CN111147122A - 一种低空飞行目标的自适应发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低空飞行目标的自适应发现方法，包括如下步骤：航空自组网现有节点通过邻居发现广播发现周围邻居节点。新接入的节点，使用快速发现模式；节点进入稳定发现模式，如果是在网络中已有的节点，也已进入稳定发现模式；开始与周围的节点握手建立通信；网络中的飞行器节点维持稳定发现模式，并根据自身情况进行握手通信，组网完成。本发明的优点是：将邻居发现分为两种不同的模式。快速发现模式使得节点多的扇区方向获取更多的时间，使之提高邻居发现率。稳定发现模式提高了自身的确定性和可预测性，使得基于此的通信建立方法更加地便利、高效和稳定。节省信道资源和提高空间复用率。

Description

一种低空飞行目标的自适应发现方法

技术领域

本发明涉及航空自组网技术领域，特别涉及一种适用于航空自组网的低空飞行目标的自适应发现方法。

背景技术

传统的航空网络主要针对的是活动区域为中、高空空域的飞机，传统航空网络需依靠卫星或者地面基站为辅助来满足网络中飞机节点间的通信任务需求。而随着近年来民用航空业的高速发展，低空飞机以及其他各种低空飞行器的数量快速增加。低空民用飞机数量的快速增加和飞行员对航空通信服务需求的不断提高，使得民用航空网络中对低空域内的组网需求也快速增长。传统的依靠地面基站或卫星中转的航空网络不允许飞机节点之间的直接通信，因此无法满足日益增长的低空飞行器间的通信需求，极大地制约了现代航空网络的发展。因此，目前的民用航空通信的研究热点是航空自组网。

航空自组网便是以移动自组网技术为基础发展起来的航空网络技术。航空自组网使飞机或其他飞行器节点间可以不借助地面基站以及卫星的辅助，而是直接利用机载无线设备进行节点间的组网通信，从而实现了在飞行器节点之间无中心的移动自组织网络。

毫米波，广义上频谱为30GHz～300GHz，波长范围为1～10mm。毫米波通信高频率、短波长的属性与光通信极为接近，毫米波具有良好的方向性。因此，毫米波在航空网络中具有巨大的应用价值。但是，毫米波传输距离短、恶劣天气条件下衰减严重，通信距离会受到很大的影响。

目前航空自组网中飞行器节点天线方案分为两种：全向性天线和方向性天线。全向性天线一般用于网络中节点间距离较短、节点密度较大的场景。而当网络中节点间距离较远且节点密度较低时，方向性天线便是更好的选择。相对于全向性天线，方向性天线可以产生更高的增益，提供更大的传输范围，并提高网络的空间复用率和吞吐量。此外，方向选择性也降低了相邻节点的同信道干扰，方向性天线给航空自组网带来了巨大的潜在的性能改进。

因此，将毫米波通信与方向性天线相结合，即将毫米波极宽的带宽、极窄的波束、探测能力等特点与方向性天线的方向增益强、传输距离远的特点结合起来。所以，方向性天线在航空自组网中有巨大的研究和实际应用意义。

基于方向性天线的航空自组网，先需要考虑的是方向性既是优点，给我们带来了高增益、高复用的好处，有机的融合了毫米波的特点，两者的优势都得到充分的发挥；也带来了不足，在组网的第一步上，原先适用于全向性天线的邻居发现算法，在应用方向性天线之后就需要对其进行改变。同时，由于使用了方向性天线，在新的邻居发现策略的基础上，还应该选择适合的通信建立方法，以确保能够成功的组网通信。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种低空飞行目标的自适应发现方法，解决了现有技术中存在的缺陷。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种低空飞行目标的自适应发现方法，包括如下步骤：

步骤1、航空自组网现有节点通过邻居发现广播发现周围邻居节点，有新的节点加入航空自组网；邻居发现广播分为快速发现模式和稳定发现模式。

步骤2、新接入的节点，进入网络后，为了尽快与周围的节点实现互相发现，使用快速发现模式，该模式使得每个扇区的计时器与该扇区的消息接收频率相关；

步骤4、经过3个观测周期，该节点进入稳定发现模式，该模式就是节点的各个扇区的计时器相同，为旋转周期T的1/6；如果是在网络中已有的节点，也已进入稳定发现模式；

步骤5、节点在进入稳定发现模式后，开始与周围的节点握手建立通信，节点通过查询邻居表找到数据接收点的位置和扇区时间、需要回避的节点信息，从而选择适当的时机告知需要回避的节点相关回避信息内容，选择适当的时机告知数据接收点，双方建立通信；

步骤6、网络中的飞行器节点维持稳定发现模式，并根据自身情况进行握手通信，组网完成。

进一步地，步骤1中所述邻居发现广播规则为：一个节点需要在扇区周期内进行邻居发现广播，发送HELLO消息，同时，在接收到其他节点发来的HELLO消息时，通常要回复确认消息。在当一个邻居节点发来的消息内容中的前面的发现记录与同一节点上次发来的消息内容中的前面的发现记录相同时，则不用回复确认消息；先定义两邻居节点间消息传播所需要的最大时间为τ为时间单位，其他所有情况，需要在0～3τ的时间内随机回复确认消息。如果确认消息的发送时间，与后面将要发送的HELLO消息的发送时间相差3τ以内，或者是与前面将要发送的HELLO消息的发送时间相差3τ以内，那么只在HELLO消息的发送时间，发送HELLO&确认消息。设定进行邻居发现广播的两个飞行器节点的方向性天线方向相对，且两节点在对方的通信范围内。

邻居发现广播中，需要明确传输的交互信息内容。

交互信息包括：

邻节点ID：航空自组网中所有的飞行器节点特有的标识；

邻节点发送扇区：发送该HELLO或者确认消息时，发送节点所在的扇区ID；

发送扇区开始时间：发送节点所在扇区的起始时间；

前面的发现记录：记录了该邻节点的一跳范围内的节点；

发送消息类型：HELLO消息、确认消息和HELLO&确认消息；

节点的发现模式：有快速发现模式和稳定发现模式两种，如果是快速发现模式，那么还包括有一个旋转周期的各个扇区的时间。

当节点收到交互信息后，用于更新自身的邻居表。

邻居表包括：

节点ID：航空自组网中所有飞行器节点特有的标识；

扇区ID：在节点接收邻节点邻居发现广播时，邻节点所在的扇区ID；

扇区最新起始时间：在节点接收邻节点邻居发现广播时，邻节点该扇区的起始时间；

节点发现模式：节点发现模式分为快速发现模式和稳定发现模式，如果是快速发现模式，那么需要额外再存储各个扇区的扇区时间；

以上内容就是一跳表；

周围节点的邻节点表：保存了两跳节点的相关信息，信息同样包括：节点ID、扇区ID、扇区最新起始时间和节点发现模式，该内容是两跳表。

进一步地，步骤2中，快速发现模式的具体步骤如下：

步骤21、有新的飞行器节点接入，首先进入快速发现模式，快速发现模式的邻居发现广播节奏为，每个扇区开始就进行HELLO消息的发送；

步骤22、判断目前节点处于第几个观测周期，第1观测周期转到步骤23，第2观测周期转到步骤25，第3观测周期转到步骤26；

步骤23、扫描的各个扇区时间相同，随机选择并遍历所有的扇区扫描；

步骤24、观测周期数加1，并根据前面一个观测周期得到的每个扇区接收的消息个数除以该节点的接收的消息总数之比，用来计算下一个观测周期各扇区的扇区时间，转到步骤22；

步骤25、根据第1观测周期得到的每个扇区接收的消息个数除以该节点的接收的消息总数之比，用来计算到的各扇区的扇区时间，按照扇区号顺序依次逆时针扫描，转到步骤24；

步骤26、根据第2观测周期得到的每个扇区接收的消息个数除以该节点的接收的消息总数之比，用来计算到的各扇区的扇区时间，按照扇区号顺序依次逆时针扫描；

步骤27、快速发现模式结束，切换为稳定发现模式。

进一步地，步骤3中，稳定发现模式的具体步骤如下：

步骤31、有节点从快速发现模式切换为稳定发现模式，稳定发现模式的邻居发现广播的广播次数为2次，一次是扇区开始时，一次是扇区结束前一个时间段；

步骤32、节点按照扇区号顺序逆时针依次扫描，且各扇区时间相等；

步骤33、在稳定发现模式的基础上，飞行器节点间建立通信。

进一步地，步骤5中，建立通信的具体步骤如下：

步骤51、有节点打算传输数据；

步骤52、节点在该节点存储的邻居表中查询数据接收点即目标节点的旋转状态；

步骤53、判断目标节点是否在一跳范围内，如果不在一跳范围内，转到步骤4，如果在一跳范围内，转到步骤55；

步骤54、节点暂且搁置数据传输；

步骤55、计算数据的传输的最大时间；

步骤56、根据邻居表中的扇区时间和节点方位分析周围可能会造成消息碰撞的节点，并在这些节点转向发送节点时，发送节点转向这些节点告知回避信息内容，其中包含了数据收发节点、最大回避时间和回避起始时间；回避节点对比自身扇区时间的起始时间和回避起始时间，选择是否回避；

步骤57、在数据接收节点转向数据发送节点方向时，发送节点面向接收节点发出RTS，接收节点回复CTS，两者握手成功，回避节点的方向性天线指向数据收发节点时，将会回避，否则不用回避；

步骤58、数据传输结束后，两者恢复到之前的稳定发现模式的时间节点。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.将邻居发现分为两种不同的模式，快速发现模式和稳定发现模式。这两种模式既兼顾新接入节点要求尽快发现周围节点的需求，也为后面的通信建立方法的可预测性和确定性打下基础。

2.邻居发现中的快速发现模式是利用一个观测周期的各个扇区的接收频率比来决定下一个观测周期各个扇区的时间。这样使得节点多的扇区方向获取更多的时间，使之提高邻居发现率。

3.邻居发现中的稳定发现模式是指节点进入航空自组网一段时间后，面对方向性天线方向局限性的问题，为了提高自身的确定性和可预测性，选择将自身的扫描模式固定不变。这样可以使得基于此的通信建立方法更加地便利、高效和稳定。

4.调整了邻居发现的广播节奏。由于快速发现模式的每个扇区时间与该扇区的接收频率有关，所以每个扇区的时间不同。在此基础上，兼顾邻居发现效率，在一个扇区时间中，快速发现模式的邻居发现只广播一次。在一个扇区时间中，稳定发现模式的邻居发现广播进行两次，每次持续1τ。两次广播分别在进入扇区时和离开扇区前的δ时间进行广播。0、1、2扇区δ设置为1/6扇区时间，3、4、5扇区δ设置为1/5扇区时间。广播的消息类型分为三种，HELLO消息、确认消息和HELLO&确认消息。前者是默认发出的消息，后者是在接收到HELLO消息后的回复消息。这样使得邻居发现针对第一次邻居发现广播同时进行引起的两节点无法相互发现的情况，使用不用的δ来避免。一转换扇区就邻居发现广播，没有时间的耗费，提高了邻居发现效率。

5.设计了交互信息和邻居表。交互信息是HELLO消息的重要内容，是邻居发现广播的目的。通过交互信息，飞行器节点可以获取周围一跳、两跳飞行器节点的信息，再将其存入邻居表中。这些信息对于节点回避相关节点、寻找目标节点有重要的意义。

6.以邻居表为基础。为了使得节点S能向节点D传输数据，节点S需要自主查表，找到节点D的位置及需要回避的节点。而那些需要回避的节点需要对比回避的时间段和自身的扇区时间，从而做出是否回避的决定，这些自主查表、自主回避的特性将会节省信道资源和提高空间复用率。

附图说明

图1是本发明实施例方向性天线扇区划分示意图；

图2是本发明实施例低空飞行目标的自适应发现方法流程图；

图3是本发明实施例快速发现模式的邻居发现广播时序图；

图4是本发明实施例稳定发现模式的邻居发现广播时序图；

图5是本发明实施例邻居发现规则示意图；

图6是本发明实施例快速发现模式的流程图；

图7是本发明实施例稳定发现模式的流程图；

图8是本发明实施例交互信息示意图；

图9是本发明实施例邻居表示意图；

图10是本发明实施例通信建立流程图；

图11是本发明实施例基于方向性天线的飞行器的拓扑图；

图12是本发明实施例查询邻居表的流程图；

图13是本发明实施例回避信息内容

图14是本发明实施例节点S寻找节点D的拓扑图

图15是本发明实施例通知回避节点和通信握手流程图；

图16是本发明实施例节点S寻找节点D的拓扑图；

图17是本发明实施例节点S寻找节点D的时序图；

图18是本发明实施例节点S向节点A发送回避消息的拓扑图和时序图；

图19是本发明实施例节点S向节点A发送回避消息的拓扑图和时序图；

图20是本发明实施例节点S和节点D相互握手通信、节点A、B、C回避的拓扑图；

图21是本发明实施例节点S和节点D相互握手通信、节点A、B、C回避的时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

一种适用于航空自组网的低空飞行目标的自适应发现方法。主要针对新接入的飞行器的组网和接入、飞行器节点间的通信建立方法进行设计，从而完成了信道资源的分配和管理、数据分组发送等工作。

本发明的应用场景是航空自组网。航空自组网是移动自组网的一种类型。它由地位相等的飞行器自行组成，且飞行器间直接通信，不用借助卫星和地面中继进行通信。每一个飞行器上安装有单个半双工收发机和方向性天线，用于完成信息的发送和接收。此外，飞行器都安装有GPS或北斗定位系统，用于保证时间同步。

节点装备了方向性天线。方向性天线的特性是两节点通信需要相互在通信范围内，且方向相对。方向性天线的通信半径为R，R通常为10km。如图1所示，方向性天线的扇区按照方向划分，可以分为6种，每个扇区方向为60°。每个扇区维护一个扇区计时器C_Si，当计时器C_Si为0时，则变换扇区。在该时间内，将进行两次邻居发现的广播，成功传输邻居发现广播消息的最大传输时延和最大传播时延之和为1τ，令τ＝6ms，并将其作为时间单位。方向性天线的旋转周期T₀为60τ。观测周期T_m为180τ，观测周期指观测节点接收频率的周期。

为了提高新接入节点的邻居发现效率和通信建立方法的通信能力，提出了该自适应发现方法。邻居发现指节点发现周围邻居节点的能力。新接入节点使用快速发现模式，尽可能地发现周围的节点。3个观测周期T_m后，节点切换为稳定发现模式。在稳定发现模式时，节点间进行握手，并完成数据传输；在期间，利用邻居表的信息来确定数据接收点所在位置、扇区时间和可能造成消息碰撞、需要回避的节点。

如图2所示，一种低空飞行目标的自适应发现方法，包括：

步骤1、航空自组网有新的节点加入；

步骤2、新接入的节点，进入网络后，为了尽快与周围的节点实现互相发现，使用快速发现模式，该模式使得每个扇区的计时器与该扇区的消息接收频率相关；

步骤4、经过3个观测周期，节点进入稳定发现模式，该模式就是节点的各个扇区的计时器相同，为旋转周期T的1/6；

步骤5、如果是已有节点，那么在稳定发现模式了；

步骤6、节点在进入稳定发现模式后，开始与周围的节点握手通信，节点通过查询邻居表找到数据接收点的位置和扇区时间、需要回避的节点等信息；

步骤7、飞行器节点维持稳定发现模式，并根据自身情况进行握手通信，组网完成。

邻居发现广播

在基于方向性天线的航空自组网中，为了使得各个节点能够发现周围各个节点的位置，邻居发现广播是必要的。装备有方向性天线的飞行器只对特定方向可以通信，很容易出现聋节点的问题。邻居发现广播在一定程度上可以解决这个问题。

图3为快速发现模式的邻居发现的广播时序图。由于快速发现模式的每个扇区时间与该扇区的接收频率有关，所以每个扇区的时间不同。在此基础上，兼顾邻居发现效率，在一个扇区时间中，快速发现模式的邻居发现只广播一次。

如图4所示，在一个扇区时间中，稳定发现模式的邻居发现广播进行两次，每次持续1τ。两次广播分别在进入扇区时和离开扇区前的δ时间进行广播。0、1、2扇区δ设置为1/6扇区时间，3、4、5扇区δ设置为1/5扇区时间。广播的消息类型分为三种，HELLO消息、确认消息和HELLO&确认消息。前者是默认发出的消息，后者是在接收到HELLO消息后的回复消息。

为了减少消息密度、减少消息碰撞，在保证邻居发现效率的情况下，提出了如下的邻居发现广播规则。如果某一个邻居节点发来的消息内容与上次发来的消息内容相同，则不用回复确认消息；其他情况的话，需要在0～3τ的时间内随机回复确认消息。如果确认消息的发送时间与后面将要发送的HELLO消息的发送时间相差0～3τ，或者是前面将要发送的HELLO消息的发送时间相差0～3τ，那么只在HELLO消息的发送时间，发送HELLO&确认消息。设定A、B两个飞行器节点的方向性天线方向相对，且两节点在对方的通信范围内，图5为该邻居发现广播规则的示意图。

快速发现模式

当某一个新节点加入航空自组网时，该节点需要尽快地获取周围节点的扇区旋转、位置信息以及两跳内邻居信息，使得节点能够迅速融入该航空自组网，便于在网络内握手通信。所以，快速发现模式应运而生。

快速发现模式是为了尽快地发现周围的节点，节点的扇区时间应与该扇区接收频率比正相关。快速发现模式将持续3个观测周期。在第1个观测周期中，每个扇区时间相同，随机选择并遍历所有扇区扫描；在第2个和第3个观测周期中，扇区时间由前一个观测周期的扇区接收频率决定。图6为快速发现模式的流程图。

如图6，为快速发现模式的流程图，包括：

步骤1、有新的飞行器节点接入；

步骤2、判断目前节点处于第几个观测周期，第1观测周期转到步骤3，第2观测周期转到步骤5，第3观测周期转到步骤6；

步骤3、扫描的各个扇区时间相同，随机选择并遍历所有的扇区扫描；

步骤4、周期数加1，并根据前面一个观测周期得到的接收频率比计算下一个观测周期各扇区的扇区时间，转到步骤2；

步骤5、根据第1观测周期计算到的各扇区的扇区时间，按照扇区号顺序依次逆时针扫描，转到步骤4；

步骤6、根据第2观测周期计算到的各扇区的扇区时间，按照扇区号顺序依次逆时针扫描；

步骤7、快速发现模式结束，切换为稳定发现模式。

令单个HELLO消息或确认消息表达为Msg，i表示为扇区序号，j表示为节点序号。设j节点的扇区S_i在观测时间T_m内接收的消息数量

j节点所有扇区在观测时间T_m内接收的消息数量M_j，那么有如下表达式：

扇区S_i在观测时间T_m内接收的消息数量

节点j所有扇区在观测时间T_m内接收的消息数量M_j：

扇区S_i的接收频率比R_i：

节点j根据接收频率比R_i，决定下一个观测周期的扇区时间。例如，扇区S_i的扇区时间

为：

由此，我们得到下一个观测周期的扇区时间，即实现了第2观测周期和第3观测周期的扇区扫描时间的划分。

稳定发现模式

在经过了3个观测周期的快速发现模式后，节点基本已经发现了周围的邻居节点，切换为稳定发现模式。稳定发现模式，顾名思义，就是可预测、确定性强的方向性天线扫描模式。在该模式下，飞行器节点们可以通过交互信息，更新自身的邻居表，从而根据表中信息实现握手通信。该模式，即方向性天线逆时针旋转，每个扇区的扇区时间相等。

如图7，为稳定发现模式的流程图，包括：

步骤1、有节点切换为稳定发现模式；

步骤2、节点按照扇区号顺序逆时针依次扫描，且各扇区时间相等；

步骤3、在稳定发现模式的基础上，飞行器节点间建立通信。

交互信息与邻居表

在上一小节的邻居发现广播中，需要明确传输的交互信息的内容。交互信息内容中包含着发送消息的类型、一跳范围内的邻居表、目前扇区的起始时间和节点的发现模式等内容。图8为发送的HELLO或确认消息里的内容，即交互信息。

下面详细讲解交互信息各个部分的内容：

邻节点ID：航空自组网中所有的飞行器节点特有的标识；

邻节点发送扇区：发送该HELLO或者确认消息时，发送节点所在的扇区ID；

发送扇区开始时间：发送节点所在扇区的起始时间；

前面的发现记录：记录了该邻节点的一跳范围内的节点；

发送消息类型：HELLO消息、确认消息和HELLO&确认消息；

节点的发现模式：有快速发现模式和稳定发现模式两种，如果是快速发现模式，那么还包括有各个扇区的时间。

当节点收到交互信息后，用于更新自身的邻居表。邻居表如图9所示。

邻居表使得节点间的相互知道对方的位置，便于后面的通信建立方法的握手通信的开展。下面详细讲解邻居表各个部分的内容。

节点ID：航空自组网中所有飞行器节点特有的标识；

扇区ID：在节点接收邻节点邻居发现广播时，邻节点所在的扇区ID；

扇区最新起始时间：在节点接收邻节点邻居发现广播时，邻节点该扇区的起始时间；

节点发现模式：节点发现模式分为快速发现模式和稳定发现模式，如果是快速发现模式，那么需要额外存储各个扇区的扇区时间；

以上内容就是一跳表；

该节点邻节点表：保存了两跳节点的相关信息，比如节点ID、扇区ID、扇区最新起始时间和节点发现模式等，该内容是两跳表。

飞行器节点通过交互信息，更新自身的邻居表，从而为通信建立方法的高效和时效打下了基础。

通信建立方法

邻居发现只是航空自组网进行组网的第一步，通信建立方法的设计才是实现飞行器节点之间握手通信、数据传输的关键所在。

如图10，为通信建立方法总体思路，包括：

步骤1、有节点打算传输数据；

步骤2、节点在邻居表中查询目标节点的旋转状态；

步骤3、判断目标节点是否在一跳范围内，如果不在一跳范围内，转到步骤4，如果在一跳范围内，转到步骤5；

步骤4、节点暂且搁置数据传输；

步骤5、计算数据的最大传播时延和最大传输时延之和；

步骤6、从邻居表中分析周围可能会造成消息碰撞的节点，并在这些节点转向发送节点时，转向这些节点告知回避及回避时间；

步骤7、在接收节点转向发送节点方向时，发送节点面向接收节点发出RTS，接收节点回复CTS，两者握手成功；

步骤8、数据传输结束后，两者恢复到之前的稳定发现模式的时间节点。

为了更加形象地描述通信建立方法的过程。如图11所示，一个典型的基于方向性天线的飞行器的拓扑图。

邻居表在通信建立方法中起到了极其重要的作用。基于邻居表，飞行器节点将做出是否传输数据、方向性天线所对应的方向和需要回避的节点等决策。下面，我们将以一个例子来详细说明通信建立方法。

图11是一个典型的拓扑图，里面有A、B、C、S、D等飞行器。这些飞行器都处于稳定发现模式，且历经了较长时间的邻居发现。在这个状态下，S节点打算发送数据给D节点。在传输之前，S节点需要确定D节点是否在S节点的一跳范围内。在此之前，我们需要利用一个几何的证明结论，即在某一节点的扇区内的所有节点都在互相的一跳范围内。

首先，S节点开始查询邻居表。

如图12，为查询邻居表的流程图，包括：

步骤1、节点S打算传输数据给节点D；

步骤2、节点S查询节点D是否在一跳表内，如果是的话，转到步骤4，如果否的话，转到步骤3；

步骤3、节点S再次查询节点D是否在两跳表内，且满足条件节点D与节点S所在的节点ID和扇区ID完全一致，如果是的话，转到步骤4，如果否的话，转到步骤5；

步骤4、节点D在节点S的一跳范围内；

步骤5、查询邻居表结束。

在查询邻居表后，进入下一步，通知回避节点和通信握手。通知节点回避，需要明确节点的范围：在邻居表中，与节点D处于相同扇区ID的节点，如节点A、B，和节点D的两跳表中与节点S处于相同扇区ID的节点，如节点C，共两类。前者回避节点需要回避节点S，后者节点需要回避节点D。其实，从本质上说，寻找两跳表的回避节点和寻找节点D是一个道理，不再赘述。

回避的消息中包含有需要回避的扇区和回避的时间段和时长。回避的时长需要节点S通过数据传输速率和数据大小等计算获得。回避节点接收到该消息，就回复确认消息。回避节点将回避的时间段与时长，和自身转向此方向的时间段对比，从而选择是否回避。图13为回避信息内容。

发送节点ID：就是节点S的ID；

接收节点ID：就是节点D的ID；

最大回避时间：回避节点A、B、C需要对数据传输回避的最大时间；

回避起始时间：即节点S转向节点D，发送RTS的时间。

为了找到两跳表中的节点D，且节点D是位于节点S的一跳范围内的。在一个扇区时间内，节点S需要旋转6个方向发送HELLO消息，且每个方向时间相同，节点S一定能寻找到节点D。因此，在一个旋转周期，将可能会出现36种拓扑图，如图14所示。

设定是理想情况，回避节点都在节点S的一跳表内。通知回避节点和通信握手的具体流程图如图15所示。

具体实施方式，如图15，为通知回避节点和通信握手的流程图，包括：

步骤1、节点S查询到节点D；

步骤2、节点D是否在两跳表内，如果是的话，转到步骤3，如果否的话，转到步骤4；

步骤3、在一个旋转周期T内，节点S每个扇区时间在各个方向发送HELLO消息；

步骤4、找到节点D的扇区方向；

步骤5、根据邻居表内回避节点的扇区方向和扇区时间，向回避节点发送需要回避的扇区和回避的最大时间；

步骤6、根据邻居表内节点D的扇区方向和扇区时间，向节点D发送RTS，节点D回复CTS，两者握手成功；

步骤7、数据传输完毕后，两者恢复之前的稳定发现模式。

为了更生动形象地描述通信建立方法，如图16和17所示，节点S寻找节点D的拓扑图和时序图。

如图18、19所示，节点S向回避节点A发送回避消息的拓扑图和时序图。同理，节点B和节点C形式相同。

如图20、21所示，将展示节点S和节点D相互握手通信，节点A、B、C回避的拓扑图和时序图。在数据传输的时间段，节点A不用回避，因为扇区没有朝向节点D；而节点B、C选择回避，因为节点朝向节点S。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低空飞行目标的自适应发现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、航空自组网现有节点通过邻居发现广播发现周围邻居节点，有新的节点加入航空自组网；邻居发现广播分为快速发现模式和稳定发现模式；

步骤2、新接入的节点，进入网络后，为了尽快与周围的节点实现互相发现，使用快速发现模式，该模式使得每个扇区的计时器与该扇区的消息接收频率相关；

步骤4、经过3个观测周期，该节点进入稳定发现模式，该模式就是节点的各个扇区的计时器相同，为旋转周期T的1/6；如果是在网络中已有的节点，也已进入稳定发现模式；

步骤5、节点在进入稳定发现模式后，开始与周围的节点握手建立通信，节点通过查询邻居表找到数据接收点的位置和扇区时间、需要回避的节点信息，从而选择适当的时机告知需要回避的节点相关回避信息内容，选择适当的时机告知数据接收点，双方建立通信；

步骤6、网络中的飞行器节点维持稳定发现模式，并根据自身情况进行握手通信，组网完成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中所述邻居发现广播规则为：一个节点需要在扇区周期内进行邻居发现广播，发送HELLO消息，同时，在接收到其他节点发来的HELLO消息时，通常要回复确认消息；在当一个邻居节点发来的消息内容中的前面的发现记录与同一节点上次发来的消息内容中的前面的发现记录相同时，则不用回复确认消息；其他所有情况，先定义两邻居节点间消息传播所需要的最大时间为τ为时间单位，需要在0～3τ的时间内随机回复确认消息；如果确认消息的发送时间，与后面将要发送的HELLO消息的发送时间相差3τ以内，或者是与前面将要发送的HELLO消息的发送时间相差3τ以内，那么只在HELLO消息的发送时间，发送HELLO&确认消息；设定进行邻居发现广播的两个飞行器节点的方向性天线方向相对，且两节点在对方的通信范围内；

邻居发现广播中，需要明确传输的交互信息内容；

交互信息包括：

邻节点ID：航空自组网中所有的飞行器节点特有的标识；

邻节点发送扇区：发送该HELLO或者确认消息时，发送节点所在的扇区ID；

发送扇区开始时间：发送节点所在扇区的起始时间；

前面的发现记录：记录了该邻节点的一跳范围内的节点；

发送消息类型：HELLO消息、确认消息和HELLO&确认消息；

节点的发现模式：有快速发现模式和稳定发现模式两种，如果是快速发现模式，那么还包括有一个旋转周期的各个扇区的时间；

当节点收到交互信息后，用于更新自身的邻居表；

邻居表包括：

节点ID：航空自组网中所有飞行器节点特有的标识；

扇区ID：在节点接收邻节点邻居发现广播时，邻节点所在的扇区ID；

扇区最新起始时间：在节点接收邻节点邻居发现广播时，邻节点该扇区的起始时间；

节点发现模式：节点发现模式分为快速发现模式和稳定发现模式，如果是快速发现模式，那么需要额外再存储各个扇区的扇区时间；

以上内容就是一跳表；

周围节点的邻节点表：保存了两跳节点的相关信息，信息同样包括：节点ID、扇区ID、扇区最新起始时间和节点发现模式，该内容是两跳表。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤2中，快速发现模式的具体步骤如下：

步骤21、有新的飞行器节点接入，首先进入快速发现模式，快速发现模式的邻居发现广播节奏为，每个扇区开始就进行HELLO消息的发送；

步骤22、判断目前节点处于第几个观测周期，第1观测周期转到步骤23，第2观测周期转到步骤25，第3观测周期转到步骤26；

步骤23、扫描的各个扇区时间相同，随机选择并遍历所有的扇区扫描；

步骤24、观测周期数加1，并根据前面一个观测周期得到的每个扇区接收的消息个数除以该节点的接收的消息总数之比，用来计算下一个观测周期各扇区的扇区时间，转到步骤22；

步骤25、根据第1观测周期得到的每个扇区接收的消息个数除以该节点的接收的消息总数之比，用来计算到的各扇区的扇区时间，按照扇区号顺序依次逆时针扫描，转到步骤24；

步骤26、根据第2观测周期得到的每个扇区接收的消息个数除以该节点的接收的消息总数之比，用来计算到的各扇区的扇区时间，按照扇区号顺序依次逆时针扫描；

步骤27、快速发现模式结束，切换为稳定发现模式。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤3中，稳定发现模式的具体步骤如下：

步骤31、有节点从快速发现模式切换为稳定发现模式，稳定发现模式的邻居发现广播的广播次数为2次，一次是扇区开始时，一次是扇区结束前一个时间段；

步骤32、节点按照扇区号顺序逆时针依次扫描，且各扇区时间相等；

步骤33、在稳定发现模式的基础上，飞行器节点间建立通信。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤5中，建立通信的具体步骤如下：

步骤51、有节点打算传输数据；

步骤52、节点在该节点存储的邻居表中查询数据接收点即目标节点的旋转状态；

步骤53、判断目标节点是否在一跳范围内，如果不在一跳范围内，转到步骤4，如果在一跳范围内，转到步骤55；

步骤54、节点暂且搁置数据传输；

步骤55、计算数据的传输的最大时间；

步骤56、根据邻居表中的扇区时间和节点方位分析周围可能会造成消息碰撞的节点，并在这些节点转向发送节点时，发送节点转向这些节点告知回避信息内容，其中包含了数据收发节点、最大回避时间和回避起始时间；回避节点对比自身扇区时间的起始时间和回避起始时间，选择是否回避；

步骤57、在数据接收节点转向数据发送节点方向时，发送节点面向接收节点发出RTS，接收节点回复CTS，两者握手成功，回避节点的方向性天线指向数据收发节点时，将会回避，否则不用回避；

步骤58、数据传输结束后，两者恢复到之前的稳定发现模式的时间节点。

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