络后，还需要考虑干扰信号导致的链路可用时长的浪费，从而引起链路可用带宽的下降。DABE考虑了由于信道忙发送节点不能发送RTS帧和接收节点不能应答CTS帧，发送节点接收CTS帧或ACK帧冲突，接收节点接收RTS帧或DATA帧冲突以及节点“聋”问题，最终通过去除这七种情况对链路可用时长的浪费，计算得到定向链路可用带宽的修正值DABref。

附图3给出了定向链路可用带宽修正场景分析示意图。对于目标链路(S，R)，设信号定向发送、全向接收的传输距离为R_do，物理载波检测距离为R_docs；信号定向发送、定向接收的传输距离为R_dd，物理载波检测距离为R_ddcs；接收节点信号接收的冲突距离是R_co。修正场景分析示意图被划分为13个区域：A₁-A₁₃，定义区域S₁-S₆，且规定区域S_i(i＝1，2，…，6)不仅表示该区域发生的物理事件，还代表区域面积。

S₁：发送节点S检测到信道忙而不能发送RTS帧，区域面积S₁＝A₁₀+A₁₁；

S₂：接收节点R全向接收RTS帧冲突，S₂＝A₄+A₅+A₁₂+A₁₃；

S₃：接收节点R接收完RTS帧时由于信道忙而放弃应答CTS帧，S₃＝A₁+A₂；

S₄：发送节点S定向接收CTS帧冲突，S₄＝A₇+A₈；

S₅：接收节点R定向接收DATA帧冲突，S₅＝A₄+A₅；

S₆：发送节点S定向接收ACK帧冲突，S₆＝S₄。

根据双线地面反射传播层模型，接收节点R的接收功率为：

其中，d_SR为发送节点与接收节点间距离，P_t为发送功率，h_t、h_r分别代表发送节点和接收节点的天线高度，G_t和G_r是发送节点和接收节点的天线增益。由(7)式可知接收功率P_r与(1/d_SR)⁴成正比。假设网络中所有节点采用统一的天线配置：全向天线增益为G_o，定向天线增益为G_d，信号接收门限为P_rxth，信号载波检测门限为P_csth，则传输距离和物理载波检测距离分别为：

定义信号能被正确接收的信噪比门限为SNR_th，假设节点S或R发送数据时，与节点S或R距离为r的其它节点同时在发送数据，节点S或R发送的数据能被节点R或S正确接收的条件是：

定义满足上述条件的r的最小值为冲突距离R_co，即有

以节点S或R为圆心，R_co为半径的圆内区域即为节点S或R的冲突干扰范围。SNR_th取一定值时，冲突距离与链路收发节点间的距离d_SR成正比。当d_SR较小时，节点的R_co会小于R_do；d_SR较大时，节点的R_co会大于R_dd，甚至大于节点的R_docs。下面依据附图3所示场景来分析背景业务干扰对目标链路(S，R)可用带宽的影响。

(1)发送节点S检测到信道忙而不能发送RTS帧

DABE判定某一天线波束上的噪声功率小于或等于信号接收门限即认为该天线波束方向上信道可用，而按照定向信道接入控制协议的规约，发送节点发送波束物理层状态不为空闲时不能发送RTS帧，因而需要将因为信道忙而不能发送RTS帧的时间从节点发送可用时长中去除。如附图3所示，节点发送波束的物理层不为空闲是因为区域S₁内有节点向节点S所在的方向发送数据。一个观测周期T内，设节点S处于全向侦听状态时，区域S₁内的节点向节点S所在的方向发送数据的总时间为T₁。此时，节点S的发送天线波束方向上的噪声功率满足：

P_csth＜P_noise＜P_rxth (12)

下面将定向链路可用时长T_L(i，j)用前文所述的T_L表示。为了计算T₁对T_L造成浪费的概率，先将T₁和T_L归一化处理，得到归一化的时长x₁和x_a，其值分别为T₁/T和T_L/T。定义定向链路(S，R)在一次数据传输中RTS帧的传输时间在总传输时间中所占的比率k₁为t_RTS/t，则k₁·x_a可视为链路(S，R)用于传输RTS帧的归一化时间。根据统计得到的T₁的大小，发送节点S检测信道忙而不能发送RTS帧可以分为附图4中所示的两种情形。

情形1：x₁＞(1-k₁·x_a)

k₁·x_a结束于最后的(1-x₁)时间段内，将(1-x₁)时间段划分为N等份，x₁结束于其中的任意一份的概率为1/N。设x₁结束于(1-x₁)的第i份，则发送节点S检测信道忙而不能发送RTS帧的概率p₁表示为：

情形2：x₁≤(1-k₁·x_a)

根据x₁是否结束于最后的k₁·x_a时间段将此情形进一步划分为(a)和(b)两类子情形。情形2(a)中，x₁结束于最后的k₁·x_a时间段内，类似情形1中的计算，概率p_a1表示为：

情形2(b)中，x₁结束于(1-k₁·x_a)时间段内，概率p_b1计算为：

结合子情况(a)和(b)，情形2中的概率p₁可表示为：

基于以上分析，综合情形1和2，节点S检测信道忙而不能发送RTS帧的概率p₁为：

(2)接收节点R全向接收RTS帧冲突

全向接收冲突功率门限P_doco为：

定向接收冲突功率门限P_ddco为：

接收节点R全向接收RTS帧时，区域S₂内的节点发送数据会造成节点R接收RTS帧冲突。记节点R在全向侦听过程中，侦听到信号的接收功率大于全向冲突功率门限的总时长为T₂，其归一化值x₂为T₂/T。由于区域S₂包含了区域S₅，而区域S₅内的节点发送数据可能会导致R接收RTS帧或者DATA帧冲突，为了区分这两种冲突，将t_RTS/(t_RTS+t_DATA)和t_DATA/(t_RTS+t_DATA)分别作为区域S₅内的节点发送数据导致RTS帧和DATA帧冲突的比率。记以节点R为圆心，冲突距离R_co为半径的圆的面积为S(R_co)，将引起RTS帧冲突的节点所在区域在S(R_co)中所占比例与x₂的乘积作为接收节点R全向接收RTS帧冲突的概率p₂，则p₂可以表示为：

(3)接收节点R接收完RTS帧时由于信道忙而放弃应答CTS帧

节点R接收完RTS帧时，判断信道空闲才能应答CTS帧。节点R接收完节点S发送的RTS帧时，如果位于S₃扇形区域内的节点恰好在向节点R所在的方向发送数据，则节点R将判断信道忙而放弃应答CTS帧。节点S因接收不到CTS帧而重传，导致链路可用时长的浪费。

设区域S₃内的节点向节点R所在的方向发送数据的总时长为T₃，其归一化值x₃为T₃/T。区域S₃内的节点向节点R所在的方向发送数据时，节点R侦听到的噪声功率满足P_csth＜P_noise＜P_rxth。将RTS帧接收结束时刻与x₃作比较，得到类似情况(1)中的三种情形，如附图5所示。情形1中x₃开始于最初的(1-x₃)时间段，情形2(a)中x₃开始于最初的k₁·x_a时间段，情形2(b)中x₃开始于(1-k₁·x_a)时间段。只需将T₃替换(17)式中的T₁便可得到接收节点R接收完RTS帧时由于信道忙而放弃应答CTS帧的概率p₃：

(4)发送节点S定向接收CTS帧冲突

发送节点S发送波束和接收节点R接收波束共同覆盖的区域A₆内的节点在目标链路(S，R)发起数据传输时，在与节点S和R相对的波束上会一直处于接收状态，不会对节点S或R的传输造成干扰。区域S₄内的节点发送数据会造成节点S接收CTS帧或ACK帧冲突，结合冲突距离R_co，S₄可以表示为：

其中，m是节点天线波束数量。

当R_co＜R_do时，区域S₄内存在由于侦听不到节点S发送的RTS帧和DATA帧导致“定向隐终端”问题的节点；当R_co＞R_do时，区域A₅内存在由于侦听不到节点S发送的RTS帧和DATA帧导致“定向隐终端”问题的节点，区域A₄内存在由于增益不对称导致“定向隐终端”问题的节点。记节点S全向侦听过程中发送波束上噪声功率大于定向冲突功率门限P_ddco的信号持续总时长为T₄。由于S₄包含了CTS帧和ACK帧冲突，因而将t_CTS/(t_CTS+t_ACK)和t_ACK/(t_CTS+t_ACK)分别作为区域S₄内的节点发送数据导致CTS帧和ACK帧冲突的比率，可以得到发送节点S定向接收CTS帧冲突的条件概率为：

(5)接收节点R定向接收DATA帧冲突

与CTS帧和ACK帧冲突类似，区域S₅内的节点发送数据会导致节点R接收DATA帧冲突，且有S₅＝S₄。记节点R全向侦听过程中接收波束上噪声功率大于定向冲突功率门限信号发送的总时长为T₅，则接收节点R定向接收DATA帧冲突的概率为：

(6)发送节点S定向接收ACK帧冲突

根据情况(4)的分析，可以直接得到发送节点S定向接收ACK帧冲突的概率P₆：

(7)接收节点R参与背景业务导致的“聋”问题

节点S向节点R发送RTS帧时，如果节点R正在参与其它天线波束方向上的通信，无法应答CTS帧，节点S则重传RTS帧，造成链路可用时长的浪费。记节点R参与其它天线波束方向上通信的总时长为T₇。设节点R第i个天线波束方向上定向发送的总时间为T_sd[i]，定向接收的总时间为T_rd[i]，则T₇可以表示为：

其中，j表示节点R接收节点S发送的信号时的接收波束。节点“聋”问题导致链路可用时长损耗的概率p₇为：

上述七种情况降低了定向链路的可用带宽，通过去除这七种情况浪费的链路可用时长，可以得到一个观测周期T内定向链路的可用带宽修正值：

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法，所采用的步骤是：

步骤1：计算链路最大吞吐量，链路最大吞吐量是指在不存在干扰业务的情况下，无线自组织网络链路层能获得的最大吞吐量，将链路传输的数据帧大小与链路成功完成一次数据传输所需要的时间相比，得到链路最大吞吐量B_max，并将链路最大吞吐量B_max视为定向链路可用带宽的上限值；

步骤2：节点通过载波检测机制估算每个波束方向上的发送可用时长和接收可用时长，节点为每个天线波束维护独立的用于统计可用时长的定时器，定时器定时长度设置为RTS帧和CTS帧的传输时间及两个收发转换时间之和，采用分段累加的方式统计发送可用时长和接收可用时长；

步骤3：计算发送节点和接收节点定向波束可用时长不同步的概率，同时结合定向链路可用带宽的上限值，得到定向链路可用带宽的初步估计值；

步骤4：计算由于信道忙发送节点不能发送RTS帧和接收节点不能应答CTS帧，发送节点接收CTS帧或ACK帧冲突，接收节点接收RTS帧或DATA帧冲突以及节点“聋”问题造成的链路可用时长的浪费，并通过去除这七种情况对链路可用时长的浪费，计算得到定向链路可用带宽的修正值。

2.根据权利要求1所述的一种定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法，其特征在于节点统计每个波束方向上的发送可用时长和接收可用时长的具体方法为：

节点通过载波检测机制估算每个波束方向上的发送可用时长和接收可用时长，节点为每个天线波束维护发送可用时长和接收可用时长变量，初始值均为0；并为每个天线波束维护独立的用于统计可用时长的定时器，采用分段累加的方式统计发送可用时长和接收可用时长，定向信道接入控制协议中收发节点成功完成信道预约即可发起数据传输，因而本发明将可用时长定时器定时长度设置为RTS帧的传输时间t_RTS、CTS帧的传输时间t_CTS及两个收发转换时间2×t_SIFS之和，本发明判定某一天线波束i方向上信道可用的功率条件为：波束i上的噪声功率P_noise(i)小于或等于信号接收门限P_rxTH；

开启可用时长定时器的情况如下：

(1)初始预测开始，节点开启所有满足可用时长定时器开启功率条件的天线波束方向上的定时器；

(2)当前帧完成，如果当前发送的为ACK帧，节点则开启所有满足可用时长定时器开启功率条件的天线波束方向上的定时器；如果当前发送的不是ACK帧，且当前波束方向满足可用时长定时器开启功率条件，则开启当前波束的定时器，其它波束保持不变；

(3)当前帧接收完成，如果当前接收的为RTS帧，且当前波束方向满足可用时长定时器开启功率条件，则开启当前天线波束的定时器，如果当前接收的为ACK帧，节点则开启所有满足可用时长定时器开启功率条件的天线波束方向上的定时器；

(4)发生冲突，如果当前波束方向满足可用时长定时器开启功率条件，则开启当前天线波束的定时器；

(5)定时器超时，如果当前波束方向满足可用时长定时器开启功率条件，则开启当前天线波束的定时器；

(6)噪声变化，当噪声减少时，如果节点当前不处于发送或接收状态，且当前噪声功率小于或等于信号接收门限，并且该波束的定时器还未开启，则开启当前波束定时器；

取消可用时长定时器的情况如下：

(1)节点发送帧时取消所有波束方向上的可用时长定时器；

(2)节点判定可以正确接收当前到达的帧时，取消当前波束方向上的可用时长定时器；

当节点某一波束方向上的可用时长定时器超时时，节点将定时器时长累加到当前波束方向上的发送可用时长和接收可用时长，每个观测周期结束时，节点存储该周期内的可用时长信息，并开始下一个周期的可用时长统计，直到预测结束。

3.根据权利要求1所述的一种定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法，其特征在于计算发送节点和接收节点定向波束可用时长不同步概率，得到定向链路可用带宽的初步估计值的具体方法为：

定向链路可用带宽由发送节点发送波束对应的发送可用时长和接收节点接收波束对应的接收可用时长共同决定，发送节点和接收节点在网络中所处的位置不同，受周围节点的干扰情况也各不相同，导致了收发节点定向波束可用时长不同步的现象，而实际中只有在满足发送节点发送波束可以发送，同时接收节点接收波束可以接收的条件下才能成功完成数据传输，即要求发送节点和接收节点定向波束的可用时长同步；

将目标链路发送节点相应发送波束可以发送，对应接收节点相应接收波束同时可以接收的可用时长定义为链路可用时长T_L，对于由发送节点S和接收节点R组成的定向链路(S，R)，作如下定义：

T：观测周期；

T_S(S，i)：发送节点S的第i个天线波束的发送可用时长；

T_R(R，j)：接收节点R的第j个天线波束的接收可用时长；

T_L(i，j)：定向链路(S，R)使用波束i发送、波束j接收时的链路可用时长；

CE1：链路发送节点S的天线波束i可以发送，但接收节点R的天线波束j不能接收的情况，对应事件概率为P_CE1(i，j)；

CE2：链路发送节点S的天线波束i不能发送，而接收节点R的天线波束j可以接收的情况，对应事件概率为P_CE2(i，j)；

事件CE1的概率为发送端可以发送的概率与接收端不可以接收的概率之积，事件CE2的概率为发送端不可以发送的概率与接收端可以接收的概率之积，即

$P_{CE1}(i,j)=\frac{T_S(S,i)}{T}\·\frac{T-T_R(R,j)}{T}---\left(1\right)$

$P_{CE2}(i,j)=\frac{T-T_S(S,i)}{T}\·\frac{T_R(R,j)}{T}---\left(2\right)$

去除发送节点和接收节点可用时长不同步的部分，得到定向链路可用时长：

T_L(i，j)＝min{[1-P_CE1(i，j)]·T_S(S，i)，[1-P_CE2(i，j)]·T_R(R，j)} (3)

T_L(i，j)取T_S(S，i)和T_R(R，j)去除可用时长不同步部分后的较小值，所以，在每个观测周期T内，定向链路(S，R)可用带宽的初步估计值DAB_pre(i，j)为：

${\mathrm{DAB}}_{pre}(i,j)=\frac{T_L(i,j)}{T}\·B_{\max }---\left(4\right)$

4.根据权利要求1所述的一种定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法，其特征在于计算定向传输条件下干扰信号造成的链路可用时长的浪费，对定向链路可用带宽进行修正，得到链路可用带宽的修正值的具体方法为：

本发明考虑了由于信道忙发送节点不能发送RTS帧和接收节点不能应答CTS帧，发送节点接收CTS帧或ACK帧冲突，接收节点接收RTS帧或DATA帧冲突以及节点“聋”问题，通过去除这七种情况对链路可用时长的浪费，计算得到定向链路可用带宽的修正值；

对于目标链路(S，R)，设信号定向发送、全向接收的传输距离为R_do，物理载波检测距离为R_docs；信号定向发送、定向接收的传输距离为R_dd，物理载波检测距离为R_ddcs；接收节点信号接收的冲突距离是R_co；定义区域S₁-S₆，且规定区域S_i(i＝1，2，...，6)不仅表示该区域面积，还表示该区域发生的物理事件；

S₁：导致发送节点S检测到信道忙而不能发送RTS帧的区域；

S₂：导致接收节点R全向接收RTS帧冲突的区域；

S₃：导致接收节点R接收完RTS帧时由于信道忙而放弃应答CTS帧的区域；

S₄：导致发送节点S定向接收CTS帧冲突的区域；

S₅：导致接收节点R定向接收DATA帧冲突的区域；

S₆：导致发送节点S定向接收ACK帧冲突的区域，S₆＝S₄；

根据双线地面反射传播层模型，接收节点R的接收功率为：

$P_r=\frac{P_t{h}_t^2{h}_r^2{G}_t{G}_r}{d_{SR}^4}---\left(5\right)$

其中，d_SR为发送节点与接收节点间距离，P_t为发送功率，h_t、h_r分别代表发送节点和接收节点的天线高度，G_t和G_r是发送节点和接收节点的天线增益，假设网络中所有节点采用统一的天线配置：全向天线增益为G_o，定向天线增益为G_d，信号接收门限为P_rxth，信号载波检测门限为P_csth，则传输距离和物理载波检测距离分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{do}={\left(\frac{P_t{h}_t^2{h}_r^2{G}_d{G}_o}{P_{rxth}}\right)}^{1/4}\\ R_{docs}={\left(\frac{P_t{h}_t^2{h}_r^2{G}_d{G}_o}{P_{csth}}\right)}^{1/4}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{dd}={\left(\frac{P_t{h}_t^2{h}_r^2{G}_d{G}_d}{P_{rxth}}\right)}^{1/4}\\ R_{ddcs}={\left(\frac{P_t{h}_t^2{h}_r^2{G}_d{G}_d}{P_{csth}}\right)}^{1/4}\end{array}\right.---\left(7\right)$

定义信号能被正确接收的信噪比门限为SNR_th，假设节点S或R发送数据时，与节点S或R距离为r的其它节点同时在发送数据，节点S或R发送的数据能被节点R或S正确接收的条件是：

$SNR={\left(\frac{r}{d_{SR}}\right)}^4\≥{\mathrm{SNR}}_{th}---\left(8\right)$

定义满足上述条件的r的最小值为冲突距离R_co，即有

$R_{co}=\sqrt[4]{{\mathrm{SNR}}_{th}}\·d_{SR}---\left(9\right)$

以节点S或R为圆心，R_co为半径的圆内区域即为节点S或R的冲突干扰范围，SNR_th取一定值时，冲突距离与链路收发节点间的距离d_SR成正比，当d_SR较小时，节点的R_co会小于R_do；d_SR较大时，节点的R_co会大于R_dd，甚至大于节点的R_docs，背景业务干扰对目标链路(S，R)可用带宽的具体影响如下：

(1)发送节点S检测到信道忙而不能发送RTS帧

本发明判定某一天线波束上的噪声功率小于或等于信号接收门限即认为该天线波束方向上信道可用，而按照定向信道接入控制协议的规约，发送节点发送波束物理层状态不为空闲时不能发送RTS帧，因而需要将因为信道忙而不能发送RTS帧的时间从节点发送可用时长中去除，节点发送波束的物理层不为空闲是因为区域S₁内有节点向节点S所在的方向发送数据，一个观测周期T内，设节点S处于全向侦听状态时，区域S₁内的节点向节点S所在的方向发送数据的总时间为T₁，此时，节点S的发送天线波束方向上的噪声功率满足：

P_csth＜P_noise＜P_rxth (10)

下面将定向链路可用时长T_L(i，j)用前文所述的链路可用时长T_L表示，为了计算T₁对T_L造成浪费的概率，先将T₁和T_L归一化处理，得到归一化的时长x₁和x_a，其值分别为T₁/T和T_L/T，定义定向链路(S，R)在一次数据传输中RTS帧的传输时间在总传输时间中所占的比率k₁为t_RTS/t，则k₁·x_a可视为链路(S，R)用于传输RTS帧的归一化时间，根据统计得到的T₁的大小，发送节点S检测信道忙而不能发送RTS帧可以分为以下两种情形：

情形1：x₁＞(1-k₁·x_a)

k₁·x_a结束于最后的(1-x₁)时间段内，将(1-x₁)时间段划分为N等份，x₁结束于其中的任意一份的概率为1/N，设x₁结束于(1-x₁)的第i份，则发送节点S检测信道忙而不能发送RTS帧的概率p₁表示为：

$\begin{array}{c}{p}_1=\underset{N\→\mathrm{\∞}}{\lim }\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{1}{N}\·\{x_1-\[\left(\frac{1-x_1}{N}\right)\·(N-i)+k_1\·x_a-(1-x_1)\]\}\·1\\ =\frac{1}{2}(1+x_1)-k_1\·x_a\\ =\frac{1}{2}(1+\frac{T_1}{T})-\frac{t_{RTS}}{t}\·\frac{T_L}{T}\end{array}---\left(11\right)$

情形2：x₁≤(1-k₁·x_a)

根据x₁是否结束于最后的k₁·x_a时间段将此情形进一步划分为(a)和(b)两类子情形，情形2(a)中，x₁结束于最后的k₁·x_a时间段内，类似情形1中的计算，概率p_a1表示为：

$\begin{array}{c}{p}_{a1}=\underset{N\→\mathrm{\∞}}{\lim }\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{1}{N}\·\[x_1-\frac{k_1\·x_a}{N}\·(N-i)\]\·\frac{k_1\·x_a}{1-x_1}\\ =(x_1-\frac{k_1\·x_a}{2})\·\frac{k_1\·x_a}{1-x_1}\end{array}---\left(12\right)$

情形2(b)中，x₁结束于(1-k₁·x_a)时间段内，概率p_b1计算为：

$p_{b1}=x_1\·\frac{1-k_1\·x_a-x_1}{1-x_1}---\left(13\right)$

结合子情况(a)和(b)，情形2中的概率p₁可表示为：

$\begin{array}{c}{p}_1=p_{a1}+p_{b1}\\ =x_1-\frac{{(k_1\·x_a)}^2}{2(1-x_1)}\\ =\frac{T_1}{T}-\frac{{(t_{RTS}\·T_L)}^2}{2t^2\·T(T-T_1)}\end{array}---\left(14\right)$

基于以上分析，综合情形1和2，节点S检测信道忙而不能发送RTS帧的概率p₁为：

$p_1=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}(1+\frac{T_1}{T})-\frac{t_{RTS}}{t}\&CenterDot;\frac{T_L}{T},& (1-\frac{t_{RTS}}{t}\&CenterDot;\frac{T_L}{T})<\frac{T_1}{T}\&le;1\\ \frac{T_1}{T}-\frac{{(t_{RTS}\&CenterDot;T_L)}^2}{2t^2\&CenterDot;T(T-T_1)},& 0<\frac{T_1}{T}\&le;(1-\frac{t_{RTS}}{t}\&CenterDot;\frac{T_L}{T})\\ 0,& T_1=0\end{array}\right.---\left(15\right)$

(2)接收节点R全向接收RTS帧冲突

全向接收冲突功率门限P_doco为：

$P_{doco}=\frac{P_t{h}_t^2{h}_r^2{G}_d{G}_0}{R_{co}^4}---\left(16\right)$

定向接收冲突功率门限P_ddco为：

$P_{ddco}=\frac{P_t{h}_t^2{h}_r^2{G}_d{G}_d}{R_{co}^4}---\left(17\right)$

接收节点R全向接收RTS帧时，区域S₂内的节点发送数据会造成节点R接收RTS帧冲突，记节点R在全向侦听过程中，侦听到信号的接收功率大于全向冲突功率门限的总时长为T₂，其归一化值x₂为T₂/T，由于区域S₂包含了区域S₅，而区域S₅内的节点发送数据可能会导致R接收RTS帧或者DATA帧冲突，为了区分这两种冲突，将t_RTS/(t_RTS+t_DATA)和t_DATA/(t_RTS+t_DATA)分别作为区域S₅内的节点发送数据导致RTS帧和DATA帧冲突的比率，记以节点R为圆心，冲突距离R_co为半径的圆的面积为S(R_co)，将引起RTS帧冲突的节点所在区域在S(R_co)中所占比例与x₂的乘积作为接收节点R全向接收RTS帧冲突的概率p₂，则p₂可以表示为：

$p_2=\&lsqb;\frac{S_5}{S\left(R_{co}\right)}\&CenterDot;\frac{t_{RTS}}{t_{RTS}+t_{DATA}}+\frac{S_2-S_5}{S\left(R_{co}\right)}\&rsqb;\&CenterDot;\frac{T_2}{T}---\left(18\right)$

(3)接收节点R接收完RTS帧时由于信道忙而放弃应答CTS帧

节点R接收完RTS帧时，判断信道空闲才能应答CTS帧，节点R接收完节点S发送的RTS帧时，如果位于S₃区域内的节点恰好在向节点R所在的方向发送数据，则节点R将判断信道忙而放弃应答CTS帧，节点S因接收不到CTS帧而重传，导致链路可用时长的浪费；

设区域S₃内的节点向节点R所在的方向发送数据的总时长为T₃，其归一化值x₃为T₃/T，区域S₃内的节点向节点R所在的方向发送数据时，节点R侦听到的噪声功率满足P_csth＜P_noise＜P_rxth，将RTS帧接收结束时刻与x₃作比较，得到类似情况(1)中的三种情形，情形1中x₃开始于最初的(1-x₃)时间段，情形2(a)中x₃开始于最初的k₁·x_a时间段，情形2(b)中x₃开始于(1-k₁·x_a)时间段，只需将T₃替换(15)式中的T₁便可得到接收节点R接收完RTS帧时由于信道忙而放弃应答CTS帧的概率p₃：

$p_3=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}(1+\frac{T_3}{T})-\frac{t_{RTS}}{t}\&CenterDot;\frac{T_L}{T},& (1-\frac{t_{RTS}}{t}\&CenterDot;\frac{T_L}{T})<\frac{T_3}{T}\&le;1\\ \frac{T_3}{T}-\frac{{(t_{RTS}\&CenterDot;T_L)}^2}{2t^2\&CenterDot;T(T-T_3)},& 0<\frac{T_3}{T}\&le;(1-\frac{t_{RTS}}{t}\&CenterDot;\frac{T_L}{T})\\ 0,& T_3=0\end{array}\right.---\left(19\right)$

(4)发送节点S定向接收CTS帧冲突

设A₆表示发送节点S发送波束和接收节点R接收波束共同覆盖的区域，则区域A₆内的节点在目标链路(S，R)发起数据传输时，在与节点S和R相对的波束上会一直处于接收状态，不会对节点S或R的传输造成干扰，区域S₄内的节点发送数据会造成节点S接收CTS帧或ACK帧冲突，结合冲突距离R_co，S₄可以表示为：

$S_4=\frac{S\left(R_{co}\right)}{m}-A_6---\left(20\right)$

其中，m是节点天线波束数量；

当R_co＜R_do时，区域S₄内存在由于侦听不到节点S发送的RTS帧和DATA导致“定向隐终端，，问题的节点；当R_co＞R_do时，接收节点R接收波束传输范围覆盖的除A₆外的区域内存在由于侦听不到节点S发送的RTS帧和DATA帧导致“定向隐终端，，问题的节点，接收节点R接收波束传输范围外物理载波检测范围内的区域内存在由于增益不对称导致“定向隐终端”问题的节点，记节点S全向侦听过程中发送波束上噪声功率大于定向冲突功率门限P_ddco的信号持续总时长为T₄，由于S₄包含了CTS帧和ACK帧冲突，因而将t_CTS/(t_CTS+t_ACK)和t_ACK/(t_CTS+t_ACK)分别作为区域S₄内的节点发送数据导致CTS帧和ACK帧冲突的比率，可以得到发送节点S定向接收CTS帧冲突的条件概率为：

$p_4=\frac{S_4}{S\left(R_{co}\right)/m}\&CenterDot;\frac{t_{CTS}}{t_{CTS}+t_{ACK}}\&CenterDot;\frac{T_4}{T}---\left(21\right)$

(5)接收节点R定向接收DATA帧冲突

与CTS帧和ACK帧冲突类似，区域S₅内的节点发送数据会导致节点R接收DATA帧冲突，且有S₅＝S₄，记节点R全向侦听过程中接收波束上噪声功率大于定向冲突功率门限信号发送的总时长为T₅，则接收节点R定向接收DATA帧冲突的概率为：

$p_5=\frac{S_5}{S\left(R_{co}\right)/m}\&CenterDot;\frac{t_{DATA}}{t_{RTS}+t_{DATA}}\&CenterDot;\frac{T_5}{T}---\left(22\right)$

(6)发送节点S定向接收ACK帧冲突

根据情况(4)的分析，可以直接得到发送节点S定向接收ACK帧冲突的概率p₆：

$p_6=\frac{S_4}{S\left(R_{co}\right)/m}\&CenterDot;\frac{t_{ACK}}{t_{CTS}+t_{ACK}}\&CenterDot;\frac{T_4}{T}---\left(23\right)$

(7)接收节点R参与背景业务导致的“聋”问题

节点S向节点R发送RTS帧时，如果节点R正在参与其它天线波束方向上的通信，无法应答CTS帧，节点S则重传RTS帧，造成链路可用时长的浪费，记节点R参与其它天线波束方向上通信的总时长为T₇，设节点R第i个天线波束方向上定向发送的总时间为T_sd[i]，定向接收的总时间为T_rd[i]，则T₇可以表示为：

$T_7=\underset{i=1,i\&NotEqual;j}{\overset{m}{\&Sigma;}}\{T_{sd}\&lsqb;i\&rsqb;+T_{rd}\&lsqb;i\&rsqb;\}---\left(24\right)$

其中，j表示节点R接收节点S发送的信号时的接收波束，节点“聋”问题导致链路可用时长损耗的概率p₇为：

$p_7=\frac{T_7}{T}---\left(25\right)$

上述七种情况降低了定向链路的可用带宽，通过去除这七种情况浪费的链路可用时长，可以得到一个观测周期T内定向链路的可用带宽修正值：

${\mathrm{DAB}}_{ref}(i,j)={\mathrm{DAB}}_{pre}(i,j)\&CenterDot;\underset{k=1}{\overset{7}{\mathrm{\&Pi;}}}(1-p_k)---\left(26\right)$