CN109089296A - 基于动态tdma时隙分配技术的定向邻居发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法，该定向邻居发现方法将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，每帧由探测子帧和业务数据子帧构成，所述探测子帧包括探测和响应两个阶段，每个阶段由k个微时隙构成；每个节点重复执行探测子帧ω次从而进行邻居节点探测，其中，k和ω通过本发明提供的固定算法来确定其具体数值。所述基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法能够提高邻居发现成功率。

Description

基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法

技术领域

本发明是关于定向天线通信技术领域，特别是关于一种基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法。

背景技术

在基于定向天线传输的网络中，由于定向波束较窄且只有节点同时将波束指向对方且收发模式相反时，才能成功发现对方，致使邻居发现过程变得十分困难，因此在使用定向天线的网络中，定向邻居发现是进行MAC层相关协议设计时应首先需要考虑和解决的问题。

在基于定向天线的Ad Hoc(点对点)网络中，节点在建立连接之前对双方的地理位置和方向信息都一无所知。所以为了可靠实现邻居节点间的握手，节点必须按照一定的协议在各个天线方向上扫描发送或者扫描接收数据包。相比使用全向天线，使用定向天线进行邻居发现时，大大增加了协议的复杂度。另外，如果节点在入网时花费了过长的时间，会制约网络对节点移动的适应性。因此，由于节点间的动态拓扑特性，使用定向天线进行邻居发现时，对邻居节点发现算法的效率提出了更高的要求。

目前提出的采用定向天线的邻居发现算法大多需要有GPS或其它方式所提供的节点位置信息或时间同步信息的支持。因此目前的定向天线的邻居发现算法主要是基于动态TDMA(时分多址)时隙分配技术的邻居发现算法。

基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现算法的一般流程如图1所示。首先，节点应该进行网络初始化，初始化内容包括网络可容纳的节点数目N、天线的扇区数目M以及节点的ID编号。然后节点需要确定天线的收发模式，也就是说天线在某时刻处于发送还是接收的状态。通常情况下，节点根据预先定义的序列周期性决定节点的收发状态，然后根据收发状态去探测所有潜在的邻居节点。但是一般需要多次改变节点的收发状态才能找到它们，这个次数是有一定范围限制的，取决于用来选择其发送或侦听模式的算法。目前，在结合定向天线阵的使用，天线收发模式的设计主要包括完全随机的邻居发现算法和基于扫描的邻居发现算法两类。全随机的邻居发现算法是根据概率确定收发模式，此方法的可靠性不能得到保证。基于扫描的邻居发现算法是节点根据预先定义的序列周期性决定节点的收发状态，然后根据收发状态去探测所有潜在的邻居节点。但是一般需要多次改变节点的收发状态才能找到它们，这个次数是有一定范围限制的。

定向天线需要满足天线收发模式和天线方向的匹配，因此，在确定了节点的天线收发模式之后，便可以根据天线的收发模式确定天线的扫描图案了。在基于多波束切换天线的Ad Hoc网络中，由于定向天线很难实现广播通信，当节点需要对多个节点广播消息时，须按照某种调度顺序对本节点覆盖范围内的整个空间区域进行“扫描”。扫描过程，即多波束天线不断切换其当前所使用定向波束扇区的过程，其中定向波束切换的顺序和方法称为定向天线的扫描图案。因此，从某种程度上说，扫描过程是针对单个定向天线单元在空间上的局限性而采取的“时间换空间”过程。

天线收发模式结合天线扫描图案算法将共同决定邻居发现的效率问题，进而直接影响邻居节点发现的最终指标：邻居节点发现时间。在确定了节点收发模式和天线扫描图案之后，便可以进行波束内的邻居探测了。

现有的基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现算法中基本都没有考虑邻居发现的成功率和效率等问题，包括不能保证完全的邻居发现成功率(例如完全随机的邻居发现算法，不能保证邻居发现的成功率)；或者没有考虑节点邻居发现时可能存在的冲突问题，导致邻居发现不全；或者时帧结构设计不合理，导致对时帧的利用效率不高，进而影响邻居发现效率。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法，其能够提高邻居发现成功率。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法，其包括：将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，每帧由探测子帧和业务数据子帧构成，所述探测子帧包括探测和响应两个阶段，每个阶段由k个微时隙构成；每个节点重复执行探测子帧ω次从而进行邻居节点探测，其中，k和ω通过以下算法来确定其具体数值：

P_ω＝P_ω-1+(1-P_ω-1)(1-1/k)^n+m和

其中，P为任一节点A总计执行ω次邻居探测过程后发现其任一邻居节点B的概率，P_ω为该节点A在执行第ω次邻居探测时，发现其邻居节点B的概率，N为进行邻居节点探测过程的所有节点的数目，M为节点天线的波束扇区数目，n为单个波束扇区内对节点A产生干扰的节点数目，m为单个波束扇区内对节点B产生干扰的节点数目，通过调整k和ω能够提高探测到邻居节点的概率。

在一优选的实施方式中，每个节点执行一次探测子帧包括：节点根据天线收发模式判断当前天线扫描周期内是主动探测模式还是被动侦听模式；若该节点是主动探测模式，则该节点首先从k个探测微时隙中随机选取1个微时隙来发送探测预约报文，然后在k个响应微时隙内等待邻居节点的响应报文，成功接收响应报文的节点提取所述响应报文中的信息记录在自身的邻居节点列表中；若该节点是被动侦听模式，则该节点首先在k个探测微时隙内定向接收邻居节点发送的探测预约报文并提取所述探测预约报文中的信息记录在自身的邻居节点列表中；然后在k个响应微时隙内选取1个微时隙来发送响应报文。

在一优选的实施方式中，所述邻居节点列表包括波束扇区编号、节点ID以及节点的维护时间T。

在一优选的实施方式中，该定向邻居发现方法还包括：在所述维护时间内，若该节点没有接收到任何探测预约报文或响应报文，则将该节点ID在所述邻居节点列表中清除。

在一优选的实施方式中，该定向邻居发现方法还包括：确定每个节点的最大的邻居发现时间TF_max，TF_max＝N×M×l×τ，其中，N为进行邻居节点探测过程的所有节点的数目，M为节点天线的波束扇区数目，l表示每个节点ID的二进制码的长度，τ表示每个时隙的时间长度。

在一优选的实施方式中，该定向邻居发现方法还包括：确定每个节点的最大的邻居发现时间E[TF]，

与现有技术相比，根据本发明的基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法首先设置了时帧结构，将探测子帧的探测和响应两个阶段的每个阶段分为k个微时隙并且重复执行邻居探测过程ω次，通过提高微时隙k的个数和执行探测子帧的次数ω来提高成功率，并且本方法推导出了邻居发现的成功率与输入(网络中节点数目、节点扇区数目等)以及与探测子帧的执行次数和微时隙的个数之间的关系，根据该关系式可以根据成功率的具体需求来设定合适的执行探测子帧的次数和微时隙个数来提高邻居发现的成功率。而且还提出了邻居发现时间的计算方法，为基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法的效率研究提供了重要方法。

附图说明

图1是现有技术的基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现算法的流程；

图2是根据本发明一实施方式的基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法的流程图；

图3是根据本发明一实施方式的时帧结构；

图4是根据本发明一实施方式的探测预约报文或响应报文的报文格式。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

本发明主要针对邻居发现的成功率和效率问题，提供了一种基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现算法，用于减少邻居发现的时间，提高邻居发现的成功率。主要通过推导出的邻居发现的成功率与探测子帧的执行次数和微时隙的个数之间的关系式为指导来设定合适的执行探测子帧的次数和微时隙个数从而提高邻居发现的成功率。

图2是根据本发明一实施方式的基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法的流程图。

该基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法包括步骤S1和S2。

在步骤S1中建立用于定向邻居发现的时帧结构：对邻居节点的探测是基于动态TDMA的，将时间分割成连续的时帧，并将时帧分成探测子帧和业务数据子帧两类子帧，同时采用动态的TDMA协议将探测子帧又分为探测和响应两个阶段。另外，由于可能存在多个节点同时发送时在接收节点冲突的情况，因此将探测子帧划分为多个微时隙，每个节点在探测时隙阶段随机选择一个微时隙发送探测报文或者响应报文。微时隙策略通过增加微时隙的个数来提高邻居发现效率并且降低握手过程中的碰撞概率，提高邻居发现成功率和收敛速度。特别说明的是微时隙的划分可以大大的缓解隐藏终端问题和耳聋问题。在该实施方式中，将探测子帧的探测阶段和响应阶段分别划分为k个微时隙。该实施方式的时帧结构如图3所示。

在步骤S2中每个节点将探测子帧重复执行多次从而进行邻居探测过程：由于每个节点在开机后是没有任何其他节点的信息的，因此每个节点随机选择一个微时隙进行邻居探测过程，当存在2个及以上的节点使用相同的微时隙时，将发生碰撞冲突而无法正确接收和解析消息分组。对于这种由于微时隙的选择而发生碰撞导致邻居发现失败的情况，可以将探测子帧重复执行多次(记为ω)，即将使用该相同微时隙的节点重复执行邻居探测过程ω次从而提高节点成功进行邻居发现的概率。

在本实施方式中，每个节点在一个微时隙进行邻居探测过程具体如下：每个节点根据天线收发模式判断当前天线扫描周期内是主动探测模式还是被动侦听模式，处于主动发送模式的节点执行的是{发送探测预约报文；接收响应报文}的过程，即该节点首先从k个探测微时隙中随机选取1个微时隙来发送探测预约报文，然后在k个响应微时隙内等待邻居节点的响应报文，成功接收响应报文的节点提取所述响应报文中的信息记录在自身的邻居节点列表中；而处于被动侦听模式的节点执行的是{接收探测预约报文；发送响应报文}过程，即该节点首先在k个探测微时隙内定向接收邻居节点发送的探测预约报文并提取所述探测预约报文中的信息记录在自身的邻居节点列表中；然后在k个响应微时隙内选取1个微时隙来发送响应报文。本实施方式的探测预约报文和响应报文的报文格式如图4所示。

网络中的每个节点都有一个邻居节点列表，用于进行邻居维护。在该实施方式中，该邻居节点列表中含有波束扇区编号，每个波束扇区编号有一些对应的节点ID，同时还包括维护时间T。可以假定节点以一定概率在一定时间范围T内实现对所有的邻居节点的发现。如果这个时间范围T内，节点没有收到任何的回馈，此时便可以假定这个节点退网或者关机等，这时便可以在邻居节点列表中清除此节点。所以在邻居节点列表中除了波束扇区编号、节点ID外，还可以为每个节点维护一个时间T，该邻居节点列表如表所示。T表示节点从发现时刻开始，经过T时间后节点依然没有变化，或者说在接下来的T时间内，节点没有任何的回馈。若是在T时间段内，节点是有回馈的，也就是说邻居节点收到了其探测报文或者响应报文，此时便可以将节点维护的时间重新设置为T。T值的大小与天线收发模式序列的设计及天线扫描周期有关。

邻居节点列表结构

假定网络中的成员数目N以及节点的扇区数目M是已经选定的，那么由N、M的值，便可以逐步确定参数k和ω的值。在分析时，只需要固定在一个波束内，计算两个节点成功进行邻居发现的概率就可以了。分析过程如下：要计算一对节点在一个波束扇区内成功进行邻居发现的概率，首先需要确定在波束扇区内的会对收发节点产生竞争的节点数目。假定两个节点A、B满足节点定向邻居发现的条件(假定节点A是主动探测节点，而节点B是被动侦听节点)，那么便可以根据网络中其他节点在本波束内对节点A、B产生干扰的情况计算节点A、B相互发现的成功概率了。假定单个波束扇区内会对发送节点产生竞争的节点个数为n，会对接收节点产生竞争的节点个数为m。显然，n、m的值与网络中的成员数目N、节点的扇区数目M以及网络节点的节点分布状态有关。由于网络中的节点是移动的，且网络的中的所有成员都是随机分布的，故假定每个扇区的节点数目是服从二项分布的。

一般情况下网络中同时处于发送模式与同时处于接收模式的节点数目是一样的，那么在本波束内可能对节点A、B产生干扰的节点数目n、m服从：

n、m～b(N/2-1,1/M) (1)

也就是说，在本波束内出现与节点A产生竞争的n个节点的概率为：

出现与节点B产生竞争的m个节点的概率为：

显然，n、m的取值是相互独立的。当n、m的取值选定之后，便可以计算节点A、B成功进行邻居探测的概率了。在本波束扇区内，第一次进行邻居探测时，节点A成功发现节点B的概率为：

P₁₁＝(1-1/k)^m (4)

同样的，节点B成功发现节点A的概率为：

P₁₂＝(1-1/k)ⁿ (5)

那么，在第一次进行邻居探测后，节点A、B成功进行邻居发现的概率为：

P₁＝P₁₁×P₁₂＝(1-1/k)^n+m (6)

那么在第二次进行邻居探测时，节点A、B成功进行邻居发现的概率为：

P₂＝P₁+(1-P₁)(1-1/k)^n+m (7)

以此类推，可以得到在第ω次进行邻居探测时，节点A、B成功进行邻居发现的概率为：

P_ω＝P_ω-1+(1-P_ω-1)(1-1/k)^n+m (8)

由式(1)、式(2)(n、m取值的概率)及式(8)(邻居探测成功的概率)，便可以得到节点A、B成功进行邻居发现的概率为：

根据上述关系式9可以设定合适的执行次数和微时隙个数来提高邻居发现的成功率。

优选地，本实施方式还提供了计算邻居发现的时间的方法。一般地，邻居发现时间是指节点从开机时间算起，成功发现邻居所需要的时间。由天线收发模式及天线扫描模式的设计可知，邻居发现时间显然是与探测子帧内微时隙的总数目s有关的。另外，任意两个节点进行相互发现的时间程度是跟节点的二进制编码的特征有关的。例如编号为000与编号为111的两个节点间进行邻居发现时，只需要在一个比特内进行扫描和接收就可以完成了。但是编号为000与编号为001的两个节点间进行邻居发现时，却需要三个比特的长度，也就是说，这两个节点在第三个比特时才能够满足节点间进行邻居发现的条件。因此节点进行邻居发现的时间还跟节点的比特编码有关。每个节点的ID被编号为长度为的二进制码，记为l。

用TF表示邻居发现时间，τ表示时隙的时间长度，对邻居发现时间的评估应该包括两个方面的内容：最大的邻居发现时间TF_max以及平均的邻居发现时间E[TF]。显然，最差的邻居发现情况便是节点扫描到最后一个比特位时才能够发现邻居。那么这时候便可以得到最大邻居发现时间TF_max为：

每个节点进行邻居发现的平均时间都是一样的，那么便可以计算网络中任一节点的平均邻居发现时间作为网络的邻居发现的平均时间。对于一个比特长度为l的二进制数编码的节点，与其它2^l-1个节点进行邻居发现的过程为：在第一个比特位进行扫描时，可以发现网络中一半的节点(也就是2^l/2)，所需要的比特位数是1位；在第二个比特位进行扫描时，可以发现网络中四分之一的节点(也就是2^l/2²)，所需要的比特位数是2位；……；以此类推，那么在最后一个比特位还有一个(也就是2^l/2^l)节点，所需要的比特位数是l位。那么节点进行邻居发现的比特位数为：

因此，平均时间E[TF]为：

通过上述的邻居发现时间的计算方法可以为基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法的效率研究提供重要分析依据。

综上所述，本实施方式主要针对定向邻居发现的成功率和效率问题，设计了时帧结构，并且推导出了邻居发现的成功率与输入(网络中节点数目、节点扇区数目等)以及与探测子帧的执行次数和微时隙的个数之间的关系，根据该关系式可以设定合适的执行次数和微时隙个数来提高邻居发现的成功率，最后还提出了邻居发现时间的计算方法，为基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法的效率研究提供了重要方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法，其特征在于，包括：

将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，每帧由探测子帧和业务数据子帧构成，所述探测子帧包括探测和响应两个阶段，每个阶段由k个微时隙构成；以及

每个节点重复执行探测子帧ω次从而进行邻居节点探测，

其中，k和ω通过以下算法来确定其具体数值：

P_ω＝P_ω-1+(1-P_ω-1)(1-1/k)^n+m 和

其中，P为任一节点A总计执行ω次邻居探测过程后发现其任一邻居节点B的概率，P_ω为该节点A在执行第ω次邻居探测时，发现其邻居节点B的概率，N为进行邻居节点探测过程的所有节点的数目，M为节点天线的波束扇区数目，n为单个波束扇区内对节点A产生干扰的节点数目，m为单个波束扇区内对节点B产生干扰的节点数目，通过调整k和ω能够提高探测到邻居节点的概率。

2.如权利要求1所述的基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法，其特征在于，每个节点执行一次探测子帧包括：

节点根据天线收发模式判断当前天线扫描周期内是主动探测模式还是被动侦听模式；

若该节点是主动探测模式，则该节点首先从k个探测微时隙中随机选取1个微时隙来发送探测预约报文，然后在k个响应微时隙内等待邻居节点的响应报文，成功接收响应报文的节点提取所述响应报文中的信息记录在自身的邻居节点列表中；以及

若该节点是被动侦听模式，则该节点首先在k个探测微时隙内定向接收邻居节点发送的探测预约报文并提取所述探测预约报文中的信息记录在自身的邻居节点列表中；然后在k个响应微时隙内选取1个微时隙来发送响应报文。

3.如权利要求2所述的基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法，其特征在于，所述邻居节点列表包括波束扇区编号、节点ID以及节点的维护时间T。

4.如权利要求3所述的基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法，其特征在于，该定向邻居发现方法还包括：

在所述维护时间内，若该节点没有接收到任何探测预约报文或响应报文，则将该节点ID在所述邻居节点列表中清除。

5.如权利要求1所述的基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法，其特征在于，该定向邻居发现方法还包括：

确定每个节点的最大的邻居发现时间TF_max，TF_max＝N×M×l×τ，其中，N为进行邻居节点探测过程的所有节点的数目，M为节点天线的波束扇区数目，l表示每个节点ID的二进制码的长度，τ表示每个时隙的时间长度。

6.如权利要求5所述的基于动态TDMA时隙分配技术的定向邻居发现方法，其特征在于，该定向邻居发现方法还包括：

确定每个节点的最大的邻居发现时间E[TF]，