[发明专利]一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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|d_ij|，相应的移动速度分别为v_i和v_j，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w，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(Multipath Doppler 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(flf₀-1)，其中c是光速，f是期望频率，f₀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(flf₀-1)，否则定义为+2c(flf₀-1)。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。