基于定向天线的动态网络时隙分配方法及网络仿真系统与流程

本发明涉及动态无线网络技术以及网络仿真领域，尤其涉及一种基于定向天线的动态网络时隙分配方法及网络仿真系统。

背景技术：

1、移动自组织网络ad hoc网络，是一种无中心的、自组织的、多跳的无线网络，两个节点只要在彼此通信范围内，就可以互相通信，与有线固定网络相比，ad hoc网络的信道带宽小，数据传输速率低。利用信道多址接入控制mac协议的ad hoc网络，可以提高信道利用率以及网络吞吐量，满足在无人机自组网场景中针对业务时延、丢包率等指标要求，保证有线或紧急业务的实时性要求。

2、网络仿真技术是利用仿真平台搭建网络节点模型、设备模型以及网络链路模型等来模拟真实网络的流量，获取网络的实际运行情况以及网络中各个设备的负载情况等对真实网络的性能进行分析。opnet是目前主流的网络仿真软件，阶层性的模拟方式，从网络级角度看，opnet提供了三种建模机制，从底层到上层分别是：进程模型、节点模型和网络模型，opnet采用这种阶层性的模拟方式可以详细地描述网络特性。

3、在无人机通信网的具体应用中，常常根据业务量的大小来获取信道资源，没有关注到虽然业务量小，但是传输的信息重要的节点，比如网络中发射节点，中心节点，这些节点在网络中发挥的作用各不相同，需要传输的数据量也不一样，对于时延的要求也不一致。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在公开了于定向天线的动态网络时隙分配方法及网络仿真系统；有效解决了在大规模网络中节点移动等面临控制开销大，路由中断等问题，提高网络服务质量和抗干扰能力。

2、本发公开了一种基于定向天线的动态网络时隙分配方法，包括：

3、步骤s1、动态自组网中的节点间基于定向波束的时分多址协议进行邻居发现，帧预约和数据传输；

4、在邻居发现期进行节点间的功率级协商和时隙预约确认；在帧预约期进行节点间再次链接和时隙确认；在数据传输期进行以协商功率和预约时隙的节点间数据传输；

5、步骤s2、在动态自组网数据传输过程中，进行包括各节点数据传输大小、传输时延和业务优先级的服务质量保障；

6、通过建立的基于不同优先级组的节点列表，根据邻居节点优先级从优先级高的分组到优先级低的分组分别进行时隙分配，以满足节点间输出传输业务需求。

7、进一步地，在步骤s1中，包括：

8、步骤s101在邻居发现期间，构成直接通信条件的一对带有定向天线的节点通过三次握手，完成通信的功率级协商和通信时隙的预约确认；

9、步骤s102、在帧预约期间，按照约定的时隙和约定的方向进行再次链接，并进行时隙确认；

10、步骤s103、在数据传输间，在预约时隙以协商的时隙进行节点间数据传输。

11、进一步地，在邻居发现期间的三次握手包括：

12、1)第一次握手；作为握手发起方的节点1以本节点收发器的最大发射功率向潜在邻居广播握手请求信息；所述握手请求信息中包括节点1的标识符信息；

13、2)第二次握手；作为握手响应方的节点2监听广播的握手请求信息；如果没有收到信息，节点2丢弃此次握手；如果接收到信息并且得到节点1的标识符后确定节点1为潜在邻居，则节点2向节点1广播握手应答信息；所述广播的握手应答信息功率级别根据节点2所接收的节点1广播握手应答信息的功率确定；

14、所述握手应答信息包括节点1的标识符信息、节点2的标识符信息、发射功率、同意信息以及本节点空闲时隙信息；

15、3)第三次握手；节点1监听节点2返回的握手应答信息；如果没有收到信息，节点1丢弃此次握手；如果成功接收到信息，节点1计算出与节点2的交会时间后，向节点2广播握手确认信息，供节点2确认握手；所述广播的握手确认信息功率级别根据节点2广播的握手应答信息中的发射功率确定；

16、所述握手确认信息包括节点1的标识符信息、节点2的标识符信息、发射功率以及节点交会时间。

17、进一步地，第二次握手中，所述节点2确定节点1为潜在邻居后，根据两种情况重新评估节点2和节点1的邻居关系以进行帧预约；其中，

18、情况(1)节点1和节点2在之前的某个时间检测到了对方，并且已经同意在未来的某个时间重新确认它们的连接并进行预约；

19、情况(2)节点1和节点2以前从未互相检测到对方，或者以前检测到对方但无法商定重新保证连接和进行帧预约的时间。

20、进一步地，在第三次握手中，情况(2)下的节点交会时间确定过程包括：

21、1)节点1首先计算出选定的会合时间集n_freecom，其中n_freecom＝n_free1&n_free2；其中，n_free1是节点1的可用时隙；n_free2为第二次握手节点1获得的节点2的空闲时隙；

22、2)节点1向节点2发射响应消息；所述响应消息包括节点1的标识符信息、节点2的标识符信息、发射功率以及选定的会合时间集n_freecom；

23、3)节点2等待节点1的响应消息；如果未收到任何响应消息，则节点2就认为节点1不同意建立连接；否则，如果节点2成功接收到响应消息，则节点2知道节点1确认了帧预约，节点1将开启帧预约流程，两个节点之间约定的帧预约有效期到两个节点再次检测到对方为止。

24、进一步地，在步骤s2中，为满足各节点传输的数据量、时延和业务优先级等需求，为每个邻居设计优先级队列，以及为每个节点设置优先级；

25、当邻居发现阶段收到邻居节点请求时，提取优先级队列信息和节点优先级信息，并将节点优先级进行分组，优先级相同的节点放在同一分组中，这样组成基于不同优先级组的节点列表，并按照从优先级高的分组到优先级低的分组分别进行时隙分配，当最终网络中所有节点都循环完时，进入下一次时隙分配等待。

26、进一步地，步骤s2中包括：

27、步骤s201、帧预约阶段收到邻居节点广播请求，提取请求的优先级信息，添加到优先级分组队列中；

28、步骤s202、判断优先级别，对优先级最高的任务进行优先时隙分配，并更新时隙列表；

29、步骤s203、对该优先级分组中所有节点进行节点时隙分配，再进行下一优先级分组节点时隙分配。

30、本发明还公开了一种利用opnet网络仿真平台搭建的定向天线动态ad hoc网络仿真系统；采用opnet的建模机制进行如上所述的基于定向天线的动态网络时隙分配方法的网络仿真；通过信道接入协议的网络拓扑设计、节点设计以及进程设计，对协议的入网时间、网络时延以及网络质量进行仿真验证。

31、进一步地，所述定向天线动态ad hoc网络仿真系统的建立过程，包括网络层建模过程、节点层建模过程和进程层建模过程。

32、进一步地，建模过程中，包括：

33、1)在网络层建模过程中，在网络层建模过程中，设置仿真网络区域、布置移动节点，节点的优先级别，以及节点的移动轨迹和最大移动速度；

34、2)在节点层建模过程中，节点模型的协议栈包括网络层、数据链路层和应用层；其中，

35、网络层采用aodv协议；

36、数据链路层采用本方案的基于定向波束的时分多址协议；

37、应用层使用opnet原始simple_source模块，模拟自组网以固定发包速率和时间间隔进行发包；

38、进程层建模过程中，设计基于定向波束的时分多址协议的有限状态机，有限状态机的状态包括初始化状态、空闲状态、邻居发现状态、消息广播状态；其中，

39、初始化状态，用于初始化各种状态变量和全局变量并读取仿真属性和参数；

40、空闲状态，用于当仿真进程不需要做任何动作时停留在此状态；

41、消息广播状态，用于节点入网后向周围节点广播自身状态信息；

42、邻居发现状态发现进行邻居节点的信息广播以及三次握手流程实现。

43、本发明可实现以下有益效果之一：

44、本发明公开的一种于定向天线的动态网络时隙分配方法及网络仿真系统，设计基于定向天线的动态ad hoc网络动态时隙分配方法，按照时间轴方向将信道划分成多个时隙，并将网络中的节点分配到一个或多个时隙进行消息传输；设计基于优先级的时隙分配方案，通过加入节点优先级信息，使用网络多业务传输需求；基于opnet网络仿真软件，设计基于opnet的定向天线动态ad hoc网络的动态时隙分配协议建模，搭建网络拓扑结构进行网络仿真，实现在无人机自组网场景下对网络负载和时延的要去。