CN106792620B - 面向定向天线的移动自组网的邻居发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向定向天线的移动自组网的邻居发现方法，用于解决现有网络邻居发现方法邻居发现效率低的技术问题。技术方案是每进行一次邻居扫描的过程，每个节点会发现一定数量的邻居，因此节点可以利用这些已有的邻居信息来加速邻居发现的过程。由于利用了已有的邻居信息，不断地交换邻居表，与背景技术方法相比，充分利用了已有信息，直接通过算法判断是否是邻居关系，减少了主动扫描探测的时间。相比背景技术，大大减少了邻居发现的时间，提高了邻居发现的效率。

Description

面向定向天线的移动自组网的邻居发现方法

技术领域

本发明涉及一种网络邻居发现方法，特别涉及一种面向定向天线的移动自组网的邻居发现方法。

背景技术

随着天线技术的发展，定向天线越来越多的被应用到移动自组网中。在基于定向天线的移动自组网中，邻居节点发现过程是网络初始化过程中最重要的一个环节。通常在移动自组网中采用定向天线组网，根据发射和接收的工作方式可分为四种模式，全向发射全向接收(omni-directional transmit and omni-directional receive,OO)、全向发射定向接收(omni-directional transmit and directional receive,OD)、定向发射全向接收(directional transmit and omni-directional receive,DO)以及定向发射定向接收(directional transmit and directional receive,DD)。在基于全向天线模式中，邻居发现过程只需要广播一个探测包，只要没有发生冲突，则其所有邻居节点都可以成功收到该探测包。但在定向天线模式下，能否互相发现，跟天线是否相互对准有很大关系，为了可靠的实现邻居节点间的握手，节点必须按照一定的算法在各个天线方向上扫描发送或者扫描接收数据包。因此，定向天线的引入增加了邻居节点发现协议的复杂度。

文献1“申请公布号是CN103916929A的中国发明专利”公开了一种定向Ad Hoc网络邻居发现方法。该方法给出了一个基于节点ID的二进制编码比特来确定主动探测/被动侦听模式，并利用码分多址(CDMA)或正交频分复用(OFDM)技术将信道资源划分为若干子信道，通过等概率地随机选择方法确定节点占用的子信道号，达到多个节点在不同信道上相互错开发送的目的。

文献2“申请公布号是CN103686611A的中国发明专利”公开了一种基于定向天线的新型邻居发现方法。该方法对节点进行二进制编号，对天线扫描方向进行编号，节点根据本节点的二进制编号确定收发模式，并根据收发模式确定扫描序列，节点依照扫描序列在邻居发现阶段进行扫描，一对收发节点若成功完成握手协议，则表示邻居发现成功。

上述两种方案都隐含着时钟需要精细同步，在时钟同步的条件下，对节点的邻居发现进行了时隙划分。

因而现有方案均未考虑在邻居发现过程中，是如何利用已知邻居信息，来提高邻居发现效率的。

发明内容

为了克服现有网络邻居发现方法邻居发现效率低的不足，本发明提供一种面向定向天线的移动自组网的邻居发现方法。该方法每进行一次邻居扫描的过程，每个节点会发现一定数量的邻居，因此节点可以利用这些已有的邻居信息来加速邻居发现的过程。由于利用了已有的邻居信息，不断地交换邻居表，与背景技术方法相比，充分利用了已有信息，直接通过算法判断是否是邻居关系，减少了主动扫描探测的时间。相比背景技术，大大减少了邻居发现的时间，提高了邻居发现的效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种面向定向天线的移动自组网的邻居发现方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、时隙初始化。假设节点个数为N，每个节点配置的定向天线的波束宽度为θ，则一次完整的扫描由个扇区构成；每一个扇区的时隙按功能分为两类，一类为探测时隙，用于发现邻居，并通过三次握手建立邻居关系；另一类为交互时隙，用于和新发现的邻居进行邻居表信息交互。初始化时，每个时隙有三种工作状态：发送状态Tx、接收状态Rx和空闲状态Idle。每个扇区邻居探测阶段时隙数为3，对应三次握手。主动扫描的节点，3个握手时隙初始状态为发送状态Tx、接收状态Rx、空闲状态Idle；被动监听的节点，3个握手时隙初始状态为接收状态Rx、空闲状态Idle、接收状态Rx。即三次握手时隙中，空闲状态时隙紧跟着接收状态时隙，如果在接收状态接收到数据，则把空闲状态更新为发送状态，对接收状态接收到的包进行确认，以此进行数据包的三次握手建立邻居关系。如果在接收状态没有接收到数据，则空闲状态不更新改变，并且所述扇区后续的握手时隙不进行发包收包操作。

步骤二、编码。每个节点都有一个节点标志ID，ID是一个正整数值，对ID进行二进制编码，并反向存储编码数据，用于确定是否进行邻居探测；

步骤三、发送与接收。每个节点维持两个循环链表，分别存储发送角度和接收角度；若节点ID大于N/2，则节点ID工作在主动扫描状态，初始发送角度为0度，后续时隙循环读取发送角度链表中的角度进行发送；否则节点ID工作在被动监听状态，初始接收角度为180度，后续时隙循环读取接收角度链表中的角度进行接收；

步骤四、判断并建立邻居关系。每个节点根据当前状态进行相应的动作。如果当前时隙状态为发送状态Tx，首先判断当前时隙是否处于邻居探测阶段，如果处于邻居探测阶段，则构造用于邻居探测的三次握手消息包并发送，其中消息包中包含发送节点的信息，其中包括发送节点的ID以及发送节点的所处角度；如果处于邻居信息交互阶段，则构造信息交互包并发送，其中消息包中包含当前节点的邻居表信息，邻居表的信息包括邻居节点的角度信息和距离信息。如果当前时隙状态为接收状态Rx，接收到消息包后，首先判断当前时隙是否处于邻居探测阶段，如果处于邻居探测阶段，则根据消息包中的状态，判断是三次握手的哪一次握手包，如果是第二、三次握手，则把发送节点加入自己的邻居表，邻居表包括邻居节点ID、距离以及角度，其中节点的距离是由SNR计算得到。如果处于邻居信息交互阶段，则收到的是信息交互包，其中包含发送节点的邻居表信息，当前节点遍历邻居表，根据得到的信息利用邻居判断算法依次判断邻居表中的节点是否是自己的邻居，如果是，则更新自己的邻居表。

其中邻居信息交互阶段中的邻居判断算法如下：

经过第一个扫描周期的邻居探测阶段之后，a节点和b节点互为邻居，b节点与a节点之间的距离为l_ab，b节点在a节点的α方向；b节点与c节点互为邻居，b节点与c节点之间的距离为l_bc，c节点在b节点的β方向。a节点和c节点在对方的邻居范围内，但是因为a节点和c节点在当前周期处于相同的状态，即同为主动扫描或者同为被动监听状态。所以没有互相发现。距离l_ab和距离l_bc通过GPS辅助设备获取，或者通过信号接收强度与接收距离的公式解算出。所述的扫描周期由邻居探测阶段和邻居信息交互阶段构成。

当进入邻居信息交互阶段，a节点将会收到b节点的邻居表信息，b节点的邻居表中有c节点的相关信息。现在需要判断节点c节点是否为a节点的邻居节点，在已知a节点与b节点之间的距离l_ab，由b节点的邻居表信息得到b节点与c节点之间的距离l_bc，因此只需求出和的夹角，再利用三角余弦公式，计算出a节点与c节点之间的距离l_ac，然后判断l_ac是否超过了a节点的传输范围，确定c节点是否是邻居节点。根据角度和角度的取值范围不同，与夹角θ的大小的关系分为如下6种情况：

1.当0≤α≤180°且0≤β≤α时

计算得到：θ＝180°-α+β

2.当0≤α≤180°且α≤β≤α+β时

计算得到：θ＝180°-β+α

3.当0≤α≤180°且α+180°≤β≤360°时

计算得到：θ＝β-α-180°

4.当180°≤α≤360°且0≤β≤α-180°时

计算得到：θ＝α-β-180°

5.当180°≤α≤360°且α-180°≤β≤α时

计算得到：θ＝β-α+180°

6.当180°≤α≤360°且α≤β≤360°时

计算得到：θ＝α-β+180°

得到夹角θ之后，利用三角余弦公式解算出a节点与c节点之间的距离l_ac，然后判断是否在邻居范围内。

本发明的有益效果是：该方法每进行一次邻居扫描的过程，每个节点会发现一定数量的邻居，因此节点可以利用这些已有的邻居信息来加速邻居发现的过程。由于利用了已有的邻居信息，不断地交换邻居表，与背景技术方法相比，充分利用了已有信息，直接通过算法判断是否是邻居关系，减少了主动扫描探测的时间。相比背景技术，大大减少了邻居发现的时间，提高了邻居发现的效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明面向定向天线的移动自组网邻居发现方法的节点拓扑图。

图2是本发明面向定向天线的移动自组网邻居发现方法的第一种节点拓扑图。

图3是本发明面向定向天线的移动自组网邻居发现方法的第二种节点拓扑图。

图4是本发明面向定向天线的移动自组网邻居发现方法的第三种节点拓扑图。

图5是本发明面向定向天线的移动自组网邻居发现方法的第四种节点拓扑图。

图6是本发明面向定向天线的移动自组网邻居发现方法的第五种节点拓扑图。

图7是本发明面向定向天线的移动自组网邻居发现方法的第六种节点拓扑图。

图8是本发明面向定向天线的移动自组网邻居发现方法的实例节点拓扑图。

图9是本发明面向定向天线的移动自组网邻居发现方法的流程图。

具体实施方式

参照图1-9。本发明面向定向天线的移动自组网的邻居发现方法具体步骤如下：

步骤一、时隙初始化。假设节点个数为N，每个节点配置的定向天线的波束宽度为θ，则一次完整的扫描由个扇区构成；每一个扇区的时隙按功能分为两类，一类为探测时隙，用于发现邻居，并通过三次握手建立邻居关系；另一类为交互时隙，用于和新发现的邻居进行邻居表信息交互。初始化时，每个时隙有三种工作状态：发送状态，接收状态和空闲状态，依次用Tx、Rx、Idle表示这三个状态。每个扇区邻居探测阶段时隙数为3，对应三次握手。主动扫描的节点，3个握手时隙初始状态为Tx、Rx、Idle；被动监听的节点，3个握手时隙初始状态为Rx、Idle、Rx。即三次握手时隙中，空闲状态时隙紧跟着接收状态时隙，如果在接收状态接收到数据，则把空闲状态更新为发送状态，对接收状态接收到的包进行确认，以此进行数据包的三次握手建立邻居关系。如果在接收状态没有接收到数据，则空闲状态不更新改变，并且该扇区后续的握手时隙不进行发包收包操作。

步骤二、编码。每个节点都有一个节点标志ID，ID是一个正整数值，对ID进行二进制编码，并反向存储编码数据，用于确定是否进行邻居探测；

步骤三、发送与接收。每个节点维持两个循环链表，分别存储发送角度和接收角度；若节点ID大于N/2，则该节点工作在主动扫描状态，初始发送角度为0度，后续时隙循环读取发送角度链表中的角度进行发送；否则该节点工作在被动监听状态，初始接收角度为180度，后续时隙循环读取接收角度链表中的角度进行接收；

步骤四、判断并建立邻居关系。每个节点根据当前状态进行相应的动作。如果当前时隙状态为Tx，首先判断当前时隙是否处于邻居探测阶段，如果处于邻居探测阶段，则构造用于邻居探测的三次握手消息包并发送，其中消息包中包含发送节点的信息，其中包括发送节点的ID以及发送节点的所处角度；如果处于邻居信息交互阶段，则构造信息交互包并发送，其中消息包中包含当前节点的邻居表信息，邻居表的信息包括邻居节点的角度信息和距离信息。如果当前时隙状态为Rx,接收到消息包后，首先判断当前时隙是否处于邻居探测阶段，如果处于邻居探测阶段，则根据消息包中的状态，判断是三次握手的哪一次握手包，如果是第二、三次，则把发送节点加入自己的邻居表，邻居表项包括邻居节点ID、距离以及角度，其中节点的距离是由SNR计算得到。如果处于邻居信息交互阶段，则收到的是信息交互包，其中包含发送节点的邻居表信息，当前节点遍历邻居表，根据得到的信息利用邻居判断算法依次判断邻居表中的节点是否是自己的邻居，如果是，则更新自己的邻居表。

其中邻居信息交互阶段中的邻居判断算法如下：

经过第一个扫描周期的邻居探测阶段之后，a节点和b节点互为邻居，b和a之间的距离为l_ab，b在a的α方向；b节点和c节点互为邻居，b和c之间的距离为l_bc，c在b的β方向。a节点和c节点在对方的邻居范围内，但是因为a节点和c节点在当前周期处于相同的状态，即同为主动扫描或者同为被动监听状态。所以没有互相发现。l_ab和l_bc可以通过GPS辅助设备获取，也可以通过信号接收强度与接收距离的公式解算出。

当进入邻居信息交互阶段，a节点将会收到b节点的邻居表信息，b节点的邻居表中有c节点的相关信息。现在需要判断节点c是否为a的邻居节点，在已知a、b之间的距离l_ab，由b节点的邻居表信息可以得到b、c之间的距离l_bc，因此只需求出和的夹角，再利用三角余弦公式即可估算出a、c之间的距离l_ac，然后判断l_ac是否超过了a的传输范围，即可确定c节点是否是邻居节点。根据角度和角度的取值范围不同，和夹角θ的大小的关系可以分为如下6种情况：

1.当0≤α≤180°且0≤β≤α时

计算可得：θ＝180°-α+β

2.当0≤α≤180°且α≤β≤α+β时

计算可得：θ＝180°-β+α

3.当0≤α≤180°且α+180°≤β≤360°时

计算可得：θ＝β-α-180°

4.当180°≤α≤360°且0≤β≤α-180°时

计算可得：θ＝α-β-180°

5.当180°≤α≤360°且α-180°≤β≤α时

计算可得：θ＝β-α+180°

6.当180°≤α≤360°且α≤β≤360°时

计算可得：θ＝α-β+180°

得到θ之后，利用三角余弦公式解算出的距离l_ac，然后判断是否在邻居范围内。

具体实施例参照图8，图8中只画出了a节点和b节点的信号覆盖范围。此外，其它节点一部分处于主动扫描状态，另一部分则处于被动监听状态。

经过邻居探测阶段，处于邻居范围之内，并且处于相反状态的两个节点，能够互相发现，建立邻居关系后，更新本地邻居表。

以a节点和b节点为例，a节点处于主动扫描状态，b节点处于被动监听状态。探测阶段时，处于相反状态的两个节点的发送和接收角度相差180度，因此当a节点朝90度发送探测消息的时候，b节点正好朝270度接收角度，因此a、b通过三次握手，就能建立邻居关系，并更新各自的本地邻居表。经过一个扫描周期的探测，a节点发现了b、c两个邻居节点。同样，b节点发现了a、d、f三个邻居节点。邻居探测阶段结束之后，每个节点的邻居信息如表1所示。

表1节点邻居信息表(邻居探测完成后)

进入邻居信息交互阶段，a节点和b节点交换邻居信息，a节点遍历b节点的每个邻居，通过算法判断出d节点也是自己的邻居节点。b节点也会遍历a节点的邻居表，判断出c节点是自己的邻居节点。邻居信息交互阶段结束之后，每个节点的邻居信息如表2所示。

表2节点邻居信息表(邻居信息交互完成后)

节点	邻居节点
		a	b,c,d,g
b	a,d,f,c
		c	a,g,f,b
d	d,a
		f	b,c
g	c,a

由此可见，经过一个扫描周期，即邻居探测阶段和邻居信息交互阶段，两个存在邻居关系的节点，总是能把传输范围重叠区域的邻居节点完整地发现。并且在重叠区域之外的邻居节点也有可能被发现。从表中可以看出，经过邻居信息交互阶段之后，基本上每个节点都发现了新的邻居节点，并更新了各自的本地邻居表。

两个节点确定邻居关系之后，可以把重叠区域范围的扇区置为已发现完全状态。假设图8分为8个扇区，1号扇区的中心角度为0度。因此，a、b节点经过一个发现周期之后，即可把a节点的2、3号扇区置为已完成发现状态，把b节点的6、7号扇区置为已发现完全状态。此处只讨论了a节点和b节点，图8中的所有节点都会有相同的发现过程，因此经过一个扫描周期，可以得到每个节点的已发现完全状态。

当前一个扫描周期完成之后，节点根据自己ID的二进制编码，决定下一周期是执行主动扫描还是处于被动监听状态。经过若干个发现周期之后，每个节点的所有扇区都会置为已发现完全状态，即完成了所有节点的邻居发现过程。

综上所述，本发明利用已有邻居信息，通过节点间的信息交互，快速发现潜在的共有邻居，与现有的定向天线邻居发现的方法相比，充分利用了邻居集合的交集，极大地加快了邻居发现的过程。经过对本发明进行的仿真检验，算法性能良好。

Claims (1)

1.一种面向定向天线的移动自组网的邻居发现方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、时隙初始化；假设节点个数为N，每个节点配置的定向天线的波束宽度为θ，则一次完整的扫描由个扇区构成；每一个扇区的时隙按功能分为两类，一类为探测时隙，用于发现邻居，并通过三次握手建立邻居关系；另一类为交互时隙，用于和新发现的邻居进行邻居表信息交互；初始化时，每个时隙有三种工作状态：发送状态Tx、接收状态Rx和空闲状态Idle；每个扇区邻居探测阶段时隙数为3，对应三次握手；主动扫描的节点，3个握手时隙初始状态为发送状态Tx、接收状态Rx、空闲状态Idle；被动监听的节点，3个握手时隙初始状态为接收状态Rx、空闲状态Idle、接收状态Rx；即三次握手时隙中，空闲状态时隙紧跟着接收状态时隙，如果在接收状态接收到数据，则把空闲状态更新为发送状态，对接收状态接收到的包进行确认，以此进行数据包的三次握手建立邻居关系；如果在接收状态没有接收到数据，则空闲状态不更新改变，并且所述扇区后续的握手时隙不进行发包收包操作；

步骤二、编码；每个节点都有一个节点标志ID，ID是一个正整数值，对ID进行二进制编码，并反向存储编码数据，用于确定是否进行邻居探测；

步骤三、发送与接收；每个节点维持两个循环链表，分别存储发送角度和接收角度；若节点ID大于N/2，则节点ID工作在主动扫描状态，初始发送角度为0度，后续时隙循环读取发送角度链表中的角度进行发送；否则节点ID工作在被动监听状态，初始接收角度为180度，后续时隙循环读取接收角度链表中的角度进行接收；

步骤四、判断并建立邻居关系；每个节点根据当前状态进行相应的动作；如果当前时隙状态为发送状态Tx，首先判断当前时隙是否处于邻居探测阶段，如果处于邻居探测阶段，则构造用于邻居探测的三次握手消息包并发送，其中消息包中包含发送节点的信息，其中包括发送节点的ID以及发送节点的所处角度；如果处于邻居信息交互阶段，则构造信息交互包并发送，其中消息包中包含当前节点的邻居表信息，邻居表的信息包括邻居节点的角度信息和距离信息；如果当前时隙状态为接收状态Rx，接收到消息包后，首先判断当前时隙是否处于邻居探测阶段，如果处于邻居探测阶段，则根据消息包中的状态，判断是三次握手的哪一次握手包，如果是第二、三次握手，则把发送节点加入自己的邻居表，邻居表包括邻居节点ID、距离以及角度，其中节点的距离是由SNR计算得到；如果处于邻居信息交互阶段，则收到的是信息交互包，其中包含发送节点的邻居表信息，当前节点遍历邻居表，根据得到的信息利用邻居判断算法依次判断邻居表中的节点是否是自己的邻居，如果是，则更新自己的邻居表；

其中邻居信息交互阶段中的邻居判断算法如下：

经过第一个扫描周期的邻居探测阶段之后，a节点和b节点互为邻居，b节点与a节点之间的距离为l_ab，b节点在a节点的α方向；b节点与c节点互为邻居，b节点与c节点之间的距离为l_bc，c节点在b节点的β方向；a节点和c节点在对方的邻居范围内，但是因为a节点和c节点在当前周期处于相同的状态，即同为主动扫描或者同为被动监听状态；所以没有互相发现；距离l_ab和距离l_bc通过GPS辅助设备获取，或者通过信号接收强度与接收距离的公式解算出；所述的扫描周期由邻居探测阶段和邻居信息交互阶段构成；

当进入邻居信息交互阶段，a节点将会收到b节点的邻居表信息，b节点的邻居表中有c节点的相关信息；现在需要判断节点c节点是否为a节点的邻居节点，在已知a节点与b节点之间的距离l_ab，由b节点的邻居表信息得到b节点与c节点之间的距离l_bc，因此只需求出线段和线段的夹角，再利用三角余弦公式，计算出a节点与c节点之间的距离l_ac，然后判断l_ac是否超过了a节点的传输范围，确定c节点是否是邻居节点；根据角度和角度的取值范围不同，与夹角θ的大小的关系分为如下6种情况：

1.当0≤α≤180°且0≤β≤α时

计算得到：θ＝180°-α+β

2.当0≤α≤180°且α≤β≤α+β时

计算得到：θ＝180°-β+α

3.当0≤α≤180°且α+180°≤β≤360°时

计算得到：θ＝β-α-180°

4.当180°≤α≤360°且0≤β≤α-180°时

计算得到：θ＝α-β-180°

5.当180°≤α≤360°且α-180°≤β≤α时

计算得到：θ＝β-α+180°

6.当180°≤α≤360°且α≤β≤360°时

计算得到：θ＝α-β+180°

得到夹角θ之后，利用三角余弦公式解算出a节点与c节点之间的距离l_ac，然后判断是否在邻居范围内。