CN105744640B - 一种基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法 - Google Patents
一种基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法。该方法将节点时间轴同步划分为一系列连续的网络时帧，每个网络时帧包含邻居发现、邻居跟踪、数据预约和数据传输四个阶段。邻居发现阶段，节点通过基于随机波束切换与三次握手策略的邻居发现机制实现波束对准，完成邻居发现。邻居跟踪阶段，节点通过控制帧交互对邻居节点进行跟踪。数据预约阶段，节点根据传输需求完成数据传输阶段的时隙划分和分配。数据传输阶段，节点完成定向数据传输。同时，该方法通过构建节点运动模型，分析得出了节点间链路断开时间的分布函数，并根据该函数设置最佳的时帧长度，从而实现网络吞吐量性能的最优。EXata中的仿真结果证明了该方法的有效性。
Description
技术领域
本发明属于无线网络领域，特别涉及基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法。
背景技术
由于具有组网快速、灵活、可靠性高、抗毁性强等特点，移动ad hoc网络在民用和军事领域得到广泛应用。网络吞吐量是评估移动ad hoc网络性能，甚至评价其存在价值的重要指标之一。随着无线自组织组网技术在越来越多的领域得到应用，提高网络吞吐量性能，为网络中的用户提供更好的服务成为了移动ad hoc网络研究的重点内容。传统移动adhoc网络中，节点在媒质接入访问控制(Medium Access Control，MAC)协议的控制下，共享无线信道资源，通过全向天线完成数据传输。全向通信条件下，节点间信号干扰大，空间利用率低，成为制约网络吞吐量提高的主要因素之一。近年来，随着定向天线技术研究的深入以及定向天线在成本和规格上的降低，定向天线在移动ad hoc网络中的应用成为可能。与全向天线相比，定向天线只在特定方向上发射信号，信号发射功率集中，在增大信号传输距离的同时降低了信号间的干扰，极大地提高了空间复用度和信道带宽利用率，使得网络容量显著增加。
节点采用定向天线传输可以有效提高网络空分复用度，但同时也带来“聋”和“定向隐终端”等新问题，如何设计既能发挥定向组网优势又能减小“聋”和“定向隐终端”等问题的定向MAC协议是影响网络吞吐量性能的关键。现有的定向MAC协议包括随机定向接入和同步定向接入两种类型。随机定向接入协议以IEEE 802.11 DCF(DistributedCoordination Function)协议为基础，利用随机退避、载波检测及RTS/CTS控制帧握手等机制，使节点以随机竞争的方式实现定向传输；同步定向接入协议则采用与全向TDMA(TimeDivision Multiple Access)协议类似的网络时帧划分结构，使节点以时分多址的方式实现定向传输。与随机定向接入相比，同步定向接入协议能够一定程度上减小“聋”和“定向隐终端”等问题的影响，因而得到更广泛的关注。本发明涉及的即为同步定向接入协议。
邻居发现是网络节点间进行数据传输的前提。在移动ad hoc网络中，邻居发现是依靠节点网络层和MAC层协作完成的。节点网络层通过路由发现过程，在路由表中记录该节点向其他节点发送数据分组时的下一跳转发地址。MAC层将网络层到达的数据分组封装成帧，并发送给转发地址对应的邻居节点。在数据帧多次重传失败的情况下，MAC层将数据分组丢弃并通知网络层该邻居节点失效，网络层修改路由表并重新发起路由发现过程。由上述分析可知，从本质上看，邻居发现对节点MAC层提出的要求是：判断自身是否仍然可以成功向网络层路由表中记录的邻居节点发送数据帧，并通知网络层。在全向通信条件下，节点MAC层通过数据帧发送和应答即可实现上述要求；而在定向通信条件下，MAC层在发送数据帧之前则必须尝试与邻居节点完成定向波束的对准。
同时，在节点运动情况下，节点间相对位置变化较快。发送节点和接收节点之间已互相对准的波束，因为相对运动将产生偏差。如果节点不能对发现的邻居节点进行维护和跟踪，则可能需要频繁发起波束对准过程，严重影响网络吞吐量性能。为了避免因为相对运动而重新发起波束对准过程，邻居节点必须在一定波束偏差范围之内发起控制帧交互，从而通过DOA(Direction Of Arrival)估计自动调整天线波束的方向，实现波束跟踪。
本发明即基于邻居波束对准与跟踪设计移动ad hoc网络定向时分接入方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法，从而获得最佳的网络吞吐量性能。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：
步骤1：定义网络时帧结构，将全网节点时间轴同步划分为一系列连续的网络时帧，每个网络时帧由时间上连续的邻居发现、邻居跟踪、数据预约和数据传输四个阶段组成，邻居发现、邻居跟踪和数据预约阶段分别包含一系列子时隙，数据预约阶段的子时隙数和邻居跟踪阶段子时隙数相同，数据传输阶段子时隙的划分由节点根据数据传输需求情况确定；同时，为了实现邻居发现、邻居跟踪和数据时隙预约，每个邻居发现子时隙被进一步划分为波束对准请求、波束对准应答和波束对准确认三个子阶段，每个邻居跟踪子时隙被进一步划分为跟踪请求和跟踪应答两个子阶段，每个数据预约子时隙被进一步划分为数据预约请求和数据预约应答两个子阶段。
步骤2：邻居发现阶段，节点通过基于随机波束切换与三次握手策略的邻居发现机制实现波束对准，完成邻居发现，并预约后续邻居跟踪子时隙。
步骤3：邻居跟踪阶段，节点通过控制帧交互对已发现的邻居节点进行跟踪，并发送数据传输需求。
步骤4：构建节点运动模型，分析得出节点间链路断开时间的分布函数，并根据链路断开时间的分布函数设置合理的数据传输阶段的时间长度。
步骤5：数据预约阶段，节点根据数据传输需求完成数据传输阶段时隙的动态划分和分配。
步骤6：数据传输阶段，发送和接收节点在选定的数据交互时间段内完成定向数据传输。
本发明提出的基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法已经在EXata网络仿真环境中实现。仿真中物理层使用理想的自适应天线模型，网络层采用静态路由，传输层采用UDP协议。考虑网络中存在30个节点，节点业务类型为恒定比特率CBR业务。附图5为不同跟踪周期(即不同网络时帧长度)条件下链路跟踪失败概率理论值和仿真值的对比。由图中可以看出，利用本发明得到的链路断开时间分布函数计算得出的跟踪失败概率(即链路断开概率)与网络仿真中统计得到的跟踪失败概率相近，验证了本发明得到的链路断开时间分布函数的正确性。
同时，由附图5可以看出，跟踪周期越短，跟踪失败的概率越小，跟踪性能越好。然而，跟踪周期越短，数据传输部分在网络时帧中占用的比例越小，网络吞吐量性能越差。附图6所示为不同跟踪周期下网络吞吐量性能，由图中可以看出，当跟踪周期选择1.6s～2s时，网络吞吐量性能最优。附图7所示为时帧长度取1.8s时，不同网络负载条件下，本发明提出的AT-MAC与定向时分自组网典型协议PMAC(Polling based MAC)的吞吐量性能的对比。仿真结果表明，与PMAC协议相比，本发明提出的AT-MAC能够获得更优的网络吞吐量性能。
附图说明
图1是AT-MAC时帧结构示意图；
图2是二维平面节点运动状态转移图；
图3是节点飞离波束示意图；
图4是节点相对运动示意图；
图5是跟踪失败概率理论值与仿真值对比；
图6是不同跟踪周期下网络饱和吞吐量的变化；
图7是不同网络负载下AT-MAC与PMAC协议饱和吞吐量的对比。
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。
在后面的叙述中，本说明书将本发明提出的无线ad hoc网络定向时分接入方法简记为AT-MAC(Neighbor Beam Alignment and Tracking MAC)。下面给出AT-MAC的具体实施步骤：
步骤1：定义网络时帧结构。
如附图1所示，AT-MAC将全网节点时间轴同步划分为一系列连续的网络时帧，每个网络时帧由时间上连续的邻居发现、邻居跟踪、数据预约和数据传输四个阶段组成。邻居发现、邻居跟踪和数据预约阶段分别包含一系列子时隙，数据预约阶段的子时隙数和邻居跟踪阶段子时隙数相同。数据传输阶段子时隙的划分由节点根据数据传输需求情况确定。
邻居发现阶段，节点通过邻居发现机制实现波束对准，完成邻居发现，并根据随机预约机制预约跟踪子时隙。为了实现波束对准，每个邻居发现子时隙被进一步划分为波束对准请求、波束对准应答和波束对准确认三个子阶段。邻居跟踪阶段，节点对已经发现的邻居节点进行周期性跟踪，并发送数据传输需求。为了实现上述功能，每个邻居跟踪子时隙被进一步划分为跟踪请求和跟踪应答两个子阶段。数据预约阶段，节点根据数据传输需求完成数据传输阶段的时隙划分和分配，该阶段每个子时隙被进一步划分为数据预约请求和数据预约应答两个子阶段。数据传输阶段，节点完成定向数据传输。
步骤2：邻居发现阶段，节点通过基于随机波束切换与三次握手策略的邻居发现机制实现波束对准，完成邻居发现，并预约后续邻居跟踪子时隙。
本发明采用基于随机波束切换与三次握手策略的邻居发现机制实现波束对准，完成邻居发现。具体过程如下：邻居发现阶段，每个子时隙开始时，节点随机切换一个天线波束方向发送和接收数据。在波束对准请求子阶段，节点在[0，CW-1]中随机选取一个整数作为退避计算器的值并开始退避，其中，CW为随机退避竞争窗口值，退避结束后广播发送波束对准请求帧TONE。若节点在退避过程中接收到其他节点发送的TONE帧，则停止当前退避过程，记录发送TONE帧的节点的方位，并尝试在当前时隙的波束对准应答子阶段中应答波束对准应答帧TONE-ACK。节点在应答TONE-ACK帧之前，同样在在[0，CW-1]中随机选取一个整数作为退避计算器的值并开始退避，退避结束后发送TONE-ACK帧。节点若在波束对准请求子阶段成功发送了TONE帧，则在当前时隙的波束对准应答子阶段等待接收其他节点应答的TONE-ACK帧。节点成功接收到TONE-ACK帧后，记录发送TONE-ACK帧的节点的方位，并在波束对准确认子阶段向该节点应答ACK帧，告知该节点两节点波束对准成功，完成邻居发现。
节点在邻居发现过程中，同时完成后续跟踪子时隙的预约。对于邻居节点A、B，在邻居发现过程中，节点B在成功接收到节点A发送的TONE帧应答TONE-ACK帧时，将本节点邻居跟踪阶段的空闲时隙表捎带在TONE-ACK帧中。节点A接收到节点B的TONE-ACK帧后，将节点B邻居跟踪阶段的空闲时隙表与本节点邻居跟踪阶段的空闲时隙表进行对比，在共同空闲的跟踪子时隙中随机选择一个时隙作为这对邻居节点的相互跟踪时隙。节点A在向节点B应答ACK帧时将选定的跟踪子时隙号告知接收节点B。节点若在选定的跟踪子时隙内因被其他节点干扰导致跟踪邻居节点失败，则在新时帧的邻居发现阶段重新发起邻居发现过程；若在选定的跟踪子时隙内邻居跟踪成功，则在后续时帧继续使用选定的跟踪子时隙完成邻居跟踪过程。
步骤3：邻居跟踪阶段，节点通过控制帧交互对已发现的邻居节点进行跟踪，并发送数据传输需求。
邻居跟踪阶段，每个子时隙开始时，预约该跟踪子时隙的两个节点将天线波束指向对方所在方位。为了便于描述，对于特定邻居节点对，定义邻居发现过程中发送TONE帧的节点为主动节点，应答TONE-ACK帧的节点为从动节点。在跟踪请求子阶段，主动节点向从动节点发送跟踪请求帧P-RTS。从动节点接收到P-RTS帧后，首先根据接收信号到达角度DOA将本天线波束最大增益方向指向主动节点并更新维护的邻居节点方位信息，然后向主动节点回复跟踪应答帧P-CTS。主动节点接收到P-CTS帧后，同样根据接收信号到达角度DOA将天线波束最大增益方向指向从动节点并更新维护的邻居节点方位信息，完成邻居跟踪。在网络时帧的后续阶段，节点每收到一次邻居节点发送的信号，即根据信号的到达角度DOA更新维护的相应邻居节点的方位信息。
同时，在邻居跟踪过程中，本发明要求主动节点在发送P-RTS帧时，将自身的数据传输需求告知从动节点，从动节点接收到P-RTS帧后记录主动节点的传输需求。邻居跟踪阶段结束后，从动节点即可获知当前时帧中有多少主动节点需要与本节点进行数据交互，从而指导数据传输阶段时隙的划分。
步骤4：构建节点运动模型，分析得出节点间链路断开时间的分布函数，并根据链路断开时间的分布函数设置合理的数据传输阶段的时间长度。
本发明根据节点运动状态构建节点二维平面运动模型，并根据节点运动模型求解节点间相对速率的概率密度函数，同时结合节点间的距离以及相对运动速率的概率密度函数，得出波束对准的节点间链路断开时间的分布函数。以链路断开时间的分布函数为依据，设置合理的数据传输阶段的时间长度。
1、节点运动模型
如附图2示，在二维平面中，将定向自组织网络中的节点运动状态抽象为二维平面中的加速运动、匀速运动、转弯、减速运动和静止五个状态，分别用α、β、γ、ε、ζ表示。
(1)加速运动阶段(α阶段)
本发明假定节点从静止到运动状态做匀加速运动，设节点加速后的速率为vα∈U[vmin，vmax]，其中U表示均匀分布，vmin和vmax分别表示vα的最小和最大取值；加速持续时隙数为nα∈U[nαmin，nαmax]；节点运动方向为匀加速运动阶段的加速度aα可表示为
其中，为初始速率，因节点从静止开始运动，故初始速率为0；t0为节点开始运动时的时间，tα为节点加速到vα时对应的时间；Δt为节点运动周期中的基本时隙单元。
节点在加速运动阶段，任一时刻t的速率v可以表示为：
(2)匀速运动阶段(β阶段)
节点加速运动达到目标速率vα后，保持速度不变，沿选定方向水平匀速运动，该阶段为匀速运动阶段。匀速运动的速率vβ＝vα，方向与vα相同，持续时隙数为nβ∈U[nβmin，nβmax]。
(3)转弯阶段(γ阶段)
节点在运动过程中，可能会因为某些原因改变原来的运动方向，这时节点将进入转弯阶段。本发明将节点转弯过程近似为匀速圆周运动，节点在转弯前随机选定运动半径和运动方向。转弯阶段节点的速率为vγ＝vβ，持续时隙数为nγ∈U[nγmin，nγmax]。
节点在匀速运动后，可能进入转弯阶段，也可能进入减速阶段。假定节点进入转弯阶段的概率为Pβ-γ，进入减速阶段的概率为Pβ-ε，由附图2所示的节点运动模型可知Pβ-γ+Pβ-ε＝1。设节点在做减速运动之前经历过M次转弯过程，则节点经历匀速运动状态的次数为M+1。因而，M的期望为
(4)减速运动阶段(ε阶段)
本发明假定节点从运动到静止状态做匀减速运动。减速前的速率为vε＝vβ，运动方向角为匀减速运动持续时隙数nε∈U[nεmin，nεmax]。匀减速运动最终速率降为0，因而加速度可以表示为
节点在加速运动阶段，任一时刻t的速率v可以表示为：
(5)静止阶段(ζ阶段)
节点处于静止状态的持续时隙数为nζ∈U[nζmin，nζmax]，然后开始下一次的运动。
2、根据运动模型分析得到链路断开时间分布函数
根据节点运动模型，首先计算出节点在各阶段运动速率的概率密度函数，然后计算出节点间相对运动速率的概率密度函数，最后根据节点间的位置关系分析出链路断开时间的分布函数。
(1)各阶段速率的概率密度函数
①加速运动阶段概率密度函数
加速运动阶段，节点速率v从0开始加速到指定目标速率vα，由于vα≥vmin，因而在加速运动阶段节点速率v在[0，vmin]范围内出现的概率为1，且具有相同的概率密度，用常数k表示。由于vα在[vmin，vmax]之间均匀取值，则vα在[vmin，vmin+Δv]范围内取值的概率为Δv/(vmax-vmin)，相应的在[vmin+Δv，vmax]范围内取值的概率为1-Δv/(vmax-vmin)。因而，在加速运动阶段，节点速率v的概率密度函数为
由概率密度函数的归一性
可得
节点速率v的概率密度函数可进一步表示为
②减速运动阶段概率密度函数
减速运动阶段，节点初始速率vε同样在[vmin，vmax]范围内均匀取值，节点速率v由vε均匀减至0。该过程与节点加速运动阶段刚好相反，节点速率v具有相同的概率密度函数。
③匀速运动阶段概率密度函数
匀速运动阶段，节点速率v保持恒定，在[vmin，vmax]范围内服从均匀分布。因而，节点速率的概率密度函数可以表示为
④转弯阶段概率密度函数
转弯阶段节点只是改变运动方向，并不改变运动速率，因而与匀速运动阶段具有相同的速率概率密度函数。
(2)节点间相对速率的概率密度函数
假设网络中任意两个移动节点A、B的速度分别为如附图3所示，则这两个节点的相对速度为夹角ω∈[0，π]，设的模分别为v′、v1、v2，则
由于v1、v2、ω相互独立，夹角ω在[0，π]服从均匀分布，因而v1、v2、ω的联合概率密度函数可以写为
通过雅克比变换，可以得到v1、v2、v′的联合概率密度函数
由上式对v1、v2在定义域内积分可得出相对速率v′的概率密度函数为
将节点运动过程中的五种状态集合定义为G，则G＝{α，β，γ，ε，ζ}。定义μ、η为集合G中的任意两个状态，根据节点在各状态速率的概率密度函数，可以获得μ、η的相对速率的概率密度函数为
定义p(μ)，p(η)分别为节点某时刻处于μ、η阶段的概率，则定向自组网节点运动模型下的相对速率分布为
(3)节点距离的概率密度函数
假设网络中节点均匀分布，则节点B与节点A的距离的概率分布函数为
其中r为定向天线的传输半径，d0为节点A、B之间的距离。因此，节点B与节点A距离的概率密度函数为
(4)链路断开时间分布函数
定向自组网中任意两节点A和B在经过邻居发现阶段后互相发现，并记录了彼此的方位信息。每一次预约的跟踪子时隙开始时，节点A和节点B均将天线波束最大增益方向调整到记录的彼此的方向，在交互跟踪信息帧后，节点将波束最大增益方向重新调整并记录更新的邻居节点方位信息。每次跟踪后波束对准情况如图4。假设网络中所有节点天线波束宽度均相同，用θ表示。
节点B飞离节点A波束范围的时间为
其中v′为节点B相对于节点A的运动速度，d1为节点B沿v′方向上距离节点A波束边缘的距离。
根据正弦定理可得
则
其中为v′与A、B连线的夹角，服从均匀分布且与v′独立不相关。
综合公式(19)和(17)可得：
设节点B飞出节点A波束范围的时间概率密度函数为由于v′、d0、三者独立不相关，可表示为：
节点B飞出节点A波束范围的时间分布函数为
上式中的取值范围为[θ/2，π]，因为当时，节点B始终处在节点A的波束照射方向上，只是与节点A的距离逐渐加大，该情况下节点B与节点A跟踪失败是由节点B运动出节点A的传输范围导致，而不是由跟踪不频繁引起。节点B从节点A的波束侧面飞离，节点A、B之间的链路将断开，因而公式(24)即为节点间链路断开时间的分布函数。
以式(24)给出的链路断开时间的分布函数为依据，本发明选择F(t)取值为0.1时所对应的链路断开时间作为节点的网络时帧长度，进而得到网络时帧中数据传输阶段的时间长度。
步骤5：数据预约阶段，节点根据数据传输需求完成数据传输阶段时隙的动态划分和分配。
数据预约阶段，子时隙和节点对应关系与邻居跟踪阶段相同，即邻居跟踪阶段使用特定跟踪子时隙的节点，在数据预约阶段继续使用相应子时隙。在该阶段中，节点首先根据自身在邻居跟踪阶段完成P-RTS/P-CTS交互的过程中，作为主动节点成功发送的数据需求次数nm和作为从动节点接收到的其他节点的数据需求次数ns，确定本节点当前时帧中数据传输时间段划分的子时隙数nslot，即nslot＝nm+ns。在自身占用的数据预约子时隙到来时，主动节点和从动节点首先将天线波束指向彼此所在方位，然后主动节点将自身当前时帧中的总数据子时隙数以及空闲数据子时隙信息通过数据预约请求帧P-DATA告知从动节点。从动节点接收到P-DATA后，根据自身的数据子时隙数nslot′和空闲数据子时隙情况确定用于当前节点对进行数据交互的时间段。数据交互时间段的具体确定方法如下：
从动节点首先将自身的数据子时隙数nslot′和主动节点的数据子时隙数nslot进行比较，如果nslot′≥nslot，则从自身空闲的数据子时隙中选择一个和主动节点空闲数据子时隙时间上重叠的数据子时隙作为当前节点对的数据交互时间段，并在回复数据预约应答帧P-ACK时将nslot′和选定的空闲数据子时隙号告知主动节点，主动节点收到P-ACK帧后即可根据nslot′值和空闲数据子时隙号确定当前节点对数据交互时间段的起始时间。如果nslot′＜nslot，则从主动节点空闲的数据子时隙中选择一个和本节点空闲数据子时隙时间上重叠的数据子时隙作为当前节点对的数据交互时间段，并记录当前节点对进行数据交互的时间段的起止时间，回复数据预约应答帧P-ACK时将nslot和选定的空闲数据子时隙号告知主动节点，主动节点收到P-ACK帧后即可根据nslot值和空闲数据子时隙号确定当前节点对数据交互时间段的起始时间。
步骤6：数据传输阶段，发送和接收节点在选定的数据交互时间段内完成定向数据传输。
本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法，所采用的步骤是：
步骤1：定义网络时帧结构，将全网节点时间轴同步划分为一系列连续的网络时帧，每个网络时帧由时间上连续的邻居发现、邻居跟踪、数据预约和数据传输四个阶段组成，邻居发现、邻居跟踪和数据预约阶段分别包含一系列子时隙，数据预约阶段的子时隙数和邻居跟踪阶段子时隙数相同，数据传输阶段子时隙的划分由节点根据数据传输需求情况确定；同时，为了实现邻居发现、邻居跟踪和数据时隙预约，每个邻居发现子时隙被进一步划分为波束对准请求、波束对准应答和波束对准确认三个子阶段，每个邻居跟踪子时隙被进一步划分为跟踪请求和跟踪应答两个子阶段，每个数据预约子时隙被进一步划分为数据预约请求和数据预约应答两个子阶段；
步骤2：邻居发现阶段，节点通过基于随机波束切换与三次握手策略的邻居发现机制实现波束对准，完成邻居发现，并预约后续邻居跟踪子时隙；
步骤3：邻居跟踪阶段，节点通过控制帧交互对已发现的邻居节点进行跟踪，并发送数据传输需求；
步骤4：构建节点运动模型，分析得出节点间链路断开时间的分布函数，并根据链路断开时间的分布函数设置合理的数据传输阶段的时间长度；
步骤5：数据预约阶段，节点根据数据传输需求完成数据传输阶段时隙的动态划分和分配；
步骤6：数据传输阶段，发送和接收节点在选定的数据交互时间段内完成定向数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法，其特征在于邻居发现阶段，节点通过基于随机波束切换与三次握手策略的邻居发现机制实现波束对准，完成邻居发现，并预约后续邻居跟踪子时隙的具体方法为：
邻居发现阶段，每个子时隙开始时，节点随机切换一个天线波束方向发送和接收数据，在波束对准请求子阶段，节点在[0，CW-1]中随机选取一个整数作为退避计算器的值并开始退避，其中，CW为随机退避竞争窗口值，退避结束后广播发送波束对准请求帧TONE，若节点在退避过程中接收到其他节点发送的TONE帧，则停止当前退避过程，记录发送TONE帧的节点的方位，并尝试在当前时隙的波束对准应答子阶段中应答波束对准应答帧TONE-ACK，节点在应答TONE-ACK帧之前，同样在在[0，CW-1]中随机选取一个整数作为退避计算器的值并开始退避，退避结束后发送TONE-ACK帧，节点若在波束对准请求子阶段成功发送了TONE帧，则在当前时隙的波束对准应答子阶段等待接收其他节点应答的TONE-ACK帧，节点成功接收到TONE-ACK帧后，记录发送TONE-ACK帧的节点的方位，并在波束对准确认子阶段向该节点应答ACK帧，告知该节点两节点波束对准成功，完成邻居发现；
节点在邻居发现过程中，同时完成后续跟踪子时隙的预约，对于邻居节点A、B，在邻居发现过程中，节点B在成功接收到节点A发送的TONE帧应答TONE-ACK帧时，将本节点邻居跟踪阶段的空闲时隙表捎带在TONE-ACK帧中，节点A接收到节点B的TONE-ACK帧后，将节点B邻居跟踪阶段的空闲时隙表与本节点邻居跟踪阶段的空闲时隙表进行对比，在共同空闲的跟踪子时隙中随机选择一个时隙作为这对邻居节点的相互跟踪时隙，节点A在向节点B应答ACK帧时将选定的跟踪子时隙号告知接收节点B，节点若在选定的跟踪子时隙内因被其他节点干扰导致跟踪邻居节点失败，则在新时帧的邻居发现阶段重新发起邻居发现过程，若在选定的跟踪子时隙内邻居跟踪成功，则在后续时帧继续使用选定的跟踪子时隙完成邻居跟踪过程。
3.根据权利要求1所述的一种基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法，其特征在于邻居跟踪阶段，节点通过控制帧交互对已发现的邻居节点进行跟踪，并发送数据传输需求的具体方法为：
邻居跟踪阶段，每个子时隙开始时，预约该跟踪子时隙的两个节点将天线波束指向对方所在方位，为了便于描述，对于特定邻居节点对，定义邻居发现过程中发送TONE帧的节点为主动节点，应答TONE-ACK帧的节点为从动节点，在跟踪请求子阶段，主动节点向从动节点发送跟踪请求帧P-RTS，从动节点接收到P-RTS帧后，首先根据接收信号到达角度DOA(Direction Of Arrival)将本天线波束最大增益方向指向主动节点并更新维护的邻居节点方位信息，然后向主动节点回复跟踪应答帧P-CTS，主动节点接收到P-CTS帧后，同样根据接收信号到达角度DOA将天线波束最大增益方向指向从动节点并更新维护的邻居节点方位信息，完成邻居跟踪，在网络时帧的后续阶段，节点每收到一次邻居节点发送的信号，即根据信号的到达角度DOA更新维护的相应邻居节点的方位信息；
同时，在邻居跟踪过程中，主动节点在发送P-RTS帧时，将自身的数据传输需求告知从动节点，从动节点接收到P-RTS帧后记录主动节点的传输需求，邻居跟踪阶段结束后，从动节点即可获知当前时帧中有多少主动节点需要与本节点进行数据交互，从而指导数据传输阶段时隙的划分。
4.根据权利要求1所述的一种基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法，其特征在于构建节点运动模型，分析得出节点间链路断开时间的分布函数，并根据链路断开时间的分布函数设置合理的数据传输阶段的时间长度的具体方法为：
根据节点运动状态构建节点二维平面运动模型，并根据节点运动模型求解节点间相对速率的概率密度函数，同时结合节点间的距离以及相对运动速率的概率密度函数，得出波束对准的节点间链路断开时间的分布函数，以链路断开时间的分布函数为依据，设置合理的数据传输阶段的时间长度；
(1)节点运动模型
在二维平面中，将定向自组织网络中的节点运动状态抽象为二维平面中的加速运动、匀速运动、转弯、减速运动和静止五个状态，分别用α、β、γ、ε、ζ表示，五个状态中相邻两个状态之间的关系为：静止->加速运动、加速运动->匀速运动、匀速运动->转弯、转弯->匀速运动、匀速运动->减速运动、减速运动->静止；
①加速运动阶段(α阶段)
假定节点从静止到运动状态做匀加速运动，设节点加速后的速率为vα∈U[vmin，vmax]，其中U表示均匀分布，vmin和vmax分别表示vα的最小和最大取值，加速持续时隙数为nα∈U[nαmin，nαmax]，节点运动方向为匀加速运动阶段的加速度aα可表示为
其中，为初始速率，因节点从静止开始运动，故初始速率为0，t0为节点开始运动时的时间，tα为节点加速到vα时对应的时间，Δt为节点运动周期中的基本时隙单元；
节点在加速运动阶段，任一时刻t的速率v可以表示为：
②匀速运动阶段(β阶段)
节点加速运动达到目标速率vα后，保持速度不变，沿选定方向水平匀速运动，该阶段为匀速运动阶段，匀速运动的速率vβ＝vα，方向与vα相同，持续时隙数为nβ∈U[nβmin，nβmax]；
③转弯阶段(γ阶段)
节点在运动过程中，可能会因为某些原因改变原来的运动方向，这时节点将进入转弯阶段，将节点转弯过程近似为匀速圆周运动，节点在转弯前随机选定运动半径和运动方向，转弯阶段节点的速率为vγ＝vβ，持续时隙数为nγ∈U[nγmin，nγmax]；
节点在匀速运动后，可能进入转弯阶段，也可能进入减速阶段，假定节点进入转弯阶段的概率为Pβ-γ，进入减速阶段的概率为Pβ-ε，由节点运动模型可知Pβ-γ+Pβ-ε＝1，设节点在做减速运动之前经历过M次转弯过程，则节点经历匀速运动状态的次数为M+1，因而，M的期望为
④减速运动阶段(ε阶段)
假定节点从运动到静止状态做匀减速运动，减速前的速率为vε＝vβ，运动方向角为匀减速运动持续时隙数nε∈U[nεmin，nεmax]，匀减速运动最终速率降为0，因而加速度可以表示为
节点在加速运动阶段，任一时刻t的速率v可以表示为：
⑤静止阶段(ζ阶段)
节点处于静止状态的持续时隙数为nζ∈U[nζmin，nζmax]，然后开始下一次的运动；
(2)根据运动模型分析得到链路断开时间分布函数
根据节点运动模型，首先计算出节点在各阶段运动速率的概率密度函数，然后计算出节点间相对运动速率的概率密度函数，最后根据节点间的位置关系分析出链路断开时间的分布函数；
①各阶段速率的概率密度函数
a、加速运动阶段概率密度函数
加速运动阶段，节点速率v从0开始加速到指定目标速率vα，由于vα≥vmin，因而在加速运动阶段节点速率v在[0，vmin]范围内出现的概率为1，且具有相同的概率密度，用常数k表示，由于vα在[vmin，vmax]之间均匀取值，则vα在[vmin，vmin+Δv]范围内取值的概率为Δv/(vmax-vmin)，相应的在[vmin+Δv，vmax]范围内取值的概率为1-Δv/(vmax-vmin)，因而，在加速运动阶段，节点速率v的概率密度函数为
由概率密度函数的归一性
可得
节点速率v的概率密度函数可进一步表示为
b、减速运动阶段概率密度函数
减速运动阶段，节点初始速率vε同样在[vmin，vmax]范围内均匀取值，节点速率v由vε均匀减至0，该过程与节点加速运动阶段刚好相反，节点速率v具有相同的概率密度函数；
c、匀速运动阶段概率密度函数
匀速运动阶段，节点速率v保持恒定，在[vmin，vmax]范围内服从均匀分布，因而，节点速率的概率密度函数可以表示为
d、转弯阶段概率密度函数
转弯阶段节点只是改变运动方向，并不改变运动速率，因而与匀速运动阶段具有相同的速率概率密度函数；
②节点间相对速率的概率密度函数
假设网络中任意两个移动节点A、B的速度分别为则这两个节点的相对速度为夹角ω∈[0，π]，设的模分别为v′、v1、v2，则
由于v1、v2、ω相互独立，夹角ω在[0，π]服从均匀分布，因而v1、v2、ω的联合概率密度函数可以写为
通过雅克比变换，可以得到v1、v2、v′的联合概率密度函数
由上式对v1、v2在定义域内积分可得出相对速率v′的概率密度函数为
将节点运动过程中的五种状态集合定义为G，则G＝{α，β，γ，ε，ζ}，定义μ、η为集合G中的任意两个状态，根据节点在各状态速率的概率密度函数，可以获得μ、η的相对速率的概率密度函数为
定义p(μ)，p(η)分别为节点某时刻处于μ、η阶段的概率，则定向自组网节点运动模型下的相对速率分布为
③节点距离的概率密度函数
假设网络中节点均匀分布，则节点B与节点A的距离的概率分布函数为
其中r为定向天线的传输半径，d0为节点A、B之间的距离，因此，节点B与节点A距离的概率密度函数为
④链路断开时间分布函数
定向自组网中任意两节点A和B在经过邻居发现阶段后互相发现，并记录了彼此的方位信息，每一次预约的跟踪子时隙开始时，节点A和节点B均将天线波束最大增益方向调整到记录的彼此的方向，在交互跟踪信息帧后，节点将波束最大增益方向重新调整并记录更新的邻居节点方位信息，假设网络中所有节点天线波束宽度均相同，用θ表示，跟踪成功后节点B处在节点A的波束照射范围内，设v′为节点B相对于节点A的运动速度，为v′与A、B连线的夹角，d1为节点B沿v′方向上距离节点A波束边缘的距离，则节点B飞离节点A波束范围的时间为
根据正弦定理可得
则
其中，服从均匀分布且与v′独立不相关；
综合公式(19)和(17)可得：
设节点B飞出节点A波束范围的时间概率密度函数为由于v′、d0、三者独立不相关，可表示为：
节点B飞出节点A波束范围的时间分布函数为
上式中的取值范围为[θ/2，π]，因为当时，节点B始终处在节点A的波束照射方向上，只是与节点A的距离逐渐加大，该情况下节点B与节点A跟踪失败是由节点B运动出节点A的传输范围导致，而不是由跟踪不频繁引起，节点B从节点A的波束侧面飞离，节点A、B之间的链路将断开，因而公式(24)即为节点间链路断开时间的分布函数；
以式(24)给出的链路断开时间的分布函数为依据，选择F(t)取值为0.1时所对应的链路断开时间作为节点的网络时帧长度，进而得到网络时帧中数据传输阶段的时间长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入方法，其特征在于数据预约阶段，节点根据数据传输需求完成数据传输阶段时隙的动态划分和分配的具体方法为：
数据预约阶段，子时隙和节点对应关系与邻居跟踪阶段相同，即邻居跟踪阶段使用特定跟踪子时隙的节点，在数据预约阶段继续使用相应子时隙，在该阶段中，节点首先根据自身在邻居跟踪阶段完成P-RTS/P-CTS交互的过程中，作为主动节点成功发送的数据需求次数nm和作为从动节点接收到的其他节点的数据需求次数ns，确定本节点当前时帧中数据传输时间段划分的子时隙数nslot，即nslot＝nm+ns，在自身占用的数据预约子时隙到来时，主动节点和从动节点首先将天线波束指向彼此所在方位，然后主动节点将自身当前时帧中的总数据子时隙数以及空闲数据子时隙信息通过数据预约请求帧P-DATA告知从动节点，从动节点接收到P-DATA后，根据自身的数据子时隙数nslot′和空闲数据子时隙情况确定用于当前节点对进行数据交互的时间段，数据交互时间段的具体确定方法如下：
从动节点首先将自身的数据子时隙数nslot′和主动节点的数据子时隙数nslot进行比较，如果nslot′≥nslot，则从自身空闲的数据子时隙中选择一个和主动节点空闲数据子时隙时间上重叠的数据子时隙作为当前节点对的数据交互时间段，并在回复数据预约应答帧P-ACK时将nslot′和选定的空闲数据子时隙号告知主动节点，主动节点收到P-ACK帧后即可根据nslot′值和空闲数据子时隙号确定当前节点对数据交互时间段的起始时间，如果nslot′＜nslot，则从主动节点空闲的数据子时隙中选择一个和本节点空闲数据子时隙时间上重叠的数据子时隙作为当前节点对的数据交互时间段，并记录当前节点对进行数据交互的时间段的起止时间，回复数据预约应答帧P-ACK时将nslot和选定的空闲数据子时隙号告知主动节点，主动节点收到P-ACK帧后即可根据nslot值和空闲数据子时隙号确定当前节点对数据交互时间段的起始时间。
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