一种月面动态网络拓扑预测方法技术

本发明专利技术属于网络分析技术领域，具体涉及一种月面动态网络拓扑预测方法，包括：当节点沿着月面进行加速或减速运动时，以月面固定基站作为坐标原点构建二维直角坐标系，采用带有漂移参数的维纳过程对节点的移动进行模拟；选用SINR、节点能耗、缓存队列长度以及链路可用性作为参数指标，对固定基站和移动节点建立网络拓扑；计算参数指标在移动节点的移动模拟状态下的网络拓扑中链路“连接”的概率，生成链路状态转移矩阵；基于生成链路状态转移矩阵计算网络拓扑状态转移概率表征网络拓扑的演化。本发明专利技术联合考虑节点属性与链路属性，共同量化链路连接状态变化，更加准确的预测网络拓扑变化。更加准确的预测网络拓扑变化。更加准确的预测网络拓扑变化。

【技术实现步骤摘要】
一种月面动态网络拓扑预测方法


[0001]本专利技术属于网络分析
，具体涉及一种月面动态网络拓扑预测方法。

技术介绍

[0002]深空探索是当前航空发展的重大趋势，而月球又以其独特的位置，资源等条件使其得到大家的广泛关注，在月面探索任务中，探测节点需要将数据实时传输回月面基站以保证探测任务顺利完成，因此开展月球探索中的通信组网研究具有重要意义。目前月面通信主要是着陆器与月面巡视器之间的点对点无线通信，进行有限的月面探索任务，节点数量少且节点间的链路状态基本保持稳定，长时间不会发生链路中断或者建立新连接的情况，因此对于网络拓扑的维护较为简单。然而月面环境下由于环境未知，节点种类繁多，未来月面探测将有更多的无人或有人月面巡视设备协同组网通信，月球表面节点的可移动性，节点间的链路状态的时间变化性，传统的基于点对点的通信方式不能刻画月球表面网络拓扑变化，因此需要一种可预测的动态网络拓扑方法。
[0003]在月球表面进行探测任务时，月面节点的数据需要通过节点间的链路回传给月面基地，如图1中探测车、宇航员执行探测任务时，与邻居节点、基站建立链路连接传输数据。月面中的探月节点通过移动性划分为两类节点：1)固定探月节点，这类节点部署较少，如图1中基站、固定节点等，一般部署在适合建设固定通信基础设施的地方，如月面站或月面高地，其应用如路径规划信息传递，区域覆盖通信等。2)移动探月节点，如图1中探测车、宇航员等，一般为执行规划探索任务的场景，如远距离月面探测、月坑探测等地区，其应用如月坑实时视频监控、遥测图片数据等。/>[0004]在月面通信中，节点通信有如下几种组网方式：1)固定节点与移动节点联合组网，2)移动节点与移动节点联合组网。固定节点由于其位置固定，节点的范围通常也是固定的，因此在一段时间内，通信过程中网络拓扑变化小。而移动节点在月面通信中，由于其运动状态信息高变化性，同时考虑移动节点缓存队列长度，节点能耗信息，导致网络拓扑频繁变化。受月面环境影响，数据传输时同时考虑路径损耗，节点之间的无线链路无法构建或极易发生中断，导致链路不可用，网络拓扑信息更新不及时问题。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种月面动态网络拓扑预测方法，其特征在于，包括：
[0006]当节点沿着月面进行加速或减速运动时，以月面固定基站作为坐标原点构建二维直角坐标系，采用带有漂移参数的维纳过程对节点的移动进行模拟；
[0007]选用SINR、节点能耗、缓存队列长度以及链路可用性作为参数指标，对固定基站和移动节点建立网络拓扑；
[0008]计算参数指标在移动节点的移动模拟状态下的网络拓扑中链路“连接”的概率，根据计算出的参数指标概率计算下一时刻链路“连接”的概率，根据下一时刻链路“连接”的概
率生成链路状态转移矩阵；
[0009]基于生成链路状态转移矩阵计算网络拓扑状态转移概率表征网络拓扑的演化。
[0010]本专利技术的有益效果：
[0011]1.本专利技术针对节点运动建立二维直角坐标系，能更好的表征节点的运动状态；
[0012]2.本专利技术联合考虑节点属性与链路属性，共同量化链路连接状态变化，同时通过网络拓扑状态转移概率表征网络拓扑的演化，能够及时准确的预测网络拓扑的变化。
附图说明
[0013]图1为月面探索节点组网示意图；
[0014]图2为月面动态网络场景下抽象网络拓扑结构；
[0015]图3为最大网络状态情况下的无效网络状态示例图。
具体实施方式
[0016]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0017]为了解决月面通信中可靠传输的问题，基于月球探测车节点自身的运动状态信息，考虑到链路的状态和内容本身的特点，提出一种月面动态网络拓扑预测方法，通过节点的性能和链路状态进行拓扑构建，然后依据拓扑信息进行转发。
[0018]如图2所示，给出了月面动态网络场景下抽象网络拓扑结构。月面场景中的节点使用天文导航定位，能够获取其位置、方向和速度等信息，并定期广播信标从而构建邻居节点集合，其中邻居节点被定义为节点无线传输范围内能够直接通信的节点。然而，由于节点的高移动性，节点间的距离、信号干扰以及阴影衰落等不断变化，导致网络中的无线链路极易发生中断，如图中的链路l
sj
受到信号干扰和衰落的影响，节点j的接收信号强度过低，链路无法连接，链路l
ce
的两端节点的高速移动容易导致节点间距离超过彼此传输范围。并且，网络中时变的数据流和网络资源，导致节点的缓存空间也在不断变化，当接收节点的剩余缓存区空间不足以存储或处理即将到来的数据包，则会将数据包丢弃，节点间的通信链路就无法成功建立，如图中的链路l
bg
由于节点g的缓存空间用尽而发生中断。
[0019]因此，为实现动态网络拓扑的精确预测及演化表征，需要从导致网络拓扑时变的微观原因切入分析，即通过分析网络节点和链路状态变化以及链路间的相互影响，刻画拓扑演化过程。
[0020]1.节点运动模型
[0021]在动态网络场景下，网络节点的高移动性是导致链路的间歇性以及网络拓扑的时变性的根本原因之一，并且由于网络节点的高速移动使得节点间的距离不断变化，从而导致网络中的特性不断变化，如网络中节点的SINR参数。因此，需要建立运动模型模拟动态网络中节点移动情况。
[0022]在月面通信中，节点不会以均匀的速度沿着月面行驶，并且节点的运动方向是多变的且运动节点会受到周围邻居节点的影响。当节点沿着月面进行加速或减速运动时，以
月面固定基站作为坐标原点构建二维直角坐标系，采用带有漂移参数的维纳过程对节点的移动进行模拟。则根据维纳过程特征，节点速度变化计算为：
[0023][0024][0025][0026]其中，表示移动节点i在时间Δt内的x轴方向速度变化，V
x,i,t'
表示t
’
时刻x轴速度分量，V
x,i,t
表示t时刻x轴速度分量，表示移动节点i在时间Δt内的y轴方向速度变化，V
y,i,t'
表示t
’
时刻y轴速度分量，V
y,i,t
表示t时刻y轴速度分量，μ
i
表示漂移参数，δ
i
表示使得维纳过程服从标准高斯分布的参数，Δt表示从t1时刻到t2时刻的时间。
[0027]上式中，和分别表示车辆i在t1时刻和t2时刻的速度，并且Δt＝t2‑
t1，μ
i
为漂移参数，δ
i
服从标准的高斯分布。由Δt间节点速度的变化可以计算节点间间距的变化以及Δt后节点间的间距为：
[0028]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种月面动态网络拓扑预测方法，其特征在于，包括：当节点沿着月面进行加速或减速运动时，以月面固定基站作为坐标原点构建二维直角坐标系，采用带有漂移参数的维纳过程对节点的移动进行模拟；选用SINR、节点能耗、缓存队列长度以及链路可用性作为参数指标，对固定基站和移动节点建立网络拓扑；计算参数指标在移动节点的移动模拟状态下的网络拓扑中链路“连接”的概率，根据计算出的参数指标概率计算下一时刻链路“连接”的概率，根据下一时刻链路“连接”的概率生成链路状态转移矩阵；基于生成链路状态转移矩阵计算网络拓扑状态转移概率表征网络拓扑的演化。2.根据权利要求1所述的一种月面动态网络拓扑预测方法，其特征在于，采用带有漂移参数的维纳过程对节点的移动进行模拟，包括：根据维纳过程特征，确定移动节点的速度变化；根据确定出的移动节点的速度变化计算移动节点间距的变化。3.根据权利要求2所述的一种月面动态网络拓扑预测方法，其特征在于，确定移动节点的速度变化，包括：其中，ΔV
i,Δt
表示移动节点i在时间Δt内的速度变化，表示移动节点i在时间Δt内的x轴方向速度变化，表示移动节点i在时间Δt内的y轴方向速度变化，μ
i
表示漂移参数，δ
i
表示使得维纳过程服从标准高斯分布的参数，Δt表示从t1时刻到t2时刻的时间。4.根据权利要求2所述的一种月面动态网络拓扑预测方法，其特征在于，计算移动节点间距的变化，包括：d(ij,Δt)＝Δd
ij,Δt
+d(ij,t1)其中，d(ij,Δt)表示经过Δt后节点间的间距，Δd
ij,Δt
表示经过Δt后节点间的间距，d(ij,t1)表示t1时刻节点间的间距，i、j表示分别节点i和节点j，Δt表示从t1时刻到t2时刻的时间。5.根据权利要求1所述的一种月面动态网络拓扑预测方法，其特征在于，选用SINR、节点能耗、缓存队列长度以及链路可用性作为参数指标构建网络拓扑，包括：将SINR、节点能耗、缓存队列长度以及链路可用性定义为集合M＝{S,E,B,L}，定义链路连接状态空间为C＝{0,1}，C＝1表明节点i与j之间的链路处于连接状态，S＝1说明接收节点的SINR大于接受阈值；E＝1表示节点能量可以支持正常工作；B＝1表示接受节点没有缓存空间来接受传输数据，L＝1表示链路具有可用性，节点能耗、缓存队列长度以及链路可用性四个参数共同决定链路连接状态，当这四个参数共同处于状态1时，认为动态网络中的链路连接状态为“连接”，否则链路处于“故障”状态；同时当4个参数同时为1时，才能满足构建链路的条件。6.根据权利要求1所述的一种月面动态网络拓扑预测方法，其特征在于，计算参数指标在移动节点的移动模拟状态下的网络拓扑中链路“连接”的概率，包括：
SINR值大于阈值的概率：节点能耗保证节点正常工作的概率：U(e)＝P{P＞0}链路可用性概率：缓冲队列长度仍然小于最大允许的缓冲队列的概率：其中，U(s)表示SINR值大于阈值的概率，P[}表示计算概率操作，P
t
表示发送节点的传输功率，表示路径ij的传播损耗，表示节点j在时间Δt后收到的干扰信号强度，γ0表示阈值；U(e)表示节点能耗保证节...

【专利技术属性】
技术研发人员：段洁，闫子豪，李朝江，涂小明，郑皓，杨琪，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：