CN101335761A - Ad Hoc网络中远距离节点的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了使用方向性天线的Ad Hoc网络中远距离节点通信的实现方法，Ad Hoc网络使用方向性天线可以提高网络的安全，容量和能量效率，在Ad Hoc网络中使用方向性传输和接收来实现两跳节点远距离直接通信的方法，两跳节点在中间节点的帮助下相互完成方向定位。与别的远距离通信方法相比，本发明不需要由GPS和其它方法提供的如节点位置或同步信息等附加信息，而只需要利用多跳节点间的几何关系，通过计算便可完成两跳节点之间的方向定位。仿真证明本发明在负载较重的情况下提高了Ad Hoc网络性能。

Description

Ad Hoc网络中远距离节点的通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域的Ad Hoc网络的MAC层通信方法，尤其涉及一种利用方向性天线进行远距离节点通信的方法。

背景技术

传统移动Ad Hoc网络受到存活问题，容量和能量限制的困扰。它们很容易被干扰和偷听。上述问题可以通过在Ad Hoc网络中使用方向性天线来克服。有了方向性天线我们可以获得两个优点：首先是更高的空间重用性；第二个是更远的通信距离。然而，利用方向性传输所带了的巨大潜力需要有效的远距离邻节点发现机制，而这里所需要的发现机制要比使用全向天线的传统Ad Hoc网络的情况要复杂的多。给定使用方向性天线发送和接收信号的Ad Hoc网络，每个节点都必须知道哪些是一跳可达邻节点而其方向又如何。使用方向性天线的Ad Hoc网络中的通信链路可以被分为两种模式：发射波束成形T-BF(Transmit Beam-Forming)模式和发射接收波束成形TR-BF(Transmit and Receive Beam-Forming)模式，因此可以将方向性通信机制分类为T-BF方向性通信和TR-BF方向性通信。其中TR-BF方向性通信可以获得最远的通信距离，因而对于Ad Hoc网络在TR-BF模式下充分开发方向性发送和方向性接收的优势是十分必要的，而TR-BF模式同时可以在网络安全，容量和能量节省等方面带来很好的提高，但遗憾的是大多数现有的针对Ad Hoc的方向性通信方法只支持T-BF模式，显然这种模式无法全面开发方向性发射和接收的优点。

在目前使用方向性天线的Ad Hoc网络中，利用TR-BF模式探索远距离节点通信方面的方法有如下两种：

1、R.Ramanathan等人提出了一个TR-BF方向性通信方法，该方法需要使用GPS来为Ad Hoc中的所有节点获得同步时间，而且为了协调节点移动所引起的拓扑变化，每个节点都要周期的进行TR-BF来发现远距离节点。

2、G Jakllari等人提出了一个基于轮询的TR-BF方向性通信方法，该方法中网络的每个节点必须与它的邻节点同步，且网络约定将时间分成连续的帧，而且每帧都有一个片断是用于邻节点发现的。

可以看到所有现有的TR-BF方向性通信方法都依赖于辅助信息，而且想要获得这些节点位置信息或时间同步信息显然需要为通信节点添加相应的外部设备，然而无论从经济角度还是实用性角度来看，这些外部设备都是我们所不希望看到的。

为了提出本发明的远距离节点通信，下面首先介绍结合了虚拟载波侦听和方向性网络分配矢量的IEEE 802.11协议：

在采用这种协议的Ad Hoc网络中，节点配置有电子操控天线系统，这种系统可以动态的改变波束方向。当网络中的任意节点侦听到分组时，无论该分组的目的地是否是自己，都存储对应邻节点的AOA。当此节点有分组要发送时，如果可以从AOA寄存器中找到目的节点的AOA，则向对应的AOA波束成形来发送RTS分组，但如果没有相应的AOA信息，则采用全向的方式来发送RTS。同时协议采用波束锁定机制来最大化接收功率。另外，协议还使用方向性的网络分配矢量DNAV(Directional Network Allocation Vector)来为邻居节点的通信预留相应方向的信道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种Ad Hoc网络中远距离节点的通信方法，该方法在避免增加附加设备的条件下，充分利用方向性天线能够提高空间重用性、提供更远通信距离的优势，最终实现增大网络吞吐量并降低网络延时的效果。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：首先，在使用方向性天线的Ad Hoc网络中，当有分组到达节点A，且从路由信息中可以得到接下来两跳的转发节点分别为节点B和节点C时，根据MAC协议，节点A首先向下一跳节点B发送请求发送分组RTS，分组中携带节点B的下一跳节点的信息，也就是节点C的ID号，如果节点B此时接近阻塞，便可以选择不接受此分组，而发起节点A与节点C的远距离节点通信。

其次，节点B根据自己掌握的到达角AOA(Angle of Arrival)信息来发起远距离节点通信：

a、无功控信息时，设节点B的AOA寄存器中对应于节点A和节点C的AOA分别为θ₁，0≤θ₁＜360°和θ₂，0≤θ₂＜360°，则可根据

和θ_A＝θ_C＝90°-(∠ABC/2)来获得节点A和节点C所需的AOA定位值θ_A和θ_C，

b、有功控信息时，在忽略小尺度衰落的条件下，节点B可通过与节点C交互小的探测分组，获得两节点之间信道的衰落情况，再根据 $\frac{P_R}{P_T}=\frac{G_T{G}_R}{{\mathrm{Kr}}^{\mathrm{\α}}}$ 来计算AB与BC之间距离之比，最后利用几何关系 $\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_A}{{\sin \mathrm{\θ}}_C}=\frac{\mathrm{BC}}{\mathrm{AB}}=R$ 来获得节点A和节点C之间远距离通信所需要的AOA定位值θ_A和θ_C。

再次，节点B将上面获得的AOA定位信息θ_A和θ_C分别利用TRBF控制分组发给节点A和节点C。

接着，无论有无功控信息，节点A和节点C利用节点B发送的AOA定位值θ_A和θ_C来完成远距离通信：具体是节点A将自己存储的节点B的AOA信息加上或减去θ_A来获得与节点C远距离通信所需的波束成形方向，反之，节点C也用θ_C以同样的过程来得到波束成形方向。

最后，按照MAC协议，节点A向节点C发送DATA，节点C接受正确则向节点A回送ACK，远距离通信过程结束。

本发明利用两个远距离节点的公共邻居节点所提供的协调信息，实现了远距离节点之间的TR-BF方向性通信，使得网络可以充分利用方向性天线提高空间重用性、提供更远通信距离的优势，仿真结果表示，本发明在网络负载较重情况下增大了网络吞吐量，降低了网络延时。

附图说明

图1为无功控信息时远距离节点通信说明图，图中ABC为对应数据分组的路由；

图2为有功控信息时远距离节点通信说明图，图中ABC为对应数据分组的路由；

图3为无功控信息条件下远距离节点互相成功发现的概率曲线图，图中针对不同波束宽度的方向性天线进行了分析；

图4为仿真性能曲线图，(a)网络吞吐量；(b)端到端延时

图中的三条曲线分别为DMAC，以及DMAC分别与本发明中的两种远距离节点通信方法结合后的新协议，将与无功控的远距离节点通信DMAC协议记为DMAC-TRBF1，而将有功控的记为DMAC-TRBF2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1来说明无功控信息时的远距离节点通信，图示场景中，路由ABC和路由DBE均经过节点B，所以节点B很有可能由于有过多需要转发的数据分组而接近于阻塞或能量耗尽，而同时节点A根据路由1想要向节点B发送数据分组，在这种情形下，节点B将会在节点A和节点C之间发起TR-BF远距离节点通信，主要的思想就是引导节点A和节点C向与∠ABC角分线垂直的方向进行波束成形，之所以选择这个方向，是因为这是它们可能完成相互发现的近似方向，下面是详细的过程。

根据DVCS，当节点A有一个数据分组(目的节点ID不是节点B)要发给节点B，节点A将会通过向节点B进行波束成形来发送RTS，在该RTS中携带有必要的路由信息。当RTS被节点B正确接受，节点B将会检查自身状态来决定是否回复CTS。如果节点B决定不回复此分组，它将会发起TR-BF远距离节点通信过程。节点B通过阅读RTS中的路由信息可以找到节点C是下一跳节点，然后节点B将会在自己的AOA缓冲存储器中查找节点A和节点C的AOA信息，之后分别发送TRBF-CTS和TRBF-RTS给节点A和节点C，TRBF-CTS和TRBF-RTS分组包含用于协调节点A和节点C互相发现的旋转角度和方向信息(这里的旋转角度和方向都是相对于节点B的AOA的旋转信息)。

剩余的问题就是为节点A和节点C计算旋转角和旋转方向了。根据图1中所示的几何关系，对节点A和节点C来说，旋转角θ是相同的，而旋转方向是相反的，令节点B处节点A和节点C的AOA分别为θ₁(0≤θ₁＜360°)和θ₂(0≤θ₂＜360°)，也就是说BA与y轴正方向的夹角为θ₁，BC与y轴正方向的夹角为θ₂，故

于是我们就有θ＝90°-(∠ABC/2)。现在唯一的问题是旋转方向了，当0≤θ₁-θ₂＜180°或-360°≤θ₁-θ₂＜-180°，我们说节点A是超前的而节点C是滞后的，此时节点A应该从与节点B通信的方向顺时针转动波束θ度来发现节点C，而节点C应该逆时针转动波束θ度；当-180°≤θ₁-θ₂＜0°或180°≤θ₁-θ₂＜360°，我们说节点C是超前的而节点A是滞后的，此时节点A应该逆时针转，而节点C应该顺时针转来完成互相发现。

参见图2来说明有功控信息时的远距离节点通信，同样的场景中，路由ABC和路由DBE均经过节点B，当系统中加入了功率控制，且假设我们只考虑大尺度损耗而忽略小尺度损耗，我们可以通过利用控制分组中所携带的功率控制信息来完成更精确的远距离节点发现。

有了附加的功率控制信息我们可以为节点A和节点C计算出精确的旋转角度来代替无功控信息时所使用的近似方向。这里，当节点B收到来自节点A的RTS分组并仍然决定不接收数据分组时，它将会发送一个TRBF-TEST分组给节点C，而节点C将会回复一个TRBF-ACK给节点B。RTS和TRBF-ACK都包含有发送功率信息，而节点B可以由底层获得接收功率，这样我们就有了与节点A和节点C的收发功率信息。根据等式：

$\frac{P_R}{P_T}=\frac{G_T{G}_R}{{\mathrm{Kr}}^{\mathrm{\α}}}$

其中因子K是一个考虑大气吸收，欧姆损耗等的常数，r是发送者和接受者之间的距离，α是路径损耗指数(2≤α≤4)，而G_T，G_R分别代表发送者和接受者的天线增益。G_T和G_R都可以被调整使得对于节点B收到的RTS和TRBF-ACK是相同的，而K对两个控制分组是近似的。所以有

${\left(\frac{P_R}{P_T}\right)}_{\mathrm{RTS}}/{\left(\frac{P_R}{P_T}\right)}_{\mathrm{TR}-\mathrm{ACK}}={\left(\frac{r_{\mathrm{TR}-\mathrm{ACK}}}{r_{\mathrm{RTS}}}\right)}^{\mathrm{\α}}$

即

$\frac{r_{\mathrm{TR}-\mathrm{ACK}}}{r_{\mathrm{RTS}}}={[{\left(\frac{P_R}{P_T}\right)}_{\mathrm{RTS}}/{\left(\frac{P_R}{P_T}\right)}_{\mathrm{TR}-\mathrm{ACK}}]}^{1/\mathrm{\α}}$

由于等式的右边是一个常量，令 $R={[{\left(\frac{P_R}{P_T}\right)}_{\mathrm{RTS}}/{\left(\frac{P_R}{P_T}\right)}_{\mathrm{TR}-\mathrm{ACK}}]}^{1/\mathrm{\α}},$ 则

r_TR-ACK＝R·r_RTS

根据正弦定理，考虑图2中的ΔABC，我们有

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_A}{\sin {\mathrm{\θ}}_C}=\frac{\mathrm{BC}}{\mathrm{AB}}=R---\left(1\right)$

另外有如下等式

θ_A+θ_C＝180°-∠ABC

令β＝180°-∠ABC，则

θ_A＝β-θ_C    (2)

我们可以通过联立(1)和(2)来计算θ_A和θ_C，结果是

${\mathrm{\θ}}_C=\arctan \left(\frac{\sin \mathrm{\β}}{\cos \mathrm{\β}+R}\right);$ θ_A＝β-θ_C

现在节点B可以分别发送TRBF-CTS和TRBF-INFORM给节点A和节点C，这两个分组就承载有θ_A，θ_C以及旋转方向的信息。因此，节点A和节点C就可以更精确地完成互相发现了。

参见图3，计算无功控信息条件下远距离节点成功完成发现的概率，图中三条曲线分别代表波束宽度为45°、60°和90°的情况下远距离节点成功完成发现的概率，这里只考虑∠ABC大于90度的情形，原因是如果∠ABC比90度小，节点C可能是节点A的一跳邻节点，这种情况下不会发起远距离节点通信。

波束宽度越宽，成功发现可能性越大，而且无论波束宽度有多宽，随着∠ABC的增大，成功发现的可能性会提升到100％，这是因为当角度接近180度，三个节点几乎成一条线，此时不知道两节点距节点B的精确距离的影响就变得很小了。

参见图4，(a)图中三条曲线分别代表DMAC、DMAC-TRBF1和DMAC-TRBF2三种协议在不同网络负载条件下的吞吐量的变化曲线，而(b)图中蓝色、绿色和红色三条曲线分别代表DMAC、DMAC-TRBF1和DMAC-TRBF2三种协议在不同网络负载条件下的延时的变化曲线。为了验证提出的远距离节点通信方法的性能，在NS-2下仿真了该方案，仿真过程使用了下面的场景，30个节点在1000m×1000m的场景中分布，选取10个节点作为数据源，数据源可以以1到40个数据包每秒向随机选取的目的节点发送CBR数据，数据包的大小是512字节，仿真持续250s，仿真重复20次取平均。将本发明中提出的两种远距离节点通信方法与DMAC(IEEE 802.11与DVCS和DNAV结合而得的方向性MAC协议)本身作比较，得到了图4中的结果。

能够发现随着负载的增加，无论是吞吐量还是延时本发明提出的方法都要好于DMAC，原因是场景中的节点在负载增加的时候会发起远距离节点通信过程来缓解局部的网络繁忙。因此，首先，大量因阻塞而导致的分组丢弃被避免了，吞吐量没有遭遇与DMAC相同的门限；其次，更多的远距离通信被建立，分组传递所需的平均跳数被减少了，这样在一定程度上缓解了网络负载增加所带来的延时性能恶化，在远距离通信完全建立之后，由于拥塞的缓解，端到端延时反而有所降低。

Claims (1)

1、使用方向性天线的Ad Hoc网络中远距离节点通信的实现方法，其特征在于：

首先，在使用方向性天线的Ad Hoc网络中，当有分组到达节点A，且从路由信息中可以得到接下来两跳的转发节点分别为节点B和节点C时，根据MAC协议，节点A首先向下一跳节点B发送请求发送分组RTS，分组中携带节点B的下一跳节点的信息，也就是节点C的ID号，如果节点B此时接近阻塞，便可以选择不接受此分组，而发起节点A与节点C的远距离节点通信；

其次，节点B根据自己掌握的到达角AOA(Angle of Arrival)信息来发起远距离节点通信：

a、无功控信息时，设节点B的AOA寄存器中对应于节点A和节点C的AOA分别为θ₁，0≤θ₁＜360°和θ₂，0≤θ₂＜360°，则可根据和θ_A＝θ_C＝90°-(∠ABC/2)来获得节点A和节点C所需的AOA定位值θ_A和θ_C；

b、有功控信息时，在忽略小尺度衰落的条件下，节点B可通过与节点C交互小的探测分组，获得两节点之间信道的衰落情况，再根据 $\frac{P_R}{P_T}=\frac{G_T{G}_R}{{\mathrm{Kr}}^{\mathrm{\α}}}$ 来计算AB与BC之间距离之比，最后利用几何关系 $\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_A}{\sin {\mathrm{\θ}}_C}=\frac{\mathrm{BC}}{\mathrm{AB}}=R$ 来获得节点A和节点C之间远距离通信所需要的AOA定位值θ_A和θ_C；

再次，节点B将上面获得的AOA定位信息θ_A和θ_C分别利用TRBF控制分组发给节点A和节点C；

接着，无论有无功控信息，节点A和节点C利用节点B发送的AOA定位值θ_A和θ_C来完成远距离通信：具体是节点A将自己存储的节点B的AOA信息加上或减去θ_A来获得与节点C远距离通信所需的波束成形方向，反之，节点C也用θ_C以同样的过程来得到波束成形方向；

最后，按照MAC协议，节点A向节点C发送DATA，节点C接受正确则向节点A回送ACK，远距离通信过程结束。

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