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专利号: 2022104297948
申请人: 肖红波
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入方法,其特征在于,移动扩展组网采用MAC扩展层阻塞访控协议耦合物理层自主协同移动通信,不依赖网络拓扑构建一个数据流传输区域,即CBR,在MAC扩展层定义移动扩展组网专用的阻塞访控协议,将阻塞广播、CBR带宽模型与空间复用模型集成在阻塞访控协议中,联合物理层自主协同模型在指定区域内广播数据,实现结点快速接入,数据可靠传输;

第一,基于移动扩展组网的接入方法设计:提出移动扩展组网接入方法架构,定义适应于恶劣通信环境的移动扩展组网的协议设计,单点设备及人员配备一根全向天线,与其它任意设备及人员构建无线链路,MAC扩展层采用移动扩展组网专用的阻塞访控协议,通过RTS‑CTS握手模型预约无线信道资源,避免无线信道上数据碰撞产生的冲突,并根据源结点、目标结点发出的控制帧中携带的跳数计数器,计算各结点在网络中的角色,是否为relay结点、buffer结点或目标结点,评估计算CBR范围,对不同结点在MAC扩展层执行不同的转发策略;网络层采用静态路由,用MAC扩展层阻塞广播代替传统的路由查表过程,应用实体采用业务驱动信道申请的方式,在数据包发送前向MAC扩展层发送申请信道指令,驱动MAC扩展层开启RTS‑CTS模型构建CBR区域;多跳业务流同时存在时,采用SDN交换扩展机在MAC扩展层处理各RTS‑CTS帧,提取对应的业务流信息,对不同的业务流计算结点在其CBR中的角色,在数据传输至结点的MAC扩展层时,根据其数据所属业务流,执行该结点在该业务流下对应操作,实现多条业务流在网络中的并行传输;

第二,移动扩展组网建模接入:采用WMC‑ML对网络协议栈的数据传输过程进行建模,定义网络层向MAC扩展层发起的信道消息的格式,定义MAC扩展层数据结构,记录MAC扩展层基本信息,以及移动扩展组网下各结点的发送时隙、结点在一条CBR中的角色;阻塞访控协议向物理层发送的数据封装成统一的MAC帧格式,在物理层被接收,进过天线广播;数据消息变成0‑1信号,经过信道调制编码等过程通过MATLAB物理层自主协同通信建模,信道建模结果被WMC‑ML调用,实现恶劣环境下网络小粒度建模;

移动扩展组网建模接入:选取WMC网络联合MATLAB进行信道建模,构建WMC‑ML联合模型,实现最接近网络通信实况的建模;

即WMC‑ML中采用自定义的应用实体协议,MAC扩展层设计移动扩展组网专属的阻塞访控协议,对数据包从应用实体至物理层的传输过程进行建模,在MATLAB中对信号经过信道传输,调制编码等过程进行建模,MATLAB建模将信号接收时的SINR、BER结果返回给WMC‑ML,实现WMC与MATLAB的联合建模;

移动扩展组网场景设计:应用实体协议为CBR协议,采用固定速率持续发送数据包,对应传输层协议为UDP协议,网络层采用IPv6协议,路由层配置默认路由,MAC扩展层采用阻塞访控协议,物理层接口选择全向天线。

2.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入方法,其特征在于,移动扩展组网接入方法架构:在五层结构的基础上,移动扩展组网中各结点的应用实体设置一个适应移动扩展组网的业务层,按需驱动结点入网,网络层的路由耦合入链路层,在链路层实现阻塞广播,广播帧在物理层通过自主协同通信传输,实现基于移动扩展组网的恶劣环境通信;

恶劣通信环境下采用移动扩展组网构建过程:源结点在数据通信前应用实体向MAC扩展层发送消息,申请信道;MAC扩展层部署的阻塞访控协议将信道在逻辑上划分为逻辑子信道与数据子信道,在收到应用实体发来的驱动包后采用广播RTS包的形式在逻辑子信道上向广播全网,预约数据信道;目标结点在收到RTS包后也在逻辑子信道上全网广播CTS包,向源结点反馈已收到RTS数据包,该RTS/CTS过程携带了距离等信息,构建一个CBR区域,确定为网络各结点是否为中继结点或阻塞结点;源结点收到一个CTS反馈包后,应用实体开始发送数据包,应用实体数据包依次经过传输层、网络层、MAC扩展层封装,在物理层通过天线广播,以0‑1比特流的形式发送至数据子信道,其中MAC扩展层与物理层的协同通信使得对任一个结点,在接收时将多个发送源同一时隙广播的数据看作一种时间分集,采用分级合并技术提取出数据,数据在MAC扩展层判断是否执行中继广播,对于CBR内的中继结点,数据包在MAC扩展层捕获后不上传至网络层,直接经由物理层天线继续广播;对于CBR的阻塞结点,数据包在MAC扩展层捕获后不做任何处理,销毁该数据包,数据包通过阻塞广播的方式,经过多条广播传输至目标结点,目标结点在MAC扩展层捕获后经由网络层、传输层解包,获得初始应用实体数据,实现数据包的点对点通信。

3.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入方法,其特征在于,应用实体自适应业务设计:在移动扩展组网中设计自适应申请信道资源应用业务,在CBR业务基础上,发出数据包之前申请信道,得到申请反馈后,发出第一个数据包;

对于源结点,在初始化过程获取业务流配置,包括业务启动时间、业务终止时间、数据包数、数据包大小、发送间隔、源结点地址、目标结点地址、业务占用的端口号;

在业务启动时刻,源结点向下层发送一个控制,驱动MAC扩展层构建一个CBR传输区域,源结点在收到MAC扩展层申请信道的反馈后,如果信道申请成功,则开始发送数据包,直至所有数据包发送完毕;如果信道申请失败,则该业务停止;

对于目标结点,初始化过程获取应用占用的端口号,监听应用实体该端口,接收经由该端口获得的数据直至数据传输结束。

4.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入方法,其特征在于,MAC扩展层接入协议设计:在采用移动扩展组网架构的通信环境中,MAC扩展层除实现对信道的分配外,还需要通过多跳广播构建起一个CBR,确定各结点的转发策略;

单条流CBR转发判定设计:在一个CBR内,源结点发送的申请信道控制信令传输至MAC扩展层后,阻塞访控协议通过广播RTS/CTS模型构建一个CBR,各结点判定是否为relay结点、buffer结点或无关结点;

多条流CBR转发判定设计:在单条流下采用的转发判定模型无法满足多条流交叉占用一个结点通信的需求,对于多条流形成的CBR重叠,设置SDN交换扩展机,对中间结点,提取RTS、CTS帧所属的业务流信息,构建对应的CBR区域,各结点对不同的业务实现不同的MAC扩展层决策,实现多条流的可靠传输,多条流在RTS/CTS帧的增加对业务流的区分。

5.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入方法,其特征在于,单条流CBR转发判定设计:

(1)单条流结点状态设计:根据结点的中继功能是否被抑制,定义五种结点状态,定义结点状态移动扩展组网_RELAY为CBR内中继转发结点该结点在MAC扩展层执行中继转发;结点状态移动扩展组网_BUFFER为CBR内阻塞结点,该结点在MAC扩展层不转发收到的数据包;

结点状态移动扩展组网_SOURCE为CBR单播流源结点,该结点在MAC扩展层只广播应用实体产生的数据包,不接收自己产生数据包;结点状态移动扩展组网_DEST为CBR单播流目标结点,该结点在MAC扩展层对接收到的数据包直接向上层传输;结点状态移动扩展组网_IDLE为CBR内无关结点,为所有结点的初始化状态;

对于网络中任意结点X,定义LS→X为结点X到源结点的距离,即跳数;定义LD→X为结点X到目标结点的距离,即跳数;定义N为CBR附加带宽,当N为0时,所有处于最短路径上的结点均为relay结点,当N>0时,CBR带宽拓宽,满足LS→X+LD→X≤LS→D+N的结点为relay结点,否则为buffer结点;

(2)单条流时隙分配设计

各结点在TDMA的基础上,将一个MAC帧划分为F个时隙,根据各结点到源结点的距离确定其发送时隙,源结点在TDMA帧的第0个时隙发送数据,时隙从0开始计数,直到F‑1,一跳结点在时隙1为发送时隙,二跳结点在时隙2为发送时隙,任意一个距离源结点为t跳的结点,其发送时隙为时隙t;

(3)单条流RTS帧设计

各结点通过RTS帧中的跳数计数器hopcount,得到距离源结点距离,RTS帧中携带的最大跳数maxhop为该帧在网络中从源结点广播可到达的最远距离,通过跳数计数器统计该RTS帧经历的跳数,当跳数计数器统计的跳数达到最大跳数时,该RTS帧停止在网络中广播;

任意一个结点在接收到RTS帧后,提取该RTS帧中携带的目标结点信息与源结点信息,匹配IP地址判断是否为目标结点;对目标结点,通过提取出的目标结点信息与源结点信息产生对应的CTS帧;

(4)单条流CTS帧设计

目标结点在收到RTS帧后向源结点发送一个CTS帧,携带源结点到目标结点的最短距离length,跳数计数器hopcount;CTS帧中携带的最大跳数maxhop为该帧在网络中从目标结点广播可到达的最远距离;通过跳数计数器统计该CTS帧经历的跳数,当跳数计数器统计的跳数达到最大跳数时,该CTS帧停止在网络中广播;任意一个结点在接收到CTS帧后,根据CTS帧中携带的源目对间的最短距离、到目标结点的距离与之前收到的RTS帧中到源结点的距离,计算该结点是否为relay结点或buffer结点;

(5)单条流CBR其它设计

RTS/CTS帧在网络中可到达的最远距离由maxhop约束,当源结点与目标结点间无法构建通信链路时,RTS帧经过一定的跳数后在网络中停止传输;考虑到源结点到目标结点存在多条路径,在目标结点处接收第一个RTS帧后经过一段等待时间TTL,在等待时间内可接收处理多个RTS帧,在TTL等待时间后,对收到的任何RTS帧不做处理;

联合以上设计,阻塞访控协议通过RTS/CTS构建CBR的过程包括:

源结点初始化,结点状态为移动扩展组网_IDLE态,在收到应用实体发来的申请信道包后,在发送时隙产生一个RTS帧,经由物理层天线广播;收到一个CTS帧后,认定CBR建立,向应用实体反馈一个控制信令,信道预约成功,结点状态移动扩展组网_IDLE转移至移动扩展组网_SOURCE态,应用实体作为数据源发送数据包;

目标结点初始化,结点状态为移动扩展组网_IDLE态,监听信道,直到收到的第一个RTS帧,开启TTL定时器计时,在之后的一段时间内,目标结点可接收来自其它路径传输至目标结点的RTS帧,比较不同RTS帧内跳数计数器的值,选择最小的跳数作为源结点与目标结点之间的距离;在TTL等待计时器计时结束之后,目标结点不再处理RTS帧;所有在TTL等待时间之后接收的RTS帧被认定是非法帧,不提取该RTS帧内的跳数计数器的值;采用合法等待时间内所获得的最短源目对间的距离发送CTS帧,目标结点状态由移动扩展组网_IDLE转移至移动扩展组网_DEST态;

中间结点初始化,结点状态为移动扩展组网_IDLE,监听信道,直到收到RTS帧;对中间结点,从源结点到目标结点可能不同的路径,因此中间结点可能收到来自不同路径下RTS帧;对于这些不同路径下结点发来的RTS/CTS帧,中间结点选择距离跳数计数器的值最小的RTS、CTS帧作为有效帧,记录结点距离源结点的距离LS→X,选择距离目标结点的最小跳数LD→X与源目对之间的最短距离LS→D联合CBR附加带宽,计算该结点状态;对于LS→X+LD→X≤LS→D+N的结点,结点状态由移动扩展组网_IDLE态转移至移动扩展组网_RELAY态,否则转移至移动扩展组网_BUFFER态;

经过上述过程,CBR范围被确定;源结点将数据包在网络中广播,一切处于移动扩展组网_RELAY态的结点在MAC扩展层执行转发功能,一切处于移动扩展组网_BUFFER态的结点在MAC扩展层不执行转发功能,不进行任何处理;数据通信在网络中实现阻塞广播,直至到目标结点;处于移动扩展组网_DEST态的结点在MAC扩展层将数据解析上传,恢复为初始应用数据。

6.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入方法,其特征在于,多条流CBR转发判定设计:

(1)多条流RTS帧设计

RTS帧保留单条流下的最大跳数和跳数计数器,同时新增业务流信息,包括源结点、目标结点、端口号,一切收到RTS帧的结点记录下不同业务流下该结点距离源结点的距离;

(2)多条流CTS帧设计

CTS帧设计时保留单条流下的最大跳数、跳数计数器、源目对距离,同时新增业务流信息,包括源结点、目标结点、端口号,一切收到CTS帧的结点记录下不同业务流下该结点距离目标结点的距离;

结点在RTS/CTS模型下,计算出该结点在不同CBR内的结点状态,在MAC扩展层捕获数据包后,获取该数据包所属的业务流信息,根据该业务流信息执行对应业务,结点在接收到CBR1业务流产生的数据包后,对该业务流结点应为移动扩展组网_BUFFER态,该数据包不被转发,在接收到CBR2业务流产生的数据包后,查找发现该结点对该业务流应为移动扩展组网_RELAY状态,该数据包被中继广播,通过设置SDN交换扩展机,在RTS/CTS帧内新增业务的关联信息,计算出对不同业务流下的转发策略,在数据经过该结点时,提取数据关联信息,实现不同数据的不同转发策略。

7.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入方法,其特征在于,应用实体自适应建模:在WMC‑ML中应用实体配置CBR协议,输入参数包括场景配置*.app文件、与传输层发来的数据包;输出参数包括向传输层发送的数据包与应用实体统计量;定义应用实体有限状态机模型,在初始化时均进入init态,获取配置文件,随后进入idle态即空闲态;根据配置文件中定义的业务启动时间设定定时器,使得在业务启动时刻,产生定时器中断,进入RequestChannel态,申请信道;收到信道申请反馈后结点转移Send态发送应用实体数据包,在所有数据包发送结束后或运行至建模终止时刻,进入Finalize态,输出应用实体统计量。

8.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入方法,其特征在于,MAC扩展层建模:在WMC‑ML中MAC扩展层配置自定的阻塞访控协议,在MAC扩展层输入参数包括场景配置*.config文件、网络层发来的数据包和物理层发来的包;输出参数包括向网络层发送的数据包、向物理层发送的帧和建模结束时的统计量输出,定义阻塞访控协议的有限状态机模型,在初始化时均进入init态,获取配置文件,根据时隙分配,自动计算结点的发送时隙与接收时隙,转移至对应的发送态或接收态,直至建模结束,在接收时隙,MAC扩展层在接收到RTS帧后,进入ReceiveRTS状态,记录RTS帧内有效信息,在接收到CTS帧后进入ReceiveCTS状态,记录CTS帧内有效信息,在物理层接收到其它结点发来的数据帧时,根据CBR区域定义的MAC扩展层决策,进入InsertData态将要转发的数据存入发送队列,建模结束,进入Finalize态,输出统计量;

发送时隙内MAC扩展层子状态转移:在发送时隙,MAC扩展层检查发送队里是否为空,如果不为空,进入Send态,取出发送队列里的包将其发送至物理层广播出去,建模结束,进入Finalize态,输出统计量。

9.根据权利要求1所述恶劣环境下移动扩展组网高速稳定接入方法,其特征在于,物理层移动建模:在WMC‑ML物理层选择接收机模型为基于BER的接收模型,在MATLAB中构建信道传输模型,模拟采用自主协同通信下接收机正常接收的门限、误码率,在MATLAB中得到一个信号SINR‑BER的表,在WMC‑ML中选择接收模型为BER接收模型,选择从MATLAB中获取SINR‑BER表,计算接收结点的SINR,根据MALTAB中计算的表判断该信号是否能正确接收。