CN109982356B - 一种适用于邻居发现的定向天线扇区切换序列生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体来说是一种适用于邻居发现的定向天线扇区切换序列生成方法。本发明的方法主要是对于具有n位二进制序列编码的网络节点，先进行添加生成2n位的二进制序列，再将添加的二进制序列进行替换，从而生成切换序列。本发明所设计的扇区切换序列生成方法应具备更小MTTR值和更好的扇区切换性能，从而在更短的时间长度内实现任意两个网络节点的定向天线对准功能。

Description

一种适用于邻居发现的定向天线扇区切换序列生成方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及无线自组织网络组网过程的邻居节点发现技术，具体来说是一种适用于邻居发现的定向天线扇区切换序列生成方法。

背景技术

与蜂窝无线通信网络和无线局域网等存在固定基础设施(如基站和无线接入点)的无线网络不同，无线自组织网络能在不具备任何固定基础设施的情况下实现网络节点之间的相互通信，因而特别适用于战场通信、应急救援、物联网和车联网等应用场合。由于无线自组织网络网络拓扑通常是动态变化的，因此每个网络节点在组网、路由和通信等阶段需要定期或不定期地执行邻居节点发现的功能，实时更新其邻居节点信息和网络拓扑，从而更好地为后续的路由发现和数据传输等基本功能提供可靠保障。

根据网络节点配置的天线类型不同，无线自组织网络的邻居发现技术可以分为基于全向天线和基于定向天线等两种。其中，在基于全向天线的邻居发现技术中，每个网络节点利用其全向天线在所有方向上进行无线信号广播和监听，以使得其邻居节点能了解到自己的存在而进行握手协商。这一邻居发现技术的好处在于实现较为简单，但缺点在于给定发射功率下的无线信号全向发送传输距离较短，导致任意两个网络节点只能在较短的物理距离内才能发现彼此的存在，并且容易受到恶意窃听，通信保密性较差。

而基于定向天线的邻居发现技术则是利用定向天线在某个特定方向上的高发射和接收增益以及在其余方向上可以忽略的发射和接收增益来实现相邻网络节点之间的握手协商。其好处是，除非窃听者处于上述特定方向上，否则它很难监听到一个定向天线所发送的无线信号，因而基于定向天线的邻居发现技术具备良好的通信保密性和抗干扰/抗截获能力。同时，只要两个网络节点所配置的定向天线处于方向对准的状态，那么即使它们之间的物理距离较远，它们也能利用定向天线的高发射和接收增益来发现彼此的存在，从而有利于它们能不依赖于其它网络节点的中继传输来实现直接通信，有效降低无线自组织网络的传输次数和能量消耗。

然而，定向天线发射和接收增益的方向不均衡特性也为无线自组织网络的邻居发现技术带来了不小的挑战。由于在邻居发现结束之前任意两个相邻节点都可能不了解彼此所处的物理位置和它们之间的时钟差异，因此它们需要在不了解对方位置和时钟信息的限制条件下使得它们的定向天线能处于方向对准的状态。为此，一种可行的解决方案是，根据每个定向天线具备高发射和接收增益的方向角度范围Δθ∈(0,360)，将每个节点的所有360度发送和接收方向划分为

个不同的扇区，并使得该定向天线在这些编号分别为0,1,…,N-1的扇区上不断的切换。当两个网络节点的定向天线在同一时隙内分别切换到处于彼此对准状态的两个扇区时，它们就能实现初始的通信握手协商和发现彼此的存在。

在如图1所示的定向天线邻居发现过程中，由于不同的网络节点对其N个不同扇区的编号方式均可能不同，并且支持任意两个网络节点实现彼此定向天线对准的方向角度和扇区组合也可以是多种多样的，因此一个基于定向天线的扇区切换序列生成方法所面临的关键性问题是如何确保任意两个网络节点，无论它们是否时钟同步，所配置的定向天线在有限时间长度内能同时切换到彼此处于对准状态的两个扇区。由于在邻居发现过程结束之前任意两个网络节点是无法获知彼此处于对准状态的两个扇区编号方式的，因此它们的定向天线扇区切换序列必须要支持前者的任意扇区总能与后者的任意扇区在有限时间长度内能被各自的定向天线所同时访问，从而实现任意两个扇区之间的汇聚。

而衡量一个定向天线扇区切换序列性能优劣的主要参数是最大汇聚时间间隔(Maximum time-to-rendezvous，简称MTTR)，即当任意两个网络节点均依据该方法生成定向天线扇区切换序列时前一网络节点的任意扇区与后一网络节点的任意扇区之间能实现连续两次汇聚(即同一时隙内切换到彼此处于对准状态的扇区)的最长时间间隔。通常来说，具备更小MTTR的定向天线扇区切换序列生成方法具备更好的性能。

发明内容

本发明目的是针对基于定向天线组网的邻居发现需求，为每个网络节点设计一个适用于定向天线的扇区切换序列生成方法。该方法能确保，当任意两个网络节点基于该方法所生成的序列进行定向天线扇区切换时，无论它们是否同时开始执行这一扇区切换过程，前一网络节点的任意扇区与后一网络节点的任意扇区之间总能在有限的时间长度内实现汇聚，从而完成初始的通信握手协商和发现彼此的存在。与现有适用于定向天线的扇区切换序列生成方法相比，本发明所设计的扇区切换序列生成方法应具备更小MTTR值和更好的扇区切换性能，从而在更短的时间长度内实现任意两个网络节点的定向天线对准功能。

本发明的技术方案为：

对于每个划分了N个可切换扇区和具备不重复n位二进制序列编号b₀b₁…b_n-1的网络节点来说，它可以采用如下步骤为其配置的单根定向天线设计一个周期性的扇区切换序列：

步骤1.将该网络节点的N个可切换扇区分别标记为0,1,2,…,N-1。

步骤2.在该网络节点的n位二进制序列编号b₀b₁…b_n-1之后添加的

个比特0和

个比特1，从而生成一个2n位二进制序列b₀b₁…b_n-100…011…1。

步骤3.将步骤2所生成的2n位二进制序列中的每个比特0替换成一个由N个N元素整数序列{0,1,…,N-1}所串联而成的N²元素整数序列R，而将该序列中的每个比特1替换成一个由N个N元素整数序列S₀,S₁,…,S_N-1所串联而成的N²元素整数序列S，其中S₀＝{0,1,…,N-1}，S₁＝{1,2,…,N-1,0}，S₂＝{2,3,…,N-1,0,1}，……，以及S_N-1＝{N-1,0,1,…,N-2}。

步骤4.将根据步骤3所生成的2n个N²元素整数序列串联在一起，从而生成一个周期长度为2nN²个时隙的定向天线扇区切换序列。

本发明的有益效果是：

当每个编号为b₀b₁…b_n-1的网络节点均基于步骤2生成其2n位二进制序列b₀b₁…b_n-100…011…1时，由于不同网络节点的编号肯定不同，因此可以证明任意两个网络节点所分别生成的两个2n位二进制序列，无论它们是否是同时开始被周期性重复的，在每个2n比特周期内肯定存在至少1位不同的比特和1位相同的比特。这就意味着，无论它们是否是同时开始被周期性重复的，上述两个网络节点根据步骤2～4所分别生成的定向天线扇区切换序列一定能在2nN²个时隙内实现至少一个2N²元素整数序列R+S或者S+R和一个2N²元素整数序列R+R或者S+S的汇聚，其中符号“+”代表两个N²元素整数序列的顺序连接。另一方面，对于步骤3所生成的两个2N²元素整数序列R+S或者S+R和R+R或者S+S来说，只要它们起始时间只相差t∈[0,N²-1]个时隙，那么前一2N²元素整数序列的每个元素p∈[0,N-1]和后一2N²元素整数序列的每个元素q∈[0,N-1]总能实现汇聚。因此，基于上述两个事实联立可得，当无线自组织网络每个网络节点所配置的定向天线均根据本发明所设计的定向天线扇区切换序列在N个可切换扇区中进行周期性切换时，无论任意两个网络节点的时钟是否同步或者说无论它们是否在同一时刻开始执行定向天线的扇区切换过程，前一个网络节点的任意扇区p∈[0,N-1]总能与后一个网络节点的任意扇区q∈[0,N-1]在长度为2nN²个时隙的周期内实现汇聚，即MTTR≤2nN²，从而确保这两个网络节点所配置的定向天线在有限时间长度内能同时切换到处于彼此对准状态的两个扇区以实现初始的通信握手协商和发现彼此的存在。与现有适用于定向天线的扇区切换序列生成方法，即《On Oblivious NeighborDiscovery in Distributed Wireless Networks With Directional Antennas:Theoretical Foundation and Algorithm Design》，相比，本发明所设计的扇区切换序列生成方法具备更小MTTR值和更好的扇区切换性能，从而在更短的时间长度内确保任意两个网络节点在任意的天线对准角度下均能实现定向天线对准和邻居发现功能。

附图说明

图1显示了，在两个配置了4个扇区的网络节点N1和N2基于定向天线的邻居发现过程中，它们对其4个不同扇区的编号方式分别是从0开始顺时针和逆时针方向进行的，并且可以在4个不同的方向角度和扇区组合上，包括(a)节点N1的扇区2和节点N2的扇区1，(b)节点N1的扇区1和节点N2的扇区2，(c)节点N1的扇区0和节点N2的扇区3，以及(d)节点N1的扇区3和节点N2的扇区0，实现彼此定向天线的对准。图中的每个双箭头代表节点N1和N2的定向天线处于彼此对准状态。

图2显示了，在编号为二进制序列11的3扇区网络节点晚于编号为二进制序列01的3扇区网络节点正好4个时隙开始根据本发明所提序列进行扇区切换时，前者的任意扇区p∈{0,1,2}与后者的任意扇区q∈{0,1,2}均可以在每个长度为36个时隙的时间间隔内实现至少一次汇聚。图中的9个双箭头分别代表了这两个网络节点所有9种不同的汇聚情况。

图3显示了，在无线自组织网络每个节点的编号序列长度为2时，基于本发明所设计的定向天线扇区切换方法在所有时钟差异情况下的最大汇聚时间间隔随每个节点所配置扇区数的变化图。

图4显示了，在无线自组织网络每个节点所配置扇区数为3时，基于本发明所设计的定向天线扇区切换方法在所有时钟差异情况下的最大汇聚时间间隔随每个节点编号序列长度的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例描述本发明的技术方案。

实施例

本例中，对象为无线自组织网络中一个二进制序列编号为01和扇区数N＝3的定向天线网络节点，通过如下步骤为其生成一个扇区切换序列：

步骤1.将该网络节点的N＝3个可切换扇区分别标记为0,1,2。

步骤2.在该网络节点的n＝2位二进制序列编号01之后添加的

个比特0和

个比特1，从而生成一个2n＝4位二进制序列0101。

步骤3.将步骤2所生成的4位二进制序列中的每个比特0替换成一个由N＝3个3元素整数序列{0,1,2}所串联而成的N²＝9元素整数序列R，即R＝{0,1,2,0,1,2,0,1,2}，而将该序列中的每个比特1替换成一个由3个3元素整数序列S₀＝{0,1,2},S₁＝{1,2,0}和S₂＝{2,0,1}所串联而成的N²＝9元素整数序列S，即S＝{0,1,2,1,2,0,2,0,1}。

步骤4.将根据步骤3所生成的2n＝4个9元素整数序列串联在一起，从而生成一个周期长度为2nN²＝36个时隙的定向天线扇区切换序列{0,1,2,0,1,2,0,1,2,0,1,2,1,2,0,2,0,1,0,1,2,0,1,2,0,1,2,0,1,2,1,2,0,2,0,1}。

图2显示了，当扇区数N＝3时，两个编号分别为二进制序列01和11的定向天线网络节点在它们的扇区切换起始时间相差4个时隙时的所有9种不同的扇区汇聚情况。可以看出，在每36个时隙长度的时间段内，编号为二进制序列01的网络节点的每个扇区p∈[0,2]和编号为二进制序列11的网络节点的每个扇区q∈[0,2]均能实现汇聚。

另一方面，数值计算显示，在编号为二进制序列11的3扇区网络节点晚于编号为二进制序列01的3扇区网络节点正好32个时隙开始进行扇区切换时，前者的扇区1与后者的扇区1实现连续两次汇聚的时间间隔时隙数达到最大值31，即MTTR＝31。很明显，这一最大汇聚时间间隔是不大于扇区切换序列的周期长度2nN²＝36

最后，由图3或者图4可见，在无线自组织网络每个节点的编号序列长度固定为2或者扇区数固定为3时，本专利所设计的扇区切换序列方法总能获得比《On ObliviousNeighbor Discovery in Distributed Wireless Networks With DirectionalAntennas:Theoretical Foundation and Algorithm Design》更短的MTTR值。这就意味着，本发明能实现更为快速的定向天线扇区汇聚和更加高效的网络节点邻居发现。

Claims (1)

1.一种适用于邻居发现的定向天线扇区切换序列生成方法，该方法用于无线自组织网络，针对网络中划分了N个可切换扇区并且具备不重复n位二进制序列编号b₀b₁…b_n-1的网络节点，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将该网络节点的N个可切换扇区分别标记为0,1,2,…,N-1；

步骤S2、在该网络节点的n位二进制序列编号b₀b₁…b_n-1之后依次添加

个比特0和

个比特1，从而生成一个2n位二进制序列b₀b₁…b_n-100…011…1；

步骤S3、将步骤S2所生成的2n位二进制序列中的每个比特0替换成一个由N个N元素整数序列{0,1,…,N-1}所串联而成的N²元素整数序列R；将该序列中的每个比特1替换成一个由N个N元素整数序列S₀,S₁,…,S_N-1所串联而成的N²元素整数序列S，其中S₀＝{0,1,…,N-1}，S₁＝{1,2,…,N-1,0}，S₂＝{2,3,…,N-1,0,1}，……，以及S_N-1＝{N-1,0,1,…,N-2}；

步骤S4、将步骤S3所生成的2n个N²元素整数序列串联在一起，从而生成一个周期长度为2nN²个时隙的定向天线扇区切换序列。

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