CN104469731A - 一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，包括以下步骤：1)导入网络范围和在此范围内的节点总数目；2)计算全向发现阶段发送Training序列间隔的最优分布；3)接收节点根据Training序列维护邻居节点方向信息表；4)当邻居节点方向发现比例超过阈值时，进入定向发现阶段；5)在周期开始前选择自己的收发模式；6)节点运行慢扫描的Hello信息机制；7)接收到Hello信息的节点，维护邻居节点待回复信息表，运行快速回复机制，选择发送模式的节点进入接收回复信息阶段。与现有技术相比，本发明基于异步的时隙，通过两次握手保证邻居节点的可靠性，能够快速有效的实现邻居节点的发现。

Description

一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法。

背景技术

无线多跳自组织网络(MANET)可以不利用现有的网络基础设施实现节点之间的相互通信，在军事通信、传感器网络、探险救灾等方面有着广泛的应用。采用传统全向天线设计的无线多跳自组织网络，存在冲突较多，吞吐率较低的问题。随着天线技术的发展，波束成形技术带来了传输距离，抗干扰性能，空分复用，以及网络性能等方面的优势。然而充分利用波束成形天线的这些优势，需要快速准确的邻居节点发现方法。

邻居节点发现方法旨在为网络中的节点建立连接，是MAC层和网络层协议的基础。由于波束成形天线波束集中的特性，使用波束成形天线与无线网络的广播特性存在着一定的矛盾。在使用全向天线的无线网络中，节点只需要发送一次信号就可以实现360度广播信号的效果，可以很快地被周围的邻居节点发现。而采用波束成形天线，需要多次旋转天线波束方向才能覆盖360度区域。同时，采用波束成形天线进行邻居节点发现，还要求邻居节点双方在相对方向上处于不同的收发方式，两者在这个方向上的共同停留时间可以满足接收一次完整的邻居节点发现信息。这些都造成了传统的邻居节点发现方法不能运用于波束成形天线网络中的邻居节点发现。

目前的波束成形天线分为两类，传统的定向天线和自适应天线。与定向天线相比，自适应天线通过信号处理技术可以生成特定方向的波束，还可以通过抑制干扰方向，增强某些需要的传输方向来动态改变天线模型以适应噪音、干扰和多路径传输的场景。自适应天线还可以按照实际的通信需求转换天线的模式，通过在物理层使用扩频技术，使天线拥有了部分全向通信的能力。然而，这种全向的通信只能使节点发现邻居节点的方位，却不能知道邻居节点的标识号(ID)。因此，需要一种全新的快速有效的邻居节点发现方法。

同时，现有的一些邻居节点方法主要建立在同步的基础上，需要GPS等额外的硬件，对地理环境的要求较高，也不利于网络安全。综上，建立一种基于波束成形天线的异步的邻居节点发现方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，充分利用波束成形天线的特点，采用异步设计，不需要额外的同步硬件设备，通过两次握手解决了邻居节点发现过程中的可靠性问题，实现比现有技术更快速有效的邻居节点发现，对于波束成形天线在无线自组织网络中的应用有参考意义。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，充分利用波束成形天线的特点，采用异步设计，通过两次握手解决发现过程中的可靠性问题，所述的方法具体包括以下步骤：

1)向所有节点导入网络范围和在此范围内的节点总数目；

2)节点根据步骤1)的数据计算全向发现阶段发送Training序列间隔的最优分布；

3)接收节点根据接收到的Training序列维护邻居节点方向信息表；

4)当邻居节点方向发现比例超过阈值时，进入定向发现阶段；

5)进入定向发现阶段的节点，在周期开始前选择自己的收发模式；

6)根据步骤5)，节点运行慢扫描的Hello信息机制，选择发送模式的节点在一个方向上发送Hello信息，选择接收模式的节点进行扫描接收Hello信息；

7)接收到Hello信息的节点，维护邻居节点待回复信息表，运行快速回复机制，选择发送模式的节点进入接收回复信息阶段；

8)节点维护邻居节点信息表，进入下一周期。

所述的步骤2)中，所述的节点发送Training序列的间隔服从指数分布，根据步骤1)的信息计算出最优参数。

所述的步骤3)中，所述的节点通过发送和接收Training序列来获得邻居节点的方向，进而维护邻居节点方向信息表。

所述的步骤4)中，所述的邻居节点方向发现比例到达阈值的时间估计。

所述的步骤5)中，所述的不同模式节点周期的时隙的构成。

所述的步骤6)中，所述的慢扫描的Hello信息机制，通过对特定方向的扫描，加快邻居节点发现过程。

所述的特定方向来自于全向发现阶段的邻居节点方向信息表。

所述的步骤7)中，所述的快速回复机制，通过在特定时隙对发送模式的节点进行回复，两次握手以保证有效性。

快速回复机制的特定时隙的选择来源于步骤6)中慢扫描的Hello信息机制，慢扫描的Hello信息中包含发送节点何时进入快速回复模式的信息，以此来告知接收节点进入快速回复的时隙。

所述的邻居节点发现方法为一种异步的方法，不需要额外的同步设备。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)不需要进行同步，减少了硬件开销，增加了网络的安全性，降低了部署的难度，可以适用于更多环境。

(2)通过平均邻居节点个数估计出发送Training序列的间隔的最优分布，提高邻居节点发现过程的效率。

(3)两次握手保证了节点间通信链路的可靠性。

(4)充分利用波束成形天线特点，通过使用天线的全向模式，获得邻居节点的方位用于加快邻居节点发现的速度。

(5)通过对一些特定方向的扫描，极大得提高了网络中邻居节点发现过程的时间效率。

(6)基于快速回复的机制，使二次握手更有效率，进一步提高邻居节点发现的效率。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的定向发现阶段的时隙图；

图3为本发明与其他邻居节点发现方法的比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本发明通信方法具体包括以下步骤：

第一步，将网络范围和在此范围内节点的总数量导入节点。

第二步，所有节点进入全向发现阶段，根据第一步中的数据，计算节点密度，进而计算得出每个节点的平均邻居节点个数。令节点发送Training序列的间隔服从参数为λ的指数分布，节点发送Training序列之外的时间处于接收模式。根据平均邻居节点个数计算系统最优的λ。最优的λ可以表示为：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{op}}=\frac{1}{2\mathrm{k\τ}}$

其中k表示平均邻居节点个数，τ表示Training序列发送的持续时间。

第三步，在全向发现阶段，处于接收模式的节点收到Training序列时，更新邻居节点方向信息表。如果收到Training序列的方向是第一次被发现，则在邻居节点方向信息表中加入这个方向；如果此方向在之前已被发现，则不需再次添加这个方向。

第四步，当邻居节点方向发现比例超过阈值时，进入定向发现阶段。邻居节点方向发现比例的阈值根据实际需求，提前导入网络节点中。邻居节点方向发现比例超过阈值的时间可以表示为：

t_a＝-2ke log(1-p_a)τ

其中p_a表示设定的阈值。

经过时间t_a后，所有节点进入定向发现阶段。

第五步，定向发现阶段每个周期开始时，节点按照0.5的概率选择发送模式和接收模式。选择发送模式的节点时隙和选择接收模式的节点时隙如图2。其中上方的是选择发送模式的节点时隙图，下方的是选择接收模式的节点时隙图。

每个周期包含两个阶段：T1和T2，T1对应着慢扫描的Hello信息机制，它的时隙数等于平均邻居节点个数的2倍，T2对应着快速回复机制，它的时隙数为2。每个时隙的长度为Hello信息的发送持续时间，Hello信息包含节点ID和发送模式的节点离进入快速回复机制的剩余时隙X。

第六步，节点运行慢扫描的Hello信息机制。第五步中选择发送模式的节点随机选择邻居节点方向表中的一个方向，持续发送Hello信息T1次。第五步中选择接收模式的节点随机选择邻居节点方向信息表中的一个方向开始扫描，每个方向停留2个时隙，以保证能够接收到完整的Hello信息。

第七步，根据第六步，选择接收模式的节点在一个周期内收到Hello信息且对应的节点不在邻居节点待回复信息表中，则将这个节点ID加入邻居节点待回复信息表中，如果之前已在表中，则不做处理。在待回复信息表中，如果存在节点在下一时隙进入T2阶段，则接收模式的节点在下一时隙进入快速回复阶段，在下一时隙将波束转向对应的方向，并回复Reply信息，Reply信息包含节点自身的ID信息。如果在待回复信息表中，同时有不止一个节点在下一时隙进入T2阶段，则接收模式的节点优先回复较早收到的Hello信息对应的节点，同时将另一节点从待回复信息表中删除。

第八步，根据第七步，选择接收模式的节点在快速回复阶段，回复Reply信息后，将此节点对应的信息从邻居节点方向信息表和待回复信息表中删除，并将节点信息加入邻居节点信息表。选择发送模式的节点在收到Relpy信息后，将对应的节点从邻居节点方向信息表中删除，并加入邻居节点信息表中。进入下一周期。

实施例2

第一步，在面积为3.14×10⁸m²的圆形区域内，部署2000个节点，将区域面积和节点总数导入节点中，节点的发送距离为1000m。

第二步，根据第一步，节点的平均邻居节点个数为19。令节点发送Training序列间隔服从参数为λ_op的指数分布，其中其他时间处于接收模式

第三步，节点更新维护邻居节点方向信息表，第一次发现的方向记入其中，如果收到Training序列的方向之前已有记录，则不再重复记入。

第四步，根据实际需要，设定邻居节点发现比例的阈值为0.998。所有节点在全向发现阶段停留的时间为：

t_a＝-38e log0.002τ

全向发现结束后，所有节点进入定向发现阶段。

第五步，所有节点按照0.5的概率选择发送模式和接收模式，1个周期包含40个时隙，T1阶段包含38个时隙，T2阶段包含2个时隙。

第六步，根据第五步，选择发送模式的节点随机从邻居节点方向信息表中选择1个方向发送T1次Hello信息。选择接受模式的节点随机从邻居节点方向信息表中选择1个方向开始扫描，每个方向停留2个时隙。

第七步，根据第六步，接收到Hello信息的节点，维护邻居节点待回复信息表，运行快速回复机制；选择发送模式的节点进入接受回复阶段。

第八步，节点维护邻居节点信息表。进入下一周期。

图3是与一些经典的邻居节点发现方法的比较，这部分通过实验仿真，与基于Gossip的邻居节点发现方法和SBAN算法的比较。本发明的实施例表明，本方法能够更快速准确的发现邻居节点，具有一定的现实意义和前瞻性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，充分利用波束成形天线的特点，采用异步设计，通过两次握手解决发现过程中的可靠性问题，所述的方法具体包括以下步骤：

1)向所有节点导入网络范围和在此范围内的节点总数目；

2)节点根据步骤1)的数据计算全向发现阶段发送Training序列间隔的最优分布；

3)接收节点根据接收到的Training序列维护邻居节点方向信息表；

4)当邻居节点方向发现比例超过阈值时，进入定向发现阶段；

5)进入定向发现阶段的节点，在周期开始前选择自己的收发模式；

6)根据步骤5)，节点运行慢扫描的Hello信息机制，选择发送模式的节点在一个方向上发送Hello信息，选择接收模式的节点进行扫描接收Hello信息；

7)接收到Hello信息的节点，维护邻居节点待回复信息表，运行快速回复机制，选择发送模式的节点进入接收回复信息阶段；

8)节点维护邻居节点信息表，进入下一周期。

2.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，所述的步骤2)中，所述的节点发送Training序列的间隔服从指数分布，根据步骤1)的信息计算出最优参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，所述的步骤3)中，所述的节点通过发送和接收Training序列来获得邻居节点的方向，进而维护邻居节点方向信息表。

4.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，所述的步骤4)中，所述的邻居节点方向发现比例到达阈值的时间估计。

5.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，所述的步骤5)中，所述的不同模式节点周期的时隙的构成。

6.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，所述的步骤6)中，所述的慢扫描的Hello信息机制，通过对特定方向的扫描，加快邻居节点发现过程。

7.根据权利要求6所述的一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，所述的特定方向来自于全向发现阶段的邻居节点方向信息表。

8.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，所述的步骤7)中，所述的快速回复机制，通过在特定时隙对发送模式的节点进行回复，两次握手以保证有效性。

9.根据权利要求8所述的一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，快速回复机制的特定时隙的选择来源于步骤6)中慢扫描的Hello信息机制，慢扫描的Hello信息中包含发送节点何时进入快速回复模式的信息，以此来告知接收节点进入快速回复的时隙。

10.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的邻居节点发现方法，其特征在于，该方法为一种异步的方法，不需要额外的同步设备。