一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法
【专利摘要】本发明公开了一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法。该方法首先构建了航空自组织网络节点移动模型，移动模型由七个状态组成：加速起飞、等速上升、平稳飞行、转弯、等速下降、减速停止和静止；其次根据上述移动模型中节点在各个状态的运动特征，确定在各个状态中的节点运动速率概率密度函数，以及节点之间相对速率的概率密度函数；然后在此基础上，结合移动节点之间的距离，以及节点相对运动方向信息，确定无线链路持续时间的分布函数；最后根据链路持续时间分布函数得出多跳无线链路的稳定性因子。飞机节点可将链路稳定性因子作为路由选择的重要依据，从而为航空自组织网络建立稳定性高的无线传输链路。QualNet仿真环境中的仿真实验证明了该方法的有效性。
【专利说明】一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线网络领域，特别涉及航空自组织网络无线链路稳定性预测方法。【背景技术】
[0002]无线自组织网络(Wireless Ad hoc Networks)是一种不依赖于固定基础设施的新型无线通信网络，它由一组带有无线收发装置的移动节点组成，组网快速灵活、可靠性高。网络中的每个节点既是终端又是路由器，能够转发来自网络中其它节点的数据包。节点开机后即可在分层的网络协议控制下以多跳自组织的方式快速组网，当部分节点出现故障或被摧毁而停止工作后，整个网络的运行不会受到影响，因而网络具有很强的抗毁性和自愈能力。
[0003]近年来，无线自组织网络已经成为了一种重要的无线组网方式，在民用和军事领域均得到了广泛的应用。航空自组织网络(Aeronautical Ad hoc Networks, AANET)是无线自组织网络技术在航空多平台组网中应用的产物。在民用领域，航空自组织网络代替高成本、大时延的宽带通信卫星，成为了未来宽带多媒体航空通信的新选择。研究人员提出，在飞行的客机之间构建自组织网络，可以以多跳转发的方式建立飞机与地面基站之间的通信链路，为乘客在旅途中提供廉价、低时延的空中宽带因特网接入服务。
[0004]航空自组织网络中的飞机节点高速移动(巡航速度一般在700km / h至1000km /h之间)，网络拓扑快速变化，因而飞机节点间的无线传输链路频繁断裂。当多跳传输路径中的任何一跳链路断裂时，飞机节点则必须启动路由发现过程，寻找其他可用的传输路径。大量的路由发现过程极大的消耗了网络带宽资源，引起网络拥塞和数据报文传输延时增大，并最终导致网络总体性能的严重下降。因此，在航空自组织网络路由协议的设计中，必须考虑到节点间无线链路的持续时间，从而通过路由发现寻找稳定性高的无线传输链路，减轻网络拓扑变化对网络总体性能的影响。
[0005]由上述分析可知，飞机节点间无线链路稳定性的预测对提升航空自组织网络的整体性能具有十分重要的意义。现有的无线链路稳定性预测方法大致可以分为三类:基于接收信号功率的链路稳定性预测方法、基于节点位置移动(几何特征)的链路稳定性预测方法和基于概率估计理论的链路稳定性预测方法。基于接收信号功率的链路稳定性预测方法的基本原理是:当节点发送数据包时，无线信号功率在传输过程中随传输距离的增大而不断衰减。邻居节点接收到该信号后，根据接收信号功率和路径损耗模型估算与发送节点之间的距离，并根据该距离来更新与发送节点之间的链路状态信息。该方法简单直观，但在实际环境中，无线信号的传播可能受到大气、云雨、复杂地形等多方面因素的影响，通过上述方法估算得到的发送节点和接收节点之间的距离不可避免地出现偏差，进而影响到最终的路由选择策略。
[0006]基于节点位置移动的链路稳定性预测的基本原理是:根据已有的节点位置、速度、方向等运动信息，推导得到链路状态变化的信息。基于节点位置移动的链路稳定性预测又主要分为两种。第一种是基于链路持续时间预测(Prediction based,PBR),该协议对链路生存时间的预测方法如下:给定两个移动节点i和j，定义他们之间的距离为|du|，相应的移动速度分别为Vi和Vj，通信距离为R，并定义s用来区分同向运动还是反向运动，两节点间的垂直宽度为《，由此推导得到两个移动节点i和j之间链路持续时间的预测值。这种预测方法仅仅考虑的是节点运动方向相同或相反的情况，无法解决两节点运动方向不在同一条直线上时的问题。并且此算法仅仅考虑的是节点的匀速直线运动，因此无法解决航空自组织网络中节点的加速、减速、转弯等问题。第二种是基于多普特频移的预测(MultipathDoppler Routing Algorithm，MUDOR)，多普勒频移是MUDOR协议考虑的关键因素。相对速度和多普勒频移间的关系为V = c (Hftl-1),其中c是光速，f是期望频率，&是观察频率。当期望频率小于观测频率时，用于反映链路损耗的多普勒值(Doppler Value,DV)定义为-C (Hftl-1)，否则定义为+2c (Hftl-1)。多普勒值越小，链路稳定性越好。MUDOR算法既不需要GPS设备的支撑也无需考虑接收信号的衰减模型是否可靠。但是，由于仅仅考虑相对速率的影响，而完全忽略了链路建立时刻节点间的初始距离。因而，它只能对链路特性进行定性预测，而无法得到准确的链路持续时间的预测值。
[0007]基于概率估计理论的链路稳定性预测方法为:对于任意两个移动节点I和2，将节点I的通信距离等分为η段，每段分别代表一个状态Si,令状态Sn+1表示吸收状态，代表节点I通信范围以外的区域，Pij表示节点2由状态Si经过单位时间后运动到状态Sj的概率，定义一步转移概率矩阵P= PijIao' e [l，n+l]。&(O)表示通信初始时刻节点2处于状
态31的概率，定义节点2的初始距离分布矩阵;r(0)=|'(0)| i e [l，n+l]，由此可以得出链
路有效性和链路持续时间的概率密度函数，据此分析链路稳定性。由于此方法中一步转移概率矩阵是固定不变的，因此，此方法分析得到的链路稳定性只与节点初始距离分布有关，而与节点初始相对速率无关。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提出一种适用于航空自组织网络的无线链路稳定性预测方法，为路由协议设计提供重要依据，减轻网络拓扑变化对网络总体性能的影响。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是:
[0009]步骤1:构建航空自组织网络节点移动模型，移动模型由七个状态组成:加速起飞、等速上升、平稳飞行、转弯、等速下降、减速停止和静止；
[0010]步骤2:根据上述移动模型中节点在各个状态的运动特征，确定在各个状态中的节点运动速率概率密度函数；
[0011]步骤3:根据节点在各个运动状态的速率概率密度函数，确定节点之间相对速率的概率密度函数；
[0012]步骤4:根据节点之间相对速率的概率密度函数，节点之间的距离，以及节点相对运动方向，确定链路持续时间的分布函数；
[0013]步骤5:根据链路持续时间分布函数计算多跳链路稳定性因子。
[0014]本发明提出的航空自组织网络的无线链路稳定性预测方法已经在QualNet4.5网络仿真环境中实现。仿真区域为10000X 10000X 1000m3，网络节点总数为100，在仿真区域随机分布。物理层采用DSSS模型，仿真时间为300s，其余仿真参数如表I所示。节点移动模型中的相关参数取值如表2所示
【权利要求】
1.一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法，所采用的步骤是: 步骤1:构建航空自组织网络节点移动模型，移动模型由七个状态组成:加速起飞、等速上升、平稳飞行、转弯、等速下降、减速停止和静止； 步骤2:根据上述移动模型中节点在各个状态的运动特征，确定在各个状态中的节点运动速率概率密度函数； 步骤3:根据节点在各个运动状态的速率概率密度函数，确定节点之间相对速率的概率密度函数； 步骤4:根据节点之间相对速率的概率密度函数，节点之间的距离，以及节点相对运动方向，确定链路持续时间的分布函数； 步骤5:根据链路持续时间分布函数计算多跳链路稳定性因子。
2.根据权利要求1所述的一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法，其特征在于航空自组织网络节点移动模型的具体构建方法为: 飞机节点从加速起飞阶段开始，当速度加速到给定值后，进入等速上升阶段，爬升至规定飞行高度后，飞机将开始巡航飞行(平稳飞行)；在飞行中，如果遭遇特殊情况，如突遇雷电天气，飞机需要修改航线，此时，飞机将进入转弯阶段；转弯结束后，飞机回到正常航线，即平稳飞行状态；当即将到达目的地时，飞机进入等速下降阶段，当下降到贴近地面时，飞机进入减速停止阶段，逐渐减速直到最终停止，进入静止阶段； 各个运动状态的具体参数说明如下: (1)加速起飞阶段U阶段) 目标速率￥。e u[va,min，va,max]，持续时隙数a eu[amin，a.]，水平运动方向%EU[0, 2π]，竖直运动方向Θ a = Ji/2 ;其中U表示均匀分布；因此该阶段的加速度aa为:
3.根据权利要求1所述的一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法，其特征在于各个状态中节点运动速率概率密度函数的具体确定方法为: 对于等速上升、平稳飞行、转弯和等速下降这四个阶段，由于节点运动速率均保持不变，因此节点运动速率分布应满足均匀分布，如下式:
4.根据权利要求1所述的一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法，其特征在于节点之间相对速率的概率密度函数的具体确定方法为: 假设任意选择的两个移动节点的速度分别为Vp V2,则这两个移动节点的相对速度V'= V1-V2,夹角 ω e [O, 31 ]，设 Vl、V2、V'的模分别为 Vp v2、V',则有
V1=^Jvi2 +V22 -1V1V2 COS W, 'V12+V22-V'2(6) w = arccos —---.2v,v2 由于V1、V2、ω是相互独立的，所以，V1、V2、ω的联合概率密度函数可以写为
5.根据权利要求1所述的一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法，其特征在于节点之间无线链路持续时间分布函数的具体确定方法为: 考虑节点I与节点2之间的无线链路，以节点2作为参考节点，节点I与节点2的距离为Cltl，两节点相对运动速度V'的方向与Cltl之间的夹角为0，R为节点传输距离；运用几何知识，得到链路持续时间的分布函数
6.根据权利要求1所述的一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法，其特征在于节点之间无线链路持续时间分布函数的具体确定方法为: 考虑节点I与节点2之间的无线链路，以节点2作为参考节点，节点I与节点2的距离为Cltl，两节点相对运动速度V的方向与Cltl之间的夹角为Θ，R为节点传输距离；节点I与节点2之间无线链路的持续时间T12为
【文档编号】H04W84/18GK103428747SQ201310397888
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】雷磊, 王丹, 罗诚, 王成华, 张雅静, 朱马君, 朱明 , 李晶 申请人:南京航空航天大学