一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)重構(gòu)的方法
【專利摘要】發(fā)明屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)重構(gòu)的方法，步驟如下：(S1)對中心控制器AP進(jìn)行故障檢測，當(dāng)周圍節(jié)點(diǎn)檢測到AP發(fā)生故障后，節(jié)點(diǎn)自發(fā)構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；(S2)在自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，發(fā)送節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，若直傳鏈路斷裂，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)主動尋找一個節(jié)點(diǎn)用作協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，傳輸完畢則構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；若鏈路沒有斷裂，則保持自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；(S3)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)以及數(shù)據(jù)發(fā)送完畢的節(jié)點(diǎn)檢測AP是否恢復(fù)，若恢復(fù)，重新構(gòu)建集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，返回(S1)；若未恢復(fù)，則保持自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，返回(S2)，本發(fā)明能有效增強(qiáng)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜多變通信環(huán)境下的生存能力。
【專利說明】
一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)重構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在認(rèn)知無線網(wǎng)下的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)重構(gòu)方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)將認(rèn)知無線電融入到傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中，使無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有動態(tài)感知和使用網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的空閑頻譜的能力，解決了頻譜資源稀缺和分配問題，從而提高網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率。同時，協(xié)同通信技術(shù)融合了分集和中繼的優(yōu)點(diǎn)，將其引入認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)剐诺浪ヂ洌瑥亩行岣邆鬏斁嚯x和傳輸速率。
[0003]認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般分為集中控制式和分布式，其中分布式中比較典型的兩種是自組織和協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。集中控制式網(wǎng)絡(luò)中的中心控制器(Access Point，簡稱AP) 控制所有節(jié)點(diǎn)的通信，因而管理高效，但網(wǎng)絡(luò)過于依賴AP使得其成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)可以互相直接通信而不受AP控制，因此更加靈活穩(wěn)健，但通信距離受發(fā)送功率限制，而協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以解決節(jié)點(diǎn)間因距離遠(yuǎn)或障礙物遮擋所造成的直傳鏈路斷裂問題，提高網(wǎng)絡(luò)連通性，但通信協(xié)議開銷較大。因此，三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)各具優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三者之間的自適應(yīng)重構(gòu)將提高認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜多變通信環(huán)境下的生存能力。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決了現(xiàn)有認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)工作在固定結(jié)構(gòu)導(dǎo)致靈活性低、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)力不足的問題，同時保證了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜多變通信環(huán)境下的連通性和較小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)切換時間。以提高認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜多變通信環(huán)境下的抗干擾和抗毀能力為目標(biāo)，使認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在集中控制式、自組織和協(xié)同中繼三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間靈活自主切換，本發(fā)明提供了一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)重構(gòu)的方法，保證了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多變環(huán)境下的連通性，即網(wǎng)絡(luò)即使在AP發(fā)生故障或者直傳鏈路斷裂的情況下也能通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的切換而繼續(xù)工作，具有一定的抗毀性。同時，本發(fā)明在保證網(wǎng)絡(luò)連通性的條件下，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)切換時間在可接受范圍內(nèi)，保證了服務(wù)質(zhì)量。
[0005]本發(fā)明基于以下常用且切合實(shí)際的假設(shè):(1)整個系統(tǒng)的工作頻帶被劃分成M個帶寬相同且互不重疊的子信道，表示為chl、ch2、…、chM;M為自然數(shù)；(2)存在一個公共控制信道chO總是通暢的；(3)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均配備單個半雙工收發(fā)器且具有頻譜感知功能。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0006]—種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)重構(gòu)的方法，初始時認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)工作在集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具體包括以下步驟:
[0007](S1)對中心控制器(簡稱AP)進(jìn)行故障檢測，當(dāng)周圍節(jié)點(diǎn)檢測到AP發(fā)生故障后，節(jié)點(diǎn)自發(fā)構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);否則，繼續(xù)工作在集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
[0008](S2)在自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，有數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，期間判斷直傳鏈路是否斷裂，若直傳鏈路斷裂，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)主動尋找一個節(jié)點(diǎn)用作協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢，則重新構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);若在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，直傳鏈路沒有斷裂，則保持自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
[0009](S3)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)以及數(shù)據(jù)發(fā)送完畢的節(jié)點(diǎn)檢測AP是否恢復(fù)，若恢復(fù)，重新構(gòu)建集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，返回步驟(S1);若AP未恢復(fù)，節(jié)點(diǎn)保持自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，返回步驟(S2)。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟(S1)中對中心控制器(AP)進(jìn)行故障檢測采用的算法為:AP每to 秒周期性地廣播Hello數(shù)據(jù)包向周圍節(jié)點(diǎn)宣告自己的存在，同時廣播指令，若周圍節(jié)點(diǎn)在 N ? to秒時間內(nèi)既沒有收到He 11〇數(shù)據(jù)包(N表示次數(shù)，取值為自然數(shù))，也沒有收到指令，則認(rèn)為AP發(fā)生故障;所述步驟(S3)中檢測AP是否恢復(fù)的算法為:若AP重新加入了網(wǎng)絡(luò)，則在自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下處于在公共控制信道chO上偵聽的節(jié)點(diǎn)又會重新收到Hello數(shù)據(jù)包，故認(rèn)為 AP恢復(fù)。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟(S2)中對直傳鏈路是否斷裂進(jìn)行檢測采用的算法為:自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的發(fā)送節(jié)點(diǎn)在公共控制信道chO無干擾的情況下，若連續(xù)發(fā)送Ntaik次RTS(Request To Send，請求發(fā)送，簡稱RTS)而收不到CTS(Clear To Send，清除發(fā)送，簡稱CTS)，則認(rèn)為與目的節(jié)點(diǎn)的鏈路斷裂，無法直傳，則兩者需要尋找一個中繼節(jié)點(diǎn)來幫助完成剩余的數(shù)據(jù)傳輸，Ntalk表示發(fā)送次數(shù)，取值為自然數(shù)。[〇〇12]為更好地理解本發(fā)明技術(shù)方案，現(xiàn)作進(jìn)一步說明:
[0013]本發(fā)明通過AP故障與恢復(fù)檢測算法和直傳鏈路斷裂檢測算法，使得認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之間自適應(yīng)地切換，從而保證網(wǎng)絡(luò)連通性和服務(wù)質(zhì)量。
[0014]在集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，AP和周圍用戶節(jié)點(diǎn)均工作在chO上，AP每to秒周期性地廣播Hello數(shù)據(jù)包向周圍節(jié)點(diǎn)宣告自己的存在，期間也可以廣播指令，同時向周圍節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)。在自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，兩節(jié)點(diǎn)間的通信分為兩個階段:1)感知和協(xié)商:發(fā)送節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)信道可用性，然后，通過在chO上與目的節(jié)點(diǎn)交換RTS/CTS(RequeSt To Send/Clear To Send，請求發(fā)送/清除發(fā)送協(xié)議)來協(xié)商數(shù)據(jù)信道;2)數(shù)據(jù)發(fā)送:發(fā)送和目的節(jié)點(diǎn)跳至選擇的數(shù)據(jù)信道上傳輸數(shù)據(jù)。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)在連續(xù)發(fā)送Npkt_retx個數(shù)據(jù)包都沒有收到ACK (Acknowledge，確認(rèn)、應(yīng)答)，則會跳至chO重新協(xié)商另外一個數(shù)據(jù)信道，NPkt_retx取值為自然數(shù)。完成數(shù)據(jù)傳輸以及空閑的節(jié)點(diǎn)會在chO上保持偵聽。協(xié)同中繼結(jié)構(gòu)下，發(fā)送節(jié)點(diǎn)向周圍鄰居節(jié)點(diǎn)廣播協(xié)同請求幀，鄰居節(jié)點(diǎn)如果探測到目的節(jié)點(diǎn)則會回復(fù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)一個確認(rèn)協(xié)同幀，至此，協(xié)同中繼鏈路成功建立。中繼節(jié)點(diǎn)將發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)放大并轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。 [〇〇15]自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的兩個節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換過程中，如果鏈路由于距離過遠(yuǎn)或者障礙物遮擋而發(fā)生斷裂，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)會主動尋找另一個節(jié)點(diǎn)用作協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)，及時構(gòu)建協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢又會重新構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。整個自適應(yīng)過程全部由用戶節(jié)點(diǎn)自主判斷與決策。
[0016]采用本發(fā)明獲得的有益效果:本發(fā)明克服了現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)工作在固定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而無法應(yīng)對設(shè)備物理故障和通信鏈路斷裂的缺點(diǎn)，提供一種能夠根據(jù)通信環(huán)境自適應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)切換從而保證網(wǎng)絡(luò)連通性和服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)方法。實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明具有可行性，能有效增強(qiáng)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜多變通信環(huán)境下的生存能力?！靖綀D說明】
[0017]圖1是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)互切換的流程圖；
[0018]圖2是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)耗時；
[0019]圖3是基于本發(fā)明的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜環(huán)境中的飽和吞吐量變化?！揪唧w實(shí)施方式】
[0020]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0021]圖1是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)互切換的流程圖。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在AP可用時處于集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)周圍節(jié)點(diǎn)(即除AP之外的其它用戶節(jié)點(diǎn))檢測到AP發(fā)生故障后，節(jié)點(diǎn)自發(fā)構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這時所有節(jié)點(diǎn)處于基于專有控制信道的多信道通信模式下，并且默認(rèn)在chO上偵聽控制幀。有數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的節(jié)點(diǎn)會在數(shù)據(jù)信道上交換數(shù)據(jù)，交換完畢后重新跳至iJchO上等待，沒有數(shù)據(jù)交換任務(wù)的節(jié)點(diǎn)會一直在chO上偵聽。各節(jié)點(diǎn)在chO上等待的過程中若檢測到AP恢復(fù)(故障消除)，則重新構(gòu)建集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的兩個節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換過程中如果鏈路發(fā)生斷裂，無法進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)會主動尋找另一個節(jié)點(diǎn)用作協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)，及時構(gòu)建協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢，又會重新回到自組織的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0022]圖2給出了兩個主要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)切換耗時經(jīng)20次測試的結(jié)果。實(shí)施例中，數(shù)據(jù)信道數(shù)M=4，to = 0 ? 5，NPkt_retx = 3，Ntaik = 3，N= 3，數(shù)據(jù)幀長度為4000B，比特速率為 1 ? 56Mb/s。由圖可得，切換耗時的理論最小值與實(shí)測最小值基本吻合，理論最小值得計(jì)算方法為現(xiàn)有技術(shù)，兩者的細(xì)微差值源于硬件的信道切換耗時；當(dāng)信道環(huán)境不穩(wěn)時，節(jié)點(diǎn)間會出現(xiàn)兩次握手的情況，因而導(dǎo)致最大耗時；集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)切換至自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平均耗時約為 2.3s，自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)切換至協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平均耗時約為2.5s。
[0023]圖3是基于本發(fā)明的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)與普通無線網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜環(huán)境中的飽和吞吐量變化對比。其中參數(shù)設(shè)置與圖2相同。從圖中可得，自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下平均吞吐量約為78KB/S， 當(dāng)直傳鏈路斷裂后(t = 10s)，基于本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)及時切換至協(xié)同中繼結(jié)構(gòu)并且吞吐量恢復(fù)為原來的一半，約為37KB/S，保持了網(wǎng)絡(luò)的連通性和生存性，而不使用本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)(普通無線網(wǎng)絡(luò))吞吐量逐漸變?yōu)榱闱覠o法重新建立數(shù)據(jù)鏈接。在協(xié)同中繼傳輸過程中，若直傳鏈路恢復(fù)，網(wǎng)絡(luò)在結(jié)束本輪圖片發(fā)送后(t = 22s)又會切換至自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一張圖片傳輸。
[0024]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)重構(gòu)的方法，其特征在于，初始時認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)工作 在集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，假設(shè):(1)整個系統(tǒng)的工作頻帶被劃分成M個帶寬相同且互不重疊 的子信道；(2)存在一個公共控制信道chO總是通暢的；(3)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均配備單個半雙工收發(fā) 器且具有頻譜感知功能;具體包括以下步驟:(51)對中心控制器(簡稱AP)進(jìn)行故障檢測，當(dāng)周圍節(jié)點(diǎn)檢測到AP發(fā)生故障后，節(jié)點(diǎn)自 發(fā)構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);否則，繼續(xù)工作在集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；(52)在自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，有數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，期間判斷直傳鏈路 是否斷裂，若直傳鏈路斷裂，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)主動尋找一個節(jié)點(diǎn)用作協(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建協(xié)同中 繼網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，一旦數(shù)據(jù)傳輸完畢，則重新構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);若在數(shù)據(jù)發(fā)送過程 中，直傳鏈路沒有斷裂，則保持自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；(53)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)以及數(shù)據(jù)發(fā)送完畢的節(jié)點(diǎn)檢測AP是否恢復(fù)，若恢復(fù)，重新構(gòu)建 集中控制式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，返回步驟(S1);若AP未恢復(fù)，節(jié)點(diǎn)保持自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，返回步驟 (S2)。2.如權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)重構(gòu)的方法，其特征在于，所述步 驟(S1)中對中心控制器進(jìn)行故障檢測采用的算法為:AP每to秒周期性地廣播Hello數(shù)據(jù)包 向周圍節(jié)點(diǎn)宣告自己的存在，同時廣播指令，若周圍節(jié)點(diǎn)在N ? to秒時間內(nèi)既沒有收到 Hel 1〇數(shù)據(jù)包，也沒有收到指令，則認(rèn)為AP發(fā)生故障，N表示次數(shù)，取值為自然數(shù)。3.如權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)重構(gòu)的方法，其特征在于:所述步 驟(S2)中對直傳鏈路是否斷裂進(jìn)行檢測采用的算法為:自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的發(fā)送節(jié)點(diǎn)在公 共控制信道chO無干擾的情況下，若連續(xù)發(fā)送Ntaik次RTS而收不到CTS，則認(rèn)為與目的節(jié)點(diǎn)的 鏈路斷裂，無法直傳，Ntalk表示發(fā)送次數(shù)，取值為自然數(shù)。4.如權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自適應(yīng)重構(gòu)的方法，其特征在于:所述步 驟(S3)中檢測AP是否恢復(fù)的算法為:若AP重新加入了網(wǎng)絡(luò)，則在自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下處于在 公共控制信道chO上偵聽的節(jié)點(diǎn)又會重新收到Hello數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為AP恢復(fù)。
【文檔編號】H04W24/08GK105959973SQ201610396798
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】趙海濤, 魏急波, 王海軍, 馬東堂, 習(xí)勇, 王杉, 黃圣春
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)