基于超网络的无线通信网结构模型

叶礼邦，李 超

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

【信息科学与控制工程】

基于超网络的无线通信网结构模型

叶礼邦，李 超

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

为解决无线通信网络结构模型生成问题，针对无线通信网络结构和功能特征，定义和描述了网络节点和网络超边模型类型，综合运用复杂网络和超网络建模方法，提出了网络拓扑和网络超边的演化模型。模型能够有效地描述无线通信网络的结构属性和传输路由，并通过案例分析验证了提出模型的适用性及有效性。

无线通信网；复杂网络；超网络；拓扑模型；结构模型

随着通信技术的发展，无线通信网络的运用越来越广泛。无线通信网络，如无线传感器网络、军事通信网络等，往往存在成百上千个节点，这些节点之间通过无线方式连接在一起，是一个巨大复杂系统。通过分析建立无线通信网络的结构模型，有助于设计和构建满足应用需求的无线通信网络结构，提出合理的网络结构优化方案，提升网络传输能力和稳定性。无线通信网结构具有很大的复杂性，这种复杂性不仅体现为其连接方式的复杂性，还体现在业务方式的复杂性上，给网络结构建模带来了巨大的挑战。

1 研究现状

围绕无线通信网络结构模型，特别是拓扑结构模型，学者们最早采用诸如星型网络、环形网络和栅格网络等确定性模型进行描述。随着复杂网络科学的发展，大量的实证研究发现，多数的通信网络结构均呈现“无标度”特性，即网络节点的度分布服从“幂率”[1-3]。为描述网络的这一特性，科学家们提出了许多模型描述，如著名的BA模型[4]。BA模型通过网络增长和择优连接，构建出符合幂律分布的网络模型。在BA模型的基础上，进一步研究提出了具有特定约束条件的网络拓扑模型[5-6]。针对无线通信网特征，现有研究也在充分考虑传输条件[7]、节点类型等[8-9]约束条件情况下的网络拓扑演化模型。基于复杂网络建立的无线通信网网络结构模型的优点是通过节点的增长及演化关系描述网络结构；其局限性在于模型在演化过程中节点过于简化，对无线通信网承担的传输业务描述不清，给无线通信网传输性能和效能分析带来很大的困难。

超网络理论是随着网络科学发展而兴起，是研究复杂网络的一种新方法，为研究节点的异质性网络及刻画真实世界网络提供了重要工具，在供应链网络、知识网络和金融网络中得到广泛运用[10]。近年来，超网络理论也用于通信网络及其相关的军事指挥与作战网络建模中[11-15]。基于超网络理论的通信网络结构建模可以很好地描述网络节点的异质性和链路的传输类型。但是过分的强调节点的异质性，也会导致建模过程变得十分复杂。

复杂网络建模和超网络的建模方法都是在不同的侧面反映网络的特性。复杂网络侧重于体现网络的演化过程及网络节点间的影响，超网络可以展示网络节点的异质性和网络上的传输路径特性。本文将这两种方法结合，利用复杂网络建立无线通信网络的拓扑连接结构，再利用超网络理论建立网络链路特性，最大限度的体现网络结构在整体性和局部性的特性。

2 超网络与无线通信网超网络

2.1 超网络

目前，超网络的研究还在起步阶段，尚缺乏一套完整的理论体系。描述超网络的定义很多，其中超图是学者BERGE于1970年提出的对超网络的一种定义[16]。

定义1：设V={v1,v2,…,vn}是一个有限集，若

1)ei≠Φ(i=1,2,…,m)

则称二元关系H=(V,E)为一个超图。V中的元素{v1,v2,…,vn}表示超图H的各个顶点，E={e1,e2,…,em}表示超图H的边集合，集合ei={vi1,vi2,…,vij}(i=1,2,…,m)称之为超图的超边。

有研究认为，凡是可用超图表示的网络就是超网络，超网络具有网络嵌套着网络、多层特征、多级特征、多维流量、多种属性/准则等特性[17]。

2.2 无线通信网络网络化结构分析

1) 无线通信网络分析

无线通信网络应用广泛，在不同的应用场合中，包含不同类型的节点，同时也承载不同的业务。

在战场中无线通信网网络中，网络节点一般包含侦察单元、火力单元、指控单元和网络中继节点。在战场通信网络中，所承载的态势信息、状态信息、指挥控制信息等[18]。态势信息包括通过各类侦察单元感知而获取的信息；状态信息包含系统内的各类装备向上报告关于自身的状态信息；指控信息包含对侦察单元、火力单元等进行指挥控制的信息。在蜂窝移动通信网络中，通信节点包括终端设备、基站、移动交换中心、固定网络交换中心等节点。在蜂窝移动通信网络中，承载着业务信息和信令数据。业务信息包含话音，数据的各类用户之间交换的数据。信令信息包含网络中的各类控制和管理信息。

2) 无线通信网超网络特性分析

无线通信网络具有典型的超网络特性：① 网络中嵌套着网络。在战场无线网络中包含着传感网、指控网和火力网；蜂窝移动通信网络中包含着无线通信网和有线通信络。② 网络多层特性。无线通信网络包含着物理层，信息层和管理层等多个层次。③ 多级特征。战场的无线通信网具有多级特性，比如战术级，战役级和战略级；蜂窝通信网也根据地域分为多级。④ 多维流量。信息流既有态势信息又有指控信息；传输的信息有视频、音频和数据等。⑤ 多种属性/准则。节点和链路包含多种属性，在链路上传输的信息也包含多种属性。

2.3 无线通信网超网络模型

根据无线通信网网络化结构模型的分析结论，无线通信网络结构模型可以包含多种节点类型，一起实现某一功能不同类型的节点集合构成超网络的一个超边。建立无线通信网超网模型的过程，就是将无线通信网络节点进行分类，归纳成不同的节点类型，针对无线通信网承担任务特点，构建不同网络超边的过程。

1) 网络节点

在无线通信网络中，节点是网络中能够进行信息处理的一个或多个网络实体，信息在节点之间传播。根据无线通信网络所承担的任务不同，网络中的节点类型有很大的差别，但归纳起来可分两类：一类是信息产生与信息接收的实体，称之为信息终端，另一类是信息传输与处理的实体，称之为信息中继。因此，无线通信网超网络节点V={T,R}，其中T={t1,t2,…,tm}表示终端节点的集合，R={r1,r2,…,rn}表示中继节点的集合。

2) 网络超边

通信网络的基本功能是将信息产生节点的信息快速、正确地传递到信息接收节点。信息产生节点与信息接收节点之间可以直接传递信息，但更多的是通过多个中继节点进行传递，因此，“信息产生节点—信息中继节点—信息接收节点”之间就构成了一个通信的链路。根据网络节点的定义，信息产生和信息接收节点均为终端节点。根据超网络的定义，将无线通信网的每一条通信链路定义为一条超边网络。超边为ei={tk,rj1,rj2,…,rjl,th}，其中tk，th为信息传输的信源与信宿，{rj1,rj2,…,rjl}为信号通过的中继节点，其中l满足0≤l≤N，N为网络中继的最大跳数。

根据对网络节点和网络超边的定义，可以给出无线通信网超网络的定义。

定义2：设无线通信网节点集合V={r1,r2,…,rn,t1,t2，…,tm}，无线通信网超边集合E={e1,e2,…,eq}，且满足：

1)ei={tk,rj1,rj2,…,rjl,th},k≠h,0≤l≤N

则称H=(V,E)是无线通信网的超网络结构模型。

3 无线通信网结构模型建模方法

在无线通信网结构模型建模过程中，通过增长与择优连接可以建立描述无线通信网络节点间的连接关系，通过确定网络中的业务连接关系生成网络超边，共同建立网络结构模型。

3.1 节点的生成与网络连接方式

1) 中继节点生成与连接方式

中继节点均匀分布于一个正方形的二维平面上，节点的坐标值为该中继节点所处的空间位置。新加入的中继节点在整个二维平面内按照节点度分布概率优先选择m个现有节点相连，直至产生通信规划的中继节点数量。

2) 终端节点生成与连接方式

相比中继节点在全局范围内最优选择连接，终端节点因为其传输能力有限，只和一定通信范围内的节点相连，因此，在终端节点演化的过程中，终端节点随机分布在整个二维平面内，按照节点度分布概率优先选取通信范围内的1个节点相连，直至产生通信规划的终端节点数量。

3.2 网络超边的生成方式

按照中继节点和终端节点的连接方式生成的网络拓扑连接模型，只是表示网络中两个节点之间存在连接关系，但是节点之间是否存在业务上的联系并没有表现出来。采用超网络理论，将网络的一条业务链路定义为超网络的一条超边，就可以描述无线通信网络的业务存在情况。无线通信网络的路由寻找方式有很多，这里采用简单的最短路径的方式确定网络路由。即当一个终端节点向另一个终端节点发送业务信息时，通过寻找两节点间的最短路径，可以求出网络结构中的一条超边。

无线通信网在通信过程中，业务关系一般是动态的，一对节点之间的业务传输结束之后，超网络的超边也随之结束，并按照一定的规制产生新的一条超边。在建模过程中，一般可以随机选择两个终端节点作为一对发送和接收节点，每个节点发送业务的频率和业务的持续时间可以参考通信网络业务流量模型设置。

4 仿真实例

为了验证建立模型是否能够反映无线通信网络的结构特性，采用仿真手段建立无线通信网结构模型。模型在包括100个中继节点，200个终端节点，所有的节点分布在100 km×100 km的区域范围内，新增加的中继节点与2个原有的中继节点相连，新增加的终端节点与距离小于10 km的1个节点相连。在所有终端节点中随机选择2个终端节点作为一组发送和接收节点对，寻找两点间的最短路径生成网络的100条超边。

采用Matlab仿真软件编写仿真程序，无线通信网络网络结构模型如图1所示。

图1 无线通信网网络结构模型

在网络模型中，方形代表中继节点，圆点代表终端节点，图1显示了网络中100条超边中的3条超边，分别是超边1：{终端节点(183),中继节点(2)，中继节点(1)，中继节点73，终端节点131}；超边2：{终端节点(171),中继节点(6)，中继节点(8)，中继节点(7)，终端节点(193)}；超边3：{终端节点(115),中继节点(16)，中继节点(7)，中继节点(31)，终端节点(241)}。

超边长度是指每条超边包含的终端节点数和中继节点数之和。对生成的网络的超边长度进行分析，网络超边长度的分布曲线如图2所示。

图2 超边长度和最短路径长度分布曲线

图2分别显示生产的网络拓扑模型不同超边长度占所有超边的百分比和不同最短路径长度占所有最短路径的百分比曲线，从其中可以看出：① 两者的趋势是基本一致，说明利用超网模型能够充分地体现网络拓扑各节点最短路径的特性。② 超边长度整体比最短路径长度值大，这是因为在超网模型设计过程中，设计了“信息产生节点—信息中继节点—信息接收节点”的通信链路模式，网络拓扑最短路径中的一部分中继节点间的路径排除在外，因为此类路径在无线通信网络没有实际的物理意义。③ 超网模型给出了网络链路模型，避免了计算网络中所有拓扑节点两两间最短路径，大大降低了仿真计算量。

从本实例可知，所建立的无线通信网络网络结构模型可以描述以下信息：

1) 网络结构模型包含的节点类型，节点数量以及节点在空间位置的分布情况。

2) 网络结构模型包含网络各节点之间的连接关系，网络结构模型包含网络在任意时间存在的业务关系。

3) 网络超边不仅准确地描述了网络最短路径的特性，而且使得网络最短路径具有明确的物理含义，同时也降低了仿真的计算量。

从仿真实例可以看出，本文建立的模型更能够体现无线通信网络在结构上的复杂性和传输路由，为全面、深入研究无线通信网络奠定基础。

5 结束语

无线通信网络结构的复杂性使得在建立其结构模型时必须要对网络进行高度的抽象。在建模过程中，采用何种方式对网络特性进行表现和综合是建模的关键。本文结合复杂网络和超网络的优点，建立了无线通信网的结构模型，模型不仅体现了网络的连接特性，也反映了网络的传输路由。下一步的研究，可以通过建立的模型开展网络优化，拥塞控制以及网络抗毁性的分析与评估研究。

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(责任编辑杨继森)

Structure Model of Wireless Communication Networks Based on Supernetwork

YE Li-bang, LI Chao

(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China，Luoyang 471003，China)

In order to solve the problem of wireless communication network(WCN) structure modeling, according to the structural and function characteristic of WCN, the types of nodes and super-edges were defined and described. The network evolving model for topology and super-edges were proposed based on complex networks and supernetwork. The proposed model is able to portray two key characteristics of WCN，network node’s function and transmission route. As an example, a WCN structure was given to validate the proposed supernetwork model.

wireless communication network; complex network; super network; topological model; structure model

2016-08-07；

2016-09-12

叶礼邦(1981—)，男，硕士，工程师，主要从事通信系统仿真试验技术研究。

10.11809/scbgxb2017.01.024

叶礼邦，李超.基于超网络的无线通信网结构模型[J].兵器装备工程学报，2017(1):102-105.

format:YE Li-bang, LI Chao.Structure Model of Wireless Communication Networks Based on Supernetwork[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):102-105.

TN915

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