CN101605295B - 一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，该系统包括有邻居发现模块(1)、地址解析模块(2)、地址存储模块(3)、位置预测模块(4)、参数设置模块(5)、通信发送模块(6)、通信接收模块(7)和位置修正模块(8)。本发明中的每个移动节点通过邻居发现操作获得其邻居节点的位置信息。该节点会每隔一定的时间t对其周围的邻居节点进行位置预测，然后对预测区域进行通信，当通信成功时则交换双方的地理位置信息；否则，节点会自动地采用位置预测修正方法来进行修正，重新进行通信。在本发明中，使用定向天线的波束角进行区域界定有效地减小了节点通信时的射频覆盖区域，从而减小节点间通信时的能量消耗，提高了空间使用率，增加了通信时的安全性。

Description

一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统

技术领域

本发明涉及一种适用于无线传感网络(MANET)中的节点位置预测与通信，更特别地说，是指一种基于定向天线的移动节点位置预测与通信方法。

背景技术

MANET(mobile ad hoc net)是由无线传感器节点组成的能够进行相互通信的无线网络。该网络常常用于灾难恢复、幸存者搜救等无法使用有线网络或是有线网络难以发挥作用的环境中。

在MANET网络中的无线传感器节点所使用的天线有以下2种：全向天线和定向天线。

全向天线拥有360°射频范围，所以在通信的过程中不需要将天线指向对端。全向天线向各个方向发送相同强度的信号，因此，它的信号覆盖区域近似于一个圆形，但由于接收方只存在于一个特定的方向上，所以，使用全向天线会造成大量的能量浪费。除此之外，全向天线在通信的过程容易被非法节点发现并监听，因此全向天线通信的安全性也较低。

定向天线只能向特定的角度发送和接收信号，所以，定向天线能够扩展通信的距离，提高通信的空间利用率；增加通信的安全性；减少移动节点通信时能量的消耗。同时，由于不在射频区域内的节点无法收到信号，所以减小了节点间通信时的冲突，提高了通信的质量和通信传输的速度，并且降低了其被非法节点发现和监听的概率。

然而，定向天线只能在特定的角度发送和接收信号，因此移动节点之间能够进行通信的前提是两个移动节点的定向天线相互对准，否则就无法接收到对方发过来的信号。但是在MANET网络中，由于通信的双方都处于无规则的运动中，因此通信的双方都不知道对方的位置，也就无法将自己的定向天线照准对方，所以需要提出一种方法，使得通信双方能够在不知道对方位置的情况下也可以将自己定向天线指向对方。

对位置信息的研究包含方向：位置跟踪和位置预测。位置跟踪是周期性地记录其他节点的位置信息，属于被动策略。现有的位置跟踪技术是利用未知节点与某些参考节点集的距离或角度，并使用三角测量技术求解未知节点的位置。位置预测是一种积极的动态策略，该方法是通过使用节点的运动模型来预测运动节点的位置。

FeiYu在“Quality of Service Provisioning in Cellular Mobile Network”InThe University of British Columbia，2003；中提出了一种基于统计分析的方法来预测用户移动的算法。该算法将用户的移动用一系列的事件来表示，并假设用户的移动轨迹符合马尔可夫模型，认为下一个事件的发生概率和前面的m个Markov事件有关。这种方法优点是参考了用户前几步的移动。该算法为每个移动用户建立一个移动概率树，每一个树的根节点根据这个树的叶节点概率来预测下一个事件发生的概率。该算法虽然可以根据历史统计信息计算出当前节点移动到某个区域的概率，但是需要维护每个移动用户的多个移动树，增加了系统的开销。另一方面，使用该算法的一方必须具有移动用户以前的移动路径记录，并且记录越多算法效果越好，对于移动记录较少或者没有移动路径记录的情况，不能使用该算法。

综上所述，现有的位置预测的方法在MANET网络中使用存在局限，对环境的适应性不强，都需要在待测的区域中做大量的学习，一旦待测区域发生了改变，预测的正确性将会大幅度的下降。除此之外，现在人们所提出的位置预测的方法都是采用全向天线；或是采用定向天线发送，全向天线接收的模式，不利于提高预测的精度和节点之间通信的安全性，而在本发明中，无论是通信的接收还是发送，均采用定向天线来完成，从而增加了双方通信的距离和通信的效率。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，通过使用双定向邻居发现方法实现移动节点间通信连接的建立；然后根据邻居节点的以往运动轨迹进行分析，使用Tricle方法来计算出该邻居节点在未来某一时刻出现的区域，从而实现了对该邻居节点的位置预测；并以该位置预测的结果，使用天线参数计算方法来得到定向天线的波束角和方位角，从而使通信双方的定向天线相互对准，实现两个移动节点间的通信；除此之外，本发明还提出了一种位置预测修正方法，用来解决位置预测错误的情况，从而完善了对邻居节点的位置预测。由于本发明在无线传感器节点上使用了定向天线，因此扩展了通信的距离，提高了通信的空间利用率；减少移动节点通信时能量的消耗。同时，减小了节点间通信时的冲突，提高了通信的质量和通信传输的速度，并且降低了其被非法节点发现和监听的概率，增加了通信的安全性。

本发明的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，该系统包括有邻居发现模块(1)、地址解析模块(2)、地址存储模块(3)、位置预测模块(4)、参数设置模块(5)、通信发送模块(6)、通信接收模块(7)和位置修正模块(8)；

邻居发现模块(1)一方面根据双定向邻居发现方法进行通信连接建立，使得通信连接建立的发起方节点与接收方节点能够相互交换双方的地理位置信息A(x，y)、B(x，y)，并输出邻居身份B_id给地址解析模块(2)；另一方面接收位置修正模块(8)输出的重启指令restart，并依据该重启指令restart进行下一次的通信连接建立；

地址解析模块(2)第一方面接收通信接收模块(7)输出的数据包data_in，并从data_in中提取出B(x，y)，并将该B(x，y)传输给地址存储模块(3)；第二方面将接收的邻居身份B_id输出给通信发送模块(6)；第三方面移动节点将GPS接收终端收到的地理位置信息A(x，y)提取出来，并将该A(x，y)传输给通信发送模块(6)；

地址存储模块(3)一方面将经过地址解析模块(2)解析之后的数据B(x，y)存储到移-节-数据库中，该数据库对每一个邻居节点只保存K条最新的位置信息的记录；另一方面输出邻居节点的历史地址(x_i，y_i)，(x_i-1，y_i-1)给位置预测模块(4)，用于三角形覆盖位置预测法Tricle使用，该模块使用堆栈的方式有利于提高数据的读取速度，减少查询等待时间；上述移-节-数据库中记录的格式为(time，node_id，position_x，position_y)，time表示移动节点接收到回复信息的时间，node_id表示邻居节点的身份标识，position_x表示邻居节点在测试区域中的经度x，position_y邻居节点在测试区域中的纬度y；

位置预测模块(4)对接收到的邻居节点历史地址(x_i，y_i)，(x_i-1，y_i-1)通过Tricle方法来分析，从而实现对邻居节点在将来某个时刻所在区域的预测，得到邻居节点可能出现的区域，并将该区域的数据(x_i+1，y_i+1)传输给参数设置模块(5)；

参数设置模块(5)一方面接收位置预测模块(4)输出的邻居节点预测位置(x_i+1，y_i+1)，另一方面接收位置修正模块(8)输出的修正指令REP，第三方面采用天线参数计算方法对(x_i+1，y_i+1)和REP进行计算，获得定向天线的波束角θ和方位角β输出给通信发送模块(6)；

通信发送模块(6)一方面接收地址解析模块(2)输出的移动节点地理信息A(x，y)，另一方面接收参数设置模块(5)输出的第二波束角θ和方位角β，并依据θ和β设置移动节点上的定向天线参数，第三方面对A(x，y)进行打包处理获得数据包data_out输出；通信发送模块(6)输出的数据包data_out格式与通信连接请求DRTS(A_id，B_id，A(x，y))相同；

通信接收模块(7)一方面接收邻居节点输出的第一数据包data_in，另一方面采用转发方法进行数据的分发；

位置修正模块(8)接收到通信接收模块(7)输出的time_out和clean后，应用位置预测修正方法进行处理，将获得的重启指令restart输出给邻居发现模块(1)，将获得的修正指令REP输出给参数设置模块(5)。

本发明的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，该系统的优点在于：

(1)本发明是一种使用在车载移动节点上的进行位置预测的通信方法，由于通信的发送方与接收方都使用定向天线，因此减小了节点间通信时的能量消耗，扩展了节点间通信的距离，增加了通信时空间使用率，增强了通信时的安全性，提高了通信的质量和通信的速度。

(2)本发明进行位置预测时不需要在跟踪区域设置大量的锚节点，不需要将节点的轨迹完全记录，只需要记录少量的运动点的位置数据就可以进行位置预测，因此减小了计算的复杂度和存储空间的消耗。

(3)采用双定向邻居发现方法来分别获得发送、接收方的地理位置信息，实现了两个采用定向天线的移动节点间的位置发现。最大程度地利用了定向天线的优势，扩展了通信的距离，提高了通信的空间利用率；增加了通信的安全性；减少了移动节点通信时能量的消耗；有效地利用了定向天线抗干扰的能力，提高了通信的质量和通信传输的速度。

附图说明

图1是本发明的基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统的结构图。

图2是本发明中的位置预测的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

在本发明中，所有的移动节点均为车载节点，使用定向天线作为通信的媒介，并且安装有GPS接收终端。因此每个移动节点都能够获得自己当前的地理位置信息A(x，y)。

上述地理位置信息A(x，y)包括节点所在的经度x，纬度y。

在本发明中，每个移动节点通过邻居发现操作获得其邻居节点的位置信息。该节点会每隔一定的时间t(该时间段被称为间隔周期)对其周围的邻居节点进行位置预测，然后对预测区域进行通信，当通信成功时则交换双方的地理位置信息；否则，节点会自动地采用位置预测修正方法来进行修正，重新进行通信。

为了叙述方便，在下面的详细说明中，除了邻居发现模块1中应用发送方节点、接收方节点以外，其余对发送方节点采用移动节点的称呼，接收方节点采用邻居节点的称呼。

参见图1所示，本发明的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，该系统包括有邻居发现模块1、地址解析模块2、地址存储模块3、位置预测模块4、参数设置模块5、通信发送模块6、通信接收模块7和位置修正模块8。

(一)邻居发现模块1

邻居发现模块1一方面根据双定向邻居发现方法进行通信连接建立，使得通信连接建立的发起方节点与接收方节点能够相互交换双方的地理位置信息A(x，y)、B(x，y)，并输出接收方节点的身份标识B_id(简称为邻居身份B_id)给地址解析模块2；另一方面接收位置修正模块8输出的重启指令restart，并依据该重启指令restart进行下一次的通信连接建立；

在本发明中，通信连接建立的发起方节点也称作发送方节点，接收方称作接收方节点。

发送方节点与接收方节点之间进行的通信所使用的方法称为双定向邻居发现方法，应用该双定向邻居发现方法的具体实现步骤如下：

步骤101：发送方节点采用旋转周期为

对定向天线的转动进行控制，每移动一个波束角θ后，并向接收方节点发送一次通信连接请求DRTS(A_id，B_id，A(x，y))；而接收方节点则以旋转周期T进行定向天线转动，并始终处于通信接收状态；

θ表示定向天线的波束角；

T表示定向天线的旋转周期；

A_id表示发送方节点的身份；

B_id表示接收方节点的身份；

A(x，y)表示发送方节点的地理位置信息，x表示经度，y表示纬度。

步骤102：当接收方节点接收到DRTS(A_id，B_id，A(x，y))后，接收方节点将发送方节点标记为自身的邻居节点，并获取A(x，y)存储在接收方节点的地理位置信息库(简称为邻-节-数据库)，然后接收方节点的定向天线停止旋转，并向发送方节点发送回复信息DCTS(B_id，A_id，B(x，y))；

在本发明中，若接收方节点能够接收到发送方节点的通信连接请求DRTS(A_id，B_id，A(x，y))，则说明接收方节点与发送方节点之间的定向天线相互对准。

步骤103：发送方节点接收到回复信息DCTS(B_id，A_id，B(x，y))后，发送方节点将接收方节点标记为自身的邻居节点，并获取B(x，y)存储在发送方节点的地理位置信息库(简称为移-节-数据库)中，然后发送方节点的定向天线停止旋转，并向接收方节点发送确认信息ACK。

B(x，y)表示接收方节点的地理位置信息，x表示经度，y表示纬度。

在本发明中，采用三次信息握手，实现了发送方节点向接收方节点的通信连接建立。

在本发明中，采用双定向邻居发现方法来分别获得发送、接收方的地理位置信息，实现了两个采用定向天线的移动节点间的位置发现。最大程度地利用了定向天线的优势，扩展了通信的距离，提高了通信的空间利用率；增加了通信的安全性；减少了移动节点通信时能量的消耗；有效地利用了定向天线抗干扰的能力，提高了通信的质量和通信传输的速度。

(二)地址解析模块2

地址解析模块2第一方面接收通信接收模块7输出的数据包data_in，并从data_in中提取出B(x，y)，并将该B(x，y)传输给地址存储模块3；第二方面将接收的邻居身份B_id输出给通信发送模块6；第三方面移动节点将GPS接收终端收到的地理位置信息A(x，y)提取出来，并将该A(x，y)传输给通信发送模块6；

在本发明中，利用GPS接收终端能够获得移动节点本身的精确的位置信息，有利于提高地址预测模块4对邻居节点的位置预测的精度。

(三)地址存储模块3

地址存储模块3一方面将经过地址解析模块2解析之后的数据B(x，y)存储到移-节-数据库中，该数据库对每一个邻居节点只保存K(K≥2)条最新的位置信息的记录；另一方面输出邻居节点的历史地址(x_i，y_i)，(x_i-1，y_i-1)给位置预测模块4，用于三角形覆盖位置预测法Tricle使用，该模块使用堆栈的方式有利于提高数据的读取速度，减少查询等待时间。

上述移-节-数据库中记录的格式为(time，node_id，position_x，position_y)，time表示移动节点接收到回复信息的时间，node_id表示邻居节点的身份标识，position_x表示邻居节点在测试区域中的经度x，position_y邻居节点在测试区域中的纬度y。

(四)位置预测模块4

位置预测模块4对接收到的邻居节点历史地址(x_i，y_i)，(x_i-1，y_i-1)通过Tricle方法来分析，从而实现对邻居节点在将来某个时刻所在区域的预测，得到邻居节点可能出现的区域，并将该区域的数据(x_i+1，y_i+1)传输给参数设置模块5。

参见图2所示，移动节点的当前位置点记为H，H点的坐标为(x_a，y_a)，该H点的波束角为α。

P_A点和P_B点是移动节点的邻居节点，P_A的坐标记为(x_i-1，y_i-1)，P_B的坐标记为(x_i，y_i)，d_i是P_A点与P_B点之间的距离，连接P_A点与P_B点能够获得满足直线方程y＝kx+c的一条直线，在该直线上有M点，该M点的坐标记为(x_i+1，y_i+1)，M点也是邻居节点未来出现的位置。过P_B点，且以d_i为边长，M点为中心，构形一个等边三角形。以M点为圆心，r_i为半径，构形一个圆。

H点与M点之间的距离记为D_i。

本发明的Tricle方法的实现步骤如下：

步骤401：移动节点根据接收到的P_A点和P_B点的历史地址(x_i，y_i)，(x_i-1，y_i-1)构形出满足直线方程y＝kx+c的一条直线；

所述直线方程中斜率k与截距c的计算方法为： $\left\{\begin{array}{c}k=\frac{y_i-y_{i-1}}{x_i-x_{i-1}}\\ c=\frac{x_i{y}_{i-1}-x_{i-1}{y}_i}{x_i-x_{i-1}},x_i\≠x_{i-1}\end{array}\right..$

步骤402：以P_A点与P_B点之间的距离d_i为边长，过P_B点(x_i，y_i)构形一个等边三角形，该三角形的中心为M点，并且M点在直线y＝kx+c上；

所述该三角形边长为 $d_i=\sqrt{{(x_i-x_{i-1})}^2+{(y_i-y_{i-1})}^2},$ d_i为邻居节点在一个间隔周期中可能移动的最大距离。

所述三角形的M点的坐标为 $\left\{\begin{array}{c}{x}_{i+1}=x_i+\frac{\sqrt{3}{d}_i}{3}\frac{x_i-x_{i-1}}{|x_i-x_{i-1}|}\cos \left(\arctan \left(\right|k\left|\right)\right)\\ y_{i+1}=y_i+\frac{\sqrt{3}{d}_i}{6}\frac{y_i-y_{i-1}}{|y_i-y_{i-1}|}\sin \left(\arctan \left(k\right)\right)\end{array}\right..$

步骤403：根据步骤402所得的等边三角形为基础构形得到一个外接圆，该外接圆所在的区域就是对邻居节点进行位置预测的结果。

所述外接圆的圆心与等边三角形的中心M点重合。

在本发明中，由于使用了Tricle方法进行位置预测，所以不需要在跟踪区域设置大量的锚节点；不需要对邻居节点的轨迹进行完全记录，只需要记录少量的运动点的位置数据就可以进行位置预测，因此减小了计算的复杂度和存储空间的消耗；移动节点不需要做大量的机器学习，增强了对待测区域环境的适应性。

(五)参数设置模块5

参数设置模块5一方面接收位置预测模块4输出的邻居节点预测位置(x_i+1，y_i+1)，另一方面接收位置修正模块8输出的修正指令REP，第三方面采用天线参数计算方法对(x_i+1，y_i+1)和REP进行计算，获得定向天线的波束角θ和方位角β输出给通信发送模块6。

在本发明中，移动节点上所安装的定向天线，能够自动地改变其波束角和方位角，该波束角的调节角度可以是按照0.01°、1°、3°或10°进行调节，调节角度记为θ_i，i表示具体的调节角度数。

本发明的天线参数计算方法具体步骤如下：

步骤501：计算移动节点所需的波束角 $\mathrm{\α}=2\arcsin \left(\frac{r_i}{D_i}\right)$ (简称为第一波束角α)；

在第一波束角 $\mathrm{\α}=2\arcsin \left(\frac{r_i}{D_i}\right)$ 中，r_i表示等边三角形外接圆的半径，D_i表示移动节点与邻居节点的距离；

步骤502：将修正指令REP和第一波束角α在定向天线修正模型θ＝(REP+1)×beamwidth中修改正定向天线当前使用的波束角，从而获得第二波束角θ；

定向天线修正模型θ＝(REP+1)×beamwidth中的 $\mathrm{beamwidth}=\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&theta;}}_1,& \mathrm{if}& \mathrm{\&alpha;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_1\\ {\mathrm{\&theta;}}_i,& \mathrm{if}& {\mathrm{\&theta;}}_{i-1}<{\mathrm{\&alpha;}\&le;\mathrm{\&theta;}}_i\\ {\mathrm{\&theta;}}_n,& \mathrm{if}& {\mathrm{\&alpha;}\&GreaterEqual;\mathrm{\&theta;}}_n\end{array}\right.,$ 字母物理意义为：

θ₁表示定向天线调整时的第一个波束角角度，

θ_i表示定向天线调整时的第i个波束角角度，

θ_i-1表示定向天线调整时的第i-1个波束角角度，

θ_n表示定向天线调整时的最后一个波束角角度，

α表示第一波束角，

beamwidth表示第三波束角，

REP表示修正指令的修正值。

步骤503：采用方位角模型计算移动节点上定向天线当前的方位角β；

方位角模型为 $\mathrm{\&beta;}=\left\{\begin{array}{c}\arccos \frac{x_{i+1}-x_a}{D_i},x_a<x_{i+1},y_a<y_{i+1}\\ -\arccos \frac{x_{i+1}-x_a}{D_i},x_a<x_{i+1},y_a>y_{i+1}\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}+\arccos \frac{y_{i+1}-y_a}{D_i},x_a>x_{i+1},y_a<y_{i+1}\\ \frac{3\mathrm{\&pi;}}{4}-\arccos \frac{y_a-y_{i+1}}{D_i},x_a>x_{i+1},y_a>y_{i+1}\end{array}\right.,$

x_i+1表示邻居节点预测位置的经度，

x_a表示移动节点当前位置的经度，

y_i+1表示邻居节点预测位置的纬度，

y_a表示移动节点当前位置的纬度，

D_i表示移动节点与邻居节点的距离，

在本发明中，参数设置模块5应用两个数学模型解析获得波束角和方位角，有利于移动节点和邻居节点上的定向天线相互对准。

(六)通信发送模块6

通信发送模块6一方面接收地址解析模块2输出的移动节点地理信息A(x，y)，另一方面接收参数设置模块5输出的第二波束角θ和方位角β，并依据θ和β设置移动节点上的定向天线参数，第三方面对A(x，y)进行打包处理获得数据包data_out输出。

在本发明中，通信发送模块6输出的数据包data_out格式与通信连接请求DRTS(A_id，B_id，A(x，y))相同。

在本发明中，通信发送模块6采用定向天线进行数据的发送，减小了节点间通信时的能量消耗，扩展了节点间通信的距离，增加了通信时空间使用率，增强了通信时的安全性，提高了通信的质量和通信的速度。

(七)通信接收模块7

通信接收模块7一方面接收邻居节点输出的第一数据包data_in，另一方面采用转发方法进行数据的分发。

接收邻居节点输出的第一数据包data_in的格式与通信连接请求DRTS(A_id，B_id，A(x，y))相同。

在本发明中，通信接收模块7对第一数据包data_in进行的转发方法包括有下列步骤：

步骤701；将移动节点的定向天线设置为通信接收状态，并设置计时器timer，一般设置计时器timer为1秒左右；

步骤702：移动节点等待邻居节点的第一数据包data_in，若收到该数据包，执行步骤703；若计时器timer超时，执行步骤704；

步骤703：移动节点在接收到数据包data_in后，一方面直接将数据包data_in转发给地址解析模块2；另一方面输出清零指令clean给位置修正模块8；

步骤704：移动节点发送超时信号time_out给位置修正模块8。

在本发明中，通信接收模块7采用了通信计时器，有利于防止移动节点无限期的处于通信接收状态，提高了移动节点的运行效率。

(八)位置修正模块8

位置修正模块8接收到通信接收模块7输出的time_out和clean后，应用位置预测修正方法进行处理，将获得的重启指令restart输出给邻居发现模块1，将获得的修正指令REP输出给参数设置模块5。

位置预测修正方法的执行步骤如下：

步骤801：当位置修正模块8接收到超时信号time_out后，移动节点的计数器加1，则执行步骤803；

步骤802：当位置修正模块8接收到清零指令clean后，预测成功，并将计数器清零，说明采用本发明的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统中的一个通信周期结束；

步骤803：如果计数器的计数值大于3时，执行步骤805，反之执行步骤804；

步骤804：重新进行预测，向参数设置模块5发送修正指令REP，该REP指令的值等于计数器的值；

步骤805：预测失败，向邻居发现模块1发送重启指令restart，从而结束一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统的一个通信周期。

在本发明中，位置修正模块8使用了位置预测修正方法，因此提高了预测的成功率。

本发明的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，通过使用双定向邻居发现方法实现移动节点间通信连接的建立；然后根据邻居节点的以往运动轨迹进行分析，使用Tricle方法来计算出该邻居节点在未来某一时刻出现的区域，从而实现了对该邻居节点的位置预测；并以该位置预测的结果，使用天线参数计算方法来得到定向天线的波束角和方位角，从而使通信双方的定向天线相互对准，实现两个移动节点间的通信；除此之外，本发明还提出了一种位置预测修正方法，用来解决位置预测错误的情况，从而完善了对邻居节点的位置预测。由于本发明在无线传感器节点上使用了定向天线，因此扩展了通信的距离，提高了通信的空间利用率；减少移动节点通信时能量的消耗。同时，减小了节点间通信时的冲突，提高了通信的质量和通信传输的速度，并且降低了其被非法节点发现和监听的概率，增加了通信的安全性。

Claims (6)

1.一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，其特征在于：该系统包括有邻居发现模块(1)、地址解析模块(2)、地址存储模块(3)、位置预测模块(4)、参数设置模块(5)、通信发送模块(6)、通信接收模块(7)和位置修正模块(8)；其中，在邻居发现模块(1)中采用发送方节点、接收方节点的称呼，其余模块中对发送方节点采用移动节点的称呼，接收方节点采用邻居节点的称呼；

邻居发现模块(1)一方面根据双定向邻居发现方法进行通信连接建立，使得通信连接建立的发送方节点与接收方节点能够相互交换双方的地理位置信息A(x，y)、B(x，y)，并输出B_id给地址解析模块(2)；另一方面接收位置修正模块(8)输出的重启指令restart，并依据该重启指令restart进行下一次的通信连接建立；地理位置信息A(x，y)中的x表示经度，y表示纬度；地理位置信息B(x，y)中的x表示经度，y表示纬度；

地址解析模块(2)第一方面接收通信接收模块(7)输出的数据包data_in，并从data_in中提取出B(x，y)，并将该B(x，y)传输给地址存储模块(3)；第二方面将接收的B_id输出给通信发送模块(6)；第三方面移动节点将GPS接收终端收到的地理位置信息A(x，y)提取出来，并将该A(x，y)传输给通信发送模块(6)；

地址存储模块(3)一方面将经过地址解析模块(2)解析之后的数据B(x，y)存储到发送方节点的地理位置信息库中，简称为移-节-数据库，该数据库对每一个邻居节点只保存K条最新的位置信息的记录；另一方面输出邻居节点的历史地址(x_i，y_i)，(x_i-1，y_i-1)给位置预测模块(4)，用于三角形覆盖位置预测法Tricle使用；上述移-节-数据库中记录的格式为(tiime，node_id，position_x，position_y)，time表示移动节点接收到回复信息的时间，node_id表示邻居节点的身份标识，position_x表示邻居节点在测试区域中的经度x，position_y邻居节点在测试区域中的纬度y；

位置预测模块(4)对接收到的邻居节点历史地址(x_i，y_i)，(x_i-1，y_i-1)通过Tricle方法来分析，从而实现对邻居节点在将来某个时刻所在区域的预测，得到邻居节点可能出现的区域，并将该区域的数据(x_i+1，y_i+1)传输给参数设置模块(5)；

参数设置模块(5)一方面接收位置预测模块(4)输出的邻居节点预测位置(x_i+1，y_i+1)，另一方面接收位置修正模块(8)输出的修正指令REP，第三方面采用天线参数计算方法对(x_i+1，y_i+1)和REP进行计算，获得定向天线的波束角θ和方位角β输出给通信发送模块(6)；

通信发送模块(6)一方面接收地址解析模块(2)输出的移动节点地理信息A(x，y)，另一方面接收参数设置模块(5)输出的第二波束角θ和方位角β，并依据θ和β设置移动节点上的定向天线参数，第三方面对A(x，y)进行打包处理获得数据包data_out输出；通信发送模块(6)输出的数据包data_out格式与通信连接请求DRTS(A_id，B_id，A(x，y))相同；A_id表示发送方节点的身份；B_id表示接收方节点的身份；A(x，y)表示发送方节点的地理位置信息，x表示经度，y表示纬度；

通信接收模块(7)一方面接收邻居节点输出的第一数据包data_in，另一方面采用转发方法进行数据的分发；

位置修正模块(8)接收到通信接收模块(7)输出的超时信号time_out和清零指令clean后，应用位置预测修正方法进行处理，将获得的重启指令restart输出给邻居发现模块(1)，将获得的修正指令REP输出给参数设置模块(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，其特征在于在邻居发现模块(1)中，双定向邻居发现方法的具体实现步骤如下：

步骤101：发送方节点采用旋转周期为

T对定向天线的转动进行控制，每移动一个波束角θ后，并向接收方节点发送一次通信连接请求DRTS(A_id，B_id，A(x，y))；而接收方节点则以旋转周期T进行定向天线转动，并始终处于通信接收状态；θ表示定向天线的波束角，T表示定向天线的旋转周期，A_id表示发送方节点的身份，B_id表示接收方节点的身份，A(x，y)表示发送方节点的地理位置信息，x表示经度，y表示纬度；

步骤102：当接收方节点接收到DRTS(A_id，B_id，A(x，y))后，接收方节点将发送方节点标记为自身的邻居节点，并获取A(x，y)存储在接收方节点的地理位置信息库中，简称为邻-节-数据库，然后接收方节点的定向天线停止旋转，并向发送方节点发送回复信息DCTS(B_id，A_id，B(x，y))；

步骤103：发送方节点接收到回复信息DCTS(B_id，A_id，B(x，y))后，发送方节点将接收方节点标记为自身的邻居节点，并获取B(x，y)存储在移-节-数据库中，然后发送方节点的定向天线停止旋转，并向接收方节点发送确认信息ACK；B(x，y)表示接收方节点的地理位置信息，x表示经度，y表示纬度。

3.根据权利要求1所述的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，其特征在于：在位置预测模块(4)中，移动节点的当前位置点记为H，H点的坐标为(x_a，y_a)，该H点的波束角为α；P_A点和P_B点是移动节点的邻居节点，P_A的坐标记为(x_i-1，y_i-1)，P_B的坐标记为(x_i，y_i)，d_i是P_A点与P_B点之间的距离，连接P_A点与P_B点能够获得满足直线方程y＝kx+c的一条直线，在该直线上有M点，该M点的坐标记为(x_i+1，y_i+1)，M点也是邻居节点未来出现的位置；过P_B点，且以d_i为边长，M点为中心，构形一个等边三角形；以M点为圆心，r_i为半径，构形一个圆；H点与M点之间的距离记为D_i；

所述的Tricle方法的实现步骤如下：

步骤401：移动节点根据接收到的P_A点和P_B点的历史地址(x_i，y_i)，(x_i-1，y_i-1)构形出满足直线方程y＝kx+c的一条直线；

所述直线方程中斜率k与截距c的计算方法为： $\left\{\begin{array}{c}k=\frac{y_i-y_{i-1}}{x_i-x_{i-1}}\\ x=\frac{x_i{y}_{i-1}-x_{i-1}{y}_i}{x_i-x_{i-1}},x_i\&NotEqual;x_{i-1}\end{array}\right.;$

步骤402：以P_A点与P_B点之间的距离d_i为边长，过P_B点(x_i，y_i)构形一个等边三角形，该三角形的中心为M点，并且M点在直线y＝kx+c上；

所述该三角形边长为

d_i为邻居节点在一个间隔周期中可能移动的最大距离；

所述三角形的M点的坐标为 $\left\{\begin{array}{c}{x}_{i+1}=x_i+\frac{\sqrt{3}{d}_i}{3}\frac{x_i-x_{i-1}}{|x_i-x_{i-1}|}\cos \left(\arctan \left(\right|k\left|\right)\right)\\ y_{i+1}=y_i+\frac{\sqrt{3}{d}_i}{6}\frac{y_i-y_{i-1}}{|y_i-y_{i-1}|}\sin \left(\arctan \left(k\right)\right)\end{array}\right.;$

步骤403：根据步骤402所得的等边三角形为基础构形得到一个外接圆，该外接圆所在的区域就是对邻居节点进行位置预测的结果；所述外接圆的圆心与等边三角形的中心M点重合。

4.根据权利要求1所述的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，其特征在于在参数设置模块(5)中天线参数计算方法具体步骤如下：

步骤501：计算移动节点所需的第一波束角

r_i表示等边三角形外接圆的半径，D_i表示移动节点与邻居节点的距离；

步骤502：将修正指令REP和第一波束角α在定向天线修正模型θ＝(REP+1)×beamwidth中修改定向天线当前使用的波束角，从而获得第二波束角θ；

定向天线修正模型θ＝(REP+1)×beamwidth中的 $\mathrm{beamwidth}=\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&theta;}}_1,& \mathrm{if}& \mathrm{\&alpha;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_1\\ {\mathrm{\&theta;}}_i,& \mathrm{if}& {\mathrm{\&theta;}}_{i-1}<\mathrm{\&alpha;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_i\\ {\mathrm{\&theta;}}_n,& \mathrm{if}& \mathrm{\&alpha;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_n\end{array}\right.,$ θ₁表示定向天线调整时的第一个波束角角度，θ_i表示定向天线调整时的第i个波束角角度，θ_i-1表示定向天线调整时的第i-1个波束角角度，θ_n表示定向天线调整时的最后一个波束角角度，α表示第一波束角，beamwidth表示第三波束角，REP表示修正指令的修正值；

步骤503：采用方位角模型计算移动节点上定向天线当前的方位角β；

方位角模型为 $\mathrm{\&beta;}=\left\{\begin{array}{cc}\arccos \frac{x_{i+1}-x_a}{D_i},& x_a<x_{i+1},y_a<y_{i+1}\\ -\arccos \frac{x_{i+1}-x_a}{D_i},& x_a<x_{i+1},y_a>y_{i+1}\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}+\arccos \frac{y_{i+1}-y_a}{D_i},& x_a>x_{i+1},y_a<y_{i+1}\\ \frac{3\mathrm{\&pi;}}{4}-\arccos \frac{y_a-y_{i+1}}{D_i},& x_a>x_{i+1},y_a>y_{i+1}\end{array}\right.a,$ x_i+1表示邻居节点预测位置的经度，x_a表示移动节点当前位置的经度，y_i+1表示邻居节点预测位置的纬度，y_a表示移动节点当前位置的纬度，D_i表示移动节点与邻居节点的距离。

5.根据权利要求1所述的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，其特征在于在通信接收模块(7)中，对第一数据包data_in进行的转发方法包括有下列步骤：：

步骤701：将移动节点的定向天线设置为通信接收状态，并设置计时器timer；

步骤702：移动节点等待邻居节点的第一数据包data_in，若收到该数据包，执行步骤703；若计时器timer超时，执行步骤704；

步骤703：移动节点在接收到数据包data_in后，一方面直接将数据包data_in转发给地址解析模块2；另一方面输出清零指令clean给位置修正模块(8)；

步骤704：移动节点发送超时信号time_out给位置修正模块(8)。

6.根据权利要求1所述的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，其特征在于位置预测修正方法的执行步骤如下：

步骤801：当位置修正模块(8)接收到超时信号time_out后，移动节点的计数器加1，则执行步骤803；

步骤802：当位置修正模块(8)接收到清零指令clean后，预测成功，并将计数器清零，从而结束一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统的一个通信周期；

步骤803：如果计数器的计数值大于3时，执行步骤805，反之执行步骤804；

步骤804：重新进行预测，向参数设置模块(5)发送修正指令REP，该REP指令的值等于计数器的值；

步骤805：预测失败，向邻居发现模块(1)发送重启指令restart，从而结束一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统的一个通信周期。

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