CN110086671B - 一种Ad Hoc网络的拓扑发现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Ad Hoc网络的拓扑发现方法，其包括以下步骤：S1、获取Ad Hoc网络的信号；S2、获取各信号的能量检测结果；S3、根据帧长度将帧分为数据帧和控制帧；S4、根据控制帧和数据帧之间的距离获取中继转发数据帧，并匹配剩余节点的时序图得到多跳链路；S5、根据控制帧和数据帧之间的距离获取单跳源数据帧，并匹配剩余节点的时序图得到单跳链路；S6、将多跳链路和单跳链路以邻接矩阵的形式融合得到网络拓扑结构图。本发明只需要统计MAC帧的时序信息并对帧类型进行分类，不需要解析帧的具体内容，其识别效果好，识别速度快，适用于多数采用控制帧争用信道的竞争类MAC层协议，应用范围广。

Description

一种Ad Hoc网络的拓扑发现方法
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种Ad Hoc网络的拓扑发现方法。
背景技术
网络拓扑是网络形状，或者是网络在物理上的连通性。网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，即用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接。网络的拓扑结构有很多种，主要有星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构等。获取网络拓扑结构可有助于对网络的了解。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种Ad Hoc网络的拓扑发现方法可以快速获取Ad Hoc网络的拓扑结构图。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种Ad Hoc网络的拓扑发现方法，其包括以下步骤：
S1、获取Ad Hoc网络的信号；
S2、对各个信号进行能量检测，得到各信号的能量检测结果；
S3、根据能量检测结果与判决门限恢复节点时序图，并将帧长度大于长度门限的帧作为数据帧，将帧长度小于长度门限的帧作为控制帧；
S4、检索各个节点的时序图，根据控制帧和数据帧之间的距离获取中继转发数据帧，并匹配剩余节点的时序图得到多跳链路；
S5、检索各个节点的时序图，根据控制帧和数据帧之间的距离获取单跳源数据帧，并匹配剩余节点的时序图得到单跳链路；
S6、将多跳链路和单跳链路以邻接矩阵的形式融合得到网络拓扑结构图。
进一步地，步骤S2的具体方法为：
根据滑动时间窗截取信号，并根据公式
Figure GDA0002420916150000021
进行能量检测，得到能量检测结果
Figure GDA0002420916150000022
其中N为窗函数的滑动步长；fs为采样率；n为离散的采样序列下标；si(n)为第i根定向天线的接收信号。
进一步地，步骤S4的具体方法包括以下子步骤：
S4-1、获取各个节点时序图中数据帧，在时序图上获取数据帧与距其最近的控制帧之间的距离D，将距离D大于等于数据帧长度所对应的数据帧作为中继转发数据帧；
S4-2、将数据帧的起始点作为时间窗的终点，将时间窗向前匹配节点的时序图；其中时间窗的大小为Ldata+2max_delay；Ldata为数据帧的长度，max_delay为网络最大时延；
S4-3、判断是否只有一个网络节点在当前时间窗内存在数据分组，若是则将该节点作为上一跳节点并在其所在时序图上以该数据分组为起点向前搜索控制帧，进入步骤S4-5；否则进入步骤S4-4；
S4-4、以每个数据分组为起始点分别向前搜寻控制帧，将控制帧与数据帧之间距离为D-Ldata+d的节点作为上一跳节点；其中d为距离调整参数；
S4-5、判断上一跳节点的控制帧与数据帧之间的距离是否小于数据帧帧长，若是则将该节点作为源节点并停止向前匹配节点的时序图，进入步骤S4-6；否则返回步骤S4-3并持续向前匹配节点的时序图；
S4-6、将数据帧的终点作为时间窗的起点，将时间窗向后匹配节点的时序图；其中时间窗的大小为Ldata+2max_delay；Ldata为数据帧的长度，max_delay为网络最大时延；
S4-7、判断是否只有一个网络节点在当前时间窗内存在数据分组，若是则将该节点作为下一跳节点并进入步骤S4-9；否则进入步骤S4-8；
S4-8、以每个数据分组为起始点分别向前搜寻控制帧，将控制帧与数据帧之间距离为D+Ldata+d的节点作为下一跳节点；其中d为距离调整参数；
S4-9、判断下一时间窗中是否还存在具有数据分组的网络节点，若是则返回步骤S4-7并持续向后匹配节点的时序图，否则停止向后匹配节点的时序图；
S4-10、获取每个上一跳节点和下一跳节点的多跳链路。
进一步地，步骤S5的具体方法包括以下子步骤：
S5-1、在节点的时序图上除去中继转发数据帧，将剩余数据帧作为单跳源数据帧，以单跳源数据帧为起点向前搜索最近的控制帧，将该控制帧与单跳源数据帧之间的时间宽度作为时间窗匹配剩余节点的时序图；
S5-2、将当前时间窗内仅存在唯一控制帧的节点作为目的节点，获取该节点的单跳链路；
S5-3、滑动时间窗并采用与步骤S5-2相同的方法持续获取单跳链路，直至时间窗内无目的节点。
本发明的有益效果为：本发明通过检测MAC层的交互行为来识别网络拓扑，只需要统计MAC帧的时序信息并对帧类型进行分类，不需要解析帧的具体内容，其识别效果好，识别速度快，适用于多数采用控制帧争用信道的竞争类MAC层协议，应用范围广。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为两跳网络的模型示意图；
图3为三跳网络的模型示意图；
图4为四跳网络的模型示意图；
图5为MACA协议的节点发送示意图；
图6为本发明的识别性能示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该Ad Hoc网络的拓扑发现方法包括以下步骤：
S1、获取Ad Hoc网络的信号；
S2、对各个信号进行能量检测，得到各信号的能量检测结果；
S3、根据能量检测结果与判决门限恢复节点时序图，并将帧长度大于长度门限的帧作为数据帧，将帧长度小于长度门限的帧作为控制帧；
S4、检索各个节点的时序图，根据控制帧和数据帧之间的距离获取中继转发数据帧，并匹配剩余节点的时序图得到多跳链路；
S5、检索各个节点的时序图，根据控制帧和数据帧之间的距离获取单跳源数据帧，并匹配剩余节点的时序图得到单跳链路；
S6、将多跳链路和单跳链路以邻接矩阵的形式融合得到网络拓扑结构图。
步骤S2的具体方法为：根据滑动时间窗截取信号，并根据公式
Figure GDA0002420916150000051
进行能量检测，得到能量检测结果
Figure GDA0002420916150000052
其中N为窗函数的滑动步长；fs为采样率；n为离散的采样序列下标；si(n)为第i根定向天线的接收信号。
步骤S4的具体方法包括以下子步骤：
S4-1、获取各个节点时序图中数据帧，在时序图上获取数据帧与距其最近的控制帧之间的距离D，将距离D大于等于数据帧长度所对应的数据帧作为中继转发数据帧；
S4-2、将数据帧的起始点作为时间窗的终点，将时间窗向前匹配节点的时序图；其中时间窗的大小为Ldata+2max_delay；Ldata为数据帧的长度，max_delay为网络最大时延；
S4-3、判断是否只有一个网络节点在当前时间窗内存在数据分组，若是则将该节点作为上一跳节点并在其所在时序图上以该数据分组为起点向前搜索控制帧，进入步骤S4-5；否则进入步骤S4-4；
S4-4、以每个数据分组为起始点分别向前搜寻控制帧，将控制帧与数据帧之间距离为D-Ldata+d的节点作为上一跳节点；其中d为距离调整参数；
S4-5、判断上一跳节点的控制帧与数据帧之间的距离是否小于数据帧帧长，若是则将该节点作为源节点并停止向前匹配节点的时序图，进入步骤S4-6；否则返回步骤S4-3并持续向前匹配节点的时序图；
S4-6、将数据帧的终点作为时间窗的起点，将时间窗向后匹配节点的时序图；其中时间窗的大小为Ldata+2max_delay；Ldata为数据帧的长度，max_delay为网络最大时延；
S4-7、判断是否只有一个网络节点在当前时间窗内存在数据分组，若是则将该节点作为下一跳节点并进入步骤S4-9；否则进入步骤S4-8；
S4-8、以每个数据分组为起始点分别向前搜寻控制帧，将控制帧与数据帧之间距离为D+Ldata+d的节点作为下一跳节点；其中d为距离调整参数；
S4-9、判断下一时间窗中是否还存在具有数据分组的网络节点，若是则返回步骤S4-7并持续向后匹配节点的时序图，否则停止向后匹配节点的时序图；
S4-10、获取每个上一跳节点和下一跳节点的多跳链路。
步骤S5的具体方法包括以下子步骤：
S5-1、在节点的时序图上除去中继转发数据帧，将剩余数据帧作为单跳源数据帧，以单跳源数据帧为起点向前搜索最近的控制帧，将该控制帧与单跳源数据帧之间的时间宽度作为时间窗匹配剩余节点的时序图；
S5-2、将当前时间窗内仅存在唯一控制帧的节点作为目的节点，获取该节点的单跳链路；
S5-3、滑动时间窗并采用与步骤S5-2相同的方法持续获取单跳链路，直至时间窗内无目的节点。
在本发明的一个实施例中，多种网络拓扑结构如图2、图3和图4所示，其中N0～N19表示网络节点，同处于一个虚线框内的节点之间可以直接通信，不在同一虚线框内的节点需要中间节点进行中继以实现多跳通信，使用实线连接的节点之间可直接通信。如图5所示，RTS、CTS为短控制分组，Delay为节点间时延，D1、D2与D3为控制帧与数据帧之间的时间距离。在基于竞争类MAC协议的Ad Hoc网络中，源节点在发送数据前会利用短控制帧争用信道，中继节点会转发其控制帧，即所有节点在发送数据分组之前都会发送控制分组。不同的地方在于，当节点为源节点时，控制帧与数据帧之间的间隔D1为控制帧长度与时延之和，远小于数据帧的长度；当节点为中继节点时，D2至少等于数据帧的长度，并且随着跳数增加，间隔几乎以数据帧长度为基数增加，因此可以根据数据帧与控制帧之间的间距将数据帧分为源数据帧与中继转发数据帧。控制分组的目的在于争用信道，若分组过长则抢占信道的速率大大降低，并且控制分组过多地占用信道会导致传输速率降低，因此控制分组的长度远小于数据分组的长度。如图6所示，可通过网络拓扑结构图的邻接矩阵之间的归一化欧氏距离对识别效果进行判别，本发明在不同信噪比下的识别效果均很好，且当信噪比高于3dB时，本方法具有良好的性能，并且在跳数越高的网络中的性能越好。
在具体实施过程中，运用能量检测算法检测在一个很短的时间窗内是否存在信号，如果该时间窗内的总能量高于门限值则说明存在信号，反之则不存在。以固定步长滑动时间窗就能够得到节点的时变特性，即节点的发送时序图。能量检测算法有三个重要的参数，即滑动窗宽度、滑动步长与判决门限，能量检测的目的在于获取信号的时序图，从而匹配节点间的数据交互情况，具体地，从信号的开始位置计算滑动窗内的能量，然后滑动一个步长的长度，在计算时间窗内的能量，重复此过程，直到时间窗到达信号的结束位置，最后利用此能量信息与判决门限比较就可以得到信号的时序图，最后再根据长度门限将帧划分为控制帧与数据帧。
综上所述，本发明利用能量检测算法估计信号的时序图，并根据信号的帧长度将其划分为控制帧与数据帧，利用多跳链路与单跳链路的匹配方式获取网络的拓扑结构图。本发明通过检测MAC层的交互行为来识别网络拓扑，只需要统计MAC帧的时序信息并对帧类型进行分类，不需要解析帧的具体内容，其识别效果好，识别速度快，适用于多数采用控制帧争用信道的竞争类MAC层协议，应用范围广。

Claims (2)

1.一种Ad Hoc网络的拓扑发现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取Ad Hoc网络的信号；
S2、对各个信号进行能量检测，得到各信号的能量检测结果；
S3、根据能量检测结果与判决门限恢复节点时序图，并将帧长度大于长度门限的帧作为数据帧，将帧长度小于长度门限的帧作为控制帧；
S4、检索各个节点的时序图，根据控制帧和数据帧之间的距离获取中继转发数据帧，并匹配剩余节点的时序图得到多跳链路；
S5、检索各个节点的时序图，根据控制帧和数据帧之间的距离获取单跳源数据帧，并匹配剩余节点的时序图得到单跳链路；
S6、将多跳链路和单跳链路以邻接矩阵的形式融合得到网络拓扑结构图；
步骤S4的具体方法包括以下子步骤：
S4-1、获取各个节点时序图中数据帧，在时序图上获取数据帧与距其最近的控制帧之间的距离D，将距离D大于等于数据帧长度所对应的数据帧作为中继转发数据帧；
S4-2、将数据帧的起始点作为时间窗的终点，将时间窗向前匹配节点的时序图；其中时间窗的大小为Ldata+2max_delay；Ldata为数据帧的长度，max_delay为网络最大时延；
S4-3、判断是否只有一个网络节点在当前时间窗内存在数据分组，若是则将该节点作为上一跳节点并在其所在时序图上以该数据分组为起点向前搜索控制帧，进入步骤S4-5；否则进入步骤S4-4；
S4-4、以每个数据分组为起始点分别向前搜寻控制帧，将控制帧与数据帧之间距离为D-Ldata+d的节点作为上一跳节点；其中d为距离调整参数；
S4-5、判断上一跳节点的控制帧与数据帧之间的距离是否小于数据帧帧长，若是则将该节点作为源节点并停止向前匹配节点的时序图，进入步骤S4-6；否则返回步骤S4-3并持续向前匹配节点的时序图；
S4-6、将数据帧的终点作为时间窗的起点，将时间窗向后匹配节点的时序图；其中时间窗的大小为Ldata+2max_delay；Ldata为数据帧的长度，max_delay为网络最大时延；
S4-7、判断是否只有一个网络节点在当前时间窗内存在数据分组，若是则将该节点作为下一跳节点并进入步骤S4-9；否则进入步骤S4-8；
S4-8、以每个数据分组为起始点分别向前搜寻控制帧，将控制帧与数据帧之间距离为D+Ldata+d的节点作为下一跳节点；其中d为距离调整参数；
S4-9、判断下一时间窗中是否还存在具有数据分组的网络节点，若是则返回步骤S4-7并持续向后匹配节点的时序图，否则停止向后匹配节点的时序图；
S4-10、获取每个上一跳节点和下一跳节点的多跳链路；
步骤S5的具体方法包括以下子步骤：
S5-1、在节点的时序图上除去中继转发数据帧，将剩余数据帧作为单跳源数据帧，以单跳源数据帧为起点向前搜索最近的控制帧，将该控制帧与单跳源数据帧之间的时间宽度作为时间窗匹配剩余节点的时序图；
S5-2、将当前时间窗内仅存在唯一控制帧的节点作为目的节点，获取该节点的单跳链路；
S5-3、滑动时间窗并采用与步骤S5-2相同的方法持续获取单跳链路，直至时间窗内无目的节点。
2.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络的拓扑发现方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法为：
根据滑动时间窗截取信号，并根据公式
Figure FDA0002420916140000031
进行能量检测，得到能量检测结果
Figure FDA0002420916140000032
其中N为窗函数的滑动步长；fs为采样率；n为离散的采样序列下标；si(n)为第i根定向天线的接收信号。
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