CN107438240A - 在网络融合发现过程中对网络节点发送方式的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在移动Ad Hoc网络网络融合场景下,网络节点发现过程中对网络节点发送方式的优化方法。主要解决现有技术发送效率不高,发现概率低、发现时间长的问题。其实现方案为:发送节点将空闲数据时隙划分为若干个微时隙;发送节点产生第一个复帧的基本方向序列;根据第一个复帧的基本方向序列,在当前空闲数据时隙的每个微时隙发送发现包,并判断当前复帧的操作是否完成:若完成,则继续当前复帧下一个空闲数据时隙的发送操作;否则,判断发送节点是否完成所有复帧的操作:如果未完成,则在下一个复帧继续发送;如果完成,则发送工作结束。本发明提高了节点发送效率,增大了节点发现概率,减少了节点发现时间,可用于网络融合。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,特别涉及一种对网络节点发送方式的优化方法,可用于移动Ad Hoc网络网络融合的节点发现阶段,在保证网络节点能够成功发现的条件下,提高节点发送效率,增大网络节点发现概率,降低网络节点发现时长。
背景技术
Ad Hoc网络是一种特殊的无线网络,其与WLAN和蜂窝无线网络不同。Ad Hoc网络无需网络控制中心和基站,它由许多带有无线收发装置的移动节点组成,是一种分布式网络。Ad Hoc网络可以在任何时间、任何地点快速完成无线网络组建,在应急、救灾、等领域应用较多,因而受到广泛的研究和关注。
由于Ad Hoc网络具有移动性,当两个属于不同Ad Hoc网络的网络节点移动到彼此的通信范围内时,两个网络中的网络节点就会产生冲突。如果在发生冲突之前,两个网络中的网络节点可以交互控制信息,则可通过调整收发时隙,避免冲突的发生。这就是两个处于不同网络的网络节点相互发现的过程,即Ad Hoc网络的网络融合过程。
网络融合过程是在网络节点的MAC层进行,网络节点采用TDMA超帧接入方式,节点天线具有定向发送和全向接收能力。由于网络节点发现时使用的发送时隙和接收时隙在选择上不能影响原有时隙的工作状态和工作模式,因而发现过程需要在空闲的数据时隙中进行。
不同Ad Hoc网络中的节点完成发现需要满足三个条件:第一个条件是一个节点处于发送扫描,一个节点处于接收扫描;第二个条件是发送节点的天线波束要对准接收节点;第三个条件是两个节点的空闲数据时隙在时域上有重叠。然而在实际的网络融合问题中,由于不同Ad Hoc网络时钟不同步,每个网络节点数据时隙的时隙分配状况不同,网络节点的发送、接收状态不同,节点间的相对位置未知,因此对于处于网络融合状态的发送节点和接收节点要满足上述三个条件的概率很低,这会降低网络节点的发现概率,从而增长网络节点的发现时长,影响Ad Hoc网络的网络融合速度。
在定向Ad Hoc网络中,节点记录有本网络的邻居节点信息和邻居节点所在的波束方向信息。若节点在某个波束方向上没有邻居节点,则定义该波束方向为节点的一个网络外方向,也就是说在网络融合时,这个方向上可能存在其他网络的节点。
假设节点的定向天线数为M,则一个节点的最大网络外方向数为(M-1)。针对上述网络融合时的节点发现问题,假设网络外方向数为a,且在连续的a个发送复帧上空闲时隙位置不变。在现有的解决方法中,进行网络融合的发送节点是以时隙为最小发送单位,即在一个复帧的空闲时隙向某个固定的网络外方向定向发送节点发现序列,在连续a个复帧的空闲时隙上向不同的网络外方向发送节点发现序列。
应用上述解决方法,只有当节点有重叠的空闲时隙,且发送节点的发送波束对准了接收节点,两个节点才可以完成发现,因而发送方式效率较低,网络节点完成发现的概率为平均发现时间为随着网络外方向数的增多,由于这种发送方法的发现概率很低且平均发现时间很长,从而导致网络融合时间过长,且在未完成发现之前容易产生广播时隙号冲突。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足,在保证网络节点能够成功发现的前提下,提出一种在网络融合发现过程中对网络节点发送方式的优化方法,以增大Ad Hoc网络融合时节点间的发现概率,降低网络节点平均发现时间,从而减少广播时隙号冲突的发生。
为实现上述目的,本发明给出以下两种技术方案:
技术方案一,以微时隙为最小发送单位的优化方法,该发送方式适用于Ad Hoc节点天线可以迅速切换发送方向,且基带处理能力较强的场景。其步骤包括如下:
(1)设发送节点有a个网络外方向,f个空闲数据时隙,其中a≥1,f≥1,将发送节点的每个空闲数据时隙都划分为个微时隙,其中Ts为空闲数据时隙时长,Δ为天线波束驻留时长,由于波束驻留时长Δ相对空闲数据时隙长度Ts较短,因此有即在一个空闲数据时隙中划分的微时隙数远远大于网络外方向数的2倍;
(2)在发现过程开始时,发送节点产生一组元素不重复的随机序列{B1,B2,...,Bi,...,Ba-1,Ba}作为第一个复帧的基本方向序列,其中Bi为第i个元素指向的一个网络外方向,i=1,2,...,a;
(3)设Fn和Sn分别为当前复帧号和当前空闲数据时隙号,1≤Fn≤a,1≤Sn≤f;假设连续a个发送复帧的空闲数据时隙位置不变,这a个复帧在每个微时隙发送节点发现序列:
(3a)从第一个复帧的第一个空闲数据时隙开始发送操作,即Fn=1,Sn=1,并将当前复帧的基本方向序列{B1,B2,...,Bi,...,Ba-1,Ba}作为当前空闲数据时隙的发送方向序列{D1,D2,...,Di,...,Da-1,Da},其中Di为第i个元素指向的当前空闲数据时隙的一个发送方向;
(3b)根据当前空闲数据时隙发送方向序列{D1,D2,...,Di,...,Da-1,Da},在当前空闲数据时隙的前a个微时隙中第j个微时隙向第i个元素Di所指发送方向发送发现包,其中j=i;在当前空闲时隙的最后a个微时隙的倒数第k个微时隙向第i个元素Di所指发送方向发送发现包,其中k=i;
(3c)判断当前复帧是否还有未操作的空闲数据时隙:
若当前复帧还有未操作的空闲数据时隙,即Sn<f,则循环左移当前空闲数据时隙的发送方向序列,并将其作为当前复帧下一个空闲数据时隙的发送方向序列,然后将当前空闲数据时隙更改为下一个空闲数据时隙,即Sn=Sn+1,返回步骤(3b);
若当前复帧的所有空闲数据时隙已经操作完毕,即Sn=f,则执行步骤(3d);
(3d)判断发送节点是否已经完成a个复帧的发送工作:
若发送节点还未完成a个复帧的发送工作,即Fn<a,则循环左移当前复帧的基本发送序列{B1,B2,...,Bi,...,Ba-1,Ba},并将其作为下一个复帧的基本发送序列和下一个复帧首个空闲数据时隙的发送方向序列,然后将当前复帧更改为下一个复帧,将当前空闲数据时隙更改为当前复帧的第一个空闲数据时隙,即Fn=Fn+1,Sn=1,返回步骤(3b);
若发送节点已经完成a个复帧的发送工作,即Fn=a,则发送工作结束。
技术方案二,以时隙为最小发送单位的优化方法,该发送方式适用于数据子帧无法划分足够的微时隙,且节点基带处理能力较弱的场景,其实现步骤包括如下:
1)设发送节点有a个网络外方向和f个空闲数据时隙,其中a≥1,f≥1,在发现过程开始时,发送节点产生一组元素不重复的随机序列{A1,A2,...,Am,...,Aa-1,Aa}作为第一个复帧的基本发送序列,其中Am为第m个元素所指向的一个网络外发送方向,m=1,2,...,a;
2)设Fn为当前复帧号,1≤Fn≤a;假设连续a个发送复帧的空闲数据时隙位置不变,这a个复帧在每个空闲数据时隙发送发现包:
2a)从第一个复帧开始发送操作,即Fn=1,并使用当前复帧的基本发送序列{A1,A2,...,Am,...,Aa-1,Aa};
2b)在当前复帧的第n个空闲数据时隙,节点根据基本发送序列A(m+a)%a所指的网络外发送方向发送发现包,其中n=m;
2c)判断发送节点是否已经完成a个复帧的发送工作:
若发送节点还未完成a个复帧的发送工作,即Fn<a,循环左移当前复帧的基本发送序列{A1,A2,...,Am,...,Aa-1,Aa}作为下一个复帧的基本发送序列,并将当前复帧更改为下一个复帧,即Fn=Fn+1,然后返回步骤2b)。
若发送节点已经完成a个复帧的发送,即Fn=a,则发送工作结束。
本发明与现有技术相比较具有如下优点:
1.本发明的第一个技术方案将发送节点的空闲数据时隙划分为微时隙,并根据发送节点和接收节点空闲时隙重叠区域一定在时隙两端的原理,优化了发送节点的发送扫描方式,提高了节点发送扫描的效率;
2.本发明的第一个技术方案在每个复帧不同空闲数据时隙的两端随机地按不同扫描顺序对发送节点的网络外方向作发送扫描,且发送扫描方向覆盖了全部的网络外方向,增大了网络节点发现概率,降低了网络节点发现时长;
3.本发明的第一个技术方案在连续a个复帧相同位置的微时隙上随机地向不同的网络外方向扫描,且扫描方向覆盖了所有的网络外方向,在保证节点间可以成功完成发现的前提下,进一步提高了网络节点相互发现的概率,降低了网络节点发现的时长。
4.本发明的第二个技术方案在一个复帧中的不同空闲数据时隙随机地向不同波束方向扫描,改进了发送节点的发送扫描方式,提高了节点发送扫描的效率,提高了节点的发现概率,从而降低了网络节点间的发现时间;
5.本发明的第二个技术方案在连续a个复帧相同位置的空闲数据时隙上随机地向不同的网络外方向扫描,且扫描方向覆盖了所有的网络外方向,在保证节点间可以成功完成发现的前提下,进一步提高了网络节点相互发现的概率,降低了网络节点间的发现时长。
附图说明
图1是本发明使用的网络融合场景图;
图2是本发明所使用的TDMA超帧结构图;
图3是本发明实施例一的实现流程图;
图4是本发明实施例一中对一个空闲数据时隙的划分结果图;
图5是本发明实施例一中时隙重叠的分布图;
图6是本发明实施例二的实现流程图;
图7是本发明实施例一中发送节点的发送方式示意图;
图8是本发明实施例二中发送节点的发送方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容做详细叙述。
如图1所示,本发明所应用的Ad Hoc网络融合场景中包含第一网络1和第二网络2这两个网络,每个网络中有若干个节点,其中节点A为第一网络1中的节点,节点B为第二网络2中的节点。第一网络1以速度V1移动,第二网络2以速度V2移动,在经过一段时间移动后第一网络1中的节点A和第二网络2中的节点B进入到彼此的通信范围内,此时节点A和节点B完成发现,且使第一网络1和第二网络2完成融合的过程。
图2为本发明所使用的TDMA超帧结构,是一个由若干个复帧组成的超帧结构,每个复帧由一个广播时隙BS、一个首时隙FS和若干个数据时隙DS组成,其中数据时隙包括忙数据时隙和空闲的数据时隙,本发明中网络节点发现过程发生在空闲的数据时隙中。
实施例一,以微时隙为最小发送单位的优化方法。
参照图3,本实例的实现步骤如下:
步骤1:发送节点将空闲数据时隙划分为若干个微时隙。
发送节点根据已知的网络外方向数a,空闲数据时隙数f,空闲数据时隙位置和天线波束的驻留时长Δ,先将每个空闲数据时隙划分为三部分,再将每部分划分为不同个数的微时隙,即第一部分为a个微时隙,第二部分为个微时隙,第三部分为最后的a个微时隙,得到每个空闲数据时隙的个微时隙;
发送发现包仅在第一部分的微时隙和第三部分的微时隙中进行,而中间第二部分的个微时隙不需要做任何操作,由于波束驻留时长Δ相对时隙长度Ts较短,因此有即在一个时隙中划分的微时隙数远远大于网络外方向数的2倍,如图4所示。
步骤2:发送节点产生第一个复帧的基本方向序列。
当第一网络1中的节点A和第二网络2中的节点B进入到彼此的通信范围内时,第一网络1中节点的广播时隙号和第二网络2中节点的广播时隙号会发生冲突,第一网络1中的节点A和第二网络2中的节点B需要相互交换自己所在网络的基本信息,并根据交互的网络基本信息调整网络中各节点的广播时隙号,从而避免广播时隙号冲突,该过程即为发现过程。
在发现过程开始时,发送节点产生一组元素不重复的随机序列{B1,B2,...,Bi,...,Ba-1,Ba}作为第一个复帧的基本方向序列,其中Bi为第i个元素指向的一个网络外方向,i=1,2,...,a。
步骤3:在当前空闲数据时隙的每个微时隙发送发现包。
设Fn和Sn分别为当前复帧号和当前空闲数据时隙号,1≤Fn≤a,1≤Sn≤f;假设连续a个发送复帧的空闲数据时隙位置不变,在发送发现包时,仅在空闲时隙两端的微时隙发送,如图5所示;
参照图5,无论发送节点和接收节点之间的同步差为多少,收发节点空闲时隙的重叠时间一定包含时隙两端的Δ时长,因此发送节点只需要在每个空闲数据时隙的前Δ时间和最后Δ时间发送发现包即可,其操作步骤如下:
(3.1)从第一个复帧的第一个空闲数据时隙开始发送操作,即Fn=1,Sn=1,并将当前复帧的基本方向序列{B1,B2,...,Bi,...,Ba-1,Ba}作为当前空闲数据时隙的发送方向序列{D1,D2,...,Di,...,Da-1,Da},其中Di为第i个元素指向的当前空闲数据时隙的一个发送方向;
(3.2)根据当前空闲数据时隙发送方向序列{D1,D2,...,Di,...,Da-1,Da},在当前空闲数据时隙的前a个微时隙中第j个微时隙向第i个元素Di所指发送方向发送发现包,其中j=i;在当前空闲时隙的最后a个微时隙的倒数第k个微时隙向第i个元素Di所指发送方向发送发现包,其中k=i。
步骤4:对当前复帧的操作情况进行判断。
判断当前复帧是否还有未操作的空闲数据时隙:
若当前复帧还有未操作的空闲数据时隙,即Sn<f,则循环左移当前空闲数据时隙的发送方向序列,并将其作为当前复帧下一个空闲数据时隙的发送方向序列,然后将当前空闲数据时隙更改为下一个空闲数据时隙,即Sn=Sn+1,返回步骤(3.2);
若当前复帧的所有空闲数据时隙已经操作完毕,即Sn=f,则执行步骤5。
步骤5:对发送节点完成操作的复帧数进行判断。
判断发送节点是否已经完成a个复帧的发送工作:
若发送节点还未完成a个复帧的发送工作,即Fn<a,则循环左移当前复帧的基本发送序列{B1,B2,...,Bi,...,Ba-1,Ba},并将其作为下一个复帧的基本发送序列和下一个复帧首个空闲数据时隙的发送方向序列,然后将当前复帧更改为下一个复帧,将当前空闲数据时隙更改为当前复帧的第一个空闲数据时隙,即Fn=Fn+1,Sn=1,返回步骤(3.2);
若发送节点已经完成a个复帧的发送工作,即Fn=a,则发送工作结束。
实施例二,以时隙为最小发送单位的优化方法。
参照图6,本实例实现步骤如下:
步骤一:发送节点产生第一个复帧的基本发送序列。
设发送节点有a个网络外方向和f个空闲数据时隙,其中a≥1,f≥1,在发现过程开始时,发送节点产生一组元素不重复的随机序列{A1,A2,...,Am,...,Aa-1,Aa}作为第一个复帧的基本发送序列,其中Am为第m个元素所指向的一个网络外发送方向,m=1,2,...,a。
步骤二:在当前复帧发送发现包。
设Fn为当前复帧号,1≤Fn≤a,假设连续a个发送复帧的空闲数据时隙位置不变,这a个复帧在每个空闲数据时隙发送节点发现序列:
(2a)从第一个复帧开始发送操作,即Fn=1,并使用当前复帧的基本发送序列{A1,A2,...,Am,...,Aa-1,Aa};
(2b)在当前复帧的第n个空闲数据时隙,节点根据基本发送序列A(m+a)%a所指的网络外发送方向发送发现包,其中n=m。
步骤三:对发送节点完成操作的复帧数进行判断。
判断发送节点是否已经完成a个复帧的发送工作:
若发送节点还未完成a个复帧的发送工作,即Fn<a,循环左移当前复帧的基本发送序列{A1,A2,...,Am,...,Aa-1,Aa}作为下一个复帧的基本发送序列,并将当前复帧更改为下一个复帧,即Fn=Fn+1,然后返回步骤(2b)。
若发送节点已经完成a个复帧的发送,即Fn=a,则发送工作结束。
上述两个实施例的区别在于两种发送方法的最小发送单位不同,其中:
实施例二是以时隙为最小发送单位的优化方法,而实施例一对时隙进一步划分为个微时隙后,再以微时隙为最小发送单位的优化方法。应用这两种发送方法都可以完成网络节点的发现工作,且与现有技术相比均提高了发送效率,增大了节点发现概率,减小了节点发现时长。
以下可通过仿真实验对上述两种实施例的效果作进一步说明:
仿真实验一
根据图7所示帧结构中微时隙的发送方式在商用软件Visual Studio和Matlab上对实施例一进行仿真实验,得到节点的平均发现时间和节点间的发现概率,并将其仿真结果与现有发送方法进行比较,结果如表1和表2所示。为了贴近实际情况,仿真中网络外方向数a取值为1≤a≤10,每个复帧空闲的数据时隙个数f取值为1≤f≤3。
表1实施例一与现有技术方案平均发现时间对比表(单位:复帧)
表2实施例一与现有技术方案节点间发现概率的对比表
由表1和表2的仿真结果可以看到,本发明实施例一的方案可以减少网络融合状态过程中节点间的平均发现时间,增大节点间的发现概率。当网络外方向数确定时,随着空闲数据时隙数f的增大,本发明实施例一的节点平均发现时间会进一步减小,节点发现概率进一步增大,而现有方法的平均发现时间和发现概率保持不变。
仿真实验二
根据图8所示帧结构中时隙的发送方式在商用软件Visual Studio和Matlab上对实施例二进行仿真实验,得到节点的平均发现时间和节点间的发现概率,并将其仿真结果与现有发送方法进行比较,结果如表3和表4所示。为了贴近实际情况,仿真中网络外方向数a取值为1≤a≤10,每个复帧空闲的数据时隙个数f取值为1≤f≤3。
表3实施例二与现有技术方案平均发现时间对比表(单位:复帧)
由表3的仿真结果可以看到,当f=1时,本发明实施例二与现有方案节点的平均发现时间近似;当f>1时,本发明实施例二的方案可以减少网络融合状态过程中节点间的平均发现时间。当网络外方向数确定时,随着空闲数据时隙数f的增大,本发明实施例二的节点平均发现时间会进一步减小,而现有方法的节点平均发现时间保持不变。
表4实施例二与现有技术方案节点间发现概率的对比表
由表4的仿真结果可以看到,当f=1时,本发明实施例二与现有方案节点间的发现概率近似;当f>1时,本发明实施例二的方案可以增大节点间的发现概率。当网络外方向数确定时,随着空闲数据时隙数f的增大,本发明实施例二的节点间发现概率会进一步增大,而现有方法的节点间发现概率保持不变。
Claims (3)
1.一种在网络融合发现过程中以微时隙为最小发送单位的优化方法,包括:
(1)设发送节点有a个网络外方向,f个空闲数据时隙,其中a≥1,f≥1,将发送节点的每个空闲数据时隙都划分为个微时隙,其中Ts为空闲数据时隙时长,Δ为天线波束驻留时长,由于波束驻留时长Δ相对空闲数据时隙长度Ts较短,因此有即在一个空闲数据时隙中划分的微时隙数远远大于网络外方向数的2倍;
(2)在发现过程开始时,发送节点产生一组元素不重复的随机序列{B1,B2,...,Bi,...,Ba-1,Ba}作为第一个复帧的基本方向序列,其中Bi为第i个元素指向的一个网络外方向,i=1,2,...,a;
(3)设Fn和Sn分别为当前复帧号和当前空闲数据时隙号,1≤Fn≤a,1≤Sn≤f;假设连续a个发送复帧的空闲数据时隙位置不变,这a个复帧在每个微时隙发送节点发现序列:
(3a)从第一个复帧的第一个空闲数据时隙开始发送操作,即Fn=1,Sn=1,并将当前复帧的基本方向序列{B1,B2,...,Bi,...,Ba-1,Ba}作为当前空闲数据时隙的发送方向序列{D1,D2,...,Di,...,Da-1,Da},其中Di为第i个元素指向的当前空闲数据时隙的一个发送方向;
(3b)根据当前空闲数据时隙发送方向序列{D1,D2,...,Di,...,Da-1,Da},在当前空闲数据时隙的前a个微时隙中第j个微时隙向第i个元素Di所指发送方向发送发现包,其中j=i;在当前空闲时隙的最后a个微时隙的倒数第k个微时隙向第i个元素Di所指发送方向发送发现包,其中k=i;
(3c)判断当前复帧是否还有未操作的空闲数据时隙:
若当前复帧还有未操作的空闲数据时隙,即Sn<f,则循环左移当前空闲数据时隙的发送方向序列,并将其作为当前复帧下一个空闲数据时隙的发送方向序列,然后将当前空闲数据时隙更改为下一个空闲数据时隙,即Sn=Sn+1,返回步骤(3b);
若当前复帧的所有空闲数据时隙已经操作完毕,即Sn=f,则执行步骤(3d);
(3d)判断发送节点是否已经完成a个复帧的发送工作:
若发送节点还未完成a个复帧的发送工作,即Fn<a,则循环左移当前复帧的基本发送序列{B1,B2,...,Bi,...,Ba-1,Ba},并将其作为下一个复帧的基本发送序列和下一个复帧首个空闲数据时隙的发送方向序列,然后将当前复帧更改为下一个复帧,将当前空闲数据时隙更改为当前复帧的第一个空闲数据时隙,即Fn=Fn+1,Sn=1,返回步骤(3b);
若发送节点已经完成a个复帧的发送工作,即Fn=a,则发送工作结束。
2.根据权利要求1所述的方法,其中步骤(1)中将发送节点的每个空闲数据时隙都平均划分为个微时隙,是将每个空闲数据时隙划分为三部分,再将每部分划分为不同个数的微时隙,即第一部分为a个微时隙,第二部分为个微时隙,第三部分为最后的a个微时隙,一共有个微时隙;发送发现包仅在第一部分的微时隙和第三部分的微时隙中进行,而中间第二部分的个微时隙不需要做任何操作。
3.一种在网络融合发现过程中以时隙为最小发送单位的优化方法,包括:
1)设发送节点有a个网络外方向和f个空闲数据时隙,其中a≥1,f≥1,在发现过程开始时,发送节点产生一组元素不重复的随机序列{A1,A2,...,Am,...,Aa-1,Aa}作为第一个复帧的基本发送序列,其中Am为第m个元素所指向的一个网络外发送方向,m=1,2,...,a;
2)设Fn为当前复帧号,1≤Fn≤a;假设连续a个发送复帧的空闲数据时隙位置不变,这a个复帧在每个空闲数据时隙发送发现包:
2a)从第一个复帧开始发送操作,即Fn=1,并使用当前复帧的基本发送序列{A1,A2,...,Am,...,Aa-1,Aa};
2b)在当前复帧的第n个空闲数据时隙,节点根据基本发送序列A(m+a)%a所指的网络外发送方向发送发现包,其中n=m;
2c)判断发送节点是否已经完成a个复帧的发送工作:
若发送节点还未完成a个复帧的发送工作,即Fn<a,循环左移当前复帧的基本发送序列{A1,A2,...,Am,...,Aa-1,Aa}作为下一个复帧的基本发送序列,并将当前复帧更改为下一个复帧,即Fn=Fn+1,然后返回步骤2b)。
若发送节点已经完成a个复帧的发送,即Fn=a,则发送工作结束。
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