CN114786162A - 恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块 - Google Patents

Abstract

本申请分析了恶劣环境下的通信需求，提出一种新型的具有鲁棒性的、支持网络扩展广播的恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，通过实验论证移动扩展组网适应网络拓扑动态变化、支持网络可扩展、提供低时延可靠数据传输。移动扩展组网采用时隙划分，基于RTS/CTS模型构建数据通信受控阻截区域CBR,数据仅在构建的CBR内广播，CBR外的数据无法进入CBR内传输，保证了数据的安全性。相比于传统的MANET网络路由协议对网络拓扑的依赖性，CBR的构建采用基于跳数的算法，当网络拓扑发生变化时，CBR内结点仍能构建通信，完成数据传输，为恶劣通信业务的可靠性提供保障，应用于灾后救援、态势感知、救灾指挥等场景具有明显优势。

Description

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块

技术领域

本申请涉及一种复杂移动网络稳定接入模块，特别涉及一种恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，属于移动通讯网络设计技术领域。

背景技术

野外恶劣环境下的应急事件处理及灾害救援正向着信息化、现代化迈进，为满足未来复杂环境下救灾、科考、探险等需求，必须解决各分散结点之间组网通信的问题。在这种情况下,将无线网络技术融合到复杂环境中，基于复杂场景的组网技术逐渐成为重点。复杂环境互联网是一种特殊的无线通信网络，它利用无线电台，构建可靠的移动通信无线网，无缝通信连接各分散结点,实现前沿态势感知数据和控制数据传输，使得复杂指令能在网络中可靠的传输至目标地。

在恶劣通信环境中，信号传播环境恶劣,恶劣编成结点极度分散，缺少集中化网络控制，同时要求为数字化结点提供要求稳定的、低延迟多媒体信息传输。这些特点使得复杂环境互联网与拓扑稳定的mesh网络、低速、延迟可容忍的传感网在设计与实现上有显著的区别。相比较于普通移动通信场景，恶劣场景保留了上述网络多跳、结点随机移动、网络拓扑动态变化、无固定的基础设施、无中央控制结点的特点，使得网络能灵活、快速的扩展，系统抗灾能力增强。同时,考虑到复杂环境,复杂环境互联网还拥有以下几个特点：一是各结点移动性可预知：在复杂环境中，各复杂单元之间有较为明确的隶属关系，编组较为固定，且恶劣行动事先有备案，结点的移动性可预知。二是通信环境恶劣：多应用于灾后救援、态势感知、救灾指挥等场景，在这些场景中，信道多分布在比如茂密的丛林、大峡谷、高原或海洋，信号衰减严重。三是可用带宽有限：通信链路的带宽受限，支持对各分散结点提供窄带通信，数据传输速率较低，且信号衰减严重，容易遭受各种电磁攻击，对指令的可靠性传输产生巨大挑战。四是可靠、安全、低时延的数据传输：实现对复杂现场的实时指挥，满足实时感知的需求。

移动扩展组网不同于现有的MANET网络,它有独特的结构和特点，传统的MANET网络中的组网技术、路由技术、MAC扩展层接入技术等成熟的技术无法直接运用到移动扩展组网中。它的多跳、低时延、网络拓扑动态变化等特征决定了移动扩展组网相比于传统MANET网络在野外复杂环境的优势。移动扩展组网在CBR内采用解码-转发的方式,所有收到包的结点在正确解码后立即广播，直至目标结点收到数据包。这种方式相比于传统MANET网络，IP查找路由再转发的方式，时延更短，在网络拓扑发生变化时，传统MANET网络收敛时间较长，不适应恶劣环境下使用，移动扩展组网稳定的CBR广播模型使得包能可靠的传输，网络丢包率更低，业务的可靠性更强。

移动扩展组网采用自主协同通信模型，使用时分-空分联合的方式共享无线资源，利用多径效应联合分集合并实现链路级别的碰撞避免,基础物理层资源不再是链路，而是一组时间-空间协同的多跳的发射机，各协同结点利用自主协同通信，无需获得其它协同结点的关联信息，可在发送时隙发送协同发送同一数据包，接收端能正确接收对应的数据包，保证了链路级别的可靠性。

移动扩展组网的各项模型决定了其在复杂野外指挥、灾害救援、紧急服务等领域的重要作用，因此，采用移动扩展组网来实现人员及设备复杂环境下快速接入、数据可靠的传输过程是很有必要。

综上所述，现有技术复杂环境移动网络接入模块仍然存在问题，本申请的难点和待解决的问题主要集中在以下方面：

第一，在恶劣通信条件中，信号传播环境恶劣，通讯人员和设备极度分散，缺少集中化网络控制，同时无法为数字化通信提供要求稳定、低延迟多媒体信息传输，缺少MAC层阻塞访控协议耦合物理层自主协同移动通信，依赖于网络拓扑，无法在指定区域内广播数据，无法实现结点快速接入，数据可靠传输，因此设计开发一种恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块具有重大意义和巨大实用价值；

第二，现有技术恶劣环境下通常采用无线mesh网络组网,但无线mesh网络对拓扑稳定性有依赖、无线传感网通信速率较低，接入时间长，且结点失效时，网络中数据传输发生中断，网络不可靠，现有技术缺少基于空间阻塞广播复用的移动扩展组网接入方法，造成网络接入时延大，缺少联合CBR带宽模型与空间复用模型,复杂环境下网络可靠性差，缺少MAC层定义的阻塞访控协议，无法将阻塞广播、CBR带宽模型与空间复用模型集成在阻塞访控协议中，无法联合物理层自主协同模型，难以实现移动扩展组网中的单点高速稳定接入和可靠、安全、低时延的数据传输。

第三，现有技术缺少高效可靠的移动扩展组网接入模块，缺少移动扩展组网接入模块架构，缺少适应于恶劣通信环境的移动扩展组网的协议，单点设备及人员配备硬件复杂，很难与其它任意设备及人员方便的构建无线链路，MAC层缺少移动扩展组网专用的阻塞访控协议，无法通过RTS-CTS握手模型预约无线信道资源，无线信道上数据经常碰撞产生冲突，无法根据源结点、目标结点发出的控制帧中携带的跳数计数器计算各结点在网络中的角色，无法对不同结点在MAC扩展层执行不同的转发策略；多跳业务流同时存在时，缺少采用SDN交换扩展机在MAC扩展层处理各RTS-CTS帧，提取对应业务流信息的能力，无法对不同的业务流计算结点在其CBR中的角色，根据其数据所属业务流，执行该结点在该业务流下对应操作，很难多条业务流在网络中的并行传输，导致恶劣环境下移动扩展组网接入困难低效；

第四，现有技术缺少移动扩展组网建模方法和模型，缺少对网络协议栈的数据传输过程进行建模的方法，缺少定义网络层向MAC扩展层发起的信道消息的格式，缺少定义MAC扩展层数据结构,无法记录MAC扩展层基本信息，以及移动扩展组网下各结点的发送时隙、结点在一条CBR中的角色；缺少阻塞访控协议向物理层发送的数据封装成统一的MAC帧格式，无法经过信道调制编码等过程通过MATLAB物理层自主协同通信建模，缺少信道建模结果被WMC-ML调用的方法,无法实现恶劣环境下网络小粒度建模，恶劣条件下接入质量差、接入时间长，无法应用于灾后救援、态势感知、救灾指挥等场景。

发明内容

本申请采用MAC扩展层阻塞访控协议耦合物理层自主协同移动通信，不依赖网络拓扑构建一个数据流传输区域CBR，在MAC扩展层定义移动扩展组网专用的阻塞访控协议，将阻塞广播、CBR带宽模型与空间复用模型集成在阻塞访控协议中，联合物理层自主协同模型在指定区域内广播数据，实现结点快速接入，数据可靠传输；在WMC-ML中设计移动扩展组网的接入模块,对其接入过程进行建模，在MAC扩展层设计专用阻塞访控协议模型，联合MATLAB物理层自主协同通信建模结果，搭建适应于恶劣环境高速扩展组网通信的建模场景，采用移动扩展组网接入方式比传统无线网络接入质量高、接入时间短，采用本申请的接入方式能实现复杂环境下可靠、安全、低时延的数据传输，具有巨大的价值和广阔的市场。

为实现以上技术特征，本申请所采用的技术方案如下：

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，移动扩展组网采用MAC扩展层阻塞访控协议耦合物理层自主协同移动通信，不依赖网络拓扑构建一个数据流传输区域，即CBR，在MAC扩展层定义移动扩展组网专用的阻塞访控协议，将阻塞广播、CBR带宽模型与空间复用模型集成在阻塞访控协议中，联合物理层自主协同模型在指定区域内广播数据，实现结点快速接入，数据可靠传输；

第一，基于移动扩展组网的接入模块设计：提出移动扩展组网接入模块架构，定义适应于恶劣通信环境的移动扩展组网的协议设计，单点设备及人员配备一根全向天线，与其它任意设备及人员构建无线链路，MAC扩展层采用移动扩展组网专用的阻塞访控协议，通过RTS-CTS握手模型预约无线信道资源，避免无线信道上数据碰撞产生的冲突，并根据源结点、目标结点发出的控制帧中携带的跳数计数器，计算各结点在网络中的角色，是否为relay结点、buffer结点或目标结点,评估计算CBR范围，对不同结点在MAC扩展层执行不同的转发策略；网络层采用静态路由，用MAC扩展层阻塞广播代替传统的路由查表过程，应用实体采用业务驱动信道申请的方式，在数据包发送前向MAC扩展层发送申请信道指令，驱动MAC扩展层开启RTS-CTS模型构建CBR区域；多跳业务流同时存在时，采用SDN交换扩展机在MAC扩展层处理各RTS-CTS帧，提取对应的业务流信息，对不同的业务流计算结点在其CBR中的角色，在数据传输至结点的MAC扩展层时，根据其数据所属业务流，执行该结点在该业务流下对应操作，实现多条业务流在网络中的并行传输；

第二，移动扩展组网建模接入：采用WMC-ML对网络协议栈的数据传输过程进行建模，定义网络层向MAC扩展层发起的信道消息的格式，定义MAC扩展层数据结构,记录MAC扩展层基本信息，以及移动扩展组网下各结点的发送时隙、结点在一条CBR中的角色；阻塞访控协议向物理层发送的数据封装成统一的MAC帧格式，在物理层被接收，进过天线广播；数据消息变成0-1信号，经过信道调制编码等过程通过MATLAB物理层自主协同通信建模，信道建模结果被WMC-ML调用,实现恶劣环境下网络小粒度建模。

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，进一步的，移动扩展组网接入模块架构：在五层结构的基础上，移动扩展组网中各结点的应用实体设置一个适应移动扩展组网的业务层，按需驱动结点入网，网络层的路由耦合入链路层，在链路层实现阻塞广播，广播帧在物理层通过自主协同通信传输，实现基于移动扩展组网的恶劣环境通信；

恶劣通信环境下采用移动扩展组网构建过程：源结点在数据通信前应用实体向MAC扩展层发送消息，申请信道；MAC扩展层部署的阻塞访控协议将信道在逻辑上划分为逻辑子信道与数据子信道，在收到应用实体发来的驱动包后采用广播RTS包的形式在逻辑子信道上向广播全网，预约数据信道；目标结点在收到RTS包后也在逻辑子信道上全网广播CTS包，向源结点反馈已收到RTS数据包，该RTS/CTS过程携带了距离等信息，构建一个CBR区域，确定为网络各结点是否为中继结点或阻塞结点；源结点收到一个CTS反馈包后，应用实体开始发送数据包，应用实体数据包依次经过传输层、网络层、MAC扩展层封装，在物理层通过天线广播，以0-1比特流的形式发送至数据子信道，其中MAC扩展层与物理层的协同通信使得对任一个结点，在接收时将多个发送源同一时隙广播的数据看作一种时间分集，采用分级合并技术提取出数据，数据在MAC扩展层判断是否执行中继广播，对于CBR内的中继结点，数据包在MAC扩展层捕获后不上传至网络层，直接经由物理层天线继续广播；对于CBR的阻塞结点，数据包在MAC扩展层捕获后不做任何处理,销毁该数据包，数据包通过阻塞广播的方式，经过多条广播传输至目标结点，目标结点在MAC扩展层捕获后经由网络层、传输层解包，获得初始应用实体数据，实现数据包的点对点通信。

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，进一步的，应用实体自适应业务设计：在移动扩展组网中设计自适应申请信道资源应用业务，在CBR业务基础上，发出数据包之前申请信道，得到申请反馈后，发出第一个数据包；

对于源结点，在初始化过程获取业务流配置，包括业务启动时间、业务终止时间、数据包数、数据包大小、发送间隔、源结点地址、目标结点地址、业务占用的端口号；

在业务启动时刻，源结点向下层发送一个控制，驱动MAC扩展层构建一个CBR传输区域，源结点在收到MAC扩展层申请信道的反馈后，如果信道申请成功，则开始发送数据包，直至所有数据包发送完毕；如果信道申请失败，则该业务停止；

对于目标结点，初始化过程获取应用占用的端口号，监听应用实体该端口,接收经由该端口获得的数据直至数据传输结束。

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，进一步的，MAC扩展层接入协议设计：在采用移动扩展组网架构的通信环境中，MAC扩展层除实现对信道的分配外,还需要通过多跳广播构建起一个CBR,确定各结点的转发策略；

单条流CBR转发判定设计：在一个CBR内，源结点发送的申请信道控制信令传输至MAC扩展层后，阻塞访控协议通过广播RTS/CTS模型构建一个CBR,各结点判定是否为relay结点、buffer结点或无关结点；

多条流CBR转发判定设计：在单条流下采用的转发判定模型无法满足多条流交叉占用一个结点通信的需求，对于多条流形成的CBR重叠，设置SDN交换扩展机，对中间结点，提取该条RTS、CTS帧所属的业务流信息，构建对应的CBR区域，各结点对不同的业务实现不同的MAC扩展层决策，实现多条流的可靠传输，多条流在RTS/CTS帧的增加对业务流的区分。

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，进一步的，单条流CBR转发判定设计：

(1)单条流结点状态设计：根据结点的中继功能是否被抑制,定义五种结点状态,定义结点状态移动扩展组网_RELAY为CBR内中继转发结点该结点在MAC扩展层执行中继转发；结点状态移动扩展组网_BUFFER为CBR内阻塞结点,该结点在MAC扩展层不转发收到的数据包；结点状态移动扩展组网_SOURCE为CBR单播流源结点，该结点在MAC扩展层只广播应用实体产生的数据包，不接收自己产生数据包；结点状态移动扩展组网_DEST为CBR单播流目标结点，该结点在MAC扩展层对接收到的数据包直接向上层传输；结点状态移动扩展组网_IDLE为CBR内无关结点，为所有结点的初始化状态；

对于网络中任意结点X，定义L_S→X为结点X到源结点的距离，即跳数；定义L_D→X为结点X到目标结点的距离,即跳数；定义N为CBR附加带宽，当N为0时，所有处于最短路径上的结点均为relay结点，当N＞0时，CBR带宽拓宽，满足L_S→X++L_D→X≤L_S→D+N的结点为relay结点，否则为buffer结点；

(2)单条流时隙分配设计

各结点在TDMA的基础上，将一个MAC帧划分为F个时隙，根据各结点到源结点的距离确定其发送时隙，源结点在TDMA帧的第0个时隙发送数据，时隙从0开始计数，直到F-1，一跳结点在时隙1为发送时隙，二跳结点在时隙2为发送时隙，任意一个距离源结点为t跳的结点，其发送时隙为时隙t；

(3)单条流RTS帧设计

各结点通过RTS帧中的跳数计数器hopcount，得到距离源结点距离，RTS帧中携带的最大跳数maxhop为该帧在网络中从源结点广播可到达的最远距离，通过跳数计数器统计该RTS帧经历的跳数，当跳数计数器统计的跳数达到最大跳数时，该RTS帧停止在网络中广播；任意一个结点在接收到RTS帧后，提取该RTS帧中携带的目标结点信息与源结点信息，匹配IP地址判断是否为目标结点；对目标结点，通过提取出的目标结点信息与源结点信息产生对应的CTS帧；

(4)单条流CTS帧设计

目标结点在收到RTS帧后向源结点发送一个CTS帧，携带源结点到目标结点的最短距离length，跳数计数器hopcount；CTS帧中携带的最大跳数maxhop为该帧在网络中从目标结点广播可到达的最远距离；通过跳数计数器统计该CTS帧经历的跳数，当跳数计数器统计的跳数达到最大跳数时，该CTS帧停止在网络中广播；任意一个结点在接收到CTS帧后，根据CTS帧中携带的源目对间的最短距离、到目标结点的距离与之前收到的RTS帧中到源结点的距离，计算该结点是否为relay结点或buffer结点；

(5)单条流CBR其它设计

RTS/CTS帧在网络中可到达的最远距离由maxhop约束，当源结点与目标结点间无法构建通信链路时，RTS帧经过一定的跳数后在网络中停止传输；考虑到源结点到目标结点存在多条路径，在目标结点处接收第一个RTS帧后经过一段等待时间TTL，在等待时间内可接收处理多个RTS帧,在TTL等待时间后，对收到的任何RTS帧不做处理；

联合以上设计,阻塞访控协议通过RTS/CTS构建CBR的过程包括：

源结点初始化，结点状态为移动扩展组网_IDLE态，在收到应用实体发来的申请信道包后，在发送时隙产生一个RTS帧，经由物理层天线广播；收到一个CTS帧后，认定CBR建立，向应用实体反馈一个控制信令，信道预约成功，结点状态移动扩展组网_IDLE转移至移动扩展组网_SOURCE态，应用实体作为数据源发送数据包；

目标结点初始化，结点状态为移动扩展组网_IDLE态，监听信道，直到收到的第一个RTS帧，开启TTL定时器计时，在之后的一段时间内，目标结点可接收来自其它路径传输至目标结点的RTS帧，比较不同RTS帧内跳数计数器的值，选择最小的跳数作为源结点与目标结点之间的距离；在TTL等待计时器计时结束之后，目标结点不再处理RTS帧；所有在TTL等待时间之后接受的RTS帧被认定是非法帧，不提取该RTS帧内的跳数计数器的值；采用合法等待时间内所获得的最短源目对间的距离发送CTS帧,目标结点状态由移动扩展组网_IDLE转移至移动扩展组网_DEST态；

中间结点初始化，结点状态为移动扩展组网_IDLE，监听信道，直到收到RTS帧；对中间结点，从源结点到目标结点可能不同的路径,因此中间结点可能收到来自不同路径下RTS帧；对于这些不同路径下结点发来的RTS/CTS帧，中间结点选择距离跳数计数器的值最小的RTS、CTS帧作为有效帧，记录结点距离源结点的距离L_S→X,选择距离目标结点的最小跳数L_D→X与源目对之间的最短距离L_S→D联合CBR附加带宽，计算该结点状态；对于L_S→X+L_D→X≤L_S→D+N的结点，结点状态由移动扩展组网_IDLE态转移至移动扩展组网_RELAY态，否则转移至移动扩展组网_BUFFER态；

经过上述过程，CBR范围被确定；源结点将数据包在网络中广播，一切处于移动扩展组网_RELAY态的结点在MAC扩展层执行转发功能，一切处于移动扩展组网_BUFFER态的结点在MAC扩展层不执行转发功能，不进行任何处理；数据通信在网络中实现阻塞广播，直至到目标结点；处于移动扩展组网_DEST态的结点在MAC扩展层将数据解析上传，恢复为初始应用数据。

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，进一步的，多条流CBR转发判定设计：

(1)多条流RTS帧设计

RTS帧保留单条流下的最大跳数和跳数计数器，同时新增业务流信息，包括源结点、目标结点、端口号，一切收到RTS帧的结点记录下不同业务流下该结点距离源结点的距离；

(2)多条流CTS帧设计

CTS帧设计时保留单条流下的最大跳数、跳数计数器、源目对距离，同时新增业务流信息，包括源结点、目标结点、端口号，一切收到CTS帧的结点记录下不同业务流下该结点距离目标结点的距离；

结点在RTS/CTS模型下,计算出该结点在不同CBR内的结点状态，在MAC扩展层捕获数据包后,获取该数据包所属的业务流信息，根据该业务流信息执行对应业务，结点在接收到CBR1业务流产生的数据包后,对该业务流结点应为移动扩展组网_BUFFER态，该数据包不被转发，在接收到CBR2业务流产生的数据包后,查找发现该结点对该业务流应为移动扩展组网_RELAY状态,该数据包被中继广播，通过设置SDN交换扩展机，在RTS/CTS帧内新增业务的关联信息，计算出对不同业务流下的转发策略，在数据经过该结点时，提取数据关联信息，实现不同数据的不同转发策略。

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，进一步的，移动扩展组网建模接入：选取WMC网络联合MATLAB进行信道建模建模，构建WMC-ML联合模型，实现最接近网络通信实况的建模；

即WMC-ML中采用自定义的应用实体协议，MAC扩展层设计移动扩展组网专属的阻塞访控协议，对数据包从应用实体至物理层的传输过程进行建模，在MATLAB中对信号经过信道传输，调制编码等过程进行建模，MATLAB建模将信号接收时的SINR、BER结果返回给WMC-ML,实现WMC与MATLAB的联合建模；

移动扩展组网场景设计：应用实体协议为CBR协议，采用固定速率持续发送数据包，对应传输层协议为UDP协议，网络层采用IPv6协议，路由层配置默认路由，MAC扩展层采用阻塞访控协议，物理层接口选择全向天线。

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，进一步的，应用实体自适应建模：在WMC-ML中应用实体配置CBR协议，输入参数包括场景配置*.app文件、与传输层发来的数据包；输出参数包括向传输层发送的数据包与应用实体统计量；定义应用实体有限状态机模型，在初始化时均进入init态，获取配置文件，随后进入idle态即空闲态；根据配置文件中定义的业务启动时间设定定时器，使得在业务启动时刻，产生定时器中断，进入RequestChannel态，申请信道；收到信道申请反馈后结点转移Send态发送应用实体数据包，在所有数据包发送结束后或运行至建模终止时刻，进入Finalize态，输出应用实体统计量。

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，进一步的，MAC扩展层建模：在WMC-ML中MAC扩展层配置自定的阻塞访控协议，在MAC扩展层输入参数包括场景配置*.config文件、网络层发来的数据包和物理层发来的包；输出参数包括向网络层发送的数据包、向物理层发送的帧和建模结束时的统计量输出，定义阻塞访控协议的有限状态机模型，在初始化时均进入init态，获取配置文件，根据时隙分配，自动计算结点的发送时隙与接收时隙，转移至对应的发送态或接收态，直至建模结束，在接收时隙,MAC扩展层在接收到RTS帧后，进入ReceiveRTS状态，记录RTS帧内有效信息，在接收到CTS帧后进入ReceiveCTS状态，记录CTS帧内有效信息，在物理层接收到其它结点发来的数据帧时,根据CBR区域定义的MAC扩展层决策，进入InsertData态将要转发的数据存入发送队列，建模结束，进入Finalize态，输出统计量；

发送时隙内MAC扩展层子状态转移：在发送时隙，MAC扩展层检查发送队里是否为空，如果不为空，进入Send态，取出发送队列里的包将其发送至物理层广播出去，建模结束，进入Finalize态，输出统计量。

恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，进一步的，物理层移动建模：在WMC-ML物理层选择接收机模型为基于BER的接受模型，在MATLAB中构建信道传输模型，模拟采用自主协同通信下接收机正常接收的门限、误码率，在MATLAB中得到一个信号SINR-BER的表，在WMC-ML中选择接受模型为BER接收模型，选择从MATLAB中获取SINR-BER表，计算接收结点的SINR，根据MALTAB中计算的表判断该信号是否能正确接收。

与现有技术相比，本申请的创新点和优势在于：

第一，本申请采用MAC扩展层阻塞访控协议耦合物理层自主协同移动通信，不依赖网络拓扑构建一个数据流传输区域CBR，在MAC扩展层定义移动扩展组网专用的阻塞访控协议，将阻塞广播、CBR带宽模型与空间复用模型集成在阻塞访控协议中，联合物理层自主协同模型在指定区域内广播数据，实现结点快速接入，数据可靠传输；在WMC-ML中设计移动扩展组网的接入模块,对其接入过程进行建模，在MAC扩展层设计专用阻塞访控协议模型，联合MATLAB物理层自主协同通信建模结果，搭建适应于恶劣环境下高速扩展组网通信的建模场景，在多个实验场景中，采用移动扩展组网接入方式比传统无线网络接入质量高、接入时间短，采用本申请的接入方式能实现复杂环境下可靠、安全、低时延的数据传输。

第二，本申请设计了基于移动扩展组网的接入模块，提出移动扩展组网接入模块架构，定义适应于恶劣通信环境的移动扩展组网的协议设计，单点设备及人员配备一根全向天线，与其它任意设备及人员构建无线链路，MAC扩展层采用专用的阻塞访控协议，通过RTS-CTS握手模型预约无线信道资源，避免无线信道上数据碰撞产生的冲突，并根据源结点、目标结点发出的控制帧中携带的跳数计数器，计算各结点在网络中的角色，评估计算CBR范围，对不同结点在MAC扩展层执行不同的转发策略；网络层采用静态路由，用MAC扩展层阻塞广播代替传统的路由查表过程，应用实体采用业务驱动信道申请，在数据包发送前向MAC扩展层发送申请信道指令，驱动MAC扩展层开启RTS-CTS模型构建CBR区域；多跳业务流同时存在时，采用SDN交换扩展机在MAC扩展层处理各RTS-CTS帧，对不同的业务流计算结点在其CBR中的角色，实现多条业务流在网络中的并行传输，使得环境恶劣时包能可靠的传输，网络丢包率更低，业务的可靠性更强，具有重大意义和巨大实用价值；

第三，本申请提出移动扩展组网建模接入方法，采用WMC-ML对网络协议栈的数据传输过程进行建模，定义了网络层向MAC扩展层发起的信道消息的格式，定义MAC扩展层数据结构,记录MAC扩展层基本信息，以及移动扩展组网下各结点的发送时隙、结点在一条CBR中的角色；阻塞访控协议向物理层发送的数据封装成统一的MAC帧格式，在物理层被接收，进过天线广播；数据消息变成0-1信号，经过信道调制编码等过程通过MATLAB物理层自主协同通信建模，信道建模结果被WMC-ML调用,实现恶劣环境下网络小粒度建模，更适合恶劣通信的需要，保证了网络可靠性、鲁棒性以及对时变网络拓扑的适应性，应用于灾后救援、态势感知、救灾指挥等场景具有明显优势；

第四，本申请能够实现在WMC-ML中搭建不同的场景，模拟人员在执行灾后救援时，通过快速组网，获得灾后救援区域实时情况的通信过程，移动扩展组网设置的时隙间隔小于40ms时，移动扩展组网的空间复用模型使得多条流占用同一个结点时，后接入的结点无需等待即可立即接入，接入时间缩短，移动扩展组网CBR带宽模型在网络存在等效路径时，使得结点失效时，数据可通过等效路径传输，提高网络可靠性，且空间复用模型在存在复用的结点上，提高了业务构建的成功率，使用时分-空分联合的方式共享无线资源，利用多径效应联合分集合并实现链路级别的碰撞避免,基础物理层资源不再是链路，而是一组时间-空间协同的多跳的发射机，各协同结点利用自主协同通信，无需获得其它协同结点的关联信息，可在发送时隙发送协同发送同一数据包，接收端能正确接收对应的数据包，保证了链路级别的可靠性。

附图说明

图1是应用实体自适应业务实现流程图。

图2是应用实体目标端设计实现流程图。

图3是单条流结点状态设计分类意识图。

图4是单条流RTS帧结构设计示意图。

图5是单条流CTS帧结构设计示意图。

图6是阻塞访控协议通过RTS/CTS构建CBR的过程示意图。

图7是多条流RTS帧结构设计示意图。

图8是多条流CTS帧结构设计示意图。

图9是应用实体配置CBR协议其协议接口示意图。

图10是应用实体自适应模型结构图。

图11是MAC扩展层配置自定的阻塞访控协议接口示意图。

图12是接收时隙内MAC扩展层子状态转移模型示意图。

图13是发送时隙内MAC扩展层子状态转移模型示意图。

图14是WMC-ML中设计建模场景结构示意图。

图15是阻塞访控协议时隙分配对比设计场景配置示意图。

图16是阻塞访控协议附加宽度对比设计场景配置示意图。

图17是阻塞访控协议最大跳数对比设计场景配置示意图。

图18是移动扩展组网与传统MANET网络对比场景配置图。

图19是多条流接入结构设计场景配置示意图。

具体实施方法

下面结合附图，对本申请提供的恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员能够更好的理解本申请并能够予以实施。

在恶劣通信条件中，信号传播环境恶劣，通讯人员和设备极度分散，缺少集中化网络控制，同时要求为数字化通信提供要求稳定、低延迟多媒体信息传输，本申请提出移动扩展组网，采用MAC扩展层阻塞访控协议耦合物理层自主协同移动通信，不依赖网络拓扑构建一个数据流传输区域，即CBR(受控阻截区域)，在指定区域内广播数据，实现结点快速接入，数据可靠传输。

现有技术恶劣环境下通常采用无线mesh网络组网,但无线mesh网络对拓扑稳定性有依赖、无线传感网通信速率较低，接入时间长，且结点失效时，网络中数据传输发生中断，网络不可靠。本申请移动扩展组网接入基于空间阻塞广播复用方法，减少网络接入时延；联合CBR带宽模型与空间复用模型,提高网络可靠性，在MAC扩展层定义移动扩展组网专用的阻塞访控协议，将阻塞广播、CBR带宽模型与空间复用模型集成在阻塞访控协议中，联合物理层自主协同模型，实现移动扩展组网中的单点接入。

本申请在WMC-ML中设计移动扩展组网的接入模块,对其接入过程进行建模，在MAC扩展层设计移动扩展组网专用阻塞访控协议模型，融合阻塞广播模型、CBR带宽模型、空间复用模型，联合MATLAB物理层自主协同通信建模结果，搭建适应于恶劣环境下高速扩展组网通信的建模场景，建模验证移动扩展组网的的接入效果。在多个实验场景中，对比采用移动扩展组网接入方式与传统无线网络接入质量和接入时间，采用移动扩展组网接入方式明显优于传统无线网络接入方式。

一、基于移动扩展组网的接入模块设计

(一)移动扩展组网接入模块架构

在恶劣通信环境中组网，人员及设备分散在丛林、沙漠、海盗、山川峡谷等区域，各结点自由移动，结点间链路连接性不可靠，因此本申请提出基于移动扩展组网的接入模块架构,在五层结构的基础上，移动扩展组网中各结点的应用实体设置一个适应移动扩展组网的业务层，按需驱动结点入网，网络层的路由耦合入链路层，在链路层实现阻塞广播，广播帧在物理层通过自主协同通信传输，实现基于移动扩展组网的恶劣环境通信。

恶劣通信环境下采用移动扩展组网构建过程：源结点在数据通信前应用实体向MAC扩展层发送消息，申请信道；MAC扩展层部署的阻塞访控协议将信道在逻辑上划分为逻辑子信道与数据子信道，在收到应用实体发来的驱动包后采用广播RTS包的形式在逻辑子信道上向广播全网，预约数据信道；目标结点在收到RTS包后也在逻辑子信道上全网广播CTS包，向源结点反馈已收到RTS数据包。该RTS/CTS过程携带了距离等信息，构建一个CBR区域，确定为网络各结点是否为中继结点或阻塞结点。源结点收到一个CTS反馈包后，应用实体开始发送数据包，应用实体数据包依次经过传输层、网络层、MAC扩展层封装，在物理层通过天线广播，以0-1比特流的形式发送至数据子信道。其中MAC扩展层与物理层的协同通信使得对任一个结点，在接收时将多个发送源同一时隙广播的数据看作一种时间分集，采用分级合并技术提取出数据，数据在MAC扩展层判断是否执行中继广播。对于CBR内的中继结点，数据包在MAC扩展层捕获后不上传至网络层，直接经由物理层天线继续广播；对于CBR的阻塞结点，数据包在MAC扩展层捕获后不做任何处理,销毁该数据包，数据包通过阻塞广播的方式，经过多条广播传输至目标结点，目标结点在MAC扩展层捕获后经由网络层、传输层解包，获得初始应用实体数据，实现数据包的点对点通信。

(二)应用实体自适应业务设计

在移动扩展组网中设计自适应申请信道资源应用业务，在CBR业务基础上，发出数据包之前申请信道，得到申请反馈后，发出第一个数据包，该设计实现流程如图1所示。

对于源结点，如图1所示，在初始化过程获取业务流配置，包括业务启动时间、业务终止时间、数据包数、数据包大小、发送间隔、源结点地址、目标结点地址、业务占用的端口号。

在业务启动时刻，源结点向下层发送一个控制，驱动MAC扩展层构建一个CBR传输区域，源结点在收到MAC扩展层申请信道的反馈后，如果信道申请成功，则开始发送数据包，直至所有数据包发送完毕；如果信道申请失败，则该业务停止。

对于目标结点，如图2所示，初始化过程获取应用占用的端口号，监听应用实体该端口,接收经由该端口获得的数据直至数据传输结束。

(三)MAC扩展层接入协议设计

移动扩展组网采用无中心的无线网络，基于多跳的临时性的自制系统，该系统由一组具有路由和转发功能的移动结点组成。传统的MAC扩展层的协议主要解决的问题是：结点占用信道的公平性，信道利用率的高效性，有限频率资源的充分利用性。由于在恶劣通信网络环境中使用的网络是一种特殊的网络组织结构，因此在设计该通信网络的信道接入协议时考虑到面临的问题包括：信道共享方式的各异性、终端隐藏问题、终端暴露问题、结点移动问题等因素的影响。

在采用移动扩展组网架构的通信环境中，MAC扩展层除了要实现对信道的分配外,还需要通过多跳广播构建起一个CBR,确定各结点的转发策略。

1.单条流CBR转发判定设计

在一个CBR内，源结点发送的申请信道控制信令传输至MAC扩展层后，阻塞访控协议通过广播RTS/CTS模型构建一个CBR,各结点判定是否为relay结点、buffer结点或无关结点。

(1)单条流结点状态设计

根据结点的中继功能是否被抑制,定义五种结点状态,如图3所示，定义结点状态移动扩展组网_RELAY为CBR内中继转发结点该结点在MAC扩展层执行中继转发；结点状态移动扩展组网_BUFFER为CBR内阻塞结点,该结点在MAC扩展层不转发收到的数据包；结点状态移动扩展组网_SOURCE为CBR单播流源结点，该结点在MAC扩展层只广播应用实体产生的数据包，不接收自己产生数据包；结点状态移动扩展组网_DEST为CBR单播流目标结点，该结点在MAC扩展层对接收到的数据包直接向上层传输；结点状态移动扩展组网_IDLE为CBR内无关结点，为所有结点的初始化状态。

对于网络中任意结点X，定义L_S→X为结点X到源结点的距离，即跳数；定义L_D→X为结点X到目标结点的距离,即跳数；定义N为CBR附加带宽，当N为0时，所有处于最短路径上的结点均为relay结点，当N＞0时，CBR带宽拓宽，满足L_S→X++L_D→X≤L_S→D+N的结点为relay结点，否则为buffer结点。

(2)单条流时隙分配设计

各结点在TDMA的基础上，将一个MAC帧划分为F个时隙，根据各结点到源结点的距离确定其发送时隙，源结点在TDMA帧的第0个时隙发送数据，时隙从0开始计数，直到F-1，一跳结点在时隙1为发送时隙，二跳结点在时隙2为发送时隙，任意一个距离源结点为t跳的结点，其发送时隙为时隙t。

(3)单条流RTS帧设计

如图4所示,各结点通过RTS帧中的跳数计数器hopcount，得到距离源结点距离(以跳数为单位)，RTS帧中携带的最大跳数maxhop为该帧在网络中从源结点广播可到达的最远距离，通过跳数计数器统计该RTS帧经历的跳数，当跳数计数器统计的跳数达到最大跳数时，该RTS帧停止在网络中广播；任意一个结点在接收到RTS帧后，提取该RTS帧中携带的目标结点信息与源结点信息，匹配IP地址判断是否为目标结点；对目标结点，通过提取出的目标结点信息与源结点信息产生对应的CTS帧。

(4)单条流CTS帧设计

如图5所示，目标结点在收到RTS帧后向源结点发送一个CTS帧，携带源结点到目标结点的最短距离length，跳数计数器hopcount；CTS帧中携带的最大跳数maxhop为该帧在网络中从目标结点广播可到达的最远距离；通过跳数计数器统计该CTS帧经历的跳数，当跳数计数器统计的跳数达到最大跳数时，该CTS帧停止在网络中广播；任意一个结点在接收到CTS帧后，根据CTS帧中携带的源目对间的最短距离、到目标结点的距离与之前收到的RTS帧中到源结点的距离，计算该结点是否为relay结点或buffer结点。

(5)单条流CBR其它设计

RTS/CTS帧在网络中可到达的最远距离由maxhop约束，当源结点与目标结点间无法构建通信链路时，RTS帧经过一定的跳数后在网络中停止传输，避免网络大量广播，造成网络拥塞；考虑到源结点到目标结点存在多条路径，在目标结点处接收第一个RTS帧后经过一段等待时间TTL，在等待时间内可接收处理多个RTS帧,在TTL等待时间后，对收到的任何RTS帧不做处理。

联合以上设计,阻塞访控协议通过RTS/CTS构建CBR的过程如图6所示。

源结点初始化，结点状态为移动扩展组网_IDLE态，在收到应用实体发来的申请信道包后，在发送时隙产生一个RTS帧，经由物理层天线广播；收到一个CTS帧后，认定CBR建立，向应用实体反馈一个控制信令，信道预约成功，结点状态移动扩展组网_IDLE转移至移动扩展组网_SOURCE态，应用实体作为数据源发送数据包。

目标结点初始化，结点状态为移动扩展组网_IDLE态，监听信道，直到收到的第一个RTS帧，开启TTL定时器计时。在之后的一段时间内，目标结点可接收来自其它路径传输至目标结点的RTS帧，比较不同RTS帧内跳数计数器的值，选择最小的跳数作为源结点与目标结点之间的距离；在TTL等待计时器计时结束之后，目标结点不再处理RTS帧；所有在TTL等待时间之后接受的RTS帧被认定是非法帧，不提取该RTS帧内的跳数计数器的值；采用合法等待时间内所获得的最短源目对间的距离发送CTS帧,目标结点状态由移动扩展组网_IDLE转移至移动扩展组网_DEST态。

中间结点初始化，结点状态为移动扩展组网_IDLE，监听信道，直到收到RTS帧；对中间结点，从源结点到目标结点可能不同的路径,因此中间结点可能收到来自不同路径下RTS帧；对于这些不同路径下结点发来的RTS/CTS帧，中间结点选择距离跳数计数器的值最小的RTS、CTS帧作为有效帧，记录结点距离源结点的距离L_S→X,选择距离目标结点的最小跳数L_D→X与源目对之间的最短距离L_S→D联合CBR附加带宽，计算该结点状态；对于L_S→X+L_D→X≤L_S→D+N的结点，结点状态由移动扩展组网_IDLE态转移至移动扩展组网_RELAY态，否则转移至移动扩展组网_BUFFER态。

经过上述过程，CBR范围被确定；源结点将数据包在网络中广播，一切处于移动扩展组网_RELAY态的结点在MAC扩展层执行转发功能，一切处于移动扩展组网_BUFFER态的结点在MAC扩展层不执行转发功能，不进行任何处理；数据通信在网络中实现阻塞广播，直至到目标结点；处于移动扩展组网_DEST态的结点在MAC扩展层将数据解析上传，恢复为初始应用数据。

2.多条流CBR转发判定设计

在一条单播流构成的网络里，各结点在MAC扩展层只有中继、阻塞两种状态。在网络中，多条流同时在网络中传输时，构建的CBR区域可能有重叠交叉。源结点为S1，目标结点为D1构建的CBR1的最短路径为S1-1-2-3-4-D1，当CBR附加带宽为0时，S2，5，6，D2为其阻塞结点，S1，1，2，3,4，D1对接收到的包只进行广播，S2，5，6，D2对接收到的包不广播，实现阻塞功能，而源结点为S2，目标结点为D2构建的CBR2的最短路径为S2-1-5-6-D2.当CBR附加带宽为0时，S1，1，2，3，4，D1为其阻塞结点，S2，5，6，D2对接收到的包只进行广播，S1，1，2，3，4，D1对接收到的包不广播，实现阻塞功能，对CBR2的结点5执行广播转发功能，而在上一条CBR中，结点5为阻塞结点，对数据包不进行广播转发，结点1在CBRI与CBR2中均为中继结点，数据包在结点1上均执行中继转发功能，两条业务流在结点1上的传输不会造成丢包，如果CBR1先构建,CBR2构建后,CBR1内可以接受到CBR2产生的RTS帧与CTS帧的结点将重新计算结点状态，一切在CBR1内而不在CBR2内的结点将成为阻塞结点，CBR1内的数据可能无法正常传输。同理，当CBR2先构建，CBR1构建后，CBR1内可以接受到CBR2产生的RTS帧与CTS帧的结点将重新计算结点状态，一切在CBR2内而不在CBR1内的结点将成为阻塞结点，CBR2内的数据可能无法正常传输。

在单条流下采用的转发判定模型无法满足多条流交叉占用一个结点通信的需求。因此，对于多条流形成的CBR重叠，设置SDN交换扩展机，对中间结点，提取该条RTS、CTS帧所属的业务流信息，构建对应的CBR区域，各结点对不同的业务实现不同的MAC扩展层决策，实现多条流的可靠传输。

相比较单条流，多条流在RTS/CTS帧的增加对业务流的区分。

(1)多条流RTS帧设计

如图7所示，RTS帧保留单条流下的最大跳数和跳数计数器，同时新增业务流信息，包括源结点、目标结点、端口号，一切收到RTS帧的结点记录下不同业务流下该结点距离源结点的距离。

(2)多条流CTS帧设计

如图8所示，CTS帧设计时保留单条流下的最大跳数、跳数计数器、源目对距离，同时新增业务流信息，包括源结点、目标结点、端口号，一切收到CTS帧的结点记录下不同业务流下该结点距离目标结点的距离。

结点在RTS/CTS模型下,计算出该结点在不同CBR内的结点状态，在MAC扩展层捕获数据包后,获取该数据包所属的业务流信息，根据该业务流信息执行对应业务，如结点6在接收到CBR1业务流产生的数据包后,对该业务流结点6应为移动扩展组网_BUFFER态，该数据包不被转发，在接收到CBR2业务流产生的数据包后,查找发现该结点对该业务流应为移动扩展组网_RELAY状态,该数据包被中继广播，通过设置SDN交换扩展机，在RTS/CTS帧内新增业务的关联信息，计算出对不同业务流下的转发策略，在数据经过该结点时，提取数据关联信息，实现不同数据的不同转发策略。

二、移动扩展组网建模接入

选取WMC网络联合MATLAB进行信道建模建模，构建WMC-ML联合模型，实现最接近网络通信实况的建模。

即WMC-ML中采用自定义的应用实体协议，MAC扩展层设计移动扩展组网专属的阻塞访控协议，对数据包从应用实体至物理层的传输过程进行建模，在MATLAB中对信号经过信道传输，调制编码等过程进行建模，MATLAB建模将信号接收时的SINR、BER结果返回给WMC-ML,实现WMC与MATLAB的联合建模。

典型的移动扩展组网场景设计中，应用实体协议为CBR协议，采用固定速率持续发送数据包，对应传输层协议为UDP协议，网络层采用IPv6协议，路由层配置默认路由，MAC扩展层采用阻塞访控协议，物理层接口选择全向天线。

(一)应用实体自适应建模

在WMC-ML中应用实体配置CBR协议，其协议接口如图9所示，协议模型的状态机设计如图10所示，输入参数包括场景配置*.app文件、与传输层发来的数据包；输出参数包括向传输层发送的数据包与应用实体统计量；定义应用实体有限状态机模型，在初始化时均进入init态，获取配置文件，随后进入idle态即空闲态；根据配置文件中定义的业务启动时间设定定时器，使得在业务启动时刻，产生定时器中断，进入RequestChannel态，申请信道；收到信道申请反馈后结点转移Send态发送应用实体数据包，在所有数据包发送结束后或运行至建模终止时刻，进入Finalize态，输出应用实体统计量。

(二)MAC扩展层建模

在WMC-ML中MAC扩展层配置自定的阻塞访控协议，其协议接口如图11所示,协议模型的状态机设计如图12所示。在MAC扩展层，输入参数包括场景配置*.config文件、网络层发来的数据包和物理层发来的包；输出参数包括向网络层发送的数据包、向物理层发送的帧和建模结束时的统计量输出。定义阻塞访控协议的有限状态机模型，在初始化时均进入init态，获取配置文件，根据时隙分配，自动计算结点的发送时隙与接收时隙，转移至对应的发送态或接收态，直至建模结束。接收时隙内MAC扩展层子状态转移如图12所示。在接收时隙,MAC扩展层在接收到RTS帧后，进入ReceiveRTS状态，记录RTS帧内有效信息，在接收到CTS帧后进入ReceiveCTS状态，记录CTS帧内有效信息。在物理层接收到其它结点发来的数据帧时,根据CBR区域定义的MAC扩展层决策(交付给物理层广播还是直接消耗)，进入InsertData态将要转发的数据存入发送队列。建模结束，进入Finalize态，输出统计量。

发送时隙内MAC扩展层子状态转移如图13所示。在发送时隙，MAC扩展层检查发送队里是否为空，如果不为空，进入Send态，取出发送队列里的包将其发送至物理层广播出去，建模结束，进入Finalize态，输出统计量。

(三)物理层移动建模

在WMC-ML物理层选择接收机模型为基于BER的接受模型，在MATLAB中构建信道传输模型，模拟采用自主协同通信下接收机正常接收的门限、误码率，在MATLAB中得到一个信号SINR-BER的表，在WMC-ML中选择接受模型为BER接收模型，选择从MATLAB中获取SINR-BER表，计算接收结点的SINR，根据MALTAB中计算的表判断该信号是否能正确接收。

三、移动扩展组网性能分析提升

在WMC-ML中，通过设计不同的建模场景，模拟恶劣环境下通信过程。通过调整阻塞访控协议不同配置，对比采用阻塞访控协议构造的移动扩展组网相比传统无线网络在接入时间、抗毁性等方面的性能提升，具体步骤如下。

(1)明确建模目标,确定衡量移动扩展组网接入性能的指标；

(2)分析各项指标在建模环境中的统计输出，针对各项指标分析其影响因素；

(3)设计实验场景，联合性能指标的影响因素设计多个实验，验证移动扩展组网的各项性能；

(4)运行建模实验，得到多次实验结果，统计实验结果，分析实验数据，验证移动扩展组网在性能上是否有预期的提升。

构造一个移动扩展组网，设计多次试验，对网络的接入时间和可靠性进行建模对比分析。

(一)接入时间建模分析

网络中结点的接入过程是各结点从无组织无连接状态向有网络连接状态转化的过程，各接入的结点开始占用无线信道资源、构建各类数据流通信。结点的接入时间。设计实验场景，模拟人员在执行灾后救援时，通过快速组网，获得灾后救援区域实时情况的通信过程。

测试过程：

(1)WMC-ML中设计建模场景,如图14所示,在网络结点数目固定不变时，调节MAC扩展层时隙数,对比不同时隙数目下网络接入时间,场景具体配置如图15所示；

(2)WMC-ML中设计建模场景，如图14所示，在网络结点数目固定不变，时隙分配方式不变时，调节CBR附加带宽N,统计N不同取值下网络的接入时间，场景具体配置如图16；

(3)WMC-ML中设计建模场景，如图14所示，在网络结点数目固定不变，时隙分配方式不变时，调节网络最大跳数maxhop，统计maxhop不同取值下网络的接入时间，场景具体配置如图17所示；

(4)WMC-ML中设计建模场景,如图14所示,配置网络路由协议为AODV,MAC扩展层为802.11协议，统计不同网络直径下采用传统路由接入方式与采用移动扩展组网接入方式的结点接入时间，场景具体配置表如图18所示；

(5)WMC-ML中设计建模场景，在网络结点数目固定不变，时隙分配方式不变时，设计多条流在网络中并发传输，业务发起时间均为1s，业务结束时间均为30s，建模时间30s，统计采用空间复用模型的阻塞访控协议与不采用空间复用模型的阻塞访控协议下各条流的接入时间与吞吐量，场景具体配置如图19所示。

在网络结点部署不变时，调节MAC扩展层时隙数，一个帧内划分的时隙数越多，接入时间越长。默认配置网络最大跳数为8跳，确保RTS-CTS帧能传输至目标结点。当网络中CBR长度为8时，最少的时隙数目为8，网络中配置时隙数目为5时，时隙数目偏小，网络中包碰撞的概率增加，因此接入失败；配置时间隔为10ms，网络中时隙数依次增加，网络中包碰撞的概率较低，时隙数目为8时，接入时间为0.610s；网络中时隙数目为10时，接入时间为0.690s。随着时隙数目标增多，接入时间增长；当时隙数目固定为10时，时隙间隔不同，网络的接入时间也不相同，接入时间虽时隙间隔的增长规律为：当时隙间隔增大时,一个帧所占用的时间也随之增加，RTS-CTS帧的处理时延、传输时延等也随之增加，因此接入时间随帧内的时隙间隔增大而增长。

CBR附加带宽N的增长与接入时间无关，当网络结点部署相同，CBR长度固定，时隙分配固定时，CBR的附加带宽增加了CBR内中继结点的数目，构建起RTS-CTS的最短路径不会随着CBR附加带宽的改变而改变，网络的接入时间仍为经过最短路径下源结点从发出RTS帧到接收CTS帧的时间，CBR附加带宽对网络的接入时间不造成影响。

网络的最大跳数maxhop会影响结点是否接入成功，maxhop是CBR中单播流的最大跳数，当结点距离源结点或目标结点的跳数大于MAXHOP时，此结点将不能够收到上一跳结点发送过来的数据包，CBR将不能构建，此场景中源-目标结点距离为8跳，当maxhop-8和10时，CBR能够成构建；当MAXHOP＝5时，由于源-目标结点距离大于maxhop，目标结点不能接收到RTS，因此CBR不能够成构建，导致丢包率为100％。，当结点距离源结点或者目标结点的跳数大于maxhop时，CBR不能构建。

随着网络直径的增长，结点的接入时间也随之增长。且在时隙间隔分配在40ms以内时，移动扩展组网在接入时间上相比于现有的网络接入方式时间更短，随着时隙间隔的减少，接入时间进一步减少。

在多条流并发传输时，不采用空间复用模型的移动扩展组网存在两条业务流在建模结束前仍未接入成功，采用空间复用模型时，各条流均能正常接入，且数据传输时没有丢包。

综合上述结果，网络的接入性能受到网络中CBR结点数目M、时隙分配方式(时隙数目与时隙间隔)、网络最大跳数maxhop联合影响，其中结点数目与时隙分配方式相互作用，结点数目M与时隙数目F不匹配时，网络中发生阻塞的可能性增加，因此在使用阻塞访控协议时，多采用F＝M的方式，调整时隙间隔，设计一个时间占用率高的帧结构，调节网络最大跳数maxhop，使得网络中RTS-CTS控制帧在网络中的能传输至目标结点与源结点，同时在CBR范围外，传输一定的范围自动销毁,减少网络阻塞，但最大跳数只能约束CBR能否构建,在CBR能构建时，并不能约束结点的接入时间，结点的接入时间受时隙间隔与时隙数目标配置约束，时隙间隔越长、时隙数目越多，结点在本时隙内处理的时间就越长，结点空闲时间越长,接入时间也随之增长，空间复用模型使得多条流占用同一个结点时，后接入的结点能够减少接入时间。

(二)可靠性建模分析

在恶劣通信环境中，人员可能由于遭受天气、天线信号被阻挡等因素在网络中失去连接，退出现有网络。在建模中设计一个结点失效模拟人员退出现有网络，网络拓扑发生变化，设计实验测试网络结点失效时，网络呈现的抗毁性。

测试过程：

(1)WMC-ML中设计建模场景,随机生成一条流,配置为移动扩展组网，附加带宽为0，随机设置一个结点失效，重复190次，统计这190次随机—个结点失效时，网络发生了中断的次数；

(2)WMC-ML中设计建模场景，随机生成一条流，配置为移动扩展组网，附加带宽为1，随机设置一个结点失效，重复190次，统计这190次随机—个结点失效时，网络发生了中断的次数；

(3)WMC-ML中设计建模场景，随机生成一条流配置为非移动扩展组网，即传统的MANET网络,随机设置一个结点失效，重复190次，统计这190次随机一个结点失效时，网络发生中断的次数，运行上述测试场景。

由于附加带宽N的存在，在移动扩展组网中结点突然失效时，数据通信不一定中断。采用阻塞访控协议配置MAC扩展层。当N＝0时，结点2/3/4/10/15/16/19突然失效后，CBR会采用另一条最短路径继续广播数据，在接收端不受该失效结点的影响。而结点11/16/17/18是两条最短路径都需要经过的点,因此结点11/16/17/18失效后，数据通信中断,产生丢包。而采用传统的MANET方式，只要有结点中断,就会存在一段时间内无路由导致的数据丢失。在阻塞访控协议中，调节CBR的附加带宽，可以改善结点失效导致的丢包。在N＝1时,数据可经过另一条非最短路径继续可靠的传输，因此网络发生中断的次数降低，网络的可靠性增强。

在设计移动扩展组网时，合理选择一个该网络的附加带宽，在网络中存在等效链路时，N＝O即可提高网络的可靠性。在网络中存在非最短路径时，随着N的增加,网络中CBR传输范围扩大,网络中结点失效导致数据传输中断的概率降低，网络的可靠性增强。

本申请在WMC-ML中搭建不同的场景，模拟人员在执行灾后救援时，通过快速组网，获得灾后救援区域实时情况的通信过程。调节网络各项配置，移动扩展组网采用的阻塞广播模型在非移动扩展组网接入的传统MANET网络中，移动扩展组网设置的时隙间隔小于40ms时，移动扩展组网的接入时间小于传统MANET网络。且该接入时间随网络直径的扩大而随之增长。移动扩展组网的阻塞广播模型中时隙数目过大、时隙间隔过大都会导致网络接入时间过长。

移动扩展组网的空间复用模型使得多条流占用同一个结点时，后接入的结点无需等待即可立即接入，接入时间缩短。移动扩展组网的CBR带宽模型在网络存在等效路径时，使得结点失效时，数据可通过等效路径传输，提高网络可靠性。且空间复用模型在存在复用的结点上，提高了业务构建的成功率。

Claims (10)

1.恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，其特征在于，移动扩展组网采用MAC扩展层阻塞访控协议耦合物理层自主协同移动通信，不依赖网络拓扑构建一个数据流传输区域，即CBR，在MAC扩展层定义移动扩展组网专用的阻塞访控协议，将阻塞广播、CBR带宽模型与空间复用模型集成在阻塞访控协议中，联合物理层自主协同模型在指定区域内广播数据，实现结点快速接入，数据可靠传输；

第一，基于移动扩展组网的接入模块设计：提出移动扩展组网接入模块架构，定义适应于恶劣通信环境的移动扩展组网的协议设计，单点设备及人员配备一根全向天线，与其它任意设备及人员构建无线链路，MAC扩展层采用移动扩展组网专用的阻塞访控协议，通过RTS-CTS握手模型预约无线信道资源，避免无线信道上数据碰撞产生的冲突，并根据源结点、目标结点发出的控制帧中携带的跳数计数器，计算各结点在网络中的角色，是否为relay结点、buffer结点或目标结点,评估计算CBR范围，对不同结点在MAC扩展层执行不同的转发策略；网络层采用静态路由，用MAC扩展层阻塞广播代替传统的路由查表过程，应用实体采用业务驱动信道申请的方式，在数据包发送前向MAC扩展层发送申请信道指令，驱动MAC扩展层开启RTS-CTS模型构建CBR区域；多跳业务流同时存在时，采用SDN交换扩展机在MAC扩展层处理各RTS-CTS帧，提取对应的业务流信息，对不同的业务流计算结点在其CBR中的角色，在数据传输至结点的MAC扩展层时，根据其数据所属业务流，执行该结点在该业务流下对应操作，实现多条业务流在网络中的并行传输；

第二，移动扩展组网建模接入：采用WMC-ML对网络协议栈的数据传输过程进行建模，定义网络层向MAC扩展层发起的信道消息的格式，定义MAC扩展层数据结构,记录MAC扩展层基本信息，以及移动扩展组网下各结点的发送时隙、结点在一条CBR中的角色；阻塞访控协议向物理层发送的数据封装成统一的MAC帧格式，在物理层被接收，进过天线广播；数据消息变成0-1信号，经过信道调制编码等过程通过MATLAB物理层自主协同通信建模，信道建模结果被WMC-ML调用,实现恶劣环境下网络小粒度建模。

2.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，其特征在于，移动扩展组网接入模块架构：在五层结构的基础上，移动扩展组网中各结点的应用实体设置一个适应移动扩展组网的业务层，按需驱动结点入网，网络层的路由耦合入链路层，在链路层实现阻塞广播，广播帧在物理层通过自主协同通信传输，实现基于移动扩展组网的恶劣环境通信；

恶劣通信环境下采用移动扩展组网构建过程：源结点在数据通信前应用实体向MAC扩展层发送消息，申请信道；MAC扩展层部署的阻塞访控协议将信道在逻辑上划分为逻辑子信道与数据子信道，在收到应用实体发来的驱动包后采用广播RTS包的形式在逻辑子信道上向广播全网，预约数据信道；目标结点在收到RTS包后也在逻辑子信道上全网广播CTS包，向源结点反馈已收到RTS数据包，该RTS/CTS过程携带了距离等信息，构建一个CBR区域，确定为网络各结点是否为中继结点或阻塞结点；源结点收到一个CTS反馈包后，应用实体开始发送数据包，应用实体数据包依次经过传输层、网络层、MAC扩展层封装，在物理层通过天线广播，以0-1比特流的形式发送至数据子信道，其中MAC扩展层与物理层的协同通信使得对任一个结点，在接收时将多个发送源同一时隙广播的数据看作一种时间分集，采用分级合并技术提取出数据，数据在MAC扩展层判断是否执行中继广播，对于CBR内的中继结点，数据包在MAC扩展层捕获后不上传至网络层，直接经由物理层天线继续广播；对于CBR的阻塞结点，数据包在MAC扩展层捕获后不做任何处理,销毁该数据包，数据包通过阻塞广播的方式，经过多条广播传输至目标结点，目标结点在MAC扩展层捕获后经由网络层、传输层解包，获得初始应用实体数据，实现数据包的点对点通信。

3.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，其特征在于，应用实体自适应业务设计：在移动扩展组网中设计自适应申请信道资源应用业务，在CBR业务基础上，发出数据包之前申请信道，得到申请反馈后，发出第一个数据包；

对于源结点，在初始化过程获取业务流配置，包括业务启动时间、业务终止时间、数据包数、数据包大小、发送间隔、源结点地址、目标结点地址、业务占用的端口号；

在业务启动时刻，源结点向下层发送一个控制，驱动MAC扩展层构建一个CBR传输区域，源结点在收到MAC扩展层申请信道的反馈后，如果信道申请成功，则开始发送数据包，直至所有数据包发送完毕；如果信道申请失败，则该业务停止；

对于目标结点，初始化过程获取应用占用的端口号，监听应用实体该端口,接收经由该端口获得的数据直至数据传输结束。

4.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，其特征在于，MAC扩展层接入协议设计：在采用移动扩展组网架构的通信环境中，MAC扩展层除实现对信道的分配外,还需要通过多跳广播构建起一个CBR,确定各结点的转发策略；

单条流CBR转发判定设计：在一个CBR内，源结点发送的申请信道控制信令传输至MAC扩展层后，阻塞访控协议通过广播RTS/CTS模型构建一个CBR,各结点判定是否为relay结点、buffer结点或无关结点；

多条流CBR转发判定设计：在单条流下采用的转发判定模型无法满足多条流交叉占用一个结点通信的需求，对于多条流形成的CBR重叠，设置SDN交换扩展机，对中间结点，提取该条RTS、CTS帧所属的业务流信息，构建对应的CBR区域，各结点对不同的业务实现不同的MAC扩展层决策，实现多条流的可靠传输，多条流在RTS/CTS帧的增加对业务流的区分。

5.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，其特征在于，单条流CBR转发判定设计：

(1)单条流结点状态设计：根据结点的中继功能是否被抑制,定义五种结点状态,定义结点状态移动扩展组网_RELAY为CBR内中继转发结点该结点在MAC扩展层执行中继转发；结点状态移动扩展组网_BUFFER为CBR内阻塞结点,该结点在MAC扩展层不转发收到的数据包；结点状态移动扩展组网_SOURCE为CBR单播流源结点，该结点在MAC扩展层只广播应用实体产生的数据包，不接收自己产生数据包；结点状态移动扩展组网_DEST为CBR单播流目标结点，该结点在MAC扩展层对接收到的数据包直接向上层传输；结点状态移动扩展组网_IDLE为CBR内无关结点，为所有结点的初始化状态；

对于网络中任意结点X，定义L_S→X为结点X到源结点的距离，即跳数；定义L_D→X为结点X到目标结点的距离,即跳数；定义N为CBR附加带宽，当N为0时，所有处于最短路径上的结点均为relay结点，当N＞0时，CBR带宽拓宽，满足L_S→X+L_D→X≤L_S→D+N的结点为relay结点，否则为buffer结点；

(2)单条流时隙分配设计

各结点在TDMA的基础上，将一个MAC帧划分为F个时隙，根据各结点到源结点的距离确定其发送时隙，源结点在TDMA帧的第0个时隙发送数据，时隙从0开始计数，直到F-1，一跳结点在时隙1为发送时隙，二跳结点在时隙2为发送时隙，任意一个距离源结点为t跳的结点，其发送时隙为时隙t；

(3)单条流RTS帧设计

各结点通过RTS帧中的跳数计数器hopcount，得到距离源结点距离，RTS帧中携带的最大跳数maxhop为该帧在网络中从源结点广播可到达的最远距离，通过跳数计数器统计该RTS帧经历的跳数，当跳数计数器统计的跳数达到最大跳数时，该RTS帧停止在网络中广播；任意一个结点在接收到RTS帧后，提取该RTS帧中携带的目标结点信息与源结点信息，匹配IP地址判断是否为目标结点；对目标结点，通过提取出的目标结点信息与源结点信息产生对应的CTS帧；

(4)单条流CTS帧设计

目标结点在收到RTS帧后向源结点发送一个CTS帧，携带源结点到目标结点的最短距离length，跳数计数器hopcount；CTS帧中携带的最大跳数maxhop为该帧在网络中从目标结点广播可到达的最远距离；通过跳数计数器统计该CTS帧经历的跳数，当跳数计数器统计的跳数达到最大跳数时，该CTS帧停止在网络中广播；任意一个结点在接收到CTS帧后，根据CTS帧中携带的源目对间的最短距离、到目标结点的距离与之前收到的RTS帧中到源结点的距离，计算该结点是否为relay结点或buffer结点；

(5)单条流CBR其它设计

RTS/CTS帧在网络中可到达的最远距离由maxhop约束，当源结点与目标结点间无法构建通信链路时，RTS帧经过一定的跳数后在网络中停止传输；考虑到源结点到目标结点存在多条路径，在目标结点处接收第一个RTS帧后经过一段等待时间TTL，在等待时间内可接收处理多个RTS帧,在TTL等待时间后，对收到的任何RTS帧不做处理；

联合以上设计,阻塞访控协议通过RTS/CTS构建CBR的过程包括：

源结点初始化，结点状态为移动扩展组网_IDLE态，在收到应用实体发来的申请信道包后，在发送时隙产生一个RTS帧，经由物理层天线广播；收到一个CTS帧后，认定CBR建立，向应用实体反馈一个控制信令，信道预约成功，结点状态移动扩展组网_IDLE转移至移动扩展组网_SOURCE态，应用实体作为数据源发送数据包；

目标结点初始化，结点状态为移动扩展组网_IDLE态，监听信道，直到收到的第一个RTS帧，开启TTL定时器计时，在之后的一段时间内，目标结点可接收来自其它路径传输至目标结点的RTS帧，比较不同RTS帧内跳数计数器的值，选择最小的跳数作为源结点与目标结点之间的距离；在TTL等待计时器计时结束之后，目标结点不再处理RTS帧；所有在TTL等待时间之后接受的RTS帧被认定是非法帧，不提取该RTS帧内的跳数计数器的值；采用合法等待时间内所获得的最短源目对间的距离发送CTS帧,目标结点状态由移动扩展组网_IDLE转移至移动扩展组网_DEST态；

中间结点初始化，结点状态为移动扩展组网_IDLE，监听信道，直到收到RTS帧；对中间结点，从源结点到目标结点可能不同的路径,因此中间结点可能收到来自不同路径下RTS帧；对于这些不同路径下结点发来的RTS/CTS帧，中间结点选择距离跳数计数器的值最小的RTS、CTS帧作为有效帧，记录结点距离源结点的距离L_S→X,选择距离目标结点的最小跳数L_D→X与源目对之间的最短距离L_S→D联合CBR附加带宽，计算该结点状态；对于L_S→X+L_D→X≤L_S→D+N的结点，结点状态由移动扩展组网_IDLE态转移至移动扩展组网_RELAY态，否则转移至移动扩展组网_BUFFER态；

经过上述过程，CBR范围被确定；源结点将数据包在网络中广播，一切处于移动扩展组网_RELAY态的结点在MAC扩展层执行转发功能，一切处于移动扩展组网_BUFFER态的结点在MAC扩展层不执行转发功能，不进行任何处理；数据通信在网络中实现阻塞广播，直至到目标结点；处于移动扩展组网_DEST态的结点在MAC扩展层将数据解析上传，恢复为初始应用数据。

6.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，其特征在于，多条流CBR转发判定设计：

(1)多条流RTS帧设计

RTS帧保留单条流下的最大跳数和跳数计数器，同时新增业务流信息，包括源结点、目标结点、端口号，一切收到RTS帧的结点记录下不同业务流下该结点距离源结点的距离；

(2)多条流CTS帧设计

CTS帧设计时保留单条流下的最大跳数、跳数计数器、源目对距离，同时新增业务流信息，包括源结点、目标结点、端口号，一切收到CTS帧的结点记录下不同业务流下该结点距离目标结点的距离；

结点在RTS/CTS模型下,计算出该结点在不同CBR内的结点状态，在MAC扩展层捕获数据包后,获取该数据包所属的业务流信息，根据该业务流信息执行对应业务，结点在接收到CBR1业务流产生的数据包后,对该业务流结点应为移动扩展组网_BUFFER态，该数据包不被转发，在接收到CBR2业务流产生的数据包后,查找发现该结点对该业务流应为移动扩展组网_RELAY状态,该数据包被中继广播，通过设置SDN交换扩展机，在RTS/CTS帧内新增业务的关联信息，计算出对不同业务流下的转发策略，在数据经过该结点时，提取数据关联信息，实现不同数据的不同转发策略。

7.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，其特征在于，移动扩展组网建模接入：选取WMC网络联合MATLAB进行信道建模建模，构建WMC-ML联合模型，实现最接近网络通信实况的建模；

即WMC-ML中采用自定义的应用实体协议，MAC扩展层设计移动扩展组网专属的阻塞访控协议，对数据包从应用实体至物理层的传输过程进行建模，在MATLAB中对信号经过信道传输，调制编码等过程进行建模，MATLAB建模将信号接收时的SINR、BER结果返回给WMC-ML,实现WMC与MATLAB的联合建模；

移动扩展组网场景设计：应用实体协议为CBR协议，采用固定速率持续发送数据包，对应传输层协议为UDP协议，网络层采用IPv6协议，路由层配置默认路由，MAC扩展层采用阻塞访控协议，物理层接口选择全向天线。

8.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，其特征在于，应用实体自适应建模：在WMC-ML中应用实体配置CBR协议，输入参数包括场景配置*.app文件、与传输层发来的数据包；输出参数包括向传输层发送的数据包与应用实体统计量；定义应用实体有限状态机模型，在初始化时均进入init态，获取配置文件，随后进入idle态即空闲态；根据配置文件中定义的业务启动时间设定定时器，使得在业务启动时刻，产生定时器中断，进入RequestChannel态，申请信道；收到信道申请反馈后结点转移Send态发送应用实体数据包，在所有数据包发送结束后或运行至建模终止时刻，进入Finalize态，输出应用实体统计量。

9.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，其特征在于，MAC扩展层建模：在WMC-ML中MAC扩展层配置自定的阻塞访控协议，在MAC扩展层输入参数包括场景配置*.config文件、网络层发来的数据包和物理层发来的包；输出参数包括向网络层发送的数据包、向物理层发送的帧和建模结束时的统计量输出，定义阻塞访控协议的有限状态机模型，在初始化时均进入init态，获取配置文件，根据时隙分配，自动计算结点的发送时隙与接收时隙，转移至对应的发送态或接收态，直至建模结束，在接收时隙,MAC扩展层在接收到RTS帧后，进入ReceiveRTS状态，记录RTS帧内有效信息，在接收到CTS帧后进入ReceiveCTS状态，记录CTS帧内有效信息，在物理层接收到其它结点发来的数据帧时,根据CBR区域定义的MAC扩展层决策，进入InsertData态将要转发的数据存入发送队列，建模结束，进入Finalize态，输出统计量；

发送时隙内MAC扩展层子状态转移：在发送时隙，MAC扩展层检查发送队里是否为空，如果不为空，进入Send态，取出发送队列里的包将其发送至物理层广播出去，建模结束，进入Finalize态，输出统计量。

10.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入模块，其特征在于，物理层移动建模：在WMC-ML物理层选择接收机模型为基于BER的接受模型，在MATLAB中构建信道传输模型，模拟采用自主协同通信下接收机正常接收的门限、误码率，在MATLAB中得到一个信号SINR-BER的表，在WMC-ML中选择接受模型为BER接收模型，选择从MATLAB中获取SINR-BER表，计算接收结点的SINR，根据MALTAB中计算的表判断该信号是否能正确接收。

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