基于鏈路利用率的定向天線配對方法*

趙敏丞，陸 陽，張 義

（1.中電20所，陜西 西安 710068；2.中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引 言

隨著計算機和無線通信技術的發(fā)展，軍事應用首先催生了具有無中心節(jié)點、支持多跳通信等特點的移動自組織網絡（MANETs）。無論何時何地，它都能快速構建通信網絡。移動自組織網絡中所有節(jié)點地位平等，任何一個節(jié)點的損壞和脫網，都不會使整個網絡癱瘓，具有良好的健壯性和抗毀性。由于這些特性，移動自組網可以廣泛應用在戰(zhàn)場通信、搶險救災等領域。隨著移動終端和無人機的快速推廣，移動自組織網絡將在未來具有更大的商用價值。近年來，移動自組網吸引了大量來自學術界和無線通信產業(yè)的關注，有力推動了該技術的標準化和快速的商業(yè)化。基于全向通信的移動自組網鏈路容量受限且易受干擾和偵聽，研究者提出將定向天線技術應用在移動自組網領域，發(fā)展基于定向通信的移動自組織網絡。美軍空中聯(lián)合層網絡中的高速骨干網就采用了基于定向的自組織網絡架構，具有高速帶寬、良好的抗毀性和良好的抗干擾能力。定向天線配對是定向自組網拓撲管理的關鍵問題。它假設定向自組網節(jié)點有若干定向天線，根據(jù)不同節(jié)點間不同定向天線對的特征，計算不同節(jié)點間通信的定向天線配對結果，直接決定定向自組網的物理拓撲連接關系，進而影響網絡的可用性、健壯性和網絡使用效率等多方面指標。已有研究者提出了基于鏈路可用性定向天線配對方法[1]，根據(jù)不同節(jié)點間不同定向天線對的連續(xù)工作效率計算最佳定向配對方案，使得全網通信鏈路健壯性最佳，但通常全網不同鏈路的使用效率不同，此方法不能充分利用不同鏈路的使用情況來提高全網的鏈路使用效率。因此，本文提出了一種基于鏈路利用率的定向天線配對方法，能提高定向自組織網的鏈路使用效率。本文對所述問題進行了數(shù)學建模，將其歸納為混合整數(shù)規(guī)劃問題，并用貪婪算法解決了此問題。仿真結果證明，所述方法具有有效性。

1 相關工作

1.1 定向自組織網絡

定向自組網具有鏈路速率高、隱蔽性強、通信距離遠等優(yōu)勢，在商業(yè)、軍事領域都有很大的研究價值。但是，與基于全向天線的自組織網絡相比，動態(tài)入網、網絡管理維護更加復雜。文獻[1]分析了航空自組織骨干網的需求和問題，提出了基于鏈路可用性定向天線配對方法實現(xiàn)作戰(zhàn)預規(guī)劃的網絡拓撲管理，但沒有考慮鏈路的利用率。文獻[2]提出了一種定向自組織網絡的網管管理方法，通過周期性調整相控陣定向波束的指向廣播消息，但并不適用于基于慢機動的機械定向天線自組織網絡。文獻[3]提出了在無線局域網中的定向自組網和數(shù)據(jù)傳輸方法，采用TDMA接入體制，將時隙按功能分為網絡發(fā)現(xiàn)時隙、固定時隙和動態(tài)時隙，達到了動態(tài)分配時隙的目的，同時考慮了網絡的服務質量問題，并通過仿真測試了定向網絡中服務質量策略的優(yōu)化性能。文獻[4]針對定向組網中新節(jié)點入網難的問題，總結了多種網絡發(fā)現(xiàn)方法，包括全向/定向天線配合、相控陣多波束掃描和相控陣寬窄波束配合等手段。

1.2 定向天線對連續(xù)工作效率

定向天線對會由于飛機平臺在盤旋中轉彎、快速機動等原因無法相互對準導致鏈路中斷，影響連續(xù)工作時間。下面對飛機轉彎造成鏈路中斷進行簡單的建模分析。為了簡化分析，假設飛機盤旋路徑的角度差為0，飛行航跡間垂直距離為H，飛機距離為R，飛機盤旋航跡點的最近徑向距離為S，盤旋轉彎的半徑為r，飛機盤旋徑直長度為2l。如圖1所示，可以計算得到：

其中，式（1）表示了2個飛機平臺在盤旋航跡的最遠端時的位置關系，式（2）表示了2個飛機平臺在盤旋時相互偏角最大時的位置關系。因此，飛機節(jié)點間可連續(xù)通信效率可以表示為：

將式（1）、式（2）代入式（3），可以得到：

其中Rmax表示飛機間最大距離限制，αmax表示天線掃描角度的限制。根據(jù)式（4）可以估計定向天線對的連續(xù)工作效率。

圖1 定向天線連續(xù)工作示意圖

2 基于鏈路利用率的定向天線配對

2.1 系統(tǒng)模型和問題描述

如圖2所示，假設在一個航空移動自組織網絡中有若干個飛機節(jié)點i∈{1,2,…,I}，每個節(jié)點至多有4個定向天線，不同飛機節(jié)點的不同定向天線對的連續(xù)工作效率不同，不同飛機節(jié)點對的鏈路利用率也不同。

圖2 定向自組網場景

已有研究者提出了基于鏈路可用性定向天線配對方法[2]，根據(jù)不同節(jié)點間不同定向天線對的連續(xù)工作效率計算最佳定向天線配對方案。定向天線配對的方法是最大化最小鏈路連續(xù)工作效率，使得全網通信鏈路健壯性最佳。但是，在全網不同鏈路的使用效率不同的情況下，此方法不能充分利用不同鏈路的使用率提高全網的鏈路使用效率。如圖3所示，當飛機F1與F3選擇a4天線對、F2與F3選擇a3天線對時，可以使得全網的最差鏈路的可連續(xù)工作效率最優(yōu)（即P(a4)=0.7），則網絡鏈路更可靠。但是，飛機P1和P3之間的數(shù)據(jù)傳輸需求較低，鏈路利用率僅為B2=0.2，而P2和P3之間的數(shù)據(jù)傳輸需求更大。因此，對系統(tǒng)而言，P2和P3之間的鏈路連續(xù)工作效率更加重要。

圖3 基于鏈路利用率的定向天線配對原理

基于鏈路利用率的天線配對問題，主要是在定向自組織網絡中找出能同時工作的定向天線對，同時滿足全網的鏈路利用率最佳的要求。

假設飛機每個盤旋周期可以分為多個時隙，則連續(xù)工作效率Aim,j,n可以定義為：

同理，可以計算不同節(jié)點間的鏈路利用率Bi,j為：

2.2 問題建模

其中Bi,j(t)為時隙t內飛機i和j的鏈路利用率：

其中，前4個情況表示2個鏈路共用某個機載天線，后2個情況表示2個鏈路是同一個鏈路，在同一個鏈路中不會采用2個不同的天線對通信。

用v=[v1,v2,…,vL]表示不同鏈路的定向天線分配矩陣，其中時，分配第i個飛機的第m個天線和第j個飛機的第n個天線建立鏈路，否則vxim,j,n=0。于是，最大化網絡鏈路利用率的天線配對可以描述為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，表示為：

其中，第一個限制條件表示分配的任意2個鏈路沒有沖突，第二個表示任意2個節(jié)點對的不同天線對是否分配。采用貪婪算法解決此問題，具體方法如下所述。

2.3 貪婪算法

基于鏈路利用率的定向天線配對問題可以歸納為混合整數(shù)規(guī)劃問題，而此類問題屬于NP難。為快速得到計算結果，可以采用貪婪算法尋求問題的次優(yōu)解，具體步驟如下：

（1）建立集合Φ，包含了所有任意2個節(jié)點任意定向天線對鏈路計算所有任意2個節(jié)點任意定向天線對的鏈路利用率

（4）重復步驟（2）和步驟（3），直到集合Φ為空。

3 仿真結果及分析

首先飛機在不同盤旋運動和距離參數(shù)情況下，可以按照式（4）的模型計算定向天線對的連續(xù)工作效率。如表1所示，可以分析出飛機盤旋轉彎的半徑r對定向天線對連續(xù)工作效率影響最大，即隨著r的增大，定向天線對連續(xù)工作效率明顯降低。飛機之間距離對定向天線對連續(xù)工作效率也影響較大，即隨著R的增大，定向天線對連續(xù)工作效率明顯降低。定向天線對連續(xù)工作效率結果與文獻[2]實測的定向天線對連續(xù)工作結果范圍接近。

表1 定向天線對連續(xù)工作效率

在MATLAB仿真工具中，實現(xiàn)了隨機定向波束配對。最大化最小鏈路連續(xù)工作效率的定向天線配對算法和最大化鏈路利用率的定向天線配對算法并進行了對比。仿真中假設每個節(jié)點至多有4個天線且至多有4個鄰居節(jié)點。任意2個節(jié)點間的鏈路利用率隨機生成，連續(xù)工作效率選取文獻[2]的參數(shù)。

圖4展示了飛機數(shù)不同的情況下，采用不同定向天線分配方法得到的全網平均鏈路利用率?？梢钥闯?，隨機定向天線分配方法的效果最差，推薦的最大化鏈路利用率的定向天線配對算法得到的平均鏈路利用率結果最優(yōu)。

圖4 節(jié)點數(shù)不同情況下的平均鏈路利用率

圖5 ～圖7展示了節(jié)點數(shù)為20時，采用3種不同算法的節(jié)點連接示意圖以及每條鏈路的利用率。可以看到，采用3種不同方法的拓撲結構接近，但是最大化鏈路利用率的定向天線配對算法的鏈路利用率略高。

圖5 隨機算法

圖6 最大化最小鏈路連續(xù)工作效率算法

圖7 最大化鏈路利用率算法

4 結 語

本文研究了基于定向天線的移動自組織網拓撲管理，分析了由于飛機平臺運動引起的定向天線連續(xù)工作效率的模型，提出了一種基于鏈路利用率的定向天線配對算法。它能夠根據(jù)網絡監(jiān)測的鏈路流量，動態(tài)調整定向自組網不同節(jié)點間通信的定向天線對，提高了網絡鏈路的利用效率。但是，它仍有許多問題需要考慮，如本文在分析定向天線連續(xù)工作效率模型時簡單的假設不同飛機的飛行軌跡平行，而實際問題更加復雜；天線分配方法假設飛機平臺上不同天線的覆蓋角度重疊，實際上天線覆蓋角度不同。因此，問題的建模更加復雜，尚待進一步研究。

參考文獻：

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