一种定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法技术

本发明专利技术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。

Method for predicting available bandwidth of directional wireless self-organizing network link

The invention discloses a method for predicting the available bandwidth of a directional wireless self-organizing network link. The method first defines the maximum link throughput and takes it as the upper bound of the available bandwidth of the directed link. Then, the method requires channel state node through the carrier detection mechanism of each listener antenna beam direction, the channel information of each antenna beam direction on the available length of time, on the basis of the analysis method of distributed probability link / node is available when the length of not synchronous, the preliminary estimate of the link available bandwidth to get the value. Finally, seven different factors that affect the actual available bandwidth of the directional link are considered respectively. The initial estimate of the available link bandwidth is corrected, and the final estimation of the available bandwidth of the directional link is obtained. Simulation results in a wireless network simulation environment show the effectiveness of the proposed method.

【技术实现步骤摘要】
一种定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法
本专利技术属于无线网络领域，特别涉及定向无线自组织网络链路可用带宽预测方法。
技术介绍
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(QualityofService，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(MediumAccessControl，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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术所采用的步骤是：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。本专利技术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，将本专利技术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专利技术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专利技术提出的算法在节点“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，本专利技术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专利技术作进一步的说明。在后面的叙述中，将本专利技术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(AvailableBandwidthEstimationofLinkTransmissionbasedonDirectionalAntennas)。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。本专利技术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E本文档来自技高网...

【技术保护点】
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

【技术特征摘要】
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Bmax，并将链路最大吞吐量Bmax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tRTS、CTS帧的传输时间tCTS及两个收发转换时间2×tSIFS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Pnoise(i)小于或等于信号接收门限PrxTH；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TL，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；TS(S，i)：发送节点S的第i个天线波束的发送可用时长；TR(R，j)：接收节点R的第j个天线波束的接收可用时长；TL(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PCE1(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PCE2(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：TL(i，j)＝min{[1-PCE1(i，j)]·TS(S，i)，[1-PCE2(i，j)]·TR(R，j)}(3)TL(i，j)取TS(S，i)和TR(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DABpre(i，j)为：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Rdo，物理载波检测距离为Rdocs；信号定向发送、定向接收的传输距离为Rdd，物理载波检测距离为Rddcs；接收节点信号接收的冲突距离是Rco；定义区域S1-S6，且规定区域Si(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：其中，dSR为发送节点与接收节点间距离，Pt为发送功率，ht、hr分别代表发送节点和接收节点的天线高度，Gt和Gr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Go，定向天线增益为Gd，信号接收门限为Prxth，信号载波检测门限为Pcsth，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SNRth，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Rco，即有以节点S或R为圆心，Rco为半径的圆内区域即为节点S或R的冲突干扰范围，SNRth取一定值时，冲突距离与链路收发节点间的距离dSR成正比，当dSR较小时，节点的Rco会小于Rdo；dSR较大时，节点的Rco会大于Rdd，甚至大于节点的Rdocs，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷磊，蔡圣所，李志林，沈高青，毕研涛，张云开，黄太彬，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32