CN106231632B - 一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法 - Google Patents

一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多信道Ad‑Hoc无线网络的信息交换方法。其实现方案是：将多信道Ad‑Hoc无线网络中的节点划分成活跃节点和不活跃节点两类；每个周期内，活跃节点更新一次多信道发送概率，更新一次主信道发送概率；在Ad‑Hoc无线网络内进行信息交换时应用多信道发送过程、主信道发送过程两种发送过程，并且两种发送过程并行执行；将每个周期均分成四个时隙，前两个时隙用于多信道发送过程，后两个信道用于主信道发送过程；活跃节点发送的每条消息可以携带多个数据包。本发明解决了现有多信道Ad‑Hoc无线网络中，因节点可以在Ad‑Hoc无线网络中随意移动，网络节点个数计算繁杂的问题，以及因单一发送过程导致信息交换效率难以达到最佳的问题。

Description

一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法。
背景技术
Ad-hoc无线网络是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网、无基础设施网或自组织网。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。独立性、抗毁性等优点，使Ad-Hoc网络在现实生活中得到了广泛的应用。
Ad-Hoc无线网络的独立性体现在相对常规通信网络而言，可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络，它的建立不依赖于现有的网络通信设施。Ad-Hoc无线网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。Ad-Hoc无线网络抗毁性体现在没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联。当网络的某个或某些节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作。Ad-Hoc无线网络这一优点使它在军事领域被广泛应用。
节点可以在多信道Ad-Hoc无线网络中随意移动，节点的移动会导致节点之间的链路增加或消失，节点之间的关系不断发生变化。在自组网中，节点可能同时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。现有网络管理协议的一个重要任务是使网管知道网络的拓扑结构。在有线网络中，由于网络变化不频繁，所以这点容易做到。但在移动网络中，节点的移动导致拓扑结构变化太频繁，网管需定期收集节点的连接信息，这无疑会加大网络的负荷。
随着越来越多的无线网络和交换设备在多信道上运行，多信道对Ad-Hoc无线网络效率的促进得到了广泛关注。但是在多信道Ad-Hoc无线网络中，很多研究都是建立在网络节点总数已知、每条消息只能携带一个数据包的基础上。现有方法就是建立在网络中所有节点已知的基础上，或者都是在每条消息只能携带一个数据包的前提下完成的。也就是说，在每个周期，一个节点最多只能接收到一个数据包，这使得多信道的优点受到极大的限制。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于多信道Ad-Hoc无线网络的信息交换方法，将网络中节点划分为活跃节点(可以在信道中发送消息的节点)和不活跃节点(不能在信道中发送消息的节点)，将每个周期划分为四个时隙将发送过程划分为多信道发送过程和主信道发送过程。解决了在多信道Ad-Hoc无线网络中需要繁琐求解网络节点总数的问题。另外，我们的方法建立在每条消息可以携带多个数据包的前提下，这样减少了将所有数据包扩展至全网所需要的时间，提高了信息交换效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，网络中所有节点，含源节点，节点状态分为活跃状态和不活跃状态，活跃节点在整个网络中收发消息，不活跃节点只是监听是否收发消息，网络初始状态时所有源节点都是活跃状态，其他节点是不活跃状态。
进一步根据本发明所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，活跃节点和不活跃节点，为网络中节点，为源节点数，每个源节点有一个数据包，共个数据包，当一个活跃节点成功地把消息发送到其他节点时，这个活跃节点的状态变为不活跃，而收到消息的节点的状态不改变，活跃节点的数目在不断减少，保证在任何时刻活跃节点持有所有个数据包，所选链路中活跃节点为0时，说明链路中个数据包发送完成。
进一步根据本发明所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，初始状态下所有活跃节点发送概率相同，网络中每个活跃节点发送概率，活跃节点根据发送概率发送数据包并更新发送概率，在周期内，活跃节点根据发送概率来决定是否发送消息，节点监听到有消息发送，活跃节点的发送概率会进行更新，。
进一步根据本发明所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，网络中信道，为信道数量，分为多信道发送过程和主信道发送过程，其中为主信道，来用于多信道发送过程，主信道发送过程中，信道的发送概率即为单一节点的发送概率，多信道发送过程中，每个活跃节点随机的选择个信道中的一个信道发送消息，每个信道可以被多个活跃节点选择。
进一步根据本发明所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，当信道的发送概率恒定时，信道才能稳定的传送消息，为有效利用信道，信道的发送概率为，，活跃节点会更新发送概率，为了分析更新后的发送概率是否在内，若节点们选择同一个信道，那么它们的发送概率将一致更新。
进一步根据本发明所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，将一个周期划分成4个时隙，在前两个时隙，活跃节点利用多信道发送过程把消息发给活跃节点，后两个时隙，活跃节点利用主信道发送过程把消息发给不活跃节点lk，每个活跃节点有两个参数，分别是多信道发送过程发送概率和主信道发送过程发送概率，在周期内用和来表示和的值，初始时，，源节点就是活跃节点，为周期内节点收到的数据包的集合，一个源节点持有一个数据包，，对于不活跃节点有。
进一步根据本发明所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，包括以下步骤：
（1）、时隙1，执行多信道发送过程，在时隙1不活跃节点不接收消息、不监听信道的状态、不判断信道是否处于正常发送的状态，在此时隙，每一个活跃节点从个信道中随机选择一个信道，并根据发送概率在信道中发送消息给另一个活跃节点，如果活跃节点没有发送数据，则继续监听信道的状态，更新数据包集合；当节点接收到了一个数据包，那么更新其数据包集合，在此时隙，如果在信道活跃节点没有监听到消息在发送，那么它下一周期的发送概率为；否则，活跃节点下一周期的发送概率为。
（2）、时隙2，继续执行多信道发送过程，不活跃节点不接收消息、不监听信道状态，活跃节点在时隙1随机选择了信道，接收到了活跃节点发送的消息，在时隙2，若活跃节点在时隙1没有接收到消息，则继续监听信道；若活跃节点在时隙1接收到活跃节点发送的消息，活跃节点在信道中发送一个确认应答给活跃节点；如果活跃节点在时隙1中发送消息且在时隙2中收到消息发送成功的确认应答，那么活跃节点转化成不活跃状态。
（3）、时隙3，执行主信道发送过程，活跃节点只发送消息、监听信道状态、不接收消息，不活跃节点监听信道并接收消息。网络中活跃节点以发送概率在主信道中发送消息，当节点接收到了一个数据包，该节点更新其数据包集合，在该时隙主信道过程中，活跃节点没有监听到发送消息，则下一周期的发送概率；否则，活跃节点下一周期的发送概率。
（4）、时隙4，执行主信道过程，不活跃节点监听消息或发送确认应答给活跃节点，当不活跃节点在时隙3接收到消息，则在时隙4中发送确认应答给；对于活跃节点，如果在时隙3中发送消息并在时隙4中收到消息发送成功的确认应答，那么活跃节点会转化成不活跃状态。
（5）、若网络中存在两个及其以上数目的活跃节点时，其余活跃节点继续进行数据交换；若网络中只有一个活跃节点，说明所有个数据包已扩展至全网，完成了信息交换。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明在不知道网络节点总数的条件下实现了在多信道Ad-Hoc无线网络中的信息交换，信息交换时间明显减少，信息交换效率显著提高；
2、本发明把多个数据包整合到一条消息中，也就是一条消息携带多个数据包，这突破了现有方法中每条消息只能携带一个数据包的限制，减少了数据包扩展至整个网络的时间，减少了信息交换的时间，提高了信息交换的效率；
3、本发明把发送过程划分为多信道发送过程和主信道发送过程。令为网络中活跃节点数目，为网络中总的信道个数，为网络中总的节点个数。当时，利用多信道发送过程对于减少网络中活跃节点数目效率较高，活跃节点数目越少，碰撞越少，网络中节点成功发送消息的概率越高；当时，利用主信道发送过程对于减少网络中活跃节点数目效率高。本发明中多信道发送过程和主信道发送过程共同作用，解决了当活跃节点数目变少时()，利用多信道发送过程对于减少网络中活跃节点数目效率低的问题。最优的发送过程是在时运行多信道发送过程，在时运行主信道发送过程，实际中第一个满足的周期是很难确定的，本发明中采取了两种发送方式并行的方法；
4、本发明将一个周期平均划分成四个时隙，分别为时隙1、时隙2、时隙3、时隙4。时隙1和时隙2运行多信道发送过程，时隙3和时隙4运行主信道发送过程。整个数据包发送过程中，两个消息发送过程实际上是并行的，按照这样的运行方式将所有数据包发送到全网所需时间与最优发送过程是近乎相似的。本发明中两个发送消息过程并行的方法在不需要确定第一个的周期的前提下并未对所有数据包发送到全网所需时间有太多影响。
附图说明
图1为本发明一个周期的时隙划分示意图；
图2为本发明多信道过程中节点发送概率更新规则示意图；
图3为本发明主信道过程中节点发送概率更新规则示意图；
图4为本发明中节点持有数据包更新规则示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明的方案，但并不因此限制本发明的保护范围。
本发明所述Ad-Hoc网络中有个节点，个源节点，个数据包，个信道。本发明主要针对Ad-Hoc网络单跳情况下，将个源节点所持有的个数据包快速扩展至全网的方法，适应用于网络中所有节点。
节点有两个状态，分为活跃状态和不活跃状态。活跃节点在整个网络中收发消息，不活跃节点只是监听是否收发消息。网络初始状态时所有源节点都是活跃状态，其他节点是不活跃状态。
网络中有个源节点，这个源节点为活跃节点，不活跃节点有个。用和来分别表示这些活跃节点和不活跃节点。当一个活跃节点成功地把消息发送到其他节点时，这个活跃节点的状态变为不活跃，而收到消息的节点的状态不改变。活跃节点的数目在不断减少，保证在任何时刻活跃节点持有所有个数据包，所选链路中活跃节点为0时，说明链路中个数据包发送完成。
网络中每个活跃节点发送概率，初始状态下所有活跃节点发送概率相同，活跃节点根据发送概率发送数据包并更新发送概率。在周期内，活跃节点根据发送概率来决定是否发送消息。参照图2和图3，节点监听到有消息发送，活跃节点的发送概率会进行更新，。节点发送概率越小，说明路由选择时该节点使用次数越多，为了避免碰撞，优先选择发送概率高的节点。
网络中共有个信道，用来表示这个信道，其中为主信道，剩下的个信道来用于多信道发送过程。主信道发送过程中，信道的发送概率即为单一节点的发送概率。多信道发送过程中，每个活跃节点随机的选择个信道中的一个信道发送消息，每个信道可以被多个活跃节点选择，每个活跃节点不同信道收发消息，信道的发送概率更新快。
对于信道来说，如果、两个活跃节点选择这个信道，仅以、为例，但不因此限制选择同一信道的节点及节点数目，那么多信道发送过程中信道的发送概率为、两个活跃节点发送概率的总和。
当信道的发送概率恒定时，信道才能稳定的传送消息。为了有效利用信道，信道的发送概率为，。因为活跃节点会更新发送概率，所以为了分析更新后的发送概率是否在内，我们的协议提出一种一致更新的方法，就是如果节点们选择同一个信道，那么它们的发送概率将一致更新。
多信道发送过程可以让活跃节点的数目快速减少，但是因为活跃节点的数目减少到一定程度时利用多信道发送过程的效率太低。本发明所述方法中有两种发送过程，分别是多信道发送过程和主信道发送过程。具体参照图1，将一个周期划分成4个时隙，在前两个时隙，活跃节点利用多信道发送过程把消息发给活跃节点，后两个时隙，活跃节点利用主信道发送过程把消息发给不活跃节点。每个活跃节点有两个参数，分别是多信道发送过程发送概率和主信道发送过程发送概率。在周期内用和来表示和的值。初始时，。表示在周期内节点收到的数据包的集合。初始时，源节点就是活跃节点，一个源节点持有一个数据包，即，对于不活跃节点有。
本发明在上述基础上，提出一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，包括以下步骤：
（1）、时隙1，执行多信道发送过程。在时隙1不活跃节点不接收消息、不监听信道的状态、不判断信道是否处于正常发送的状态。在此时隙，每一个活跃节点从个信道中随机选择一个信道，并根据发送概率在信道中发送消息给另一个活跃节点。如图4所示，如果活跃节点没有发送数据，则继续监听信道的状态，更新数据包集合；当节点接收到了一个数据包，那么更新其数据包集合。参照图2，在此时隙，如果在信道活跃节点没有监听到消息在发送，那么它下一周期的发送概率为；否则，活跃节点下一周期的发送概率为。
（2）、时隙2，继续执行多信道发送过程。不活跃节点不接收消息、不监听信道状态。活跃节点在时隙1随机选择了信道，接收到了活跃节点发送的消息，在时隙2，若活跃节点在时隙1没有接收到消息，则继续监听信道；若活跃节点在时隙1接收到活跃节点发送的消息，活跃节点在信道中发送一个确认应答给活跃节点；如果活跃节点在时隙1中发送消息且在时隙2中收到消息发送成功的确认应答，那么活跃节点转化成不活跃状态。
（3）、时隙3，执行主信道发送过程。活跃节点只发送消息、监听信道状态、不接收消息，不活跃节点监听信道并接收消息。网络中活跃节点以发送概率在主信道中发送消息。当节点接收到了一个数据包，该节点更新其数据包集合。参照图3，在该时隙主信道过程中，活跃节点没有监听到发送消息，则下一周期的发送概率；否则，活跃节点下一周期的发送概率。
（4）、时隙4，执行主信道过程。不活跃节点监听消息或发送确认应答给活跃节点。当不活跃节点在时隙3接收到消息，则在时隙4中发送确认应答给；对于活跃节点，如果在时隙3中发送消息并在时隙4中收到消息发送成功的确认应答，那么活跃节点会转化成不活跃状态。
（5）、若网络中存在两个及其以上数目的活跃节点时，其余活跃节点继续进行数据交换；若网络中只有一个活跃节点，说明所有个数据包已扩展至全网，完成了信息交换。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (6)

1.一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，其特征在于，网络中所有节点含源节点，节点状态分为活跃状态和不活跃状态，活跃节点在整个网络中收发消息，不活跃节点只是监听是否收发消息，网络初始状态时所有源节点都是活跃状态，其他节点是不活跃状态；
其中，活跃节点Sai(i＝1，2，…，k)和不活跃节点Sbj(i＝1，2，…，n-k)，n为网络中节点，k为源节点数，每个源节点有一个数据包，共k个数据包，当一个活跃节点Sai成功地把消息发送到其他节点时，这个活跃节点Sai的状态变为不活跃，而收到消息的节点的状态不改变，活跃节点Sa的数目在不断减少，保证在任何时刻活跃节点Sa持有所有k个数据包，所选链路中活跃节点为0时，说明链路中数据包发送完成。
2.根据权利要求1所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，其特征在于，初始状态下所有活跃节点发送概率相同，网络中每个活跃节点Sa发送概率pt，活跃节点Sa根据发送概率发送数据包并更新发送概率pt，在周期t内，活跃节点Sai根据发送概率pt(i)来决定是否发送消息，节点监听到有消息发送，活跃节点Sai的发送概率会进行更新，pt+1(i)＝pt(i)/2。
3.根据权利要求1所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，其特征在于，网络中信道ci(i＝1，2，…，F)，F为信道数量，分为多信道发送过程和主信道发送过程，其中c1为主信道，ci(i＝2，3，…，F)来用于多信道发送过程，主信道发送过程中，信道的发送概率即为单一节点的发送概率，多信道发送过程中，每个活跃节点随机的选择F-1个信道中的一个信道发送消息，每个信道可以被多个活跃节点选择。
4.根据权利要求1所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，其特征在于，当信道的发送概率恒定时，信道才能稳定的传送消息，为有效利用信道，信道的发送概率在里，活跃节点会更新发送概率，为了分析更新后的发送概率是否在内，若节点们选择同一个信道，那么
它们的发送概率将一致更新。
5.根据权利要求1所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，其特征在于，将一个周期划分成4个时隙，在前两个时隙，活跃节点Sai利用多信道发送过程把消息发给活跃节点Sai′(i≠i′)，后两个时隙，活跃节点Sai利用主信道发送过程把消息发给不活跃节点Sbj，每个活跃节点Sai有两个参数，分别是多信道发送过程发送概率p(i)和主信道发送过程发送概率q(i)，在周期t内用pt(i)和qt(i)来表示p(i)和q(i)的值，初始时，p0(i)＝q0(i)＝ξ，0＜ξ＜1，ξ是常数，源节点就是活跃节点，mt(i)为周期t内节点收到的数据包的集合，一个源节点Sai持有一个数据包di，m0(i)＝{di}，对于不活跃节点Sbj有
6.根据权利要求1所述一种基于多信道的Ad-Hoc网络信息交换方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、时隙1，执行多信道发送过程，在时隙1不活跃节点Sb不接收消息、不监听信道的状态、不判断信道是否处于正常发送的状态，在此时隙，每一个活跃节点Sai从F-1个信道中随机选择一个信道ci，并根据发送概率pt(i)在信道ci中发送消息给另一个活跃节点Sai′(i≠i′)，如果活跃节点Sai没有发送数据，则继续监听信道ci的状态，更新数据包集合mt+l(i)＝mt(i)；当节点Sai接收到了一个包含一系列数据包的消息m′，那么更新其数据包集合mt+1(i)＝mt(i)∪m′，在此时隙，如果在信道ci活跃节点Sai没有监听到消息在发送，那么它下一周期的发送概率为pt+1(i)＝min{ξ，2·pt(i)}；否则，活跃节点Sai下一周期的发送概率为pt+1(i)＝pt(i)/2；
(2)、时隙2，继续执行多信道发送过程，不活跃节点Sb不接收消息、不监听信道状态，活跃节点Sai′在时隙1随机选择了信道ci，接收到了活跃节点Sai发送的消息，在时隙2，若活跃节点Sai′在时隙1没有接收到消息，则继续监听信道；若活跃节点Sai′在时隙1接收到活跃节点Sai发送的消息，活跃节点Sai′在信道ci中发送一个确认应答给活跃节点Sai；如果活跃节点Sai在时隙1中发送消息且在时隙2中收到消息发送成功的确认应答，那么活跃节点Sai转化成不活跃状态；
(3)、时隙3，执行主信道发送过程，活跃节点Sai只发送消息、监听信道状态、不接收消息，不活跃节点Sb监听信道并接收消息，网络中活跃节点Sai以发送概率qt(i)在主信道中发送消息，当节点Sbj接收到了一个包含数据包的消息m′，该节点更新其数据包集合mt+1(j)＝mt(j)∪m′，在该时隙主信道过程中，活跃节点Sai没有监听到发送消息，则下一周期的发送概率qt+1(i)＝min{ξ，2·qt(i)}；否则，活跃节点Sai下一周期的发送概率qt+1(i)＝qt(i)/2；
(4)、时隙4，执行主信道过程，不活跃节点Sb监听消息或发送确认应答给活跃节点Sai；当不活跃节点Sbj在时隙3接收到消息，则在时隙4中发送确认应答给Sai；对于活跃节点Sai，如果在时隙3中发送消息并在时隙4中收到消息发送成功的确认应答，那么活跃节点Sai会转化成不活跃状态；
(5)、若网络中存在两个及其以上数目的活跃节点时，其余活跃节点继续进行数据交换；若网络中只有一个活跃节点，说明所有k个数据包已扩展至全网，完成了信息交换。
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