CN105959995B - Ad Hoc网络中全发定收的TDMA邻节点扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明所要解决的技术问题：针对采用全向天线发射信号、定向接收信号的特定无线Ad Hoc网络，提出了一套邻居节点扫描方法，来解决无线网络组网中节点对周围邻居节点信息感知的需求。针对网络中节点全发定收的工作模式，我们提出了结合网络中节点的邻居节点数目设定定向天线发射角和节点发射概率的算法，从而能够快速、高效地完成邻居节点扫描。本发明考虑的是邻居节点扫描的收/发模式选择，和定向接收天线的主波瓣角度设定问题，扫描到节点后的握手协议部分不属于发明内容。

Description

Ad Hoc网络中全发定收的TDMA邻节点扫描方法

技术领域

本发明属于无线通信网络中的网络组网技术，特别涉及到无线通信网络中MAC层的邻居节点扫描方法。

背景技术

全向天线相对于定向天线，具有覆盖范围广，信息扩散快等优点。Ad Hoc网络中的节点使用全向天线发射信号，可以将节点本身的信息快速的广播到网络中。在Ad Hoc网络组网过程中，这种全向广播的信号，可以使发射节点周围的邻居节点快速、同时感知到本地节点的信息，从而可以使本地节点同时被多个邻居节点发现，建立链接开始通信。在网络通信过程中，节点采用全向天线发射信号，可以将本地信息快速高效地广播到网络中，使得节点快速接收到信息。这种全向发射技术一方面提高了邻居节点扫描效率，从而减少了网络组网时间；另一方面利于重要信息在整个Ad Hoc网络中的广播和传输，利于信息的扩散。

方向性天线相对于全向天线，具有空分复用和较强的前向增益等优点。首先方向性天线进一步利用空间资源，提高无限通信网络的容量。节点采用方向性天线在特定的方向上形成波束，在指定的方向上接收信号，而且不会被其他方向上的节点干扰(假设旁瓣的干扰很小)。使得网络中可以有两个或者多个节点同时采用全向天线发射，被多个节点采用定向天线接收，从而可以得到更大的网络吞吐量。采用自适应天线可以使用窄波束的主瓣接收信号，旁瓣和零点抑制干扰信号，可以降低系统干扰，提高阵列的输出信噪比，即提高系统的抗干扰能力，对于多径干扰也有一定的削弱作用。

邻居节点发现算法在使用全向天线和定向天线不同选择的情况下，需要解决的问题也不相同。在使用全向天线发送、接收信号的系统中，每个节点都独立决定发送信号，所以在扫描其邻居节点分布情况时，其覆盖范围内的邻居节点都能收到信号，因此邻节点发现的主要工作在于解决扫描握手协议如何尽量减少冲突，以高效利用传输资源。当网络中的节点使用定向天线时，(例如节点发射信号时采用全向天线，采用定向天线接收信号；或者节点采用定向天线发送信号，接收信号时采用全向天线；又或者节点均采用定向天线发射、接受信号。)节点发送信号时，其覆盖范围内的邻居节点不一定能够收到其信号，节点之间的正常通信/碰撞需要满足的条件从传统的时域不重叠/重叠提升为同时满足时域+空域上的相应条件，所有的发送和接收必须有的放矢(这个“的”包括同时对准时隙和方向，即满足时域/空域重叠)，否则就会是无效通信。可见，当网络中的节点使用定向天线后，信道资源被刻画成二维形式，时间和空间，信道资源可以表达为{T_n,D_m}，其中T_n表示第n个时隙，D_m表示第m个定向天线方向。邻居节点发现就是采用算法，对网络中开机节点的时间、空间二维资源进行分配，使得节点之间的信道资源匹配，节点之间完成相互发现。

网络中节点，只有当天线方向和收发模式匹配的时候，节点之间才能够完成邻居节点发现。网络中的节点某时刻采用收、发模式的选择是一个完全分布式的算法，即各节点根据某种规则自行决定某时刻是采用全向天线发送信号还是采用定向天线接受信号。在基于全向天线的Ad Hoc网络中，节点收发都是全向覆盖，因此不存在所谓的“扫描”问题。而在采用定向天线的Ad Hoc网络中，为了发现本节点覆盖范围内的所有邻居节点，本节点必须用方向性天线单元以某种方式对自己的覆盖区进行空间“扫描”。扫描的过程，也就是在天线阵中不断切换当前所用天线单元的过程，这种切换的顺序和方法，也就是“扫描图案设计”。

因此，在采用全向天线发射信号，定向天线接受信号的无线Ad Hoc网络中，需要对邻居节点发现的相关内容进行研究，具体包括：天线收发模式选择算法设计、扫描图案的设计，两者之间还存在相互约束的关系，共同影响着邻居节点发现所消耗的时间，需要统筹考虑。

从现有技术文献的检索发现，现有的无线Ad Hoc网络中邻居节点扫描机制大多采用全向天线。在《Efficient Algorithms for Neighbor Discovery in WirelessNetworks》中，作者介绍了一种节点采用全向天线收/发条件下，每个节点独立决定发送信号，其覆盖范围内的邻居节点必定都能收到信号，论文主要贡献是解决扫描握手协议如何尽量减少冲突，以提高邻居节点发现效率。还有一些文章给出了采用定向天线收/发模式下的Ad Hoc邻居节点发现机制。在《Pure Directional Transmission and ReceptionAlgorithms in Wireless Ad Hoc Networks with Directional Antennas》中，作者给出了一种基于定向天线收/发模式的Ad Hoc网络的邻居节点扫描机制，在该机制下，节点之间必须成功进行三次信息互通，才能够彼此发现，并且预约后面的通信业务时隙。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：在采用全向天线发送信号，定向天线接收信号的无线Ad Hoc网络中，节点为建立有效的链接而需要知晓其覆盖范围内邻居节点的分布信息，因此需要一种有效的邻居节点扫描方法来快速发现其覆盖范围内的邻居节点。针对这一需求，提出了一套实用邻居节点扫描方法，为全发定收的无线Ad Hoc网络组网提供邻居节点信息。本发明所考虑的是邻居节点发现问题，完成邻居节点发现后的握手协议部分不属于发明内容。

本发明的技术方案：

把通信的时间划分为一个个时隙，在每个时隙无线Ad Hoc网络中节点收发模式选择和节点天线扫描方案选择方法，包括如下步骤：

步骤一：对进入网络中每个节点进行编号，每个节点的编号都是唯一的可确定的；

步骤二：对每个节点配置同样的天线装置：节点发射信号时采用全向天线进行发射信号；节点接收信号时采用定向天线接收信号，定向天线的大小为θ。定向接收天线的主波瓣角θ与节点周围的邻居节点数目有关系：

当邻居节点数目大于时，则降低了在同一个方向上存在多个邻居节点发射的概率，从而减小了网络冲突概率；

当邻居节点数目小于时，则θ＝2θ，当邻居节点数目较少时，可以设定较大的θ，增加了定向接收天线收到信号的概率；

步骤三：根据步骤二得到的天线的波瓣主瓣角的大小θ，明确天线的扫描方向数。当无线Ad Hoc网络为二维时，即定向天线只在一个二维平面上进行扫描，这种无线Ad Hoc网络大多布置在陆地上或者海平面上，此时天线扫描方向个数为：

当无线Ad Hoc网络为三维时，即定向天线在三维空间上进行扫描，这种无线AdHoc网络可以应用在空地通信中，此时天线扫描方向个数为：

根据节点的天线扫描方向个数N，以此对每个方向进行编号1,2,3...N；

步骤四：节点进入网络后，首先确定天线的收/发模式。节点进入发射状态的概率为p，相应的节点进入接收状态的概率为1-p。概率p大小的设置与网络中节点的邻居节点个数有关系，当网络中节点的邻居节点个数较多时，将概率p设置为较小的值，使网络中较少的节点处于发射状态，从而减少网络中的信号冲突。当网络中邻居节点的个数较少时，将概率p设置为较大的值，提高网络中发射节点的数目，从而提高了邻居节点发现的效率。

步骤五：确定天线的工作状态。当节点处于发射模式时，节点采用全向天线发送信号，维持发射状态的时间为N个时隙；当节点处于接收模式时，节点采用定向天线接收信号，定向天线的主波瓣角大小为θ，定向天线的方向阵单元以此扫过N个方向，在每个方向上停留时间为一个时隙，共计保持接收模式的时间也为N个时隙。

步骤六：节点分析接收到的信号，解析数据包，将数据包的发射节点记录为已经发现的邻居节点，同时将已经发现的邻居节点个数加1.

步骤七：节点根据该算法完成本轮工作，经过N个时隙后，重复工作，回到步骤四。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过解析网络中节点邻居节点的数量，可以很灵活的选择节点进行发射的概率，从而能够很好的解决全向发送、定向接收无线AdHoc网络组网中的邻居节点发现问题。

附图说明

图1是本发明提出的全发定收无线Ad Hoc网络中邻居节点有效通信条件示意图。

图2是本发明提出的定向发射天线的天线方向编号的示意图。

图3是本发明适用的全向天线发射、定向天线接收的Ad Hoc网络示意图。

图4是本发明提出的整体方案流程图。

具体实施方式

下面将结合实例对本发明的方法进行详细的解说，本实例是在本发明技术方案的背景下实施的，给出了本发明详细的操作和流程，但本发明的保护范围不仅限于以下实例。

图1表示的是采用全向天线发送、定向天线接收的无线Ad Hoc网络中，节点之间能够成功通信的情况。图中在当前时隙下，节点A处于发射模式，节点B处于接受模式。图中的虚线表示，节点A采用全向天线发射信号，节点B采用定向天线接收信号，并且定向天线的方向朝向节点A。

在直径为100km的二维园平面上布置40个相同通信节点，网络初始过程中，我们对所有的节点统一编号，是每个节点都拥有一个唯一的编号作为本节点的地址，网络中的40个节点依次编号为：B₁,B₂,B₃...B₄₀。同时每个节点都拥有相同的一套收/发天线，全向发射天线和定向接收天线，收/发天线的有效通信距离为50km。根据网络中节点的总数和网络的空间面积，计算出整个网络中的节点密度为个/平方公里，结合收/发天线的有效通信距离50km，得到节点周围的邻居节点个数的估计值为M＝10，为了保证定向接收天线在每个方向上有一个至少有一个节点，我们将定向天线的主波瓣角设置为由于网络空间为二维，根据公式(1)

计算出定向接收天线的方向个数为N＝6。保证了M≥N，即在定向发射天线的每个发射方向上节点的平均数目大于1。接下来按照规则对定向发射天线的每个发射方向进行编号，如图2所示。

至此完成网络初始化，就可以开始组网了。图3是采用全向天线发射、定向天线接收的无线Ad Hoc网络组网过程示意图，各个节点按照下述规则，选择发射或者接收工作模式。

确定天线收/发模式的具体过程为：

此时网络中，节点定向接收天线的一个方向上的节点数目的平均值为介于1和2之间，设发射概率为0.1。当节点每次需要选择收发模式的时候，节点本地产生一个0～10的随机数x，当x≤5时，节点进入发送的工作模式，当x＞5时，节点进入接受的工作模式。

当网络中节点完成收/发模式选择后，开始进行信息发送和接受，该过程持续时间为6个时隙。如图3所示，节点a处于发送模式，虚线表示节点a采用全向天线发射信息；节点b、c、d、e处于接收模式，虚线表示这个四个节点采用定向天线定向接收信号，且都在方向2上接收信号。在这个过程中节点a持续发射6个时隙，节点b、c、d、e依次扫描过6个方向。

节点解析出在这个6个时隙中，处理的数据包，根据握手协议，进行邻居节点发现过程。经过6个时隙后，网络中的所有节点开始新一轮的收/发模式选择，整个流程可以参照图4所示。

Claims (3)

1.一种Ad Hoc网络中全发定收的TDMA邻居节点扫描方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：对进入网络中每个节点进行编号，每个节点的编号都是唯一的；

步骤二：对每个节点配置同样的天线装置：节点发射信号时采用全向天线进行发射信号；节点接收信号时采用定向天线接收信号，定向接收天线的主波瓣角θ与节点周围的邻居节点数目的关系如下：

当邻居节点数目大于时，则

当邻居节点数目小于时，则θ＝2θ；

步骤三：根据步骤二得到的天线的波瓣主瓣角θ的大小，确定天线的扫描方向数N，并对每个方向进行编号1,2,3...N，具体如下；

当无线Ad Hoc网络为二维时，即定向天线在一个二维平面上进行扫描，天线扫描方向个数为：

当无线Ad Hoc网络为三维时，即定向天线在三维空间上进行扫描，天线扫描方向个数为：

步骤四：确定天线的收/发模式；

步骤五：确定天线的工作状态：

当节点处于发射模式时，节点采用全向天线发送信号，维持发射状态的时间为N个时隙；

当节点处于接收模式时，节点采用定向天线接收信号，定向天线的主波瓣角大小为θ，定向天线的方向阵单元以此扫过N个方向，在每个方向上停留时间为一个时隙，共计保持接收模式的时间为N个时隙；

步骤六：节点分析接收到的信号，解析数据包，将数据包的发射节点记录为已经发现的邻居节点，同时将已经发现的邻居节点个数加1；

步骤七：经过N个时隙，节点完成本轮工作，处于发射模式下的节点，在这个N个时隙中处于全向发射状态；处于接收模式下的节点，在这每一个时隙中，定向天线指向一个方向进行接收，共计有N个方向，用N个时隙完成所有方向的扫描；然后，回到步骤四。

2.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络中全发定收的TDMA邻居节点扫描方法，其特征在于，所述步骤四：确定天线的收/发模式，节点进入发射模式的概率为p，相应的节点进入接收模式的概率为1-p，设定发射模式的概率为n为网络中邻居节点的总数。

3.根据权利要求2所述的Ad Hoc网络中全发定收的TDMA邻居节点扫描方法，其特征在于，所述网络中节点的邻居节点个数：具体是，首先，根据网络所占空间的大小和网络中节点的数目，得到网络中节点的分布密度，然后，结合节点收/发天线的功率设置，即节点的覆盖半径，得到节点周围邻居节点数目的估计值。