[发明专利]多波束自组织网络信道接入控制方法

权利要求书

1.一种多波束自组织网络信道接入控制方法，具有如下技术特征：针对分布式多波束场景，结合多波束的特性，利用全向网络的广播信道特点和定向网络的高带宽高指向性特点，用节点间的短报文协议交互，辅助完成定向链路上多节点的高速率并行传输；根据网内节点的空间位置以及传输需求，结合多波束的特性，在保证波束隔离、收发限制、通道限制约束条件下，利用各节点之间的空分复用，实现多个发送节点对多个接收节点的并发通信，采用常用图论算法计算各波束的信道容量；各个节点在定向链路时隙开始前，通过全向链路广播控制帧RTS，将其通信需求以及空间位置发送给簇首节点，簇首节点收到所有节点的RTS帧后，根据各节点空间位置及其通信需求建立分析模型；当网络簇首节点接收到所有其它节点的RTS帧后，运行多波束自组织网络信道接入分配算法；并基于最大独立集算法，在每个时隙内寻找最优的收发节点对集合，找出满足波束隔离限制和收发限制的多个边集合，然后，针对每个发送请求边集合，通过最大流算法找出满足通道限制的最大边集合，再进一步，根据预编码矩阵以及功率分配为每条边赋权；最后在所有边集合中，找出具有最大网络容量的边集合，该集合为下一个定向链路时隙内各个节点的信道接入分配结果，然后簇首节点将分配的结果，通过全向链路以CTS帧的形式广播给所有节点，簇首节点接收到CTS帧后，各个节点获知下一个定向链路时隙内与其对应的接收节点集合，并据此接入信道发送信息，实现多波束自组织网络中多节点同频同时的多发多收；

具体的，在定向链路的每个时隙开始之前，各节点通过全向链路，以RTS帧的形式广播其发送请求；当网络簇首节点接收到所有其它节点的RTS帧后，运行多波束自组织网络信道接入分配算法，执行步骤21至步骤27：

步骤21，网络簇首节点根据所有节点在下一个定向时隙的发送请求，形成发送请求图；

步骤22，网络簇首节点将发送请求图的每条边作为一个点，形成收发限制与波束隔离限制示意图，将发送请求图中不满足收发限制与波束隔离限制的边在收发限制与波束隔离限制示意图中对应的点之间进行连线；

收发限制：对于发送请求图中的任意两条有向边，若其中一条有向边的末端指向另一有向边的始端，则这两条有向边不满足收发限制；

波束隔离限制：对于发送请求图中的任意两条有向边，若这两条边的始端相同且两条边的夹角小于波束隔离度，按波束隔离度参考值，则这两条有向边不满足波束隔离限制；

步骤23，网络簇首节点调用最大独立集算法找出收发限制与波束隔离限制示意图中所有的最大独立集A_i，使得集合内的任意两个点之间都互不相连，其中，i∈{1,2,3,4,5}；

步骤24，网络簇首节点针对每个最大独立集A_i，将最大独立集中的每个元素对应的有向边，按照有向边的始端和末端，将所有网络节点分成两部分，左半部分为发送节点，右半部分为接收节点，形成二部图g_i；

步骤25：网络簇首节点针对每个二部图g_i，进行通道限制的约束，约束规则如下所示：针对每个二部图g_i，首先虚拟一个起始点s和终止点t，将s指向所有发送节点并赋予边权值，边权值为各个发送节点的最大通道数量；然后将所有接收节点指向t并赋予边权值，边权值为各个接收节点的最大通道数量；调用最大流算法找出从s到t的最大流，保留二部图中最大流所经过的边，删除其他边，得到通道限制图；

步骤26，网络簇首节点为每个通道限制图中的边赋予权值，该权值为该边对应的定向链路的信道容量；

步骤26(a)，网络簇首节点计算图b_i中发送节点集合S_i中的每个发送网络节点A(a∈S_i)的预编码矩阵W(a)，公式如下：

其中，N(a)为网络节点A的出度，H_a为通道限制图中节点A为起点的所有有向边集合对应的信道矩阵，是有向边对应的信道矢量(j∈{1,...,N(a)})；

步骤26(b)：网络簇首节点计算定向链路的信道容量，为通道限制图b_i中的每条边赋予权值ω，公式如下：

(a∈S_i)，

并且

其中，B表示定向链路的信号带宽，是步骤26(a)中的转置，P_max为节点a的最大发送功率，为步骤26(a)中预编码矩阵W(a)的第j列向量，σ²为定向链路信号带宽内的高斯白噪声功率，表示有向边对应的信噪比;

步骤27，网络簇首节点针对步骤26中的所有通道限制图，计算其网络容量，找出具有最大网络容量的通道限制图b_i^*，即b_i^*中对应的收发节点对即为下一个定向链路时隙内各节点的信道接入分配结果，上式中C(b_i)是通道限制图b_i的网络容量，其值等于图b_i中所有边的权值之和，公式如下：

如果网络节点A没有分配到下一个定向链路时隙的接入机会，则将D_a的值加1，否则归0，其中，变量D_a表示发送网络节点A的发送请求被延迟的时隙数(初始值为0)，ω是通道限制图b_i中的每条边赋予权值，是以网络节点A为起始节点的有向边，j∈{1,...,N(a)}，β是一个权值因子。