本發(fā)明涉及一種無線通信技術(shù)，具體地說是一種?？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)空分復(fù)用時(shí)分多址接入模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

?？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)通信信道為無線廣播信道，容易在物理層被干擾，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐率和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率的降低，這是因?yàn)槲锢韺邮褂萌蛱炀€發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。若海空定向自組織網(wǎng)絡(luò)物理層采用定向天線，不但能有效增加單跳傳輸?shù)木嚯x、提高數(shù)據(jù)傳輸速率，還可利用定向天線產(chǎn)生的窄定向波束實(shí)現(xiàn)空分多址接入，即多個(gè)節(jié)點(diǎn)無干擾同時(shí)同頻通信?？辗侄嘀房捎行岣呔W(wǎng)絡(luò)的吞吐率、降低信息端到端傳輸時(shí)延。隨著相控陣天線在?？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用，迫切需要研究空分多址技術(shù)。

現(xiàn)有空分多址解決方案很多是從物理層天線波束設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對波束生成、波束賦形等進(jìn)行設(shè)計(jì)。而這些解決方案只能提高點(diǎn)對點(diǎn)的通信性能，不能提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。因此若要利用智能天線提升網(wǎng)絡(luò)性能必須設(shè)計(jì)合適的信道接入控制機(jī)制。近年來，空分多址接入研究工作已經(jīng)有了較大進(jìn)展，但缺乏模型支撐，且針對?？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)等廣域MANET應(yīng)用場景下的空分多址研究較少。此外，海空定向自組織網(wǎng)絡(luò)十分強(qiáng)調(diào)信息的實(shí)時(shí)性傳輸，在空分多址接入?yún)f(xié)議設(shè)計(jì)的過程中最為重要的是結(jié)合時(shí)隙資源調(diào)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此研究基于空分復(fù)用的時(shí)分多址接入?yún)f(xié)議、建立空分復(fù)用時(shí)分多址接入模型，對提高?？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)信息可靠性傳輸是十分必要和有意義的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種?？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)空分復(fù)用時(shí)分多址接入模型的構(gòu)建方法，用于超視距范圍分布的N個(gè)節(jié)點(diǎn)的?？斩ㄏ蛲ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)槠淇辗侄嘀方尤胩峁├碚撃Ｐ?，并有效提高其頻譜利用率及網(wǎng)絡(luò)性能。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種海空定向自組織網(wǎng)絡(luò)空分復(fù)用時(shí)分多址接入(Space Reuse Time Division Multiple Access,STDMA)模型的構(gòu)建方法，適用于超視距范圍分布的N個(gè)節(jié)點(diǎn)的?？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)，模型構(gòu)建包括如下步驟：

(1)抽象拓?fù)錁?gòu)建

由給定的空分多址時(shí)隙分配表，可確定其對應(yīng)各抽象節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙和通信對象，并建立空分多址抽象拓?fù)浼捌溧徑泳仃嘇；

(2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建

網(wǎng)絡(luò)的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過定向鄰居發(fā)現(xiàn)和消息攜帶轉(zhuǎn)發(fā)原則的方式實(shí)現(xiàn)；節(jié)點(diǎn)通過不斷定向發(fā)布和接收hello消息獲取鄰居節(jié)點(diǎn)信息，再通過攜帶轉(zhuǎn)發(fā)的方式發(fā)送到全網(wǎng)，最后各節(jié)點(diǎn)通過相同算法生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；所有節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行定向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，具體過程為：

步驟(2a)：每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)列表NList，該列表初始為空；

步驟(2b)：節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間生成M個(gè)波束并發(fā)送hello消息，消息中附帶其ID、位置和NList等信息；消息發(fā)送完畢，節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入全向接收狀態(tài)；

步驟(2c)：若節(jié)點(diǎn)在Δt內(nèi)收到其它節(jié)點(diǎn)的hello消息，則將該hello消息發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID添加到NList中，并轉(zhuǎn)入步驟(2b)；若節(jié)點(diǎn)在Δt內(nèi)沒有收到其它節(jié)點(diǎn)的hello消息，則沿按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過角度α，重新生成M個(gè)波束并轉(zhuǎn)入步驟(2b)；

如此循環(huán)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)即可獲知全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的NList和位置等信息，從而可以構(gòu)造出全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其鄰接矩陣B；

(3)抽象拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆成?/p>

由于空分多址時(shí)隙分配表對應(yīng)的是抽象網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?shí)際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并不能按照該時(shí)隙表工作，為了實(shí)現(xiàn)空分多址接入，必須將實(shí)際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)映射到抽象拓?fù)渲械某橄蠊?jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)才能按照其映射抽象節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙進(jìn)行消息的收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的空分多址接入。本發(fā)明采用子圖同構(gòu)原理進(jìn)行映射，映射過程包括如下步驟：

步驟(3a)：設(shè)定過濾策略為：若抽象拓?fù)鋱DG_p的節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)度大于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖G_t節(jié)點(diǎn)j的節(jié)點(diǎn)度，則這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不可能映射；根據(jù)過濾策略可得每個(gè)抽象節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可能的映射節(jié)點(diǎn)集合CMS；

步驟(3b)：隨意選取象拓?fù)鋱D的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，按照深度優(yōu)先搜索(DFS)算法構(gòu)建抽象拓?fù)鋱D的一棵根生成樹T；

步驟(3c)：對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D采用深度優(yōu)先搜索算法進(jìn)行遍歷，遍歷過程就是映射搜索過程；遍歷過程中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D依次增加節(jié)點(diǎn)與根生成樹T中的節(jié)點(diǎn)按順序映射，并逐步構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的一棵根生成樹T’；若映射成功，則將該節(jié)點(diǎn)添加到根生成樹T’中，否則退回，從另一分支繼續(xù)搜索，直到找到映射關(guān)系為止。

在步驟(1)中，根據(jù)給定的空分多址時(shí)隙分配表，抽象節(jié)點(diǎn)可確定每個(gè)時(shí)隙其通信對象，由此可確定其鄰居節(jié)點(diǎn)并建立其鄰接矩陣A，該矩陣為n×n對稱矩陣，其中n為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)；若節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j互為鄰居節(jié)點(diǎn)，則將鄰接矩陣A對應(yīng)的元素設(shè)置為1，即令A(yù)_ij＝1，其余元素置為0。

在步驟(2d)中，通過定向鄰居發(fā)現(xiàn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可獲知其鄰居節(jié)點(diǎn)的NList等信息，進(jìn)而可以得到全網(wǎng)的鄰接矩陣B，構(gòu)建規(guī)則如下：

步驟(2d1)：B＝[B_ij]_n×n，其中n為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目；矩陣B為n階方陣，其元素值為0或1，若B_ij＝1(i,j＝1,2,...,n)，表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j互為鄰居節(jié)點(diǎn)，B_ij＝0則表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j不是鄰接的；

步驟(2d2)：B為一個(gè)對稱矩陣，即B_ij＝B_ji，并將所有元素的初值設(shè)為0；

步驟(2d3)：若節(jié)點(diǎn)x_i的ID位于節(jié)點(diǎn)x_j的中，即節(jié)點(diǎn)x_i與節(jié)點(diǎn)x_j互為鄰居節(jié)點(diǎn)，則將B對應(yīng)的元素設(shè)置為1，即令B_ij＝1。

在步驟(3c)中，在抽象拓?fù)涓蓸銽與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆成渲埃紫仍O(shè)定映射矩陣M＝[m_ij]_p×q；矩陣M的行號代表抽象拓?fù)鋱D的節(jié)點(diǎn)號，列號代表網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖的節(jié)點(diǎn)號，p為抽象拓?fù)鋱D的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，q為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；若m_ij＝1表示抽象拓?fù)鋱D的節(jié)點(diǎn)i可以映射到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的節(jié)點(diǎn)j；映射過程即為矩陣M的構(gòu)建過程，其構(gòu)建規(guī)則為：

步驟(3c1)：初始化矩陣M；將其所有元素設(shè)定為1；

步驟(3c2)：計(jì)算各抽象節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度，節(jié)點(diǎn)度在數(shù)值上等于其鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，也即NList元素?cái)?shù)目；

步驟(3c3)：若抽象拓?fù)鋱DG_p的節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)度大于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖G_t節(jié)點(diǎn)j的節(jié)點(diǎn)度，則令m_ij＝0；根據(jù)過濾策略可得每個(gè)抽象節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可能的映射節(jié)點(diǎn)集合CMS，如節(jié)點(diǎn)i的CMS為矩陣M第i行非零元素的列號；

步驟(3c4)：對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖采用DFS搜索算法進(jìn)行遍歷，遍歷過程就是映射搜索過程，由于遍歷過程涉及到回溯操作，因此本發(fā)明采用棧結(jié)構(gòu)對搜索映射過程進(jìn)行記錄；遍歷過程中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖依次增加的節(jié)點(diǎn)與根生成樹T中的節(jié)點(diǎn)按順序映射，當(dāng)可以映射時(shí)，修改映射矩陣M對應(yīng)的行和列，即令m_ij＝1，同時(shí)將矩陣的第i行和第j列的其余元素全部置0，然后將M壓棧；當(dāng)不能映射時(shí)，退回到上一節(jié)點(diǎn)并從棧點(diǎn)取出對應(yīng)的M，然后從另一分支繼續(xù)搜索，直到找到映射關(guān)系為止。

本發(fā)明的技術(shù)原理是：在海空定向自組織網(wǎng)絡(luò)十分強(qiáng)調(diào)信息的實(shí)時(shí)性傳輸，在空分多址接入?yún)f(xié)議設(shè)計(jì)的過程中最為重要的是結(jié)合時(shí)隙資源調(diào)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。本發(fā)明建立在給定網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配表的前提下，根據(jù)給定的空分多址時(shí)隙分配表即可構(gòu)建出空分多址抽象拓?fù)?。由于空分多址抽象拓?fù)洳皇菍?shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?shí)際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無法按照上述時(shí)隙分配表實(shí)現(xiàn)時(shí)空多址接入，因此必須建立實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c抽象拓?fù)溆成涞哪Ｐ?。而在建立映射模型之前，?jié)點(diǎn)必須獲取實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本發(fā)明中是通過定向鄰居發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)可獲知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在獲知了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和空分多址抽象拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明采用子圖同構(gòu)模型映射抽象拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?shí)際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即可確定自己的工作時(shí)隙和通信對象，由此實(shí)現(xiàn)空分多址接入。

現(xiàn)有空分多址方案大都沒有給出通用的空分多址接入模型，本發(fā)明提供一種空分復(fù)用時(shí)分多址接入模型構(gòu)建方法，能夠?yàn)楹？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)等廣域定向MANET領(lǐng)域的空分多址接入提供供理論模型支撐，并提能有效提高?？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率及網(wǎng)絡(luò)性能，具有較為重要的科學(xué)研究和工程應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)總流程圖。

圖2是根據(jù)表1給定的空分多址時(shí)隙分配表得到的空分多址抽象拓?fù)涫疽鈭D。

圖3是本發(fā)明中節(jié)點(diǎn)定向鄰居發(fā)現(xiàn)流程圖。

圖4是本發(fā)明中空分多址抽象拓?fù)渑c實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溟g節(jié)點(diǎn)映射流程圖。

具體實(shí)施方式

參照圖1，本發(fā)明?？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)空分復(fù)用時(shí)分多址接入模型的構(gòu)建方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟(1)：空分多址抽象拓?fù)錁?gòu)建

根據(jù)給定的空分多址時(shí)隙分配表構(gòu)建抽象網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⒔⑵鋵?yīng)的鄰接矩陣A。具體構(gòu)建步驟為：

步驟(1a)：根據(jù)具體任務(wù)需求給定空分多址時(shí)隙分配表。如假定給出的空分多址時(shí)隙分配表如下表所示：

表1：空分多址時(shí)隙分配表

注：表中i-j表示在當(dāng)前時(shí)隙下，節(jié)點(diǎn)i發(fā)送信息，節(jié)點(diǎn)j接收信息，這說明節(jié)點(diǎn)

i與j是鄰接的，即它們之間存在通信鏈路。

由表1可得其對應(yīng)的抽象網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

步驟(1b)：根據(jù)給定的空分多址時(shí)隙分配表構(gòu)建空分多址抽象網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。具體構(gòu)建步驟為：

步驟(1b1)：A＝[A_ij]_n×n，其中n為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目。矩陣A為n階方陣，其元素值為0或1，若A＝[A_ij]_n×n＝1(i,j＝1,2,...,n)，表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j互為鄰居節(jié)點(diǎn)，A_ij＝0則表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j不是鄰接的。

步驟(1b2)：A為一個(gè)對稱矩陣，即A_ij＝A_ji，并將所有元素的初值設(shè)為0；

步驟(1b3)：若節(jié)點(diǎn)i的ID位于節(jié)點(diǎn)j的中，即節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j互為鄰居節(jié)點(diǎn)，則將A對應(yīng)的元素設(shè)置為1，即令A(yù)_ij＝1。

步驟(2)：實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建，通過定向鄰居發(fā)現(xiàn)獲取網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并建立其鄰接矩陣。

參照附圖3，本發(fā)明步驟(2)的實(shí)現(xiàn)包括如下步驟：

步驟(2a)：為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一的節(jié)點(diǎn)標(biāo)示符(ID)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)列表NList，用以存儲(chǔ)鄰居節(jié)點(diǎn)ID，列表初始為空。

步驟(2b)：節(jié)點(diǎn)在周期Δt內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間生成M個(gè)波束并發(fā)送hello消息，消息中附帶其ID、位置和NList等信息。消息發(fā)送完畢，節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入全向接收狀態(tài)。

步驟(2c)：若節(jié)點(diǎn)在Δt內(nèi)收到其它節(jié)點(diǎn)的hello消息，則將該hello消息發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID添加到NList中，并轉(zhuǎn)入步驟(2b)；若節(jié)點(diǎn)在Δt內(nèi)沒有收到其它節(jié)點(diǎn)的hello消息，則沿按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過角度α，重新生成M個(gè)波束并轉(zhuǎn)入步驟(2b)。

通過定向鄰居發(fā)現(xiàn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可獲知全網(wǎng)的拓?fù)湫畔?，并結(jié)合步驟(1b)中鄰接矩陣的構(gòu)建方法即可構(gòu)建出實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣B。

步驟(3)：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與抽象節(jié)點(diǎn)映射，通過子圖同構(gòu)模型映射抽象拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。若映射成功，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其映射的抽象節(jié)點(diǎn)即可確定自己的工作時(shí)隙和通信對象，從而實(shí)現(xiàn)空分多址接入；若映射失敗，則返回步驟(1)，重新選擇空分多址時(shí)隙分配表。

參照附圖4，本發(fā)明步驟(3)的實(shí)現(xiàn)包括如下步驟：

步驟(3a)：構(gòu)建映射矩陣M＝[m_ij]_p×q。M的行號代表抽象拓?fù)鋱D的節(jié)點(diǎn)號，列號代表實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓?jié)點(diǎn)號，p為抽象拓?fù)鋱D的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，q為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。矩陣M的元素值只能為0或1，m_ij＝1表示抽象拓?fù)鋱D的節(jié)點(diǎn)i可以映射到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖的節(jié)點(diǎn)j，即初始條件為抽象節(jié)點(diǎn)可映射到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)。m_ij＝0表示抽象拓?fù)鋱D的節(jié)點(diǎn)i不能映射到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖的節(jié)點(diǎn)j。

步驟(3b)：初始化矩陣M。將其所有元素設(shè)定為1。

步驟(3c)：計(jì)算各抽象節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度，節(jié)點(diǎn)度在數(shù)值上等于其鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，也即NList元素?cái)?shù)目。

步驟(3d)：設(shè)定過濾策略為：若抽象拓?fù)鋱DG_p的節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)度大于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖G_t節(jié)點(diǎn)j的節(jié)點(diǎn)度，則令m_ij＝0。根據(jù)過濾策略可得每個(gè)抽象節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可能的映射節(jié)點(diǎn)集合CMS，如節(jié)點(diǎn)i的CMS為矩陣M第i行非零元素的列號。

步驟(3e)：隨意選取抽象拓?fù)鋱D的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，按照離散數(shù)學(xué)DFS搜索算法構(gòu)建抽象拓?fù)鋱D的一棵根生成樹T。設(shè)置Order用以存儲(chǔ)對CMS內(nèi)節(jié)點(diǎn)的搜索順序，設(shè)置Parent用以記錄Order中對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。

步驟(3f)：對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖采用DFS搜索算法進(jìn)行遍歷，遍歷過程就是映射搜索過程，映射過程如圖4所示，由于遍歷過程涉及到回溯操作，因此本發(fā)明采用棧結(jié)構(gòu)對搜索映射過程進(jìn)行記錄。遍歷過程中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖依次增加的節(jié)點(diǎn)與根生成樹T中的節(jié)點(diǎn)按順序映射，當(dāng)可以映射時(shí)，修改映射矩陣M對應(yīng)的行和列，即令m_ij＝1，同時(shí)將矩陣的第i行和第j列的其余元素全部置0，然后將M壓棧；當(dāng)不能映射時(shí)，退回到上一節(jié)點(diǎn)并從棧點(diǎn)取出對應(yīng)的M，然后從另一分支繼續(xù)搜索，直到找到映射關(guān)系為止。

通過上述三大步驟即可完成空分多址接入模型的構(gòu)建，當(dāng)?？斩ㄏ蜃越M織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，只要調(diào)用該模型重新進(jìn)行映射，就能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)空分多址接入。