CN110944404A - 一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法及系统 - Google Patents

一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法及系统 Download PDF

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CN110944404A
CN110944404A CN201911114293.5A CN201911114293A CN110944404A CN 110944404 A CN110944404 A CN 110944404A CN 201911114293 A CN201911114293 A CN 201911114293A CN 110944404 A CN110944404 A CN 110944404A
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Abstract

本发明提出一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法及系统，通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；在异构功率网络条件下，对收发节点采用不同功率水平传输数据分组并建模，基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能；解决了网络中不同节点之间的距离远近造成的影响。将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，充分利用了网络资源的并发性能，排除了MAC层捕获和冲突干扰的问题。

Description

一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法及 系统
技术领域
本发明涉及一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，属于卫星通信领域。
背景技术
自组网是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，网络的信息交换采用计算机网络中的分组交换机制，用户终端是可以移动的便携式终端，自组网中每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。作为主机，终端需要运行各种面向用户的应用程序，如编辑器、浏览器等；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据分组的转发和路由维护工作，故要求节点实现合适的路由协议。自组网路由协议的目标是快速、准确和高效，要求在尽可能短的时间内查找到准确可用的路由信息，并能适应网络拓扑的快速变化，同时减小引入的额外时延和维护路由的控制信息，降低路由协议的开销，以满足移动终端计算能力、储存空间以及电源等方面的限制。
现有的功率控制协议的算法通常由通信网络选择一个合适的发送功率值为节省网络资源，并没有考虑到网络中不同节点之间的距离远近造成的影响，造成了网络资源的浪费，同时降低了网络性能。
发明内容
发明目的：提供一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，以解决现有技术存在的上述不足。进一步目的是提供一种实现上述方法的系统。
技术方案：一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，包括以下步骤：
步骤1、功率控制MAC协议：通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；
步骤2、估算步骤1中功率控制MAC协议过程对网络性能的影响；
步骤3、在异构功率网络条件下，对收发节点采用不同功率水平传输数据分组并建模，基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能；
步骤4、将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，将二维随机退避算法结合载波检测多地址接入机制和四向握手模式，重新回引到步骤1中，改变收发节点的功率。
在进一步的实施例中，所述步骤1进一步包括：
步骤1-1、系统判断节点在不需要发送数据包或者网络共享信道处于被占用状态时，自动关闭节点的无线网络接口，使得节点进入功率节省模式；
步骤1-2、节点在控制信号上给接收节点发送一个RTS帧，当节点接收到该RTS帧则以一个CTS帧作为应答帧发送回原节点；
步骤1-3、节点接收到CTS应答帧后在数据信道上发送DATA数据帧，与此同时接收节点在控制信道发送一个包含数据分组的标注信号，相邻节点接收到该标注信号后根据信号里的发射分组结束时间进入睡眠状态；
步骤1-4、相邻节点的睡眠状态结束后，分为两种情况：若相邻节点监听数据信道仍然有节点正在发送标注信号，则由相邻的节点在控制信道重新发送一个新的RTS帧，接收节点接收到相邻节点发送的RTS帧后以一个包含数据分组的标注信号应答，再次告知相邻节点的睡眠时间；若相邻节点在唤醒后信道空闲，则重新进入活跃状态。
在进一步的实施例中，所述步骤2进一步包括：
根据信号中噪声干扰情况、节点自身信噪比阈值、节点干扰情况考虑最佳发射功率，以确保接收节点可以正确接收到数据分组，其中：
信噪比阈值的计算公式如下：
Figure 18293DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
表示发送节点，
Figure 535862DEST_PATH_IMAGE004
表示接收节点，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
表示干扰节点，
Figure 966843DEST_PATH_IMAGE006
表示信噪比阈值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
表示从发送节点到接收节点的信道增益，
Figure 860850DEST_PATH_IMAGE008
表示发送节点的发送功率值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
表示干扰节点的发送功率值，
Figure 959256DEST_PATH_IMAGE010
表示干扰节点到接收节点的信道增益，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
表示调节系数；
经过信噪比阈值的计算公式变形得出发送功率的计算公式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
式中可见，发送功率值
Figure 712973DEST_PATH_IMAGE008
与发送节点到接收节点的信道增益
Figure 568933DEST_PATH_IMAGE007
成反比，与干扰节点的发送功率值
Figure 266631DEST_PATH_IMAGE009
、干扰节点到接收节点的信道增益
Figure 16281DEST_PATH_IMAGE010
成正比；当使用的发送功率越大、网络中节点产生冲突的概率越大、消耗的能量越大；当使用的发送功率越小、网络中节点产生冲突的概率越小、消耗的能量越小。
在进一步的实施例中，所述步骤3进一步包括：
步骤3-1、在异构功率网络的条件下建立三维马尔科夫链模型，对MAC层进行捕获分析，建立两条链路，分别为链路1和链路2，其中链路1从节点1指向节点2，链路2从节点3指向节点4，对链路1施加
Figure 282177DEST_PATH_IMAGE014
的功率，对链路2施加
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
的功率，其中
Figure 953330DEST_PATH_IMAGE016
；
当节点3采用功率
Figure 454719DEST_PATH_IMAGE014
发起传输时，节点2因超出载波检测范围而未接收到节点3的数据，此时节点2的MAC层状态为空闲，则节点2接收到的是节点1的数据；
当节点3采用功率
Figure 934241DEST_PATH_IMAGE015
发起传输时，载波检测范围增大，此时节点2的MAC层状态指示忙，则节点2无法接收到节点1的数据，检测此状态，建立冲突分析模型，根据节点的冲突概率联立计算出节点处于每种状态的概率：
Figure 636618DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
表示节点的接收功率，
Figure 795067DEST_PATH_IMAGE020
表示节点的发射功率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
表示发射节点的天线高度，
Figure 568988DEST_PATH_IMAGE022
表示接收节点的天线高度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
表示发射节点的天线增益，
Figure 496493DEST_PATH_IMAGE024
表示接收节点的天线增益，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
表示调节系数，其中t表示接收节点的接收时间，
Figure 547933DEST_PATH_IMAGE004
表示收发节点的距离；
根据节点的传输功率和信噪比阈值计算干扰范围半径：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 193677DEST_PATH_IMAGE028
表示接收节点的信噪比门限，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
表示干扰范围半径，其它各符号含义同上；
步骤3-2、计算节点在传输RTS帧的过程中收到冲突的概率：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031
式中，ZI表示瞬时冲突区域内的节点集合，ZP表示持续冲突区域内的节点集合，ZA表示非瞬时且非持续冲突区域内的节点集合，
Figure 240131DEST_PATH_IMAGE032
表示ZI内节点x发送RTS帧的概率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033
表示ZP内节点y发送RTS帧的概率，
Figure 22142DEST_PATH_IMAGE034
表示ZP内节点y发送DATA帧的概率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE035
表示ZA内节点ｚ接收RTS帧的概率，
Figure 659797DEST_PATH_IMAGE036
表示传输RTS帧所需的时间，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE037
表示平均时间间隙长度。
在进一步的实施例中，所述步骤4进一步包括：
步骤4-1、选择一个基本退避时隙
Figure 792838DEST_PATH_IMAGE038
作为退避基数，定义最大传输功率等级
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039
，最小传输功率等级
Figure 908561DEST_PATH_IMAGE040
，定义最大重传次数为N，定义竞争窗口值为CW；
步骤4-2、当节点网络层队列中有数据包发送，首先判断信号是否空闲并且节点是否为首次发送，若判断为真，则节点选择最大传输功率
Figure 217183DEST_PATH_IMAGE039
发送此数据包；若判断为假，则节点选择最大传输功率
Figure 294248DEST_PATH_IMAGE040
发送此数据包；
步骤4-3、判断节点网络层队列中下一个待发送数据包的目的地址和上一个已经发送成功的数据包的目的地址是否相同，若相同，则把节点的发送功率设为上一个数据包的发送功率；若不相同，则把发送功率设为最大传输功率
Figure 321110DEST_PATH_IMAGE039
；
步骤4-4、当节点的重传次数超过定义的最大重传次数的阈值后，节点丢弃数据包；
步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-5，当第i个数据包发送成功后，判断网络层队列中是否还有其它数据包需要发送，若存在第i+1个数据包需要发送，则判断第i+1个数据包的目的地址与第i个数据包的目的地址是否相同，若相同，则把第i+1个数据包的发送功率和竞争窗口值设为
Figure 506104DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041
；若不相同，则设置此数据包的发送功率为
Figure 262707DEST_PATH_IMAGE039
。
一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，包括以下模块：
用于功率控制MAC协议的第一模块；
用于评估功率控制MAC协议过程对网络性能的影响的第二模块；
基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能的第三模块；
用于生成基于时间功率的二维随机退避算法的第四模块。
在进一步的实施例中，所述第一模块进一步用于通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；系统判断节点在不需要发送数据包或者网络共享信道处于被占用状态时，自动关闭节点的无线网络接口，使得节点进入功率节省模式；节点在控制信号上给接收节点发送一个RTS帧，当节点接收到该RTS帧则以一个CTS帧作为应答帧发送回原节点；节点接收到CTS应答帧后在数据信道上发送DATA数据帧，与此同时接收节点在控制信道发送一个包含数据分组的标注信号，相邻节点接收到该标注信号后根据信号里的发射分组结束时间进入睡眠状态；相邻节点的睡眠状态结束后，分为两种情况：若相邻节点监听数据信道仍然有节点正在发送标注信号，则由相邻的节点在控制信道重新发送一个新的RTS帧，接收节点接收到相邻节点发送的RTS帧后以一个包含数据分组的标注信号应答，再次告知相邻节点的睡眠时间；若相邻节点在唤醒后信道空闲，则重新进入活跃状态；
所述第二模块进一步用于根据信号中噪声干扰情况、节点自身信噪比阈值、节点干扰情况考虑最佳发射功率，以确保接收节点可以正确接收到数据分组，其中：
信噪比阈值的计算公式如下：
Figure 507743DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 756322DEST_PATH_IMAGE003
表示发送节点，
Figure 745007DEST_PATH_IMAGE004
表示接收节点，
Figure 28221DEST_PATH_IMAGE005
表示干扰节点，
Figure 444158DEST_PATH_IMAGE006
表示信噪比阈值，
Figure 180033DEST_PATH_IMAGE007
表示从发送节点到接收节点的信道增益，
Figure 706830DEST_PATH_IMAGE008
表示发送节点的发送功率值，
Figure 844550DEST_PATH_IMAGE009
表示干扰节点的发送功率值，
Figure 431389DEST_PATH_IMAGE010
表示干扰节点到接收节点的信道增益，
Figure 920139DEST_PATH_IMAGE011
表示调节系数；
经过信噪比阈值的计算公式变形得出发送功率的计算公式：
Figure 253556DEST_PATH_IMAGE042
式中可见，发送功率值
Figure 245783DEST_PATH_IMAGE008
与发送节点到接收节点的信道增益
Figure 269102DEST_PATH_IMAGE007
成反比，与干扰节点的发送功率值
Figure 245149DEST_PATH_IMAGE009
、干扰节点到接收节点的信道增益
Figure 989114DEST_PATH_IMAGE010
成正比；当使用的发送功率越大、网络中节点产生冲突的概率越大、消耗的能量越大；当使用的发送功率越小、网络中节点产生冲突的概率越小、消耗的能量越小；
所述第三模块进一步用于在异构功率网络条件下，对收发节点采用不同功率水平传输数据分组并建模，基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能：在异构功率网络的条件下建立三维马尔科夫链模型，对MAC层进行捕获分析，建立两条链路，分别为链路1和链路2，其中链路1从节点1指向节点2，链路2从节点3指向节点4，对链路1施加
Figure 226060DEST_PATH_IMAGE014
的功率，对链路2施加
Figure 295647DEST_PATH_IMAGE015
的功率，其中
Figure 618044DEST_PATH_IMAGE016
；
当节点3采用功率
Figure 165700DEST_PATH_IMAGE014
发起传输时，节点2因超出载波检测范围而未接收到节点3的数据，此时节点2的MAC层状态为空闲，则节点2接收到的是节点1的数据；
当节点3采用功率
Figure 398098DEST_PATH_IMAGE015
发起传输时，载波检测范围增大，此时节点2的MAC层状态指示忙，则节点2无法接收到节点1的数据，检测此状态，建立冲突分析模型，根据节点的冲突概率联立计算出节点处于每种状态的概率：
Figure 763221DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 448280DEST_PATH_IMAGE019
表示节点的接收功率，
Figure 924261DEST_PATH_IMAGE020
表示节点的发射功率，
Figure 745586DEST_PATH_IMAGE021
表示发射节点的天线高度，
Figure 422555DEST_PATH_IMAGE022
表示接收节点的天线高度，
Figure 453965DEST_PATH_IMAGE023
表示发射节点的天线增益，
Figure 609003DEST_PATH_IMAGE024
表示接收节点的天线增益，
Figure 675048DEST_PATH_IMAGE025
表示调节系数，其中t表示接收节点的接收时间，
Figure 522918DEST_PATH_IMAGE004
表示收发节点的距离；
根据节点的传输功率和信噪比阈值计算干扰范围半径：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE043
式中，
Figure 513395DEST_PATH_IMAGE028
表示接收节点的信噪比门限，
Figure 206545DEST_PATH_IMAGE029
表示干扰范围半径，其它各符号含义同上；
计算节点在传输RTS帧的过程中收到冲突的概率：
Figure 127096DEST_PATH_IMAGE044
式中，ZI表示瞬时冲突区域内的节点集合，ZP表示持续冲突区域内的节点集合，ZA表示非瞬时且非持续冲突区域内的节点集合，
Figure 614709DEST_PATH_IMAGE032
表示ZI内节点x发送RTS帧的概率，
Figure 620712DEST_PATH_IMAGE033
表示ZP内节点y发送RTS帧的概率，
Figure 117552DEST_PATH_IMAGE034
表示ZP内节点y发送DATA帧的概率，
Figure 892610DEST_PATH_IMAGE035
表示ZA内节点ｚ接收RTS帧的概率，
Figure 816704DEST_PATH_IMAGE036
表示传输RTS帧所需的时间，
Figure 310002DEST_PATH_IMAGE037
表示平均时间间隙长度；
所述第四模块进一步用于将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，将二维随机退避算法结合载波检测多地址接入机制和四向握手模式，重新回引到第一模块中，改变收发节点的功率：选择一个基本退避时隙
Figure 610533DEST_PATH_IMAGE038
作为退避基数，定义最大传输功率等级
Figure 381043DEST_PATH_IMAGE039
，最小传输功率等级
Figure 335093DEST_PATH_IMAGE040
，定义最大重传次数为N，定义竞争窗口值为CW；当节点网络层队列中有数据包发送，首先判断信号是否空闲并且节点是否为首次发送，若判断为真，则节点选择最大传输功率
Figure 191053DEST_PATH_IMAGE039
发送此数据包；若判断为假，则节点选择最大传输功率
Figure 419909DEST_PATH_IMAGE040
发送此数据包；判断节点网络层队列中下一个待发送数据包的目的地址和上一个已经发送成功的数据包的目的地址是否相同，若相同，则把节点的发送功率设为上一个数据包的发送功率；若不相同，则把发送功率设为最大传输功率
Figure 779346DEST_PATH_IMAGE039
；当节点的重传次数超过定义的最大重传次数的阈值后，节点丢弃数据包；当第i个数据包发送成功后，判断网络层队列中是否还有其它数据包需要发送，若存在第i+1个数据包需要发送，则判断第i+1个数据包的目的地址与第i个数据包的目的地址是否相同，若相同，则把第i+1个数据包的发送功率和竞争窗口值设为
Figure 310822DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 513133DEST_PATH_IMAGE041
；若不相同，则设置此数据包的发送功率为
Figure 155467DEST_PATH_IMAGE039
。
有益效果：本发明提出了一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法及系统，针对异构功率网络条件下的无线自组网进行建模，通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；解决了网络中不同节点之间的距离远近造成的影响；将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，充分利用了网络资源的并发性能，排除了MAC层捕获和冲突干扰的问题。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明中基于时间功率的二维随机退避算法的工作流程图。
图3为本发明中对MAC层进行捕获分析建立三维马尔科夫链模型的示意图。
具体实施方式
申请人认为，现有的功率控制协议的算法通常由通信网络选择一个合适的发送功率值为节省网络资源，并没有考虑到网络中不同节点之间的距离远近造成的影响，造成了网络资源的浪费，同时降低了网络性能。
为此，本发明提出了一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，针对异构功率网络条件下的无线自组网进行建模，通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；解决了网络中不同节点之间的距离远近造成的影响；将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，充分利用了网络资源的并发性能，排除了MAC层捕获和冲突干扰的问题。
下面通过实施例，并结合相应附图，对本发明的技术方案做进一步说明。
一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，包括以下步骤：
步骤1、功率控制MAC协议：通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；
步骤1-1、系统判断节点在不需要发送数据包或者网络共享信道处于被占用状态时，自动关闭节点的无线网络接口，使得节点进入功率节省模式；
步骤1-2、节点在控制信号上给接收节点发送一个RTS帧，当节点接收到该RTS帧则以一个CTS帧作为应答帧发送回原节点；
步骤1-3、节点接收到CTS应答帧后在数据信道上发送DATA数据帧，与此同时接收节点在控制信道发送一个包含数据分组的标注信号，相邻节点接收到该标注信号后根据信号里的发射分组结束时间进入睡眠状态；
步骤1-4、相邻节点的睡眠状态结束后，分为两种情况：若相邻节点监听数据信道仍然有节点正在发送标注信号，则由相邻的节点在控制信道重新发送一个新的RTS帧，接收节点接收到相邻节点发送的RTS帧后以一个包含数据分组的标注信号应答，再次告知相邻节点的睡眠时间；若相邻节点在唤醒后信道空闲，则重新进入活跃状态。
步骤2、估算步骤1中功率控制MAC协议过程对网络性能的影响；
步骤2-1、根据信号中噪声干扰情况、节点自身信噪比阈值、节点干扰情况考虑最佳发射功率，以确保接收节点可以正确接收到数据分组，其中：
信噪比阈值的计算公式如下：
Figure 774272DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 476649DEST_PATH_IMAGE003
表示发送节点，
Figure 166256DEST_PATH_IMAGE004
表示接收节点，
Figure 612281DEST_PATH_IMAGE005
表示干扰节点，
Figure 946310DEST_PATH_IMAGE006
表示信噪比阈值，
Figure 678643DEST_PATH_IMAGE007
表示从发送节点到接收节点的信道增益，
Figure 996492DEST_PATH_IMAGE008
表示发送节点的发送功率值，
Figure 839683DEST_PATH_IMAGE009
表示干扰节点的发送功率值，
Figure 293798DEST_PATH_IMAGE010
表示干扰节点到接收节点的信道增益，
Figure 337978DEST_PATH_IMAGE011
表示调节系数；
经过信噪比阈值的计算公式变形得出发送功率的计算公式：
Figure 267756DEST_PATH_IMAGE042
式中可见，发送功率值
Figure 790004DEST_PATH_IMAGE008
与发送节点到接收节点的信道增益
Figure 223260DEST_PATH_IMAGE007
成反比，与干扰节点的发送功率值
Figure 438341DEST_PATH_IMAGE009
、干扰节点到接收节点的信道增益
Figure 199623DEST_PATH_IMAGE010
成正比；当使用的发送功率越大、网络中节点产生冲突的概率越大、消耗的能量越大；当使用的发送功率越小、网络中节点产生冲突的概率越小、消耗的能量越小。
步骤3、在异构功率网络条件下，对收发节点采用不同功率水平传输数据分组并建模，基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能；
步骤3-1、在异构功率网络的条件下建立三维马尔科夫链模型，对MAC层进行捕获分析，建立两条链路，分别为链路1和链路2，其中链路1从节点1指向节点2，链路2从节点3指向节点4，对链路1施加
Figure 915775DEST_PATH_IMAGE014
的功率，对链路2施加
Figure 78903DEST_PATH_IMAGE015
的功率，其中
Figure 323940DEST_PATH_IMAGE016
；
当节点3采用功率
Figure 103677DEST_PATH_IMAGE014
发起传输时，节点2因超出载波检测范围而未接收到节点3的数据，此时节点2的MAC层状态为空闲，则节点2接收到的是节点1的数据；
当节点3采用功率
Figure 967728DEST_PATH_IMAGE015
发起传输时，载波检测范围增大，此时节点2的MAC层状态指示忙，则节点2无法接收到节点1的数据，检测此状态，建立冲突分析模型，根据节点的冲突概率联立计算出节点处于每种状态的概率：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE045
式中，
Figure 847347DEST_PATH_IMAGE019
表示节点的接收功率，
Figure 528864DEST_PATH_IMAGE020
表示节点的发射功率，
Figure 530318DEST_PATH_IMAGE021
表示发射节点的天线高度，
Figure 198060DEST_PATH_IMAGE022
表示接收节点的天线高度，
Figure 460414DEST_PATH_IMAGE023
表示发射节点的天线增益，
Figure 188198DEST_PATH_IMAGE024
表示接收节点的天线增益，
Figure 536003DEST_PATH_IMAGE025
表示调节系数，其中t表示接收节点的接收时间，
Figure 7436DEST_PATH_IMAGE004
表示收发节点的距离；
根据节点的传输功率和信噪比阈值计算干扰范围半径：
Figure 999662DEST_PATH_IMAGE043
式中，
Figure 288561DEST_PATH_IMAGE028
表示接收节点的信噪比门限，
Figure 733449DEST_PATH_IMAGE029
表示干扰范围半径，其它各符号含义同上；
步骤3-2、计算节点在传输RTS帧的过程中收到冲突的概率：
Figure 8573DEST_PATH_IMAGE044
式中，ZI表示瞬时冲突区域内的节点集合，ZP表示持续冲突区域内的节点集合，ZA表示非瞬时且非持续冲突区域内的节点集合，
Figure 245519DEST_PATH_IMAGE032
表示ZI内节点x发送RTS帧的概率，
Figure 49527DEST_PATH_IMAGE033
表示ZP内节点y发送RTS帧的概率，
Figure 371924DEST_PATH_IMAGE034
表示ZP内节点y发送DATA帧的概率，
Figure 185159DEST_PATH_IMAGE035
表示ZA内节点ｚ接收RTS帧的概率，
Figure 276612DEST_PATH_IMAGE036
表示传输RTS帧所需的时间，
Figure 517100DEST_PATH_IMAGE037
表示平均时间间隙长度。
步骤4、将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，将二维随机退避算法结合载波检测多地址接入机制和四向握手模式，重新回引到步骤1中，改变收发节点的功率；
步骤4-1、选择一个基本退避时隙
Figure 202159DEST_PATH_IMAGE038
作为退避基数，定义最大传输功率等级
Figure 681070DEST_PATH_IMAGE039
，最小传输功率等级
Figure 767975DEST_PATH_IMAGE040
，定义最大重传次数为N，定义竞争窗口值为CW；
步骤4-2、当节点网络层队列中有数据包发送，首先判断信号是否空闲并且节点是否为首次发送，若判断为真，则节点选择最大传输功率
Figure 303998DEST_PATH_IMAGE039
发送此数据包；若判断为假，则节点选择最大传输功率
Figure 210774DEST_PATH_IMAGE040
发送此数据包；
步骤4-3、判断节点网络层队列中下一个待发送数据包的目的地址和上一个已经发送成功的数据包的目的地址是否相同，若相同，则把节点的发送功率设为上一个数据包的发送功率；若不相同，则把发送功率设为最大传输功率
Figure 365812DEST_PATH_IMAGE039
；
步骤4-4、当节点的重传次数超过定义的最大重传次数的阈值后，节点丢弃数据包；
步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-5，当第i个数据包发送成功后，判断网络层队列中是否还有其它数据包需要发送，若存在第i+1个数据包需要发送，则判断第i+1个数据包的目的地址与第i个数据包的目的地址是否相同，若相同，则把第i+1个数据包的发送功率和竞争窗口值设为
Figure 431857DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 14148DEST_PATH_IMAGE041
；若不相同，则设置此数据包的发送功率为
Figure 532854DEST_PATH_IMAGE039
。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1、功率控制MAC协议：通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；
步骤2、估算步骤1中功率控制MAC协议过程对网络性能的影响；
步骤3、在异构功率网络条件下，对收发节点采用不同功率水平传输数据分组并建模，基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能；
步骤4、将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，将二维随机退避算法结合载波检测多地址接入机制和四向握手模式，重新回引到步骤1中，改变收发节点的功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：
步骤1-1、系统判断节点在不需要发送数据包或者网络共享信道处于被占用状态时，自动关闭节点的无线网络接口，使得节点进入功率节省模式；
步骤1-2、节点在控制信号上给接收节点发送一个RTS帧，当节点接收到该RTS帧则以一个CTS帧作为应答帧发送回原节点；
步骤1-3、节点接收到CTS应答帧后在数据信道上发送DATA数据帧，与此同时接收节点在控制信道发送一个包含数据分组的标注信号，相邻节点接收到该标注信号后根据信号里的发射分组结束时间进入睡眠状态；
步骤1-4、相邻节点的睡眠状态结束后，分为两种情况：若相邻节点监听数据信道仍然有节点正在发送标注信号，则由相邻的节点在控制信道重新发送一个新的RTS帧，接收节点接收到相邻节点发送的RTS帧后以一个包含数据分组的标注信号应答，再次告知相邻节点的睡眠时间；若相邻节点在唤醒后信道空闲，则重新进入活跃状态。
3.根据权利要求2所述的一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：
根据信号中噪声干扰情况、节点自身信噪比阈值、节点干扰情况考虑最佳发射功率，以确保接收节点可以正确接收到数据分组，其中：
信噪比阈值的计算公式如下：
Figure 903703DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示发送节点，
Figure 138375DEST_PATH_IMAGE004
表示接收节点，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示干扰节点，
Figure 624239DEST_PATH_IMAGE006
表示信噪比阈值，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示从发送节点到接收节点的信道增益，
Figure 627967DEST_PATH_IMAGE008
表示发送节点的发送功率值，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示干扰节点的发送功率值，
Figure 803733DEST_PATH_IMAGE010
表示干扰节点到接收节点的信道增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示调节系数；
经过信噪比阈值的计算公式变形得出发送功率的计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
式中可见，发送功率值
Figure 119177DEST_PATH_IMAGE008
与发送节点到接收节点的信道增益
Figure 77906DEST_PATH_IMAGE007
成反比，与干扰节点的发送功率值
Figure 998457DEST_PATH_IMAGE009
、干扰节点到接收节点的信道增益
Figure 751649DEST_PATH_IMAGE010
成正比；当使用的发送功率越大、网络中节点产生冲突的概率越大、消耗的能量越大；当使用的发送功率越小、网络中节点产生冲突的概率越小、消耗的能量越小。
4.根据权利要求1所述的一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括：
步骤3-1、在异构功率网络的条件下建立三维马尔科夫链模型，对MAC层进行捕获分析，建立两条链路，分别为链路1和链路2，其中链路1从节点1指向节点2，链路2从节点3指向节点4，对链路1施加
Figure 492072DEST_PATH_IMAGE014
的功率，对链路2施加
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的功率，其中
Figure 582388DEST_PATH_IMAGE016
；
当节点3采用功率
Figure 498392DEST_PATH_IMAGE014
发起传输时，节点2因超出载波检测范围而未接收到节点3的数据，此时节点2的MAC层状态为空闲，则节点2接收到的是节点1的数据；
当节点3采用功率
Figure 550049DEST_PATH_IMAGE015
发起传输时，载波检测范围增大，此时节点2的MAC层状态指示忙，则节点2无法接收到节点1的数据，检测此状态，建立冲突分析模型，根据节点的冲突概率联立计算出节点处于每种状态的概率：
Figure 918713DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示节点的接收功率，
Figure 547141DEST_PATH_IMAGE020
表示节点的发射功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示发射节点的天线高度，
Figure 911126DEST_PATH_IMAGE022
表示接收节点的天线高度，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示发射节点的天线增益，
Figure 599596DEST_PATH_IMAGE024
表示接收节点的天线增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示调节系数，其中t表示接收节点的接收时间，
Figure 49032DEST_PATH_IMAGE004
表示收发节点的距离；
根据节点的传输功率和信噪比阈值计算干扰范围半径：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 481150DEST_PATH_IMAGE028
表示接收节点的信噪比门限，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
表示干扰范围半径，其它各符号含义同上；
步骤3-2、计算节点在传输RTS帧的过程中收到冲突的概率：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
式中，ZI表示瞬时冲突区域内的节点集合，ZP表示持续冲突区域内的节点集合，ZA表示非瞬时且非持续冲突区域内的节点集合，
Figure 902904DEST_PATH_IMAGE032
表示ZI内节点x发送RTS帧的概率，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
表示ZP内节点y发送RTS帧的概率，
Figure 27855DEST_PATH_IMAGE034
表示ZP内节点y发送DATA帧的概率，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
表示ZA内节点ｚ接收RTS帧的概率，
Figure 701938DEST_PATH_IMAGE036
表示传输RTS帧所需的时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
表示平均时间间隙长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括：
步骤4-1、选择一个基本退避时隙
Figure 672168DEST_PATH_IMAGE038
作为退避基数，定义最大传输功率等级
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，最小传输功率等级
Figure 479587DEST_PATH_IMAGE040
，定义最大重传次数为N，定义竞争窗口值为CW；
步骤4-2、当节点网络层队列中有数据包发送，首先判断信号是否空闲并且节点是否为首次发送，若判断为真，则节点选择最大传输功率
Figure 41018DEST_PATH_IMAGE039
发送此数据包；若判断为假，则节点选择最大传输功率
Figure 605992DEST_PATH_IMAGE040
发送此数据包；
步骤4-3、判断节点网络层队列中下一个待发送数据包的目的地址和上一个已经发送成功的数据包的目的地址是否相同，若相同，则把节点的发送功率设为上一个数据包的发送功率；若不相同，则把发送功率设为最大传输功率
Figure 911071DEST_PATH_IMAGE039
；
步骤4-4、当节点的重传次数超过定义的最大重传次数的阈值后，节点丢弃数据包；
步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-5，当第i个数据包发送成功后，判断网络层队列中是否还有其它数据包需要发送，若存在第i+1个数据包需要发送，则判断第i+1个数据包的目的地址与第i个数据包的目的地址是否相同，若相同，则把第i+1个数据包的发送功率和竞争窗口值设为
Figure 510680DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure DEST_PATH_IMAGE041
；若不相同，则设置此数据包的发送功率为
Figure 711854DEST_PATH_IMAGE039
。
6.一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，其特征是包括以下模块：
用于功率控制MAC协议的第一模块；
用于评估功率控制MAC协议过程对网络性能的影响的第二模块；
基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能的第三模块；
用于生成基于时间功率的二维随机退避算法的第四模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，其特征在于：
所述第一模块进一步用于通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；系统判断节点在不需要发送数据包或者网络共享信道处于被占用状态时，自动关闭节点的无线网络接口，使得节点进入功率节省模式；节点在控制信号上给接收节点发送一个RTS帧，当节点接收到该RTS帧则以一个CTS帧作为应答帧发送回原节点；节点接收到CTS应答帧后在数据信道上发送DATA数据帧，与此同时接收节点在控制信道发送一个包含数据分组的标注信号，相邻节点接收到该标注信号后根据信号里的发射分组结束时间进入睡眠状态；相邻节点的睡眠状态结束后，分为两种情况：若相邻节点监听数据信道仍然有节点正在发送标注信号，则由相邻的节点在控制信道重新发送一个新的RTS帧，接收节点接收到相邻节点发送的RTS帧后以一个包含数据分组的标注信号应答，再次告知相邻节点的睡眠时间；若相邻节点在唤醒后信道空闲，则重新进入活跃状态；
所述第二模块进一步用于根据信号中噪声干扰情况、节点自身信噪比阈值、节点干扰情况考虑最佳发射功率，以确保接收节点可以正确接收到数据分组，其中：
信噪比阈值的计算公式如下：
Figure 888757DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 872894DEST_PATH_IMAGE003
表示发送节点，
Figure 592588DEST_PATH_IMAGE004
表示接收节点，
Figure 495822DEST_PATH_IMAGE005
表示干扰节点，
Figure 769809DEST_PATH_IMAGE006
表示信噪比阈值，
Figure 696918DEST_PATH_IMAGE007
表示从发送节点到接收节点的信道增益，
Figure 5540DEST_PATH_IMAGE008
表示发送节点的发送功率值，
Figure 79675DEST_PATH_IMAGE009
表示干扰节点的发送功率值，
Figure 106537DEST_PATH_IMAGE010
表示干扰节点到接收节点的信道增益，
Figure 432476DEST_PATH_IMAGE011
表示调节系数；
经过信噪比阈值的计算公式变形得出发送功率的计算公式：
Figure 985817DEST_PATH_IMAGE042
式中可见，发送功率值
Figure 106220DEST_PATH_IMAGE008
与发送节点到接收节点的信道增益
Figure 479432DEST_PATH_IMAGE007
成反比，与干扰节点的发送功率值
Figure 609062DEST_PATH_IMAGE009
、干扰节点到接收节点的信道增益
Figure 16910DEST_PATH_IMAGE010
成正比；当使用的发送功率越大、网络中节点产生冲突的概率越大、消耗的能量越大；当使用的发送功率越小、网络中节点产生冲突的概率越小、消耗的能量越小；
所述第三模块进一步用于在异构功率网络条件下，对收发节点采用不同功率水平传输数据分组并建模，基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能：在异构功率网络的条件下建立三维马尔科夫链模型，对MAC层进行捕获分析，建立两条链路，分别为链路1和链路2，其中链路1从节点1指向节点2，链路2从节点3指向节点4，对链路1施加
Figure 308214DEST_PATH_IMAGE014
的功率，对链路2施加
Figure 309668DEST_PATH_IMAGE015
的功率，其中
Figure 102044DEST_PATH_IMAGE016
；
当节点3采用功率
Figure 239764DEST_PATH_IMAGE014
发起传输时，节点2因超出载波检测范围而未接收到节点3的数据，此时节点2的MAC层状态为空闲，则节点2接收到的是节点1的数据；
当节点3采用功率
Figure 826603DEST_PATH_IMAGE015
发起传输时，载波检测范围增大，此时节点2的MAC层状态指示忙，则节点2无法接收到节点1的数据，检测此状态，建立冲突分析模型，根据节点的冲突概率联立计算出节点处于每种状态的概率：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
式中，
Figure 643249DEST_PATH_IMAGE019
表示节点的接收功率，
Figure 380261DEST_PATH_IMAGE020
表示节点的发射功率，
Figure 500051DEST_PATH_IMAGE021
表示发射节点的天线高度，
Figure 133158DEST_PATH_IMAGE022
表示接收节点的天线高度，
Figure 109204DEST_PATH_IMAGE023
表示发射节点的天线增益，
Figure 508962DEST_PATH_IMAGE024
表示接收节点的天线增益，
Figure 355695DEST_PATH_IMAGE025
表示调节系数，其中t表示接收节点的接收时间，
Figure 549916DEST_PATH_IMAGE004
表示收发节点的距离；
根据节点的传输功率和信噪比阈值计算干扰范围半径：
Figure 747679DEST_PATH_IMAGE044
式中，
Figure 419969DEST_PATH_IMAGE028
表示接收节点的信噪比门限，
Figure 386788DEST_PATH_IMAGE029
表示干扰范围半径，其它各符号含义同上；
计算节点在传输RTS帧的过程中收到冲突的概率：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
式中，ZI表示瞬时冲突区域内的节点集合，ZP表示持续冲突区域内的节点集合，ZA表示非瞬时且非持续冲突区域内的节点集合，
Figure 955172DEST_PATH_IMAGE032
表示ZI内节点x发送RTS帧的概率，
Figure 640232DEST_PATH_IMAGE033
表示ZP内节点y发送RTS帧的概率，
Figure 116212DEST_PATH_IMAGE034
表示ZP内节点y发送DATA帧的概率，
Figure 937538DEST_PATH_IMAGE035
表示ZA内节点ｚ接收RTS帧的概率，
Figure 473561DEST_PATH_IMAGE036
表示传输RTS帧所需的时间，
Figure 645917DEST_PATH_IMAGE037
表示平均时间间隙长度；
所述第四模块进一步用于将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，将二维随机退避算法结合载波检测多地址接入机制和四向握手模式，重新回引到第一模块中，改变收发节点的功率：选择一个基本退避时隙
Figure 925588DEST_PATH_IMAGE038
作为退避基数，定义最大传输功率等级
Figure 601420DEST_PATH_IMAGE039
，最小传输功率等级
Figure 449291DEST_PATH_IMAGE040
，定义最大重传次数为N，定义竞争窗口值为CW；当节点网络层队列中有数据包发送，首先判断信号是否空闲并且节点是否为首次发送，若判断为真，则节点选择最大传输功率
Figure 970926DEST_PATH_IMAGE039
发送此数据包；若判断为假，则节点选择最大传输功率
Figure 664076DEST_PATH_IMAGE040
发送此数据包；判断节点网络层队列中下一个待发送数据包的目的地址和上一个已经发送成功的数据包的目的地址是否相同，若相同，则把节点的发送功率设为上一个数据包的发送功率；若不相同，则把发送功率设为最大传输功率
Figure 584627DEST_PATH_IMAGE039
；当节点的重传次数超过定义的最大重传次数的阈值后，节点丢弃数据包；当第i个数据包发送成功后，判断网络层队列中是否还有其它数据包需要发送，若存在第i+1个数据包需要发送，则判断第i+1个数据包的目的地址与第i个数据包的目的地址是否相同，若相同，则把第i+1个数据包的发送功率和竞争窗口值设为
Figure 337820DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 343822DEST_PATH_IMAGE041
；若不相同，则设置此数据包的发送功率为
Figure 106241DEST_PATH_IMAGE039
。
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