CN105281832B - 一种紫外光网络中邻居发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫外光网络中邻居发现方法，所述方法包括以下步骤：S1、网络节点初始处于接收状态，每隔一定时间发送一个反馈包或一个请求包，之后网络节点回到接收状态；S2、网络节点接收到一个包时，判断接收包类型，若是请求包，所述网络节点提取请求包的信息，更新信用表，并根据更新后的信用表判断是否产生一个反馈包；S3、所述步骤S2中接收包的类型若是反馈包，网络节点对反馈包进行判断，更新邻居表和信用表；S4、网络节点通过邻居表获取邻居节点的信息以及最佳发射方向。本发明的方法增加了信用值的积累速度，增加了反馈包利用率，从而增加了网络邻居发现的效率；同时缩减了信用表的个数，节省了网络节点的计算资源和存储资源。

Description

一种紫外光网络中邻居发现方法

技术领域

本发明涉及紫外光通信技术领域，更具体涉及一种紫外光网络中邻居发现方法。

背景技术

紫外光通信是利用紫外光在大气中的散射来进行信息传输的一种新型通信模式。随着近些年对其研究的不断深入，人们已经开始考虑利用紫外光通信组建无线网络。在无线网络的初始化过程中，邻居发现是很重要的一步，它能够帮助网络中的节点获取能与自己直接通信的所有邻居节点信息。此外，邻居发现还是上层分布式算法、路由协议、媒体接入控制协议和其他一些控制协议实现的基础。

虽然人们已经针对传统无线网络设计出多种邻居发现的方法，但是，由于紫外光通信独特的物理特性和紫外光网络特殊的应用场景的限制，导致这些方法都无法直接应用于紫外光无线网络中，尤其是对于采用定向发射节点配置的紫外光无线网络来说，节点通过邻居发现不仅需要获取所有能与自己直接通信的所有邻居节点信息，而且需要得到自己向邻居节点发送消息时的最佳发射方向。

目前人们对紫外光网络中邻居发现方法的研究比较有限，现有技术中一种基于信用收集的邻居发现方法的基本过程如图1所示，包括如下步骤：

(1)网络节点初始处于接收状态，每隔参数为λ的指数分布的时间间隔，进行一次发送，发送请求包或者反馈包，发射方向随机；其中，请求包中包括本节点ID和发射请求包的方向ID；反馈包中包括本节点ID、请求节点ID、请求节点发射请求包的发射方向ID和当前本节点收到请求节点对应发射方向上发送的请求包的总数；所述网络节点中有一个先入先出队列存储反馈包，当此队列中有反馈包时，网络节点在发射时刻会优先发送反馈包，直到连续发射的反馈包的个数大于反馈包发射阈值T_f，若没有反馈包，网络节点自动生成并发送一个请求包，同时将反馈包发射计量参数n置零；

(2)当接收到一个请求包时，网络节点便会提取出请求包中的信息，并相应地生成一个反馈包，加入反馈包发送队列；

(3)当接收到一个反馈包时，节点首先会提取出包中的信息并判断此反馈包是否是对自己的请求包的反馈。如果不是，则丢弃掉此包。如果是，节点就会根据包中的信息对信用表进行更新。其中信用表中包括邻居节点的ID、本节点的发射方向ID和当前邻居节点收到本节点对应发射方向上发送的请求包的总数，即信用值。

网络节点通过信用表获取邻居节点的信息。在信用表中所有邻居节点ID相同的行中信用值最高的对应的那个发射方向，就是本节点向此邻居节点发送信息时的最佳发射方向。节点据此建立邻居表，记录邻居节点的ID和最佳发射方向ID。

上述现有方法存在以下缺点：

(1)握手机制影响了邻居发现的效率。对于一种基于信用收集的邻居发现算法来说，信用收集的速率直接影响着邻居发现协议的效率。根据上述方法，节点需要对每一个成功收到的请求包进行反馈，这样的握手机制使得每一个节点有大量的反馈包要发送。由于节点在一个发射时刻只能发送请求包和反馈包的一种，大量需要发送的反馈包会使得节点请求包的发送变得非常有限，从而影响其他节点信用的收集，进而影响整个网络中节点的邻居发现协议效率。

(2)信用表的重复建立。在上述方法中，由于反馈包中要包含当前本节点所收到请求节点对应发射方向上发送的请求包的总数，所以节点需要建立一个信用表来记录这个总数。因此，每个节点总共需要建立并维护两个信用表即一个记录本节点向邻居节点发送消息时各个发射方向的信用，一个记录请求节点向本节点发送消息时的各个发射方向的信用；这样不仅占用了节点一定的计算和存储资源，而且节点间需要大量的包的交换来对信用表进行更新。

(3)反馈包的利用率低。在上述方法中，节点发送的反馈包所包含的信息仅仅对其反馈的请求节点有价值，如果其他节点接收到了这个节点发送的反馈包，会把其当作无用信息丢弃。

综上所述，现有技术中的方法存在邻居发现效率低、反馈包利用率低的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高寻找邻居节点的效率以及提高反馈包利用率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紫外光网络中邻居发现方法，所述方法包括以下步骤：

S1、网络节点初始处于接收状态，每隔参数为λ的指数分布的时间间隔，发送一个反馈包或一个请求包，发射的方向根据所述请求包或反馈包的发射方向ID确定，之后所述网络节点回到接收状态，等待下一次的发送；

S2、网络节点接收到一个包时，判断所接收包的类型，如果是请求包，所述网络节点提取所述请求包的信息，更新信用表；如果在信用表更新后满足反馈条件，则产生一个反馈包，加入反馈包发送队列；

S3、所述步骤S2中所接收包的类型如果是反馈包，所述网络节点判断所述反馈包是否是对于自身发送的请求包的反馈，若为自身发送的请求包的反馈包，则提取所述反馈包中的信息更新邻居表和信用表，否则，提取出所述反馈包的相关信息，按照所述步骤S2更新信用表信息；

S4、所述网络节点通过邻居表获取邻居节点的信息以及最佳发射方向。

优选地，所述步骤S1中，所述网络节点到达发射时间，如果反馈包发送队列为空，则所述网络节点产生并发送一个请求包，同时反馈包连续发射计量参数n置零；如果所述反馈包发送队列不为空，判断反馈包连续发射计量参数n是否大于反馈包发射阈值Tf，若大于Tf，则所述网络节点产生并发送一个请求包，同时反馈包连续发射计量参数n置零；否则所述网络节点发送处于反馈包发送队列队头的反馈包、从队列中删除它，同时n值加1。

优选地，所述请求包包括本节点ID和发射方向ID，所述发射方向ID随机产生，并服从离散型均匀分布。

优选地，所述反馈包包括请求节点ID、本节点ID、请求节点的最佳发射方向ID以及发射方向ID。

优选地，所述信用表包括请求节点ID，请求包的发射方向ID以及信用值。

优选地，所述邻居表包括邻居节点ID、最佳发射方向ID。

优选地，所述步骤S2中，更新信用表具体为：

网络节点查询信用表中是否存在请求节点ID、请求包的发射方向ID与所接收的包中的本节点ID和发射方向ID均相同的行；若存在，则将此行的信用值加1；若不存在，则提取包中的本节点ID和发射方向ID分别作为信用表中的请求节点ID、请求包的发射方向ID填写入信用表的新一行，并将信用值置1。

优选地，步骤S2中所述如果在信用表更新后满足反馈条件，所述反馈条件为：

(1)所述信用表的某一信用值得到了更新；

(2)找到所述某一信用值对应的行的请求节点ID，找到信用表中所有与所述请求节点ID相同行的信用值，若其中最大的信用值为所述(1)中某一信用值，且某一信用值过了设定的信用值阈值T_c。

优选地，步骤S2中所述则产生一个反馈包，所述反馈包的请求节点的最佳发射方向ID的值为所述信用表中满足反馈条件的行对应的请求包的发射方向ID的值；所述反馈包的发射方向ID的值随机产生，并服从离散型均匀分布。

优选地，所述步骤S3具体为：若网络节点收到的所述反馈包的请求节点ID若与所述网络节点的ID相同，则所述反馈包为所述网络节点发射的请求包的反馈包，提取所述反馈包中的本节点ID和请求节点的最佳发射方向ID，按照所述步骤S2更新信用表的信息，同时网络节点查询邻居表中是否存在邻居节点ID与反馈包中的本节点ID相同的行，若存在，提取反馈包中的请求节点的最佳发射方向ID写入此行的最佳发射方向ID中；若不存在，则提取反馈包中的本节点ID和请求节点的最佳发射方向ID分别作为邻居表中的邻居节点ID、最佳发射方向ID填写入邻居表的新的一行；

若网络节点收到的所述反馈包不是自身发射请求包的反馈包，则按照所述步骤S2更新信用表信息。

(三)有益效果

本发明提供了一种紫外光网络中邻居发现方法，本发明的方法增加了在邻居发现过程之中信用值的积累速度，从而增加了网络邻居发现过程的速度；缩减了网络中每个节点需要建立信用表的个数，节省了网络节点的计算资源和存储资源，同时本发明的方法采用了一种新的反馈包结构，增加了反馈包的利用率，进一步提高了邻居发现过程的速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的一种基于信用收集的邻居发现方法的流程图；

图2为本发明的一种紫外光网络中邻居发现方法的流程图；

图3为本发明的一个较佳实施例的一种紫外光网络中邻居发现方法的网络节点配置方案；

图4为本发明的一个较佳实施例的一种紫外光网络中邻居发现方法的以网络中A节点对其邻居节点B进行邻居发现的示意图；

图5为本发明的一个较佳实施例的一种紫外光网络中邻居发现方法的网络节点B接收到网络节点A的请求包的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图2为本发明的一种紫外光网络中邻居发现方法的流程图；本发明的方法包括以下步骤：

S1、网络节点初始处于接收状态，每隔参数为λ的指数分布的时间间隔，发送一个反馈包或一个请求包，发射的方向根据所述反馈包或发射包中的发射方向ID确定；所述网络节点发射完成之后回到接收状态，等待下一次的发送；

所述网络节点到达发射时间，如果反馈包发送队列为空，则所述网络节点产生并发送一个请求包，同时反馈包连续发射计量参数n置零；如果所述反馈包发送队列不为空，判断反馈包连续发射计量参数n是否大于反馈包发射阈值T_f，若大于T_f，则所述网络节点产生并发送一个请求包，同时反馈包连续发射计量参数n置零；否则所述网络节点发送处于反馈包发送队列队头的反馈包，并从队列中删除它，同时n值加1；

S2、网络节点接收到一个包时，判断所接收包的类型，如果是请求包，所述网络节点提取所述请求包的信息，更新信用表；如果在信用表更新后满足反馈条件，产生一个反馈包，加入反馈包发送队列；

所述更新信用表具体为：网络节点首先查询信用表中是否存在请求节点ID、请求包的发射方向ID与所接收包中的本节点ID和发射方向ID相同的行，若存在，则将此行的信用值加1；若不存在，则提取包中的本节点ID和发射方向ID分别作为信用表中的请求节点ID、请求包的发射方向ID填写入信用表的新的一行，并将信用值置1。

所述反馈条件具体为：在接收到请求包并更新信用表后，所述网络节点查询信用表中所有请求节点ID与请求包中本节点ID相同的行，并比较其信用值，找出信用值最大的一行，若在此行中的请求包的发射方向ID与请求包中发射方向ID相同，且信用值超过了设定的信用阈值T_c，则满足反馈条件，则产生一个反馈包，所述反馈包的请求节点的最佳发射方向ID的值为其信用表中更新的信用值对应的行的请求包的发射方向ID的值；所述反馈包的发射方向ID的值随机产生，并服从离散型均匀分布；

S3、所述步骤S2中所接收包的类型如果是反馈包，所述网络节点判断所述反馈包是否是对于自身发送的请求包的反馈，若为自身发送的请求包的反馈包，则提取所述反馈包中的信息更新邻居表和信用表，否则，提取出所述反馈包的相关信息，按照所述步骤S2更新信用表信息；

若网络节点收到的所述反馈包的请求节点ID若与所述网络节点的ID相同，则为所述网络节点发射的请求包的反馈包，提取所述反馈包中的本节点ID和请求节点的最佳发射方向ID，更新邻居表，同时按照所述步骤S2更新信用表的信息；

所述更新邻居表具体为：

网络节点首先查询邻居表中是否存在邻居节点ID与反馈包中的本节点ID相同的行，若存在，提取反馈包中的请求节点的最佳发射方向ID写入此行的最佳发射方向ID中；若不存在，则提取反馈包中的本节点ID和请求节点的最佳发射方向ID分别作为邻居表中的邻居节点ID、最佳发射方向ID填写入邻居表的新的一行。

若网络节点收到的所述反馈包不是自身发射请求包的反馈包，则按照所述步骤S2更新信用表信息；

S4、所述网络节点通过邻居表获取邻居节点的信息以及最佳发射方向。

上述请求包包括本节点ID和发射方向ID，请求包格式如表1所示。

表1

本节点ID

发射方向ID

所述反馈包包括请求节点ID、本节点ID、请求节点的最佳发射方向ID以及发射方向ID，其格式如表2所示。

表2

所述信用表包括请求节点ID，请求包的发射方向ID以及信用值，其格式如表3所示。

所述邻居表包括邻居节点ID、最佳发射方向ID，其格式如表4所示。

表4

邻居节点ID	最佳发射方向ID
		B	X
C	X
		D	X
…	…

邻居发现的基本思想是：网络节点在一段时间内在自己的所有发射方向上各发送相同数目的数据包，由于发射方向不同，且信道中存在噪声和干扰信号，其邻居节点接收到节点各个发射方向的数据包的数量，即信用值必然有所不同。我们认为邻居节点接收到最多数量的数据包所对应的那个发射方向就是网络节点向邻居节点发送信息的最佳发射方向。

基于以上邻居发现的基本思想，本发明的方法采用了一种高效的反馈机制。对反馈包产生的条件的设置，我们主要考虑三点。首先，为了保证节点间不会无限互相发送反馈包，所以我们规定节点只有在接收到请求包后才会有可能产生反馈包。其次，由于这个方法是基于信用收集的，只有信用表中的信用积累到一定程度时，其反映出的情况才准确。所以，在信用积累初期，信用表中所得出的请求节点的最佳发射方向是不准确的，这时进行反馈包的发送没有很大的必要，所以我们考虑设置一个信用阈值T_c，只有在信用表中的请求节点的某一方向的信用值高于此信用阈值时，网络节点才有可能产生和发送相对应的反馈包。最后，由于发射方向的随机性、噪声干扰及信道冲突，节点发射的反馈包不一定能被请求节点收到。所以，在整个邻居发现过程中，节点需要为同一个请求节点多次产生和发送反馈包，以保证请求节点能够成功获取邻居节点的信息。

该方法采用了一个先入先出队列来存储节点产生的反馈包。另外所述队列是一个有限队长的队列，如果队列已满，额外的反馈包就会被丢弃。当在发包时刻要发送反馈包时，节点就会发送处于队头的反馈包，并同时从队列中删除它。

该方法涉及到的各个参数，如发射间隔所服从指数分布的参数λ、信用阈值T_c和反馈包发射阈值T_f的选取，需要根据网络的实际情况和需求酌情进行确定。

实施例

假设一个静态网络中采用如图3所示的六方向定向发射全向接收的节点配置方案。以网络中A节点对其邻居节点B进行邻居发现为例，如图4所示。图中假设两节点的ID分别为A、B，节点六个发射方向的ID分别为0、1、2、3、4和5。节点A初始处于接收状态，每间隔参数为λ的指数分布的时间间隔，会发射一个请求包或反馈包。如图4所示，在一个发射时刻，节点A产生了一个请求包，并在0方向发射了出去，请求包的内容如表5所示：

表5

A

0

然而从图中可以看到，由于节点A请求包的发射方向背离节点B所处于的位置，所以这个请求包节点B无法接收到。在另一个发射时刻，节点A又随机选择了方向4发射了一个请求包，如表6所示：

表6

A

4

由于节点B处于节点A的发射方向的覆盖范围内且并且受到噪声和干扰较小，节点B就成功接收到了这个请求包，如图5所示。在节点B接收到请求包之后，首先对这个包的类型进行判断。在判断是请求包之后，提取出请求节点的ID和发射方向ID，更新信用表，如表7所示：

表7

这里假定节点B是第一次接收到节点A的请求包，节点B经过查询之后，并没有发现信用表中存在请求节点ID、请求包的发射方向ID与请求包中的本节点ID和发射方向ID相同的行。所以节点B提取出请求包中的本节点ID和发射方向ID分别作为信用表中的请求节点ID、请求包的发射方向ID填写入信用表的新的一行，并将其信用值置1。信用表更新之后，此时从信用表查询出节点A的发射方向ID为4的方向上信用值最大，对应的信用值为1。此时，发射方向ID为4的方向我们就认为是当前节点A向节点B发送消息时的最佳通信方向。这里我们选取信用阈值为10，由于此时最佳方向所对应的信用值小于信用阈值，不满足反馈包产生条件，所以节点B并不会产生反馈包。

随着节点A不断地发射请求包，节点B不断地接收到请求包并更新关于节点A的信用表，当然节点B也会同时不断地发送请求包，节点A也会不断地接收B的请求包并相应地更新信用表，这里我们只关注节点A发现节点B的过程，如表8所示，在某个时刻，节点B又收到节点A从方向4发出的一个请求包，并对信用表进行了更新：

表8

由于此次更新是对节点A的最佳发射方向4的信用值的更新，且信用值11大于信用阈值10，满足反馈包的产生条件，所以节点B会产生一个反馈包，如表9所示：

表9

A

B

4

0

如果此时在反馈包发送队列中并无其他的反馈包，则这个包会在B的下一个发射时刻在方向0发送出去。由于发射方向的不确定性，再加上信道中干扰与噪声的影响，节点A有可能无法成功接收到反馈包。这里假设节点A成功接收到了节点B发送的反馈包。节点A首先会对包的类型进行判断。在判断是反馈包之后，进一步判断是否是对于本节点的反馈。当确定此反馈包是对于本节点的反馈之后。节点A便会提取出反馈包所包含的节点B的ID和本节点的最佳发射方向ID，更新邻居表，如表10所示：

表10

邻居节点ID	最佳发射方向ID
		B	4

节点A也会提取出节点B的ID和发射方向ID，更新关于节点B的信用表，这样节点A通过邻居表就知道自己存在邻居节点B，并且与节点B通信时的最佳发射方向为4。

本发明的方法增加了在邻居发现过程之中信用值的积累速度，从而增加了网络邻居发现过程的速度；缩减了网络中每个节点需要建立信用表的个数，节省了网络节点的计算资源和存储资源，同时本发明的方法采用了一种新的反馈包结构，增加了反馈包的利用率，进一步提高了邻居发现过程的速度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种紫外光网络中邻居发现方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、网络节点初始处于接收状态，每隔参数为λ的指数分布的时间间隔，发送一个反馈包或一个请求包，发射的方向根据所述请求包或反馈包的发射方向ID确定，之后所述网络节点回到接收状态，等待下一次的发送；

S2、网络节点接收到一个包时，判断所接收包的类型，如果是请求包，所述网络节点提取所述请求包的信息，更新信用表；如果在信用表更新后满足反馈条件，则产生一个反馈包，加入反馈包发送队列；

所述反馈条件为：

(1)所述信用表的某一信用值得到了更新；

(2)找到所述某一信用值对应的行的请求节点ID，找到信用表中所有与所述请求节点ID相同行的信用值，若其中最大的信用值为所述(1)中某一信用值，且某一信用值过了设定的信用值阈值T_c；

S3、所述步骤S2中所接收包的类型如果是反馈包，所述网络节点判断所述反馈包是否是对于自身发送的请求包的反馈，若为自身发送的请求包的反馈包，则提取所述反馈包中的信息更新邻居表和信用表，否则，提取出所述反馈包的相关信息，按照所述步骤S2更新信用表信息；

S4、所述网络节点通过邻居表获取邻居节点的信息以及最佳发射方向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述网络节点到达发射时间，如果反馈包发送队列为空，则所述网络节点产生并发送一个请求包，同时反馈包连续发射计量参数n置零；如果所述反馈包发送队列不为空，判断反馈包连续发射计量参数n是否大于反馈包发射阈值T_f，若大于T_f，则所述网络节点产生并发送一个请求包，同时反馈包连续发射计量参数n置零；否则所述网络节点发送处于反馈包发送队列队头的反馈包、从队列中删除它，同时n值加1。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述请求包包括本节点ID和发射方向ID，所述发射方向ID随机产生，并服从离散型均匀分布。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反馈包包括请求节点ID、本节点ID、请求节点的最佳发射方向ID以及发射方向ID。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信用表包括请求节点ID、请求包的发射方向ID以及信用值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述邻居表包括邻居节点ID、最佳发射方向ID。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，更新信用表具体为：

网络节点查询信用表中是否存在请求节点ID、请求包的发射方向ID与所接收的包中的本节点ID和发射方向ID均相同的行；若存在，则将此行的信用值加1；若不存在，则提取包中的本节点ID和发射方向ID分别作为信用表中的请求节点ID、请求包的发射方向ID填写入信用表的新一行，并将信用值置1。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述则产生一个反馈包，所述反馈包的请求节点的最佳发射方向ID的值为所述信用表中满足反馈条件的行对应的请求包的发射方向ID的值；所述反馈包的发射方向ID的值随机产生，并服从离散型均匀分布。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：若网络节点收到的所述反馈包的请求节点ID若与所述网络节点的ID相同，则所述反馈包为所述网络节点发射的请求包的反馈包，提取所述反馈包中的本节点ID和请求节点的最佳发射方向ID，按照所述步骤S2更新信用表的信息，同时网络节点查询邻居表中是否存在邻居节点ID与反馈包中的本节点ID相同的行，若存在，提取反馈包中的请求节点的最佳发射方向ID写入此行的最佳发射方向ID中；若不存在，则提取反馈包中的本节点ID和请求节点的最佳发射方向ID分别作为邻居表中的邻居节点ID、最佳发射方向ID填写入邻居表的新的一行；

若网络节点收到的所述反馈包不是自身发射请求包的反馈包，则按照所述步骤S2更新信用表信息。