CN109348537A - 多波束自组织网络信道接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多波束自组织网络信道接入控制方法,旨在提供一种信道利用率高，可改善网络性能的接入控制方法。本发明通过下述技术方案予以实现：针对分布式多波束场景，结合多波束的特性，利用全向网络的广播信道特点和定向网络的高带宽高指向性特点，用节点间的短报文协议交互，辅助完成定向链路上多节点的高速率并行传输；利用各节点之间的空分复用，实现多个发送节点对多个接收节点的并发通信；当网络簇首节点接收到所有其它节点的RTS帧后，运行多波束自组织网络信道接入分配算法；在每个时隙内寻找最优的收发节点对集合，找出具有最大网络容量的边集合，为下一个定向链路时隙内各个节点的信道接入分配结果，实现多节点同频同时的多发多收。

Description

多波束自组织网络信道接入控制方法

技术领域

本发明涉及一种无线局域网中，适用于多波束无线自组织通信网络的信道接入控制机制。

背景技术

多波束通信设备采用空分复用技术结合TDMA体制和自组织网络的工作方式,相比传统的地空通信设备,可显著提升用户。典型的波束形成网络，主要由可变功率分一、多波束天线的子波束与总波束之间的关系配器和移相器组成，能向馈源阵激励所需的振幅和相位。由于馈源偏多波束天线所具有的特点是能够产生多个子波束，总波束与子离透镜焦点会引起彗形像差而使旁瓣电平升高，馈源的偏焦角不能过波束可以按照不同种类的通信需要，分为以下几种情况，即：固定区大，但可适当组合多个喇叭的辐射来压低波束的旁瓣电平。无线自组织网络是一个采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。先进的自组织网络(SON)性能和核心网络基础架构变化均必不可少。新的核心网络基础架构将利用新的网络范式，如网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络(SDN)。所有管理功能由节点自己完成，而网络基础设施任何组成部分或操纵员都不参与，这种网络被称作自组织网络(或特定网络)。自组织网络可以理解为用多个移动节点组成的、动态变化网络配置，它具有以下特性：没有外部调整机制，也就说它是自配置网络；网络节点发挥路由器和终端设备的功能，网络维持同一配置的时间相对较短。自组织网络生存能力强，拓朴结构变化灵活，能自动适应网络配置变化。在波束切换系统中每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数的变化而变化。对于移动用户智能天线系统选择不同的对应波束，使接收的信号强度最大。但用户信号未必固定在波束中心，当用户在波束边缘时或者干扰信号在波束中央时接收效果最差。因此与自适应天线阵比较，波束切换天线不能实现最佳的信号接收。多波束转换定向天线的自组网的基本思想都是预先假设天线为全向天线，利用已有的全向天线拓扑控制算法求得每个节点的逻辑邻居后，根据逻辑邻居的方位，利用多波束转换天线的特性打开合适的天线扇区，实现网络连通。但是，对于通信功能更加先进的自适应波束定向天线，由于形成的增益方向性强的主波束的唯一性，使得的拓扑控制策略很难适用于自适应波束天线自组网。

移动自组织网络又可称为无线自组织网络(AdHoc网络)，是一种没有无需基础设施支持的移动无线网络,网络节点均由移动主机构成，具有组网灵活,易于移动与部署,抗毁能力强等特点,在junshi行动、灾害救援、临时会议等场合有着广泛的应用前景。AdHoc网络是多跳网络，网络中的节点通过共享的无线信道实现彼此通信。在AdHoc网络中，无线信道由多节点共享，网络中移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变，网络拓扑频繁变化，同时影响到网络层和传输层协议的性能，已经成为AdHoc网络的一个研究难点。AdHoc网络的传输媒介是无线电波，两个相邻节点在同时使用一个信道时会发生冲突，因为无线电波的传播时全向传播的。研究发现AdHoc网络有很大一部分能源都浪费在节点接收无关紧要的信息环节上了。目前在实施自组织网络路由协议时，采用以下方法，例如，网络拓朴结构和节点位置绑定。网络拓朴结构绑定路由机制可基于网络节点相互位置及其在该结构中的作用生成信息交换逻辑结构。这种结构可以是平面的，所有节点是平等的成员，也可以是分层的。网络中区分主要节点和下属节点。由于单个无线通信节点的通信范围限制，数据包必须经过多个节点传输，即传输的多跳性。AdHoc网络没有固定的基础设施，没有中心控制节点，网络需要临时组建，要求移动节点自动搜索、自动加入建立网络，即网络的自组织性、分布式控制。AdHoc网络移动节点的移动性导致网络结构经常处于变动状态，即网络的动态拓扑性。节点的移动性又导致信道的不稳定性，通信链路经常性断开、重建，即不安全性。

传统的自组织网络大都采用全向广播信道进行通信，这大大限制了节点之间的数据传输速率与网络整体容量。在传统自组织网络中，由于无线信道相互干扰的特点，当一个节点向另一个节点传输数据的时候，两个节点的所有邻近节点都要保持静默，不能进行数据传输。这种为了避免冲突的设计极大地限制了网络容量。而多波束自组织网络通过引入数字多波束技术，利用有用信号和干扰信号在空间多维信道上的差别来消除干扰，利用发送端和接收端的多天线，在满足波束隔离、收发通道有限、半双工能力的限制条件下、在同一频率同一时隙上使用多个数据通道，并行发送多个独立的信号流来提高频谱效率和系统抗干扰能力。如图2所示，在左图传统自组织网络中，当网络节点B与网络节点A传输时，其余节点均不能发送；而在右图多波束自组织网络中，可以支持多个节点并行多收多发，比如网络节点B采用波束1与波束2同时向网络节点A和网络节点E发送信息，网络节点C可以采用波束3与波束4同时向网络节点A和网络节点E发送信息。无线电台具备自适应生成多波束方向图和灵活分配频率的能力。数字多波束技术的引入也使得自组织网络的信道接入机制的设计与优化变得更加复杂。

随着信息技术的不断发展，移动通信的需求越来越强。世纪年代末期以来，在无线通信领域一种新的网络技术正在迅速发展，这就是无线自组织多跳移动通信网络。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。当通信的源节点和目的节点不在直接通信范围之内时，它们可以通过中间节点转发报文进行通信。有时节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发，即报文要经过多跳才能到达目的地。网络节点既是终端、接入设备，又是路由器，并能够动态地、随意地、频繁地移动、进入和离开网络，因此，网络节点在网络中的位置是快速变化的，缺少通信链路的情况也经常发生。无线通信以及节点移动性等特点使得网络性能与拓扑结构密切相关。不合理的网络拓扑会大量减少网络容量，增加端到端的分组传输延时，并降低网络抵御节点失效的健壮性。如果没有拓扑控制，所有节点都会以最大无线传输功率工作。在这种情况下，一方面，节点有限的能量将被通信部件快速消耗，降低了网络的生命周期。同时，网络中每个节点的无线信号将覆盖大量其它节点，造成无线信号冲突频繁，影响节点的无线通信质量，降低网络的吞吐量；另一方面，在生成的网络拓扑中将存在大量的边，从而导致网络拓扑信息量大，路由计算复杂，浪费了宝贵的计算资源。拓扑控制是指在保持无线自组织网络基本特性(如网络的连通性)的基础上，通过动态调整节点传输功率的方法，剔除节点间冗余的通信链路，达到降低节点的能量消耗，增加网络容量目的的网络优化技术。不同的节点可能同时传播信号，产生对其它接收器的干扰。一般来说，干扰可能导致碰撞和在MAC层的数据重传。因此，降低了网络吞吐量，延长了信道传输时延，同时由于包重传机制可能会造成能量浪费。

现有研究主要针对集中式网络场景，该场景下只考虑了中心节点与普通节点之间的通信，并不适用于分布式场景下多个发送节点多个接收节点同时存在的情况。针对多波束自组织网络的信道接入机制研究较少，主要集中在蜂窝网以及带中心接入点的WLAN等集中式网络场景中。其主流研究方法仍然沿用IEEE802.11的CSMA/CA机制，设计用于多波束多发多收的信道接入机制，但是在多波束场景中，定向链路(波束)的载波不具备广播特性，CSMA载波监听机制已经完全不适用于多波束场景了。在如图3所示的多波束自组织网络中采用传统CSMA/CA机制中，左图中网络节点C通过波束1向网络节点B发送信息，网络节点A此时检测到当前信道忙，现有基于CSMA/CA的多波束信道接入机制则采取冻结退避计时器的方式，等待信道空闲后再恢复计时器倒计时，最终倒计时结束后再接入信道发送信息。然而从左图中可以看出，当网络节点C向网络节点B发送信息时，网络节点A仍然可以在此时通过波束2向网络节点E发送信息的，并通过预编码技术让网络节点B位于波束2的零陷位置，网络节点E位于波束1的零陷位置，这说明CSMA/CA的信道忙则退避的机制并不适用于多波束场景。此外，右图中网络节点B通过波束1向网络节点C发送信息，此时网络节点A检测到信道处于空闲状态，若基于现有机制则网络节点A可以向网络节点C发送信息，然而波束2和波束1并不满足波束隔离要求，因此两个波束的信息会在网络节点C处发生碰撞，造成传输失败，这说明CSMA/CA的信道空闲则发送的机制也不适用于多波束场景。因此有必要抛弃传统CSMA/CA机制，设计适用于分布式多波束场景的信道接入机制。

信道接入的主要目的就是解决多个设备访问单一信道时信道竞争。每个设备的通信都占用确定的信道资源，即使信道资源是动态分配的，在某个时刻设备占据的资源是固定的。如果只是一个设备向另一个设备发送数据时，此时设备可以独占所有信道资源。但是当多个设备使用单一信道进行通信时，就会发生冲突。所有的随机信道接入技术都需解决信道冲突的问题。在ALOHA中，在帧发送过程中，利用应答来判断是否发生了通信冲突。如果应答失败，就认为产生了冲突，则随机延时一段时间再次发送。接入控制是基于节省能量，有的接入控制协议是基于网络时延。在信标网络中，采样两种信道接入机制，即基于时隙的CSMA-CA和(基于时隙的)TDMA。两种信道接入机制都是为了避免传输冲突，提高传输的可靠性。采用两种信道接入机制的认知无线电网络，时隙Aloha和CSMA是有效的随机接入协议，它们能组成更先进的媒体接入协议。由于无线网络传输相对于有线网络传输来说，各个站点共享一个信道，在同一时间，只能有一个站点对信道进行访问，当用户节点的数据包到达以后，要通过与其它用户数据包进行竞争而获得信道的使用权，才可以继续传输数据，所以如何控制多用户有序接入信道成为主要研究课题。DCF机制的提出解决了多个用户站点竞争共享信道的发送数据的过程。CSMA/CA机制是DCF接入方式的基础。在无线网络传输中，当多个用户接入AP时，由于同一时间只能有一个站点通过信道传输给AP，如果多个一起传输，则会产生碰撞问题，所以需要采用一定的机制控制用户接入信道。当信道连续长时间被主用户占用时，次用户业务将面临长时间的等待，时延性能很差。特别是在多信道多次用户的认知无线系统中，信道接入及分配机制会进一步影响次用户业务的时延性能。目前基于线性网络编码的无线网络信道接入机制丢包率严重、网络拥塞概率高。大量深入的研究发现网络容量的提高受到一些其自身制约因素的限制,而造成这种限制的主要原因是传统的MANET物理层，使用全向天线进行数据发送和接收。这种全向传输不仅给周围其它结点通信带来干扰,而且由于天线功率全向散布,天线在期望方向的功率就不能足够大,进而减小了跳的距离。全向天线在一段时间只能向某固定方位或扇区发射信号能量,因而在这段时间内只有那些在发射天线照射区的邻结点能收到源结点发来的hello分组,其它的邻节点却收不到,当然也就不能被发现。同样,当邻结点收到源结点发来的hello分组后,向源结点发送回复时其天线应对准源结点,源结点才有可能收到该回复。定向发射天线对各个波束方向的遍历，如果在特定的时间内信道持续空闲,它从定向发射天线的个波束方向中随机选取,并将其天线波束指向该方向广播发送hello分组,然后沿一定的方向遍历剩余所有波束方向，并在每个方向上定向广播发送该hello分组。如果信道忙,则继续“侦听”信道，直到信道变为“闲”,再采取该操作步骤。结点在范围内定向地发送完hello分组之后,进入全向接收状态,准备接收邻结点发来的hello分组，并启动个计时器。接收其它结点发来的hello分组。若收到hello分组,则该结点认为自己发现了个DTOR邻结点,将收到的hello分组的有用信息写进自己的邻接表(这些有用信息包括发送该hello分组的结点ID和所使用的波束方向),然后又进行全向接收，如果没收到hello分组则继续全向接收。在通信过程中各个结点在任何状态下有意或无意收到MAC层的协议数据单元(帧)时,如收到RTS、CTS、ACK等控制帧或数据帧时,可利用其中包含的信息(源地址、波束指向等)对自己的邻接表的内容进行更新。

传统无线自组网中，拓扑控制技术是指通过若干控制策略，自适应地网络中的节点组织成为连通的网络。由于无线信号覆盖范围有限,在无线网络中不是每个节点可以感应到其它所有节点。例如两个节点都位于一个接入点(AccessPoint,AP)的覆盖范围中,但不在相互的信号范围内,由于两者都不能检测冲突,当两个站试图向AP发送消息时,就会重复发生碰撞,故隐藏节点问题会显著地降低无线网络性能。一个无线节点可以工作在混合模式下,当数据包长度大于RTS门限时(octets),采用RTSCTS方式传送反之,则采用基本方式传送,也就是说无需RTSCTS握手,直接将数据发送出去。协议中RTSCTS接入方式的时序图在RTSCTS机制工作过程中,发送者和接收者在传输数据之前使用RTS帧和CTS帧进行握手。当握手开始时,发送者会在SIFS时间间隔内发送一个RTS帧通知所有相邻节点它将要发送数据包。在RTS帧中有一个网络分配矢量(NetworkAllocationVector,NAV)字段来表示它将需要占用多少时间的信道来进行数据的传送,这个帧包含的时间可以用来定义发送数据和返回确认帧所需要的时间长度。无线频谱资源是稀缺的无线通信的介质资源。无线传感器网络WSN中的节点部署密度大，故存在多个节点同时接入信道的情况，导致分组冲突，接收机无法辨认收到的数据，造成信道资源浪费，网络吞吐率下降。节点发射功率太大则节点间通信干扰增强，通信误码率提高，从而影响网络整体通信效率及吞吐，增加节点能耗导致网络生命周期缩短；减少节点发射功率，这样虽然降低了干扰，但有可能致使网络不连通，影响网络整体传输能力。

发明内容

本发明的目的针对现有技术存在的不足之处，提供一种具有较好的网络容量，公平性，信道利用率高，可改善网络性能的多波束自组织网络信道接入控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：考虑到全向网络信道的广播特性适用于用户间的协议交互，定向网络波束的高带宽高指向性适用于做数据传输，本发明提出一种多波束自组织网络信道接入控制方法,具有如下技术特征：针对分布式多波束场景，结合多波束的特性，利用全向网络的广播信道特点和定向网络的高带宽高指向性特点，用节点间的短报文协议交互，辅助完成定向链路上多节点的高速率并行传输；根据网内节点的空间位置以及传输需求，结合多波束的特性，在保证波束隔离、收发限制、通道限制约束条件下，利用各节点之间的空分复用，实现多个发送节点对多个接收节点的并发通信，采用常用图论算法计算各波束的信道容量；各个节点在定向链路时隙开始前，通过全向链路广播控制帧RTS，将其通信需求以及空间位置发送给簇首节点，簇首节点收到所有节点的RTS帧后，根据各节点空间位置及其通信需求建立分析模型；当网络簇首节点接收到所有其它节点的RTS帧后，运行多波束自组织网络信道接入分配算法；并基于最大独立集算法，在每个时隙内寻找最优的收发节点对集合，找出满足波束隔离限制和收发限制的多个边集合，然后，针对每个发送请求边集合，通过最大流算法找出满足通道限制的最大边集合，再进一步，根据预编码矩阵以及功率分配为每条边赋权；最后在所有边集合中，找出具有最大网络容量的边集合，该集合为下一个定向链路时隙内各个节点的信道接入分配结果，然后簇首节点将分配的结果，通过全向链路以CTS帧的形式广播给所有节点，簇首节点接收到CTS帧后，各个节点获知下一个定向链路时隙内与其对应的接收节点集合，并据此接入信道发送信息，实现多波束自组织网络中多节点同频同时的多发多收。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

具有较好的网络容量。本发明利用全向网络的广播信道特点和定向网络的高带宽高指向性特点，通过牺牲小部分全向链路时隙资源用于节点间的短报文协议交互，辅助完成定向链路上多节点的高速率并行传输。根据网内节点的空间位置以及传输需求，将优化目标抽象成图论问题，采用常用图论算法实现对多波束收发限制、波束隔离限制、通道限制等限制条件的约束，充分利用多节点多波束的空分复用优势，通过计算各波束的信道容量，兼顾公平性的同时最大化了网络容量。与现有技术相比，避免了图3所示的传统基于CSMA/CA机制的多用户接入机制所产生的弊端，提升了网络容量。同时利用定向天线方向性强的特点，减少节点间干扰，提高网络吞吐量。

具有较好的公平性：本发明为每个节点设置加权因子，该权值用于寻找网络容量和公平性之间的折衷点，值越大则更倾向于保证节点信道接入的公平性，值越小则更倾向于提升网络整体容量。利用各节点之间的空分复用，实现多个发送节点对多个接收节点的并发通信，为防止网络节点出现资源分配不均的现象，尤其是避免出现信道质量好的节点将资源一直占用而信道质量差的分配不到资源的情况。在每个时隙内寻找最优的收发节点对集合，使得该集合内的收发节点对能够同时同频并行传输，兼顾公平性的同时最大化网络容量。由于所有节点都具有公平机制且支持带宽统计复用，可成倍提高网络可用带宽。从而解决了现有技术由于资源分配悬殊导致部分节点无法正常通信的问题。

信道利用率高。本发明结合多波束的特性，在满足收发限制、波束隔离限制、通道限制、功率限制的条件下，跨层设计信道接入机制，寻找每个时隙内最优的收发节点对集合，兼顾公平性的同时最大化网络容量，充分利用各节点之间的空分复用，提高无线资源空间复用性，提高了空间复用效率，实现多个发送节点对多个接收节点的并发通信，支持分布式场景，能够有效提高网络吞吐量，降低时延，提升网络容量。仿真实验结果表明，相对于传统网络信道接入机制，LNC不仅提高了网络的吞吐量，降低了节点的数据包丢失率，而且提高了信道利用率和时隙利用率；解决了定向天线存在的队列头阻塞问题，很大程度上改善网络性能。克服了现有技术主要针对集中式网络场景，只考虑中心节点与普通节点之间的通信，并不适用于分布式场景下多个发送节点多个接收节点同时存在的情况。

本发明适用于多波束无线自组织通信网络的信道接入机制。

附图说明

图1为本发明多波束自组织网络信道接入机制的控制推演流程图。

图2为多波束自组织网络中多节点的同发同收示意图。

图3为多波束自组织网络中采用传统CSMA/CA机制的推演弊端示意图。

具体实施方式

为了简化分析，本发明针对分布式多波束场景，采用基于时隙的信道资源划分方式，将整个信道传输信息的时间划分成若干时间片(简称时隙)，并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输，假设所有节点工作在同一频率的信道上，在同一个时隙内各个节点期望通过多波束尽可能多的向多个节点进行并行传输。考虑到各个节点的天线阵列规模、空间相对位置、半双工模式的约束，各个节点的多波束必须满足如下限制条件。收发限制：任意一个节点在一个时隙内只能处于多收或者多发状态，发送与接收不能同时存在；波束隔离限制：节点在发送或接收时，多个波束之间的隔离角度必须小于一个预设的值，该值与天线阵列数量、阵元间距、预编码方式相关，本发明中假设节点采用迫零预编码方式，波束隔离度为20度，单个波束对其隔离度以外的节点的干扰可忽略不计；通道限制：受天线能力制约，同一副天线的同时赋形的波束数目有限；功率限制：各个节点的总发送功率存在上限。本发明中假设各个节点的总发送功率上限相同。因此，分布式多波束场景下的信道接入机制可以描述为如下问题：在满足收发限制、波束隔离限制、通道限制、功率限制的条件下，在每个时隙内寻找最优的收发节点对集合，使得该集合内的收发节点对能够同时同频并行传输，兼顾公平性的同时最大化网络容量。

根据本发明，针对分布式多波束场景，结合多波束的特性，利用全向链路的广播信道特性，处理节点之间的低开销协议交互，利用定向链路的高带宽高指向增益，用于节点之间的数据传输，通过全向辅助定向的方式，针对分布式网络架构采取集中调度的资源分配方式，设计高效的适用于多波束自组织网络的信道接入机制，提升网络容量。各个节点在定向链路时隙开始前，通过全向链路广播RTS帧，将其通信需求以及空间位置发送给簇首节点，簇首节点收到所有节点的RTS帧后，根据各节点空间位置及其通信需求建立分析模型。当网络簇首节点接收到所有其它节点的RTS帧后，运行多波束自组织网络信道接入分配算法；首先基于最大独立集算法，在每个时隙内寻找最优的收发节点对集合，找出满足波束隔离限制和收发限制的多个边集合，然后，针对每个边集合通过最大流算法找出满足通道限制的最大边集合。进一步，根据预编码矩阵以及功率分配为每条边赋权；最后在所有边集合中，找出具有最大网络容量的边集合，该集合即为下一个定向链路时隙内各个节点的信道接入分配结果。然后簇首节点将分配的结果通过全向链路以CTS帧的形式广播给所有节点。接收到CTS帧后，各个节点即可知道下一个定向链路时隙内与其对应的接收节点集合，并据此接入信道发送信息，实现多波束自组织网络中多节点同频同时的多发多收。

RTS帧内容包含：发送节点ID，接收节点ID，节点空间位置。

在定向链路的每个时隙开始之前，各节点通过全向链路，以RTS帧的形式广播其发送请求；当网络簇首节点接收到所有其它节点的RTS帧后，运行多波束自组织网络信道接入分配算法，如步骤21至步骤27所示。图1给出了多波束自组织网络信道接入分配算法的处理流程图。

步骤21，网络簇首节点根据所有节点在下一个定向时隙的发送请求，形成发送请求图，如图1中第1步所示，网络节点A的发送请求为：A到B、A到D、A到C，分别对应图中的边1、边2和边3，网络节点C的发送请求为C到B、C到D，分别对应图中的边4、边5。网络节点D的发送请求为D到B，分别对应图中的边6；

步骤22，网络簇首节点将发送请求图的每条边作为一个点，形成收发限制与波束隔离限制示意图。收发限制与波束隔离限制示意图中的点1、2、3、4、5、6分别对应发送请求图中的边1、边2、边3、边4、边5、边6.将发送请求图中不满足收发限制与波束隔离限制的边在收发限制与波束隔离限制示意图中对应的点之间进行连线。收发限制：对于发送请求图中的任意两条有向边，若其中一条有向边的末端指向另一有向边的始端，则这两条有向边不满足收发限制；波束隔离限制：对于发送请求图中的任意两条有向边，若这两条边的始端相同且两条边的夹角小于波束隔离度，按波束隔离度参考值，则这两条有向边不满足波束隔离限制。

步骤23，网络簇首节点调用最大独立集算法找出收发限制与波束隔离限制示意图中所有的最大独立集A_i，使得集合内的任意两个点之间都互不相连，图1中i∈{1,2,3,4,5}；

步骤24，网络簇首节点针对每个最大独立集A_i，将最大独立集中的每个元素对应的有向边，按照有向边的始端和末端，将所有网络节点分成两部分，左半部分为发送节点，右半部分为接收节点，形成二部图g_i；

步骤25：网络簇首节点针对每个二部图g_i(图1中i∈{1,2,3,4,5})，进行通道限制的约束。约束规则如下所示：针对每个二部图g_i，首先虚拟一个起始点s和终止点t，将s指向所有发送节点并赋予边权值，边权值为各个发送节点的最大通道数量；然后将所有接收节点指向t并赋予边权值，边权值为各个接收节点的最大通道数量；调用最大流算法找出从s到t的最大流，保留二部图中最大流所经过的边，删除其他边，得到通道限制图。图1中对于所有二部图进行通道限制的约束，不失一般性，图中以二部图g₃和g₄为例说明通道限制的约束规则，网络节点A,C，D的多波束通道数量为2，网络节点B的通道数量为1，则二部图g₃经过通道限制约束(寻找最大流)得到通道限制图b₁，二部图g₄过通道限制约束得到通道限制图b₂和b₃(注：最大流可能存在多条不同的路径)。

步骤26，网络簇首节点为每个通道限制图中的边赋予权值，该权值为该边对应的定向链路的信道容量。定向链路的信道容量的计算方法与物理层的预编码方式以及功率分配算法相关。不失一般性，这里假设预编码方式采用ZFBF迫零算法、功率分配采用平均功率分配算法。则有，针对步骤25中得到的各个收发限制图b_i，执行步骤26(a)至步骤26(b)，得到图b_i中各条边的权值ω_e。

步骤26(a)：网络簇首节点计算图b_i中发送节点集合S_i中的每个发送网络节点A(a∈S_i)的预编码矩阵W(a)，如下式所示，

其中，N(a)为网络节点A的出度，H_a为通道限制图中节点A为起点的所有有向边集合对应的信道矩阵，是有向边对应的信道矢量(j∈{1,...,N(a)})。

步骤26(b)：网络簇首节点计算定向链路的信道容量，为通道限制图b_i中的每条边赋予权值ω，如下式所示：

并且

步骤27，网络簇首节点针对步骤26中的所有通道限制图，计算其网络容量，找出具有最大网络容量的通道限制图即b_i*中对应的收发节点对即为下一个定向链路时隙内各节点的信道接入分配结果，图1中得到的信道接入分配结果为A发送到B，A发送到D，C发送到D。上式中C(b_i)是通道限制图b_i的网络容量，其值等于图b_i中所有边的权值之和，如下所示：

如果网络节点A没有分配到下一个定向链路时隙的接入机会，则将D_a的值加1，否则归0。其中，变量D_a表示发送网络节点A的发送请求被延迟的时隙数(初始值为0)，ω是通道限制图bi中的每条边赋予权值，是以网络节点A为起始节点的有向边，j∈{1,...,N(a)}，β是一个权值因子，用于保证各个节点之间的公平性，避免信道质量不好的节点一直无法接入信道完成信息的发送。参数β代表网络容量和公平性的折衷点，β值越大则更倾向于保证节点信道接入的公平性，β值越小则更倾向于提升网络整体容量。

步骤3，网络簇首节点将步骤2中所求得的信道接入分配结果，通过CTS帧广播给所有节点，其它节点收到CTS帧后即按分配结果在下一个定向链路时隙内接入信道，完成自组织网络中多节点同频同时的多发多收。

以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，由于上文提到模块装配的先后顺序可以随意变换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。另外，本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种多波束自组织网络信道接入控制方法,具有如下技术特征：针对分布式多波束场景，结合多波束的特性，利用全向网络的广播信道特点和定向网络的高带宽高指向性特点，用节点间的短报文协议交互，辅助完成定向链路上多节点的高速率并行传输；根据网内节点的空间位置以及传输需求，结合多波束的特性，在保证波束隔离、收发限制、通道限制约束条件下，利用各节点之间的空分复用，实现多个发送节点对多个接收节点的并发通信，采用常用图论算法计算各波束的信道容量；各个节点在定向链路时隙开始前，通过全向链路广播控制帧RTS，将其通信需求以及空间位置发送给簇首节点，簇首节点收到所有节点的RTS帧后，根据各节点空间位置及其通信需求建立分析模型；当网络簇首节点接收到所有其它节点的RTS帧后，运行多波束自组织网络信道接入分配算法；并基于最大独立集算法，在每个时隙内寻找最优的收发节点对集合，找出满足波束隔离限制和收发限制的多个边集合，然后，针对每个发送请求边集合，通过最大流算法找出满足通道限制的最大边集合，再进一步，根据预编码矩阵以及功率分配为每条边赋权；最后在所有边集合中，找出具有最大网络容量的边集合，该集合为下一个定向链路时隙内各个节点的信道接入分配结果，然后簇首节点将分配的结果，通过全向链路以CTS帧的形式广播给所有节点，簇首节点接收到CTS帧后，各个节点获知下一个定向链路时隙内与其对应的接收节点集合，并据此接入信道发送信息，实现多波束自组织网络中多节点同频同时的多发多收。

2.如权利要求1所述的多波束自组织网络信道接入控制方法,其特征在于：针对分布式多波束场景，采用基于时隙的信道资源划分方式，将整个信道传输信息的时间划分成若干时间片，简称时隙，并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道，在同一个时隙内各个节点通过多波束向多个节点进行并行传输。

3.如权利要求1所述的多波束自组织网络信道接入控制方法,其特征在于：各个节点的多波束满足收发限制、波束隔离限制、通道限制、功率限制的条件下，收发限制：任意一个节点在一个时隙内只处于多收或者多发状态，发送与接收不能同时存在；波束隔离限制：节点在发送或接收时，多个波束之间的隔离角度小于一个预设的值；通道限制：受天线能力制约，同一副天线的同时赋形的波束数目有限；功率限制：各个节点的总发送功率上限相同，如权利要求3所述的多波束自组织网络信道接入控制方法,其特征在于：在满足收发限制、波束隔离限制、通道限制、功率限制的条件下，在每个时隙内寻找最优的收发节点对集合，使集合内的收发节点对能够同时同频并行传输。

4.如权利要求1所述的多波束自组织网络信道接入控制方法,其特征在于：网络簇首节点根据所有节点在下一个定向时隙的发送请求，形成发送请求图，请求图中，网络节点A的发送请求为：A到B、A到D、A到C，分别对应图中的边1、边2和边3，网络节点C的发送请求为C到B、C到D，分别对应图中的边4、边5，网络节点D的发送请求为D到B，分别对应图中的边6。

5.如权利要求4所述的多波束自组织网络信道接入控制方法,其特征在于：网络簇首节点将发送请求图的每条边作为一个点，形成收发限制与波束隔离限制图，收发限制与波束隔离限制图中的点1、2、3、4、5、6分别对应发送请求图中的边1、边2、边3、边4、边5、边6，将发送请求图中不满足收发限制与波束隔离限制的边，在收发限制与波束隔离限制图中对应的点之间进行连线。

6.如权利要求5所述的多波束自组织网络信道接入控制方法,其特征在于：在收发限制中，对于发送请求图中的任意两条有向边，若其中一条有向边的末端指向另一有向边的始端，则这两条有向边不满足收发限制；在波束隔离限制中，对于发送请求图中的任意两条有向边，若这两条边的始端相同，且两条边的夹角小于波束隔离度，按波束隔离度参考值θ_th＝20°，则这两条有向边不满足波束隔离限制。

7.如权利要求1所述的多波束自组织网络信道接入控制方法,其特征在于：网络簇首节点调用最大独立集算法找出收发限制与波束隔离限制示意图中所有的最大独立集A_i，使得集合内的任意两个点之间都互不相连；并针对每个最大独立集A_i，将最大独立集中的每个元素对应的有向边，按照有向边的始端和末端，将所有网络节点分成两部分，左半部分为发送节点，右半部分为接收节点，形成二部图g_i，其中i∈{1,2,3,4,5}。

8.如权利要求7所述的多波束自组织网络信道接入控制方法,其特征在于：网络簇首节点针对每个二部图g_i进行通道限制的约束，首先虚拟一个起始点s和终止点t，将s指向所有发送节点并赋予边权值，边权值为各个发送节点的最大通道数量；然后将所有接收节点指向t并赋予边权值，边权值为各个接收节点的最大通道数量；调用最大流算法找出从s到t的最大流，保留二部图中最大流所经过的边，删除其他边，得到通道限制图。

9.如权利要求1所述的多波束自组织网络信道接入控制方法,其特征在于：网络簇首节点计算发送节点集合S_i中的每个发送网络节点A，得到预编码矩阵W(a)，

并且其中，a∈S_i，N(a)为网络节点A的出度，H_a为通道限制图中节点A为起点的所有有向边集合对应的信道矩阵，是有向边对应的信道矢量j∈{1,...,N(a)}。

10.如权利要求1所述的多波束自组织网络信道接入控制方法,其特征在于：网络簇首节点计算定向链路的信道容量，为通道限制图b_i中的每条边赋予权值ω，并针对所有通道限制图，计算网络容量，找出具有最大网络容量的通道限制图b_i ^*，获得b_i ^*中对应的收发节点对，为下一个定向链路时隙内各节点的信道接入分配结果，式中，C(b_i)是通道限制图b_i的网络容量，其值等于通道限制图b_i中所有边的权值之和，

如果网络节点A没有分配到下一个定向链路时隙的接入机会，则将D_a的值加1，否则归0，式中，β是一个权值因子，变量D_a表示发送网络节点A的发送请求被延迟的时隙数，ω是通道限制图b_i中的每条边赋予权值，是以网络节点A为起始节点的有向边j∈{1,...,N(a)}。