CN103916929A - 一种定向Ad Hoc网络邻居发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种定向Ad Hoc网络邻居发现方法。基于节点ID的二进制编码比特确定其天线主动探测/被动侦听模式，并利用码分多址(CDMA)或正交频分复用(OFDM)技术将信道资源划分为若干子信道，通过等概率地随机选择方法确定节点占用的子信道号，达到多个节点在不同信道上相互错开发送的目的，可有效减少邻居发现过程中多个节点同时向某一个节点发送消息所引发的数据碰撞冲突，并显著提高节点邻居发现的成功概率和缩短网络组网时间。能够用于解决完全采用定向波束传输的AdHoc网络中邻居节点之间的快速发现问题，并适用于网络密度从稀疏到密集的所有组网场景。实现简单，发现1跳范围内所有邻居节点耗时短、可靠性高。

Description

一种定向Ad Hoc网络邻居发现方法

技术领域

本发明涉及一种定向Ad Hoc网络邻居发现方法，特别是涉及一种适用于通信领域的定向Ad Hoc网络邻居发现方法。 

背景技术

定向天线利用数字信号处理技术产生空间定向波束，将发射信号能量集中在某一个或者某些特定的方向上进行辐射，而不会干扰到其他方向上节点收发信号，并通过增加信号传输速率和传输距离，来提高无线网络的空间复用率和网络的整体性能。但定向天线相比于全向天线而言，也存在一些技术上的难点，如收发均采用定向天线的节点间能进行有效通信的条件变得更为苛刻：如图1所示，只有当两个节点的定向波束相互对准且收发模式相反（一个处于传输模式，另一个处于接收模式）时，才能正常有效通信。 

另一方面，邻居节点发现作为Ad Hoc网络组网的基础和前提，对网络层的路由选择算法、网络拓扑控制和MAC层的动态时隙分配等都起着不可或缺的作用，是MAC层相关协议设计应首先考虑和解决的问题。 

在基于定向天线通信的网络中，由于定向通信波束较窄使得邻居节点发现变得更加困难，尤其是当网络中的节点在没有其周围邻居节点的任何先验信息时，如何快速发现其1跳范围内所有邻居节点并建立起通信连接仍是一个十分棘手和复杂的问题。 

目前，国内外对Ad Hoc网络组网的研究主要集中在采用全向天线进行收发，或者采用全向天线和定向天线相结合的方式，如利用全向发送定向接收或定向发送全向接收，这些邻居发现算法在邻居发现过程的某一阶段都不可避免地采用了全向天线，但由于全向天线通信距离较小，网络自干扰严重且抵抗外部干扰的能力较差，致使网络组网阶段存在着定向和全向天线增益不匹配，未能充分利用定向天线通信的全部潜在优势，极大影响了网络性能的改善程度。 

在现有技术的完全基于定向天线波束传输/接收的Ad Hoc网络邻居扫描方法中，虽然充分利用了定向天线的优势，但在密集网络中其邻居发现过程存在严重的消息碰撞冲突，发现所有邻居节点耗时长，同时存在孤立节点始终无法入网的可能。 

在传统的完全随机的邻居发现算法中，通信节点根据固定的或可变概率决定通信模式为收还是发，并随机选择发送/接收数据的定向天线扇区。当概率选 择不合理时，很可能出现近在咫尺的邻居节点却始终无法满足定向波束相互指向对方且收发模式相反的有效通信条件，进而始终无法发现对方，导致某些节点始终无法入网、无法同邻居节点通信，这些节点就是所谓的孤立节点。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种完全基于定向天线波束传输/接收，在1跳范围内快速发现邻居节点，并建立起通信连接的定向Ad Hoc网络邻居发现方法。 

本发明进一步要解决的技术问题是提供一种消除孤立节点的方法。 

本发明采用的技术方案如下：一种定向Ad Hoc网络邻居发现方法，其特征在于：具体方法步骤为： 

步骤一、给入网节点分配全网唯一的节点编号，并对该编号进行二进制形式编码； 

步骤二、根据所述二进制编码判断该节点在每一轮扫描周期内的探测或监听模式；采用动态时隙分配机制，将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，每帧由邻居发现子帧和业务数据传输子帧组成，其中邻居发现子帧又由探测、相应和确认3个阶段组成，业务数据传输子帧包括多个数据时隙；其中， 

处于主动探测模式的节点，在探测阶段开始时，从2个以上子信道中等概率随机选取1个子信道，用于发送邻居探测消息；响应阶段，在所有子信道内定向接收邻居节点发送的响应消息；确认阶段，在与探测阶段所选择相同编号的子信道内，定向发送确认消息； 

处于被动侦听模式的节点，探测阶段在所有子信道内定向接收邻居节点发送的探测消息数据；响应阶段开始时，从2个以上子信道中等概率随机选取1个子信道，用于发送邻居响应消息；确认阶段，在所有子信道内定向接收邻居节点发送的确认消息。 

作为优选，所述方法还包括，在统一的时间和方向基准前提下，按照预先定义的天线扇区扫描顺序，依次遍历所有的天线扇区。 

作为优选，所述方法还包括，采用多信道并行传输。 

作为优选，所述多信道并行传输采用码分多址或正交频分复用实现。 

作为优选，所述步骤二中，判断节点在本轮扫描周期内的探测或监听模式的具体方法步骤为： 

步骤S101：初始化节点参数N和j，N为网络中总节点数，j∈{0,1,…,N-1}为节点在网络内的唯一编号ID； 

步骤S102：对节点的编号j以二进制形式编码； 

步骤S103：如果节点j的二进制编码位数等于转步骤S105，否则转步骤S104； 

步骤S104：在二进制编码左边添0补位，直到位为止； 

步骤S105：第i轮扫描周期内，如果节点j的二进制编码的第i位为0，转 至步骤S106，否则转至步骤S107； 

步骤S106：该轮扫描周期内设置天线为被动侦听模式，转至步骤S108； 

步骤S107：该轮扫描周期内设置天线为主动探测模式； 

步骤S108：结束。 

作为优选，所述步骤二中，处于主动探测模式的节点其邻居发现的具体方法步骤为： 

步骤S201：探测阶段开始时，利用伪随机数发生器，在[1，K]之间等概率地随机产生1个伪随机整数K_i，其中K为子信道数； 

步骤S202：在第K_i个子信道，定向发送其邻居探测消息； 

步骤S203：响应阶段，节点在所有子信道内定向接收邻居节点发送的响应消息； 

步骤S204：确认阶段，节点在第K_i个子信道，针对响应阶段收到的响应消息，定向发送其邻居确认消息； 

步骤S205：邻居发现过程结束。 

作为优选，所述步骤二中，处于被动侦听模式的节点其邻居发现的具体方法步骤为： 

步骤S301：探测阶段，节点在所有子信道内定向接收邻居节点发送的探测消息； 

步骤S302：响应阶段开始时，节点利用伪随机数发生器，在[1，K]之间等概率地随机产生1个伪随机整数K_j，其中K为子信道数； 

步骤S303：在第K_j个子信道内，针对探测阶段收到的探测消息，定向发送其邻居响应消息； 

步骤S304：确认阶段，节点在所有子信道内定向接收邻居节点发送的确认消息； 

步骤S305：邻居发现过程结束。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于节点ID的二进制编码比特确定其天线主动探测/被动侦听模式，并利用码分多址(CDMA)或正交频分复用(OFDM)技术将信道资源划分为若干子信道。通过等概率地随机选择方法确定节点占用的子信道号，达到多个节点在不同信道上相互错开发送的目的，可有效减少邻居发现过程中多个节点同时向某一个节点发送消息所引发的数据碰撞冲突，并显著提高节点邻居发现的成功概率和缩短网络组网时间。能够用于解决完全采用定向波束传输的Ad Hoc网络中邻居节点之间的快速发现问题，并适用于网络密度从稀疏到密集的所有组网场景。实现简单，发现1跳范围内所有邻居节点耗时短、可靠性高。 

附图说明

图1为Ad Hoc网络中的节点通信原理示意图。 

图2为定向Ad Hoc网络中节点密集聚集的情形。 

图3为本发明TDMA帧结构示意图。 

图4为本发明其中一实施例的节点探测/侦听模式选择算法流程图。 

图5为本发明其中一实施例的主动探测节点的邻居发现流程图。 

图6为本发明其中一实施例的被动侦听节点的邻居发现流程图。 

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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。 

一种定向Ad Hoc网络邻居发现方法，具体方法步骤为： 

步骤一、给入网节点分配全网唯一的节点编号，并对该编号进行二进制形式编码； 

步骤二、如图3所示，根据所述二进制编码判断该节点在每一轮扫描周期内的探测或监听模式；采用动态时隙分配机制，将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，每帧由邻居发现子帧和业务数据传输子帧组成，其中邻居发现子帧又由探测、相应和确认3个阶段组成，确定节点在探测、响应和确认阶段占用的子信道号并完成邻居发现的3步握手过程，使节点在没有邻节点任何先验信息的情况下，能够快速发现其1跳通信覆盖范围内的所有邻居节点。用于各节点分布式、等概率地随机选择发送探测和响应消息的子信道号，实现多个节点在多个子信道上并行、无冲突地传输，从而极大地减小邻居发现过程中由于多个节点同时向某一个节点发送消息所造成的消息碰撞冲突概率，大大缩短邻居发现过程的时间，并确保在确定的时间内发现1跳范围内所有邻居节点，并完成数据通信时隙的动态预约；业务数据传输子帧包括多个（在本具体实施例中设为N个）数据时隙，用于在建立的定向链路上进行数据传输；其中， 

处于主动探测模式的节点，在探测阶段开始时，从2个（在本具体实施例中设为K个）以上子信道中等概率随机选取1个子信道，用于发送邻居探测消息；响应阶段，在所有子信道内定向接收邻居节点发送的响应消息；确认阶段，在与探测阶段所选择相同编号的子信道内，定向发送确认消息； 

处于被动侦听模式的节点，探测阶段在所有子信道内定向接收邻居节点发送的探测消息数据；响应阶段开始时，从2个（在本具体实施例中设为K个）以上子信道中等概率随机选取1个子信道，用于发送邻居响应消息；确认阶段，在所有子信道内定向接收邻居节点发送的确认消息。 

采用分布式动态时隙分配机制，满足了网络中大量节点传输实时和突发业务的通信需求。 

所述方法还包括，在统一的时间和方向基准前提下，按照预先定义的天线扇区扫描顺序，依次遍历所有的天线扇区。在本具体实施例中，每个节点装备 了一套多波束天线，能够在传输与接收模式之间快速切换，且均采取相同的波束编号，并在安装时经过精确的方向校对，使得各节点指向正东的波束编号都相同，即所有节点定向天线的基准方向相同；同时，所有节点在当前时刻都是TDMA帧同步的，即所有节点均基于统一的时间基准。 

本具体实施例采用确定性扫描算法，它在统一的时间和方向基准前提下，根据文中提出的主动探测/被动侦听模式选择算法确定节点工作模式，并按照预先定义的天线扇区扫描顺序，依次遍历所有的天线扇区。每两个节点ID的二进制编码至少有1bit是不同的，在不考虑邻居发现过程发生消息碰撞冲突的情况下，两个节点最多需要次主动探测/被动侦听后，就能发生一次有效通信并互相发现对方；若考虑冲突存在的情况，由于我们采用多信道并行传输，可极大降低这种冲突概率，也能确保在较短时间内快速发现1跳范围内所有邻居节点，因而不存在孤立节点的情况。 

所述方法还包括，采用多信道并行传输。 

所述多信道并行传输采用码分多址或正交频分复用实现。利用彼此正交的码序列或彼此正交的多个子载波将信道划分成若干子信道，在多个子信道上进行多路信号并行传输。节点利用码分多址(CDMA)或正交频分复用(OFDM)的方式将信道资源划分为K个彼此正交的子信道，则最多同时允许有K个节点并行传输邻居发现消息。 

具体应用场景下，根据电磁波传播速度、网络覆盖范围大小和网络节点密度等，来共同确定TDMA帧结构中每个时隙持续时间长度以及子信道个数。 

例如：网络直径为100km、通信节点数为15个时，电磁波传播100km需要0.33ms，为保证相距不同距离的的各节点之间传输不发生冲突，必须至少留出0.33ms的保护间隔，同时根据节点数据产生速度和数据传输速度，我们可以设置每个时隙持续时间长度为1ms；考虑15个节点密集聚集的极端情况，为减少邻居发现冲突，并与实现复杂度进行折中考虑，可将信道资源划分为10个子信道，以实现多信道并行传输，并在较大程度上降低发现过程中的冲突概率。 

如图2所示，在定向Ad Hoc网络中，组网阶段可能存在部分节点密集聚集而导致邻居发现消息碰撞冲突剧烈的情况。基于多信道的并行传输方法，以减少邻居发现过程中的消息碰撞冲突概率和缩短邻居发现过程的时间。本具体实施例能够解决完全采用定向波束传输的Ad Hoc网络中邻居节点之间的快速发现问题，并适用于网络密度从稀疏到密集的所有组网场景。 

每帧开始时，各节点首先根据其节点ID的二进制编码，分布式执行一种确定性的定向天线探测/侦听模式选择算法，确定其在本轮天线扫描周期内的探测/侦听模式。 

如图4所示，所述步骤二中，判断节点在本轮扫描周期内的探测或监听模式的具体方法步骤为： 

步骤S101：初始化节点参数N和j，N为网络中总节点数，j∈{0,1,…,N-1} 为节点在网络内的唯一编号ID； 

步骤S102：对节点的编号j以二进制形式编码； 

步骤S103：如果节点j的二进制编码位数等于转步骤S105，否则转步骤S104； 

步骤S104：在二进制编码左边添0补位，直到位为止； 

步骤S105：第i轮扫描周期内，如果节点j的二进制编码的第i位为0，转至步骤S106，否则转至步骤S107； 

步骤S106：该轮扫描周期内设置天线为被动侦听模式，转至步骤S108； 

步骤S107：该轮扫描周期内设置天线为主动探测模式； 

步骤S108：结束。 

以图3所示的TDMA帧结构为基础，邻居发现过程分为探测、响应和确认3个阶段。在每一帧中，处于主动探测模式的节点将顺序执行以下步骤完成其邻居发现过程。 

如图5所示，所述步骤二中，处于主动探测模式的节点其邻居发现的具体方法步骤为： 

步骤S201：探测阶段开始时，利用伪随机数发生器，在[1，K]之间等概率地随机产生1个伪随机整数K_i（K_i即为节点从K个子信道中等概率随机选取、用于发送邻居探测消息的子信道号）； 

步骤S202：在第K_i个子信道，定向发送其邻居探测消息； 

步骤S203：响应阶段，节点在所有子信道内定向接收邻居节点发送的响应消息； 

步骤S204：确认阶段，节点在第K_i个子信道，针对响应阶段收到的响应消息，定向发送其邻居确认消息； 

步骤S205：邻居发现过程结束。 

主动探测节点在邻居发现的探测阶段内，从K个子信道中等概率地随机选取一个子信道用于发送邻居探测消息。多个主动探测节点随机选取的子信道号一般不会重叠复用，达到多个节点在不同子信道上相互错开发送的目的，从而在较大程度上避免了多个节点同时向一个节点发送探测数据包所造成的消息碰撞冲突，进一步提高了邻居发现的成功率。 

如图6所示，所述步骤二中，处于被动侦听模式的节点其邻居发现的具体方法步骤为： 

步骤S301：探测阶段，节点在所有子信道内定向接收邻居节点发送的探测消息； 

步骤S302：响应阶段开始时，节点利用伪随机数发生器，在[1，K]之间等概率地随机产生1个伪随机整数K_j（K_j即为节点从K个子信道中等概率随机选取、用于发送邻居响应消息的子信道号）； 

步骤S303：在第K_j个子信道内，针对探测阶段收到的探测消息，定向发 送其邻居响应消息； 

步骤S304：确认阶段，节点在所有子信道内定向接收邻居节点发送的确认消息； 

步骤S305：邻居发现过程结束。 

在每一帧中，处于被动侦听模式的节点将顺序执行以上步骤完成其邻居发现过程。 

被动侦听节点在邻居发现的响应阶段，从K个子信道中等概率地随机选取一个子信道作为其响应消息发送时隙，多个被动侦听节点随机选取的子信道号一般不会重叠复用，可以达到多个节点在多个子信道上相互错开发送的目的，从而在较大程度上避免了多个节点同时向一个节点发送响应数据包所造成的消息碰撞冲突，进一步提高了邻居发现的成功率。 

同时应当注意，上述邻居发现子帧中节点发送/接收的探测、响应和确认数据消息中，除包含本节点的ID编号和地理位置坐标外，同时携带有本节点未被分配的可用数据传输时隙集合等信息。因此，通过以上3次握手协商过程，节点不仅可以快速发现其1跳范围内邻居节点，获取邻居节点相关信息，还可以完成数据传输子帧中节点间收发数据所占用时隙的动态预约。 

在本具体实施例中，首先基于节点ID的二进制编码比特确定定向天线收发模式，然后将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，且每帧由邻居发现子帧和业务数据传输子帧等2个子帧组成，其中邻居发现子帧又由探测、响应和确认3个阶段构成。 

Claims (7)

1.一种定向Ad Hoc网络邻居发现方法，其特征在于：具体方法步骤为：

步骤一、给入网节点分配全网唯一的节点编号，并对该编号进行二进制形式编码；

步骤二、根据所述二进制编码判断该节点在每一轮扫描周期内的探测或监听模式；采用动态时隙分配机制，将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，每帧由邻居发现子帧和业务数据传输子帧组成，其中邻居发现子帧又由探测、相应和确认3个阶段组成，业务数据传输子帧包括多个数据时隙；其中，

处于主动探测模式的节点，在探测阶段开始时，从2个以上子信道中等概率随机选取1个子信道，用于发送邻居探测消息；响应阶段，在所有子信道内定向接收邻居节点发送的响应消息；确认阶段，在与探测阶段所选择相同编号的子信道内，定向发送确认消息；

处于被动侦听模式的节点，探测阶段在所有子信道内定向接收邻居节点发送的探测消息数据；响应阶段开始时，从 2个以上子信道中等概率随机选取1个子信道，用于发送邻居响应消息；确认阶段，在所有子信道内定向接收邻居节点发送的确认消息。

2. 根据权利要求1所述的定向Ad Hoc网络邻居发现方法，其特征在于：所述方法还包括，在统一的时间和方向基准前提下，按照预先定义的天线扇区扫描顺序，依次遍历所有的天线扇区。

3. 根据权利要求1所述的定向Ad Hoc网络邻居发现方法，其特征在于：所述方法还包括，采用多信道并行传输。

4. 根据权利要求3所述的定向Ad Hoc网络邻居发现方法，其特征在于：所述多信道并行传输采用码分多址或正交频分复用实现。

5. 根据权利要求1所述的定向Ad Hoc网络邻居发现方法，其特征在于：所述步骤二中，判断节点在本轮扫描周期内的探测或监听模式的具体方法步骤为：

步骤S101：初始化节点参数N和j，N为网络中总节点数，                                               为节点在网络内的唯一编号ID；

步骤S102：对节点的编号j以二进制形式编码；

步骤S103：如果节点j的二进制编码位数等于，转步骤S105，否则转步骤S104；

步骤S104：在二进制编码左边添0补位，直到位为止；

步骤S105：第i轮扫描周期内，如果节点j的二进制编码的第i位为0，转至步骤S106，否则转至步骤S107；

步骤S106：该轮扫描周期内设置天线为被动侦听模式，转至步骤S108；

步骤S107：该轮扫描周期内设置天线为主动探测模式；

步骤S108：结束。

6. 根据权利要求5所述的定向Ad Hoc网络邻居发现方法，其特征在于：所述步骤二中，处于主动探测模式的节点其邻居发现的具体方法步骤为：

步骤S201：探测阶段开始时，利用伪随机数发生器，在[1，K]之间等概率地随机产生1个伪随机整数，其中K为子信道数；

步骤S202：在第个子信道，定向发送其邻居探测消息； 

步骤S203：响应阶段，节点在所有子信道内定向接收邻居节点发送的响应消息；

步骤S204：确认阶段，节点在第个子信道，针对响应阶段收到的响应消息，定向发送其邻居确认消息； 

步骤S205：邻居发现过程结束。

7. 根据权利要求6所述的定向Ad Hoc网络邻居发现方法，其特征在于：所述步骤二中，处于被动侦听模式的节点其邻居发现的具体方法步骤为：

步骤S301：探测阶段，节点在所有子信道内定向接收邻居节点发送的探测消息；

步骤S302：响应阶段开始时，节点利用伪随机数发生器，在[1，K]之间等概率地随机产生1个伪随机整数，其中K为子信道数；

步骤S303：在第个子信道内，针对探测阶段收到的探测消息，定向发送其邻居响应消息； 

步骤S304：确认阶段，节点在所有子信道内定向接收邻居节点发送的确认消息；

步骤S305：邻居发现过程结束。