具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种异质化节点和链路的网络建模方法、无线网络、设备，下面结合附图对本发明做出详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种异质化节点和链路的网络建模方法和具体执行过程包括以下内容：

S101：利用二维邻近图对网络进行数学表示，根据网络内节点的类型，对节点进行建模，具体包括源节点、目的节点，以及节点内部的各个功能模块；建立由数据接收模块(称为收信机)、数据生成模块、数据处理模块(称为处理器)、输出缓存和数据发送模块(称为发信机)组成的源节点模型；建立由数据接收模块(称为收信机)、数据汇聚模块、数据处理模块(称为处理器)、输出缓存和数据发送模块(称为发信机)组成的目的节点模型；

S102：根据无线通信网络中的相同链路上非对称数据传输的特点，对网络通信链路进行建模，具体包括双向链路和单向链路；按照链路所连接的节点的发送或接收数据的状态定义链路的传输方向；其中，对于发送数据的节点，该节点的数据经过与该节点相连接的前向链路(Forward Link)发送给其它邻节点；对于接收数据的节点，数据经过与该节点相连的反向链路(Backward Link)从邻节点到达该节点。

S103：根据上述异质的节点和链路模型完成通信网络模型的构建；

本发明提供的基于异质的节点和链路的网络建模方法，业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1中的本发明提供的一种异质化节点和链路的网络建模方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明的网络建模方法应用于卫星网络，该卫星网络由N＝10 颗卫星，1个地面站组成，本发明实施例提供的一种异质化节点和链路的网络建模方法的具体步骤包括：

步骤一，利用二维邻近图G＝(V,E)对网络进行数学描述，其中节点集合 V＝{v₁,v₂,…,v_N}，N表示图G中包含的节点的数量；链路集合E＝{e_ij}，e_ij表示节点 v_i和v_j之间的链路，i,j∈{1,2,…,N}且i≠j；

步骤二，根据无线通信网络中节点所实现的功能，建立由数据接收模块(称为收信机)、数据生成模块、数据处理模块(称为处理器)、数据汇聚模块、输出缓存和数据发送模块(称为发信机)组成的节点模型，其中数据接收模块、数据处理模块、输出缓存和数据发送模块为节点模型的必选模块，数据生成模块和数据汇聚模块为节点模型的可选模块；

步骤三，节点以时分双工(Time Division Duplexing,TDD)的方式使用与之关联的一段链路进行数据的发送和接收；按照链路所连接的节点的发送或接收数据的状态定义链路的传输方向，其中，对于发送数据的节点，该节点的数据经过与该节点相连接的前向链路(Forward Link)发送给其邻节点，对于接收数据的节点，数据经过与该节点相连的反向链路(Backward Link)从其邻节点到达该节点，即连接节点v_i和v_j的链路e_ij以TDD方式被用于进行节点v_i和v_j之间的双向数据传输；

步骤四，节点v_i根据通信需求，为其与邻节点v_j之间的链路e_ij分配双工系数α_ij，其中α_ij表示v_i分配给与之关联的链路e_ij的前向传输时间占总的链路数据传输时间的比例，满足α_ij∈[0,1]；类似的，v_j分配给链路e_ji的双工系数可以表示为α_ji，满足α_ij+α_ji＝1；最后，根据所述节点模型、链路模型及链路双工系数α_ij构建网络模型。

如图3所示，本发明实施例提供的在基于图2的网络模型中验证的拓扑控制算法的执行步骤包括：

步骤一，节点将三维空间划分为不同的区域，针对不同的区域形成不同指向的宽波束进行邻节点搜索，以完成邻节点发现；

各个节点独立执行最小生成树MST算法，生成初始拓扑图；

各节点设定三个门限值，第一门限值规定节点补偿链路数量的上限值，第二门限值T_H规定节点缓存占用率的上阈值，第三门限值T_L规定节点缓存占用率的下阈值，所有节点设置相同的第一门限值、相同的第二门限值和相同的第三门限值；

步骤二，设定时间间隔Δt，节点v_i的运输层按照该时间间隔定期计算节点v_i在当前时刻t的缓存占用率η_i(t)以及节点缓存占用率的变化率γ_i(t)，并将η_i(t)和γ_i(t)封装到跨层数据单元(CLDU)中，然后将跨层数据单元发送给节点v_i的数据链路层；节点v_i建立一个受助节点集合V_i ^r和一个施助节点集合V_i ^h，表示集合中的元素个数，表示集合V_i ^h中的元素个数，初始化 表示空集合；

步骤三，节点v_i通过与其各个邻节点间进行信息交互，以获得v_i的各个邻节点在时刻t的缓存占用率η_j(t)；节点v_i根据获得的其邻节点v_j的η_j(t)、和信息，找到所有满足η_j(t)＜T_H、且的邻节点构成节点v_i的候选施助节点集合节点v_i将中在的施助节点集合V_i ^h中的节点，或者在集合 V_i ^c,init中的节点删除，并对V_i ^ch中的元素按照其缓存占用率的大小进行升序排序，其中，节点v_i建立的邻节点集合记为V_i ⁿ＝V-{v_i}，V表示网络中的节点集合，表示初始拓扑中与节点v_i建立链路的邻节点集合，初始化节点v_i根据和判断其链路补偿情况，若满足且则执行步骤四，若满足且则执行步骤五，若满足且则执行步骤六；

步骤四，节点v_i将其在时刻t的缓存占用率的变化率γ_i(t)与0进行比较，若满足γ_i(t)＜0，则等待时间间隔Δt后重新执行步骤三；若满足γ_i(t)≥0，则v_i计算经过时间间隔Δt后其缓存占用率η_i(t+Δt)，并判断η_i(t+Δt)是否超过第二门限T_H，若满足η_i(t+Δt)＞T_H，则执行步骤七，若满足η_i(t+Δt)≤T_H，则等待时间间隔Δt后重新执行步骤三；

步骤五，节点v_i将其在时刻t的缓存占用率的变化率γ_i(t)与0的进行比较，若满足γ_i(t)＜0，则节点v_i再将其在时刻t的缓存占用率η_i(t)与第三门限T_L进行比较，若满足η_i(t)≤T_L，则执行步骤八，若满足η_i(t)＞T_L，则等待时间间隔Δt后重新执行步骤三；若满足γ_i(t)≥0，则节点v_i将其施助节点集合包含的元素个数与第一门限进行比较，若满足则等待时间间隔Δt后重新执行步骤三，若满足则v_i计算经过时间间隔Δt后其缓存占用率η_i(t+Δt)，并判断η_i(t+Δt) 是否超过第二门限T_H，若满足η_i(t+Δt)＞T_H，则执行步骤七，若满足η_i(t+Δt)≤T_H，则等待时间间隔Δt后重新执行步骤三；

步骤六，节点v_i将其在时刻t的缓存占用率的变化率γ_i(t)与0进行比较，若满足γ_i(t)＜0，则等待时间间隔Δt后重新执行步骤三；若满足γ_i(t)≥0，则v_i计算经过时间间隔后Δt其缓存占用率η_i(t+Δt)，并判断η_i(t+Δt)是否超过第二门限T_H，若满足η_i(t+Δt)＞T_H，则执行步骤八，若满足η_i(t+Δt)≤T_H，则等待时间间隔Δt后重新执行步骤三；

步骤七，节点v_i从候选施助节点集合V_i ^ch中选择缓存占用率最小的节点v_m，v_i向v_m发出补偿链路建立请求，若补偿链路建立成功，则节点v_i与节点v_m之间建立补偿链路，以使v_i利用该补偿链路进行数据传输，节点v_i等待时间间隔Δt后重新执行步骤三；若补偿链路建立失败，则节点v_i放弃与v_m建立补偿链路，然后节点 v_i等待时间间隔Δt后重新执行步骤三；

步骤八，节点v_i判断自己的链路补偿状态，若满足且节点v_i从施助节点集合V_i ^h中选择最先与节点v_i建立补偿链路的节点v_l，并且v_i拆除其与v_l之间的补偿链路，v_i等待时间间隔Δt后重新执行步骤三；若满足且则节点v_i从受助节点集合V_i ^r中选择最先与节点v_i建立补偿链路的节点v_k，并且v_i拆除其与v_k之间的补偿链路，v_i等待时间间隔Δt后重新执行步骤三；

下面结合仿真对本发明的技术效果做详细描述：

1、仿真条件：

仿真对象：本发明提供的一种异质化节点和链路的网络建模方法

仿真参数：网络中包含的节点数量N＝10，如图4所示，仿真在150km×150km 的区域中随机生成10个网络节点，在MATLAB中执行最小生成树(MST)算法得到初始网络拓扑，网络节点集合V＝{v₁,v₂,…,v₁₀}，图中每个节点附近的数字表示该节点的编号。如图4所示，以节点间的距离作为链路权重，执行MST后得到的初始网络拓扑中的链路集合由图中实线段进行表示。MATLAB将节点信息以及节点间的链路间接关系(即网络拓扑) 发送给OPNET，OPNET的仿真时长设置为5分钟，时间间隔Δt设置为1分钟, 仿真选取节点v₁,v₄,v₅,v₆,v₁₀作为源节点随机生成数据分组，这些数据分组等概率地发送给目的节点v₂,v₃,v₇,v₈,v₉，由图4中较大的实心点表示源节点。图4～图9的仿真中，源节点的数据生成模块生成分组的时间间隔服从参数为1/λ＝0.04的指数分布(即分组的平均时间间隔为1/λ＝0.04)，相应地，源节点的分组(包)生成速率为λ＝25分组/s，各个节点的服务台的服务速率为10分组/秒，服务台数量由该节点的度、节点连接的边的类型，以及节点的属性共同决定，例如图4中的节点v₂和v₆的服务台数量分别为1和3，除v₂和v₆外其余节点的服务台数量均与这些节点的度一致，这是因为边缘源节点(v₄和v₁₀)不会帮助其邻节点(v₂和v₆)卸载负荷，所以节点v₂和v₆不会通过边和向v₄和v₁₀发送数据分组。OPNET每隔一分钟会收集执行拓扑控制算法所需的节点的缓存队列长度以及缓存队列长度的变化率，并发送给MATLAB，其中，缓存队列的总长度设置为1024个分组，缓存占用率的上阈值设置为0.7，缓存占用率的下阈值设置为0.4。MATLAB根据OPNET 传递来的节点的缓存队列长度以及缓存队列长度的变化率信息，执行拓扑控制算法判断是否需要建立或拆除补偿链路(补偿链路是单向链路，其中的数据分组从受助节点流向施助节点)，并根据判断结果更新网络拓扑，然后将更新后的网络拓扑发送给OPNET，OPNET按照新的拓扑进行下一个Δt内的仿真。最后，为了进一步评估在根据本发明搭建的网络模型中运行的基于动态补偿的跨层拓扑控制(DLC-CLTC)算法对网络性能的改善情况，对源节点的分组(包)生成速率的生成速率λ取不同值，即λ∈{10,15,20,25,30,35}分组/s，对分组的平均端到端时延性能进行仿真，如图10所示。

2、仿真结果及分析：

当N＝10时，根据异质化节点和链路的网络建模方法搭建网络模型，然后采用MATLAB和OPNET在该模型中对基于动态补偿的跨层拓扑控制算法(DLC- CLTC)的补偿过程进行仿真。图5为0-5分钟部分节点的输出缓存队列长度随时间的变化曲线，其中细实线表示节点v₁的输出缓存队列长度，细虚线表示节点v₂的输出缓存队列长度，粗实线表示节点v₄的输出缓存队列长度，粗虚线表示v₅的输出缓存队列长度，带矩形图标的实线表示节点v₆的输出缓存队列长度，带圆形图标的实线表示节点v₁₀的输出缓存队列长度。图6为第一次执行DLC-CLTC算法后的网络拓扑，对应的部分节点的缓存占用率情况如图5所示，当t＝1分钟时，节点v₄,v₅,v₁₀的缓存占用率超过缓存占用率的上阈值、且缓存占用率仍有增加的趋势，因此这些节点需要分别建立补偿链路，第一次执行DLC-CLTC算法后的网络拓扑如图6所示，在初始网络拓扑的基础上增加了补偿链路和其中有向虚线表示建立的补偿链路，箭尾表示受助节点，箭头表示施助节点，使用有向虚线表示是因为数据分组仅能从受助节点经由该补偿链路流向施助节点；图7为第二次执行DLC-CLTC算法后的网络拓扑，对应的部分节点的缓存占用率情况如图5所示，当t＝2分钟时，由于没有节点的缓存占用率超过缓存占用率上阈值，且补偿过的节点缓存占用率也并没有低于缓存占用率下阈值，因此第二次执行DLC-CLTC算法后的网络拓扑没有发生变化；图8为第三次执行DLC-CLTC算法后的网络拓扑，对应的部分节点的缓存占用率情况如图5所示，当t＝3分钟时，节点v₅的缓存占用情况得到有效改善，其缓存占用率低于缓存占用率下阈值且仍有下降的趋势，所以如图8所示拆除了针对节点v₅建立的补偿链路同时由于节点v₁的负载状况进一步恶化，为了使业务分组能够尽快从节点v₁的缓存中释放掉，如图8所示建立了补偿链路图9为第四次执行DLC-CLTC算法后的网络拓扑，对应的部分节点的缓存占用率情况如图5 所示，当t＝4分钟时，由于节点v₅的缓存占用率超过缓存占用率上阈值，v₅再一次寻求节点v₃的帮助，如图9所示建立补偿链路图10为分组的平均端到端时延随网络业务量变化的情况，其中带方形图标和带三角图标的线段分别表示执行MST和执行DLC-CLTC算法得到的网络性能。

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

本实验采用MATLAB和OPNET在根据异质化节点和链路的网络建模方法 搭建网络模型中对基于动态补偿的跨层拓扑控制算法进行仿真，其结果如图5所 示，当节点缓存队列的占用率达到缓存占用率上阈值时，节点会动态的建立补偿 链路，以降低过载节点的缓存占用率，从而改善网络整体性能；如图10所示， 使用DLC-CLTC算法获得的分组的平均端到端时延低于使用MST得到的分组 的平均端到端时延，即给定相同的节点包生成速率，执行DLC-CLTC算法对拓 扑结构进行动态调整后的网络具有更低的端到端平均时延性能。