一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法及系统与流程

本发明涉及一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，属于卫星通信领域。

背景技术：

自组网是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，网络的信息交换采用计算机网络中的分组交换机制，用户终端是可以移动的便携式终端，自组网中每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。作为主机，终端需要运行各种面向用户的应用程序，如编辑器、浏览器等；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据分组的转发和路由维护工作，故要求节点实现合适的路由协议。自组网路由协议的目标是快速、准确和高效，要求在尽可能短的时间内查找到准确可用的路由信息，并能适应网络拓扑的快速变化，同时减小引入的额外时延和维护路由的控制信息，降低路由协议的开销，以满足移动终端计算能力、储存空间以及电源等方面的限制。

现有的功率控制协议的算法通常由通信网络选择一个合适的发送功率值为节省网络资源，并没有考虑到网络中不同节点之间的距离远近造成的影响，造成了网络资源的浪费，同时降低了网络性能。

技术实现要素：

发明目的：提供一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，以解决现有技术存在的上述不足。进一步目的是提供一种实现上述方法的系统。

技术方案：一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，包括以下步骤：

步骤1、功率控制mac协议：通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；

步骤2、估算步骤1中功率控制mac协议过程对网络性能的影响；

步骤3、在异构功率网络条件下，对收发节点采用不同功率水平传输数据分组并建模，基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能；

步骤4、将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，将二维随机退避算法结合载波检测多地址接入机制和四向握手模式，重新回引到步骤1中，改变收发节点的功率。

在进一步的实施例中，所述步骤1进一步包括：

步骤1-1、系统判断节点在不需要发送数据包或者网络共享信道处于被占用状态时，自动关闭节点的无线网络接口，使得节点进入功率节省模式；

步骤1-2、节点在控制信号上给接收节点发送一个rts帧，当节点接收到该rts帧则以一个cts帧作为应答帧发送回原节点；

步骤1-3、节点接收到cts应答帧后在数据信道上发送data数据帧，与此同时接收节点在控制信道发送一个包含数据分组的标注信号，相邻节点接收到该标注信号后根据信号里的发射分组结束时间进入睡眠状态；

步骤1-4、相邻节点的睡眠状态结束后，分为两种情况：若相邻节点监听数据信道仍然有节点正在发送标注信号，则由相邻的节点在控制信道重新发送一个新的rts帧，接收节点接收到相邻节点发送的rts帧后以一个包含数据分组的标注信号应答，再次告知相邻节点的睡眠时间；若相邻节点在唤醒后信道空闲，则重新进入活跃状态。

在进一步的实施例中，所述步骤2进一步包括：

根据信号中噪声干扰情况、节点自身信噪比阈值、节点干扰情况考虑最佳发射功率，以确保接收节点可以正确接收到数据分组，其中：

信噪比阈值的计算公式如下：

式中，表示发送节点，表示接收节点，表示干扰节点，表示信噪比阈值，表示从发送节点到接收节点的信道增益，表示发送节点的发送功率值，表示干扰节点的发送功率值，表示干扰节点到接收节点的信道增益，表示调节系数；

经过信噪比阈值的计算公式变形得出发送功率的计算公式：

式中可见，发送功率值与发送节点到接收节点的信道增益成反比，与干扰节点的发送功率值、干扰节点到接收节点的信道增益成正比；当使用的发送功率越大、网络中节点产生冲突的概率越大、消耗的能量越大；当使用的发送功率越小、网络中节点产生冲突的概率越小、消耗的能量越小。

在进一步的实施例中，所述步骤3进一步包括：

步骤3-1、在异构功率网络的条件下建立三维马尔科夫链模型，对mac层进行捕获分析，建立两条链路，分别为链路1和链路2，其中链路1从节点1指向节点2，链路2从节点3指向节点4，对链路1施加的功率，对链路2施加的功率，其中；

当节点3采用功率发起传输时，节点2因超出载波检测范围而未接收到节点3的数据，此时节点2的mac层状态为空闲，则节点2接收到的是节点1的数据；

当节点3采用功率发起传输时，载波检测范围增大，此时节点2的mac层状态指示忙，则节点2无法接收到节点1的数据，检测此状态，建立冲突分析模型，根据节点的冲突概率联立计算出节点处于每种状态的概率：

式中，表示节点的接收功率，表示节点的发射功率，表示发射节点的天线高度，表示接收节点的天线高度，表示发射节点的天线增益，表示接收节点的天线增益，表示调节系数，其中t表示接收节点的接收时间，表示收发节点的距离；

根据节点的传输功率和信噪比阈值计算干扰范围半径：

式中，表示接收节点的信噪比门限，表示干扰范围半径，其它各符号含义同上；

步骤3-2、计算节点在传输rts帧的过程中收到冲突的概率：

式中，zi表示瞬时冲突区域内的节点集合，zp表示持续冲突区域内的节点集合，za表示非瞬时且非持续冲突区域内的节点集合，表示zi内节点x发送rts帧的概率，表示zp内节点y发送rts帧的概率，表示zp内节点y发送data帧的概率，表示za内节点ｚ接收rts帧的概率，表示传输rts帧所需的时间，表示平均时间间隙长度。

在进一步的实施例中，所述步骤4进一步包括：

步骤4-1、选择一个基本退避时隙作为退避基数，定义最大传输功率等级，最小传输功率等级，定义最大重传次数为n，定义竞争窗口值为cw；

步骤4-2、当节点网络层队列中有数据包发送，首先判断信号是否空闲并且节点是否为首次发送，若判断为真，则节点选择最大传输功率发送此数据包；若判断为假，则节点选择最大传输功率发送此数据包；

步骤4-3、判断节点网络层队列中下一个待发送数据包的目的地址和上一个已经发送成功的数据包的目的地址是否相同，若相同，则把节点的发送功率设为上一个数据包的发送功率；若不相同，则把发送功率设为最大传输功率；

步骤4-4、当节点的重传次数超过定义的最大重传次数的阈值后，节点丢弃数据包；

步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-5，当第i个数据包发送成功后，判断网络层队列中是否还有其它数据包需要发送，若存在第i+1个数据包需要发送，则判断第i+1个数据包的目的地址与第i个数据包的目的地址是否相同，若相同，则把第i+1个数据包的发送功率和竞争窗口值设为、；若不相同，则设置此数据包的发送功率为。

一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，包括以下模块：

用于功率控制mac协议的第一模块；

用于评估功率控制mac协议过程对网络性能的影响的第二模块；

基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能的第三模块；

用于生成基于时间功率的二维随机退避算法的第四模块。

在进一步的实施例中，所述第一模块进一步用于通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；系统判断节点在不需要发送数据包或者网络共享信道处于被占用状态时，自动关闭节点的无线网络接口，使得节点进入功率节省模式；节点在控制信号上给接收节点发送一个rts帧，当节点接收到该rts帧则以一个cts帧作为应答帧发送回原节点；节点接收到cts应答帧后在数据信道上发送data数据帧，与此同时接收节点在控制信道发送一个包含数据分组的标注信号，相邻节点接收到该标注信号后根据信号里的发射分组结束时间进入睡眠状态；相邻节点的睡眠状态结束后，分为两种情况：若相邻节点监听数据信道仍然有节点正在发送标注信号，则由相邻的节点在控制信道重新发送一个新的rts帧，接收节点接收到相邻节点发送的rts帧后以一个包含数据分组的标注信号应答，再次告知相邻节点的睡眠时间；若相邻节点在唤醒后信道空闲，则重新进入活跃状态；

所述第二模块进一步用于根据信号中噪声干扰情况、节点自身信噪比阈值、节点干扰情况考虑最佳发射功率，以确保接收节点可以正确接收到数据分组，其中：

信噪比阈值的计算公式如下：

式中，表示发送节点，表示接收节点，表示干扰节点，表示信噪比阈值，表示从发送节点到接收节点的信道增益，表示发送节点的发送功率值，表示干扰节点的发送功率值，表示干扰节点到接收节点的信道增益，表示调节系数；

经过信噪比阈值的计算公式变形得出发送功率的计算公式：

式中可见，发送功率值与发送节点到接收节点的信道增益成反比，与干扰节点的发送功率值、干扰节点到接收节点的信道增益成正比；当使用的发送功率越大、网络中节点产生冲突的概率越大、消耗的能量越大；当使用的发送功率越小、网络中节点产生冲突的概率越小、消耗的能量越小；

所述第三模块进一步用于在异构功率网络条件下，对收发节点采用不同功率水平传输数据分组并建模，基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能：在异构功率网络的条件下建立三维马尔科夫链模型，对mac层进行捕获分析，建立两条链路，分别为链路1和链路2，其中链路1从节点1指向节点2，链路2从节点3指向节点4，对链路1施加的功率，对链路2施加的功率，其中；

当节点3采用功率发起传输时，节点2因超出载波检测范围而未接收到节点3的数据，此时节点2的mac层状态为空闲，则节点2接收到的是节点1的数据；

当节点3采用功率发起传输时，载波检测范围增大，此时节点2的mac层状态指示忙，则节点2无法接收到节点1的数据，检测此状态，建立冲突分析模型，根据节点的冲突概率联立计算出节点处于每种状态的概率：

式中，表示节点的接收功率，表示节点的发射功率，表示发射节点的天线高度，表示接收节点的天线高度，表示发射节点的天线增益，表示接收节点的天线增益，表示调节系数，其中t表示接收节点的接收时间，表示收发节点的距离；

根据节点的传输功率和信噪比阈值计算干扰范围半径：

式中，表示接收节点的信噪比门限，表示干扰范围半径，其它各符号含义同上；

计算节点在传输rts帧的过程中收到冲突的概率：

式中，zi表示瞬时冲突区域内的节点集合，zp表示持续冲突区域内的节点集合，za表示非瞬时且非持续冲突区域内的节点集合，表示zi内节点x发送rts帧的概率，表示zp内节点y发送rts帧的概率，表示zp内节点y发送data帧的概率，表示za内节点ｚ接收rts帧的概率，表示传输rts帧所需的时间，表示平均时间间隙长度；

所述第四模块进一步用于将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，将二维随机退避算法结合载波检测多地址接入机制和四向握手模式，重新回引到第一模块中，改变收发节点的功率：选择一个基本退避时隙作为退避基数，定义最大传输功率等级，最小传输功率等级，定义最大重传次数为n，定义竞争窗口值为cw；当节点网络层队列中有数据包发送，首先判断信号是否空闲并且节点是否为首次发送，若判断为真，则节点选择最大传输功率发送此数据包；若判断为假，则节点选择最大传输功率发送此数据包；判断节点网络层队列中下一个待发送数据包的目的地址和上一个已经发送成功的数据包的目的地址是否相同，若相同，则把节点的发送功率设为上一个数据包的发送功率；若不相同，则把发送功率设为最大传输功率；当节点的重传次数超过定义的最大重传次数的阈值后，节点丢弃数据包；当第i个数据包发送成功后，判断网络层队列中是否还有其它数据包需要发送，若存在第i+1个数据包需要发送，则判断第i+1个数据包的目的地址与第i个数据包的目的地址是否相同，若相同，则把第i+1个数据包的发送功率和竞争窗口值设为、；若不相同，则设置此数据包的发送功率为。

有益效果：本发明提出了一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法及系统，针对异构功率网络条件下的无线自组网进行建模，通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；解决了网络中不同节点之间的距离远近造成的影响；将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，充分利用了网络资源的并发性能，排除了mac层捕获和冲突干扰的问题。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明中基于时间功率的二维随机退避算法的工作流程图。

图3为本发明中对mac层进行捕获分析建立三维马尔科夫链模型的示意图。

具体实施方式

申请人认为，现有的功率控制协议的算法通常由通信网络选择一个合适的发送功率值为节省网络资源，并没有考虑到网络中不同节点之间的距离远近造成的影响，造成了网络资源的浪费，同时降低了网络性能。

为此，本发明提出了一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，针对异构功率网络条件下的无线自组网进行建模，通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；解决了网络中不同节点之间的距离远近造成的影响；将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，充分利用了网络资源的并发性能，排除了mac层捕获和冲突干扰的问题。

下面通过实施例，并结合相应附图，对本发明的技术方案做进一步说明。

一种基于卫星通信的无线自组网及功率二维随机退避方法，包括以下步骤：

步骤1、功率控制mac协议：通过周期性的开关节点的无线网络接口，切换节点的工作模式，改变收发节点的功率水平以减少节点间的碰撞；

步骤1-1、系统判断节点在不需要发送数据包或者网络共享信道处于被占用状态时，自动关闭节点的无线网络接口，使得节点进入功率节省模式；

步骤1-2、节点在控制信号上给接收节点发送一个rts帧，当节点接收到该rts帧则以一个cts帧作为应答帧发送回原节点；

步骤1-3、节点接收到cts应答帧后在数据信道上发送data数据帧，与此同时接收节点在控制信道发送一个包含数据分组的标注信号，相邻节点接收到该标注信号后根据信号里的发射分组结束时间进入睡眠状态；

步骤1-4、相邻节点的睡眠状态结束后，分为两种情况：若相邻节点监听数据信道仍然有节点正在发送标注信号，则由相邻的节点在控制信道重新发送一个新的rts帧，接收节点接收到相邻节点发送的rts帧后以一个包含数据分组的标注信号应答，再次告知相邻节点的睡眠时间；若相邻节点在唤醒后信道空闲，则重新进入活跃状态。

步骤2、估算步骤1中功率控制mac协议过程对网络性能的影响；

步骤2-1、根据信号中噪声干扰情况、节点自身信噪比阈值、节点干扰情况考虑最佳发射功率，以确保接收节点可以正确接收到数据分组，其中：

信噪比阈值的计算公式如下：

式中，表示发送节点，表示接收节点，表示干扰节点，表示信噪比阈值，表示从发送节点到接收节点的信道增益，表示发送节点的发送功率值，表示干扰节点的发送功率值，表示干扰节点到接收节点的信道增益，表示调节系数；

经过信噪比阈值的计算公式变形得出发送功率的计算公式：

式中可见，发送功率值与发送节点到接收节点的信道增益成反比，与干扰节点的发送功率值、干扰节点到接收节点的信道增益成正比；当使用的发送功率越大、网络中节点产生冲突的概率越大、消耗的能量越大；当使用的发送功率越小、网络中节点产生冲突的概率越小、消耗的能量越小。

步骤3、在异构功率网络条件下，对收发节点采用不同功率水平传输数据分组并建模，基于网络拓扑结构的连通性和并发性考虑网络的整体性能；

步骤3-1、在异构功率网络的条件下建立三维马尔科夫链模型，对mac层进行捕获分析，建立两条链路，分别为链路1和链路2，其中链路1从节点1指向节点2，链路2从节点3指向节点4，对链路1施加的功率，对链路2施加的功率，其中；

当节点3采用功率发起传输时，节点2因超出载波检测范围而未接收到节点3的数据，此时节点2的mac层状态为空闲，则节点2接收到的是节点1的数据；

当节点3采用功率发起传输时，载波检测范围增大，此时节点2的mac层状态指示忙，则节点2无法接收到节点1的数据，检测此状态，建立冲突分析模型，根据节点的冲突概率联立计算出节点处于每种状态的概率：

式中，表示节点的接收功率，表示节点的发射功率，表示发射节点的天线高度，表示接收节点的天线高度，表示发射节点的天线增益，表示接收节点的天线增益，表示调节系数，其中t表示接收节点的接收时间，表示收发节点的距离；

根据节点的传输功率和信噪比阈值计算干扰范围半径：

式中，表示接收节点的信噪比门限，表示干扰范围半径，其它各符号含义同上；

步骤3-2、计算节点在传输rts帧的过程中收到冲突的概率：

式中，zi表示瞬时冲突区域内的节点集合，zp表示持续冲突区域内的节点集合，za表示非瞬时且非持续冲突区域内的节点集合，表示zi内节点x发送rts帧的概率，表示zp内节点y发送rts帧的概率，表示zp内节点y发送data帧的概率，表示za内节点ｚ接收rts帧的概率，表示传输rts帧所需的时间，表示平均时间间隙长度。

步骤4、将二进制指数退避算法与功率退避算法融合，生成基于时间功率的二维随机退避算法，将二维随机退避算法结合载波检测多地址接入机制和四向握手模式，重新回引到步骤1中，改变收发节点的功率；

步骤4-1、选择一个基本退避时隙作为退避基数，定义最大传输功率等级，最小传输功率等级，定义最大重传次数为n，定义竞争窗口值为cw；

步骤4-2、当节点网络层队列中有数据包发送，首先判断信号是否空闲并且节点是否为首次发送，若判断为真，则节点选择最大传输功率发送此数据包；若判断为假，则节点选择最大传输功率发送此数据包；

步骤4-3、判断节点网络层队列中下一个待发送数据包的目的地址和上一个已经发送成功的数据包的目的地址是否相同，若相同，则把节点的发送功率设为上一个数据包的发送功率；若不相同，则把发送功率设为最大传输功率；

步骤4-4、当节点的重传次数超过定义的最大重传次数的阈值后，节点丢弃数据包；

步骤4-5、重复步骤4-1至步骤4-5，当第i个数据包发送成功后，判断网络层队列中是否还有其它数据包需要发送，若存在第i+1个数据包需要发送，则判断第i+1个数据包的目的地址与第i个数据包的目的地址是否相同，若相同，则把第i+1个数据包的发送功率和竞争窗口值设为、；若不相同，则设置此数据包的发送功率为。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。