1.一種定向無線自組織網(wǎng)絡(luò)鏈路可用帶寬預(yù)測方法,所采用的步驟是:
步驟1:計算鏈路最大吞吐量,鏈路最大吞吐量是指在不存在干擾業(yè)務(wù)的情況下,無線自組織網(wǎng)絡(luò)鏈路層能獲得的最大吞吐量,將鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀大小與鏈路成功完成一次數(shù)據(jù)傳輸所需要的時間相比,得到鏈路最大吞吐量Bmax,并將鏈路最大吞吐量Bmax視為定向鏈路可用帶寬的上限值;
步驟2:節(jié)點通過載波檢測機制估算每個波束方向上的發(fā)送可用時長和接收可用時長,節(jié)點為每個天線波束維護獨立的用于統(tǒng)計可用時長的定時器,定時器定時長度設(shè)置為RTS幀和CTS幀的傳輸時間及兩個收發(fā)轉(zhuǎn)換時間之和,采用分段累加的方式統(tǒng)計發(fā)送可用時長和接收可用時長;
步驟3:計算發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點定向波束可用時長不同步的概率,同時結(jié)合定向鏈路可用帶寬的上限值,得到定向鏈路可用帶寬的初步估計值;
步驟4:計算由于信道忙發(fā)送節(jié)點不能發(fā)送RTS幀和接收節(jié)點不能應(yīng)答CTS幀,發(fā)送節(jié)點接收CTS幀或ACK幀沖突,接收節(jié)點接收RTS幀或DATA幀沖突以及節(jié)點“聾”問題造成的鏈路可用時長的浪費,并通過去除這七種情況對鏈路可用時長的浪費,計算得到定向鏈路可用帶寬的修正值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種定向無線自組織網(wǎng)絡(luò)鏈路可用帶寬預(yù)測方法,其特征在于節(jié)點統(tǒng)計每個波束方向上的發(fā)送可用時長和接收可用時長的具體方法為:
節(jié)點通過載波檢測機制估算每個波束方向上的發(fā)送可用時長和接收可用時長,節(jié)點為每個天線波束維護發(fā)送可用時長和接收可用時長變量,初始值均為0;并為每個天線波束維護獨立的用于統(tǒng)計可用時長的定時器,采用分段累加的方式統(tǒng)計發(fā)送可用時長和接收可用時長,定向信道接入控制協(xié)議中收發(fā)節(jié)點成功完成信道預(yù)約即可發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸,因而本發(fā)明將可用時長定時器定時長度設(shè)置為RTS幀的傳輸時間tRTS、CTS幀的傳輸時間tCTS及兩個收發(fā)轉(zhuǎn)換時間2×tSIFS之和,本發(fā)明判定某一天線波束i方向上信道可用的功率條件為:波束i上的噪聲功率Pnoise(i)小于或等于信號接收門限PrxTH;
開啟可用時長定時器的情況如下:
(1)初始預(yù)測開始,節(jié)點開啟所有滿足可用時長定時器開啟功率條件的天線波束方向上的定時器;
(2)當(dāng)前幀完成,如果當(dāng)前發(fā)送的為ACK幀,節(jié)點則開啟所有滿足可用時長定時器開啟功率條件的天線波束方向上的定時器;如果當(dāng)前發(fā)送的不是ACK幀,且當(dāng)前波束方向滿足可用時長定時器開啟功率條件,則開啟當(dāng)前波束的定時器,其它波束保持不變;
(3)當(dāng)前幀接收完成,如果當(dāng)前接收的為RTS幀,且當(dāng)前波束方向滿足可用時長定時器開啟功率條件,則開啟當(dāng)前天線波束的定時器,如果當(dāng)前接收的為ACK幀,節(jié)點則開啟所有滿足可用時長定時器開啟功率條件的天線波束方向上的定時器;
(4)發(fā)生沖突,如果當(dāng)前波束方向滿足可用時長定時器開啟功率條件,則開啟當(dāng)前天線波束的定時器;
(5)定時器超時,如果當(dāng)前波束方向滿足可用時長定時器開啟功率條件,則開啟當(dāng)前天線波束的定時器;
(6)噪聲變化,當(dāng)噪聲減少時,如果節(jié)點當(dāng)前不處于發(fā)送或接收狀態(tài),且當(dāng)前噪聲功率小于或等于信號接收門限,并且該波束的定時器還未開啟,則開啟當(dāng)前波束定時器;
取消可用時長定時器的情況如下:
(1)節(jié)點發(fā)送幀時取消所有波束方向上的可用時長定時器;
(2)節(jié)點判定可以正確接收當(dāng)前到達的幀時,取消當(dāng)前波束方向上的可用時長定時器;
當(dāng)節(jié)點某一波束方向上的可用時長定時器超時時,節(jié)點將定時器時長累加到當(dāng)前波束方向上的發(fā)送可用時長和接收可用時長,每個觀測周期結(jié)束時,節(jié)點存儲該周期內(nèi)的可用時長信息,并開始下一個周期的可用時長統(tǒng)計,直到預(yù)測結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種定向無線自組織網(wǎng)絡(luò)鏈路可用帶寬預(yù)測方法,其特征在于計算發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點定向波束可用時長不同步概率,得到定向鏈路可用帶寬的初步估計值的具體方法為:
定向鏈路可用帶寬由發(fā)送節(jié)點發(fā)送波束對應(yīng)的發(fā)送可用時長和接收節(jié)點接收波束對應(yīng)的接收可用時長共同決定,發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置不同,受周圍節(jié)點的干擾情況也各不相同,導(dǎo)致了收發(fā)節(jié)點定向波束可用時長不同步的現(xiàn)象,而實際中只有在滿足發(fā)送節(jié)點發(fā)送波束可以發(fā)送,同時接收節(jié)點接收波束可以接收的條件下才能成功完成數(shù)據(jù)傳輸,即要求發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點定向波束的可用時長同步;
將目標鏈路發(fā)送節(jié)點相應(yīng)發(fā)送波束可以發(fā)送,對應(yīng)接收節(jié)點相應(yīng)接收波束同時可以接收的可用時長定義為鏈路可用時長TL,對于由發(fā)送節(jié)點S和接收節(jié)點R組成的定向鏈路(S,R),作如下定義:
T:觀測周期;
TS(S,i):發(fā)送節(jié)點S的第i個天線波束的發(fā)送可用時長;
TR(R,j):接收節(jié)點R的第j個天線波束的接收可用時長;
TL(i,j):定向鏈路(S,R)使用波束i發(fā)送、波束j接收時的鏈路可用時長;
CE1:鏈路發(fā)送節(jié)點S的天線波束i可以發(fā)送,但接收節(jié)點R的天線波束j不能接收的情況,對應(yīng)事件概率為PCE1(i,j);
CE2:鏈路發(fā)送節(jié)點S的天線波束i不能發(fā)送,而接收節(jié)點R的天線波束j可以接收的情況,對應(yīng)事件概率為PCE2(i,j);
事件CE1的概率為發(fā)送端可以發(fā)送的概率與接收端不可以接收的概率之積,事件CE2的概率為發(fā)送端不可以發(fā)送的概率與接收端可以接收的概率之積,即
去除發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點可用時長不同步的部分,得到定向鏈路可用時長:
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)去除可用時長不同步部分后的較小值,所以,在每個觀測周期T內(nèi),定向鏈路(S,R)可用帶寬的初步估計值DABpre(i,j)為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種定向無線自組織網(wǎng)絡(luò)鏈路可用帶寬預(yù)測方法,其特征在于計算定向傳輸條件下干擾信號造成的鏈路可用時長的浪費,對定向鏈路可用帶寬進行修正,得到鏈路可用帶寬的修正值的具體方法為:
本發(fā)明考慮了由于信道忙發(fā)送節(jié)點不能發(fā)送RTS幀和接收節(jié)點不能應(yīng)答CTS幀,發(fā)送節(jié)點接收CTS幀或ACK幀沖突,接收節(jié)點接收RTS幀或DATA幀沖突以及節(jié)點“聾”問題,通過去除這七種情況對鏈路可用時長的浪費,計算得到定向鏈路可用帶寬的修正值;
對于目標鏈路(S,R),設(shè)信號定向發(fā)送、全向接收的傳輸距離為Rdo,物理載波檢測距離為Rdocs;信號定向發(fā)送、定向接收的傳輸距離為Rdd,物理載波檢測距離為Rddcs;接收節(jié)點信號接收的沖突距離是Rco;定義區(qū)域S1-S6,且規(guī)定區(qū)域Si(i=1,2,...,6)不僅表示該區(qū)域面積,還表示該區(qū)域發(fā)生的物理事件;
S1:導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點S檢測到信道忙而不能發(fā)送RTS幀的區(qū)域;
S2:導(dǎo)致接收節(jié)點R全向接收RTS幀沖突的區(qū)域;
S3:導(dǎo)致接收節(jié)點R接收完RTS幀時由于信道忙而放棄應(yīng)答CTS幀的區(qū)域;
S4:導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點S定向接收CTS幀沖突的區(qū)域;
S5:導(dǎo)致接收節(jié)點R定向接收DATA幀沖突的區(qū)域;
S6:導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點S定向接收ACK幀沖突的區(qū)域,S6=S4;
根據(jù)雙線地面反射傳播層模型,接收節(jié)點R的接收功率為:
其中,dSR為發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點間距離,Pt為發(fā)送功率,ht、hr分別代表發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的天線高度,Gt和Gr是發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的天線增益,假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點采用統(tǒng)一的天線配置:全向天線增益為Go,定向天線增益為Gd,信號接收門限為Prxth,信號載波檢測門限為Pcsth,則傳輸距離和物理載波檢測距離分別為:
定義信號能被正確接收的信噪比門限為SNRth,假設(shè)節(jié)點S或R發(fā)送數(shù)據(jù)時,與節(jié)點S或R距離為r的其它節(jié)點同時在發(fā)送數(shù)據(jù),節(jié)點S或R發(fā)送的數(shù)據(jù)能被節(jié)點R或S正確接收的條件是:
定義滿足上述條件的r的最小值為沖突距離Rco,即有
以節(jié)點S或R為圓心,Rco為半徑的圓內(nèi)區(qū)域即為節(jié)點S或R的沖突干擾范圍,SNRth取一定值時,沖突距離與鏈路收發(fā)節(jié)點間的距離dSR成正比,當(dāng)dSR較小時,節(jié)點的Rco會小于Rdo;dSR較大時,節(jié)點的Rco會大于Rdd,甚至大于節(jié)點的Rdocs,背景業(yè)務(wù)干擾對目標鏈路(S,R)可用帶寬的具體影響如下:
(1)發(fā)送節(jié)點S檢測到信道忙而不能發(fā)送RTS幀
本發(fā)明判定某一天線波束上的噪聲功率小于或等于信號接收門限即認為該天線波束方向上信道可用,而按照定向信道接入控制協(xié)議的規(guī)約,發(fā)送節(jié)點發(fā)送波束物理層狀態(tài)不為空閑時不能發(fā)送RTS幀,因而需要將因為信道忙而不能發(fā)送RTS幀的時間從節(jié)點發(fā)送可用時長中去除,節(jié)點發(fā)送波束的物理層不為空閑是因為區(qū)域S1內(nèi)有節(jié)點向節(jié)點S所在的方向發(fā)送數(shù)據(jù),一個觀測周期T內(nèi),設(shè)節(jié)點S處于全向偵聽狀態(tài)時,區(qū)域S1內(nèi)的節(jié)點向節(jié)點S所在的方向發(fā)送數(shù)據(jù)的總時間為T1,此時,節(jié)點S的發(fā)送天線波束方向上的噪聲功率滿足:
Pcsth<Pnoise<Prxth (10)
下面將定向鏈路可用時長TL(i,j)用前文所述的鏈路可用時長TL表示,為了計算T1對TL造成浪費的概率,先將T1和TL歸一化處理,得到歸一化的時長x1和xa,其值分別為T1/T和TL/T,定義定向鏈路(S,R)在一次數(shù)據(jù)傳輸中RTS幀的傳輸時間在總傳輸時間中所占的比率k1為tRTS/t,則k1·xa可視為鏈路(S,R)用于傳輸RTS幀的歸一化時間,根據(jù)統(tǒng)計得到的T1的大小,發(fā)送節(jié)點S檢測信道忙而不能發(fā)送RTS幀可以分為以下兩種情形:
情形1:x1>(1-k1·xa)
k1·xa結(jié)束于最后的(1-x1)時間段內(nèi),將(1-x1)時間段劃分為N等份,x1結(jié)束于其中的任意一份的概率為1/N,設(shè)x1結(jié)束于(1-x1)的第i份,則發(fā)送節(jié)點S檢測信道忙而不能發(fā)送RTS幀的概率p1表示為:
情形2:x1≤(1-k1·xa)
根據(jù)x1是否結(jié)束于最后的k1·xa時間段將此情形進一步劃分為(a)和(b)兩類子情形,情形2(a)中,x1結(jié)束于最后的k1·xa時間段內(nèi),類似情形1中的計算,概率pa1表示為:
情形2(b)中,x1結(jié)束于(1-k1·xa)時間段內(nèi),概率pb1計算為:
結(jié)合子情況(a)和(b),情形2中的概率p1可表示為:
基于以上分析,綜合情形1和2,節(jié)點S檢測信道忙而不能發(fā)送RTS幀的概率p1為:
(2)接收節(jié)點R全向接收RTS幀沖突
全向接收沖突功率門限Pdoco為:
定向接收沖突功率門限Pddco為:
接收節(jié)點R全向接收RTS幀時,區(qū)域S2內(nèi)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)會造成節(jié)點R接收RTS幀沖突,記節(jié)點R在全向偵聽過程中,偵聽到信號的接收功率大于全向沖突功率門限的總時長為T2,其歸一化值x2為T2/T,由于區(qū)域S2包含了區(qū)域S5,而區(qū)域S5內(nèi)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致R接收RTS幀或者DATA幀沖突,為了區(qū)分這兩種沖突,將tRTS/(tRTS+tDATA)和tDATA/(tRTS+tDATA)分別作為區(qū)域S5內(nèi)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致RTS幀和DATA幀沖突的比率,記以節(jié)點R為圓心,沖突距離Rco為半徑的圓的面積為S(Rco),將引起RTS幀沖突的節(jié)點所在區(qū)域在S(Rco)中所占比例與x2的乘積作為接收節(jié)點R全向接收RTS幀沖突的概率p2,則p2可以表示為:
(3)接收節(jié)點R接收完RTS幀時由于信道忙而放棄應(yīng)答CTS幀
節(jié)點R接收完RTS幀時,判斷信道空閑才能應(yīng)答CTS幀,節(jié)點R接收完節(jié)點S發(fā)送的RTS幀時,如果位于S3區(qū)域內(nèi)的節(jié)點恰好在向節(jié)點R所在的方向發(fā)送數(shù)據(jù),則節(jié)點R將判斷信道忙而放棄應(yīng)答CTS幀,節(jié)點S因接收不到CTS幀而重傳,導(dǎo)致鏈路可用時長的浪費;
設(shè)區(qū)域S3內(nèi)的節(jié)點向節(jié)點R所在的方向發(fā)送數(shù)據(jù)的總時長為T3,其歸一化值x3為T3/T,區(qū)域S3內(nèi)的節(jié)點向節(jié)點R所在的方向發(fā)送數(shù)據(jù)時,節(jié)點R偵聽到的噪聲功率滿足Pcsth<Pnoise<Prxth,將RTS幀接收結(jié)束時刻與x3作比較,得到類似情況(1)中的三種情形,情形1中x3開始于最初的(1-x3)時間段,情形2(a)中x3開始于最初的k1·xa時間段,情形2(b)中x3開始于(1-k1·xa)時間段,只需將T3替換(15)式中的T1便可得到接收節(jié)點R接收完RTS幀時由于信道忙而放棄應(yīng)答CTS幀的概率p3:
(4)發(fā)送節(jié)點S定向接收CTS幀沖突
設(shè)A6表示發(fā)送節(jié)點S發(fā)送波束和接收節(jié)點R接收波束共同覆蓋的區(qū)域,則區(qū)域A6內(nèi)的節(jié)點在目標鏈路(S,R)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸時,在與節(jié)點S和R相對的波束上會一直處于接收狀態(tài),不會對節(jié)點S或R的傳輸造成干擾,區(qū)域S4內(nèi)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)會造成節(jié)點S接收CTS幀或ACK幀沖突,結(jié)合沖突距離Rco,S4可以表示為:
其中,m是節(jié)點天線波束數(shù)量;
當(dāng)Rco<Rdo時,區(qū)域S4內(nèi)存在由于偵聽不到節(jié)點S發(fā)送的RTS幀和DATA導(dǎo)致“定向隱終端,,問題的節(jié)點;當(dāng)Rco>Rdo時,接收節(jié)點R接收波束傳輸范圍覆蓋的除A6外的區(qū)域內(nèi)存在由于偵聽不到節(jié)點S發(fā)送的RTS幀和DATA幀導(dǎo)致“定向隱終端,,問題的節(jié)點,接收節(jié)點R接收波束傳輸范圍外物理載波檢測范圍內(nèi)的區(qū)域內(nèi)存在由于增益不對稱導(dǎo)致“定向隱終端”問題的節(jié)點,記節(jié)點S全向偵聽過程中發(fā)送波束上噪聲功率大于定向沖突功率門限Pddco的信號持續(xù)總時長為T4,由于S4包含了CTS幀和ACK幀沖突,因而將tCTS/(tCTS+tACK)和tACK/(tCTS+tACK)分別作為區(qū)域S4內(nèi)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致CTS幀和ACK幀沖突的比率,可以得到發(fā)送節(jié)點S定向接收CTS幀沖突的條件概率為:
(5)接收節(jié)點R定向接收DATA幀沖突
與CTS幀和ACK幀沖突類似,區(qū)域S5內(nèi)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)會導(dǎo)致節(jié)點R接收DATA幀沖突,且有S5=S4,記節(jié)點R全向偵聽過程中接收波束上噪聲功率大于定向沖突功率門限信號發(fā)送的總時長為T5,則接收節(jié)點R定向接收DATA幀沖突的概率為:
(6)發(fā)送節(jié)點S定向接收ACK幀沖突
根據(jù)情況(4)的分析,可以直接得到發(fā)送節(jié)點S定向接收ACK幀沖突的概率p6:
(7)接收節(jié)點R參與背景業(yè)務(wù)導(dǎo)致的“聾”問題
節(jié)點S向節(jié)點R發(fā)送RTS幀時,如果節(jié)點R正在參與其它天線波束方向上的通信,無法應(yīng)答CTS幀,節(jié)點S則重傳RTS幀,造成鏈路可用時長的浪費,記節(jié)點R參與其它天線波束方向上通信的總時長為T7,設(shè)節(jié)點R第i個天線波束方向上定向發(fā)送的總時間為Tsd[i],定向接收的總時間為Trd[i],則T7可以表示為:
其中,j表示節(jié)點R接收節(jié)點S發(fā)送的信號時的接收波束,節(jié)點“聾”問題導(dǎo)致鏈路可用時長損耗的概率p7為:
上述七種情況降低了定向鏈路的可用帶寬,通過去除這七種情況浪費的鏈路可用時長,可以得到一個觀測周期T內(nèi)定向鏈路的可用帶寬修正值: