CN112118563B - 基于自适应天线阵列的无线ad hoc网络邻居发现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体是涉及一种基于自适应天线阵列的无线ad hoc网络邻居发现方法。本发明针对基于自适应天线阵列的无线ad hoc网络的初始化/周期性组网需求，为每个时钟同步或异步的网络节点设计适用于邻居发现的自适应天线阵列发送和接收状态的切换序列。本发明的方案能确保，无论两个网络节点开始执行状态切换序列的时间差距有多大，它们总能在有限时长内获得至少一次彼此发现的机会。与现有适用于邻居发现的自适应天线阵列状态切换序列相比，本发明所设计的状态切换序列具备更小的MTTR值，从而在更短的时间长度内为无线ad hoc网络的任意两个网络节点提供彼此发现的机会。

Description

基于自适应天线阵列的无线ad hoc网络邻居发现方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体是涉及一种基于自适应天线阵列的无线ad hoc网络邻居发现方法。
背景技术
无线Ad hoc网络(或者无线自组织网络)无需固定基础设施支持，具备多跳、节点可移动和地位对等、以及网络拓扑动态变化等特征，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。在无线Ad hoc网络中，每个节点在组网、路由和通信等阶段都需要执行邻居节点发现的功能，实时地生成或者更新其邻居节点信息和网络拓扑，从而为后续的路由发现和数据传输等功能提供信息基础。
在邻居发现过程中，无线Ad hoc网络的每个节点可以利用定向天线[1]在某个特定方向上的高发射和接收增益特性，获得增大传输距离以发现更多邻居节点和增强通信抗干扰/保密性能等优点。另一方面，定向天线发射和接收增益的方向不均衡特性又会导致任意两个相邻节点只能在其天线方向相互对准时才能发现彼此的存在，从而为无线Ad hoc网络的邻居发现带来了挑战。
为了降低这一挑战对邻居发现性能所带来的影响，无线Ad hoc网络节点可以采用一种特殊的定向天线，即自适应天线阵列[2],[3]。由于自适应天线阵列可以对接收信号的来波方向进行实时跟踪，迅速调整其主波束的方向加以对准并获得最优的信号增益，从而实现全向监听/接收和定向发送的功能。而基于自适应天线阵列的无线Ad hoc网络邻居发现技术所面临的关键性问题是如何确保任意两个网络节点总能，在不了解对方所处方位和知道/不知道对方时钟信息的限制条件下，使得彼此的自适应天线阵列在有限时长内实现方向对准，从而获得发现彼此的机会。为此，每个网络节点都需要为其自适应天线阵列预先设计适当的状态切换序列，以明确该节点在每个邻居发现时隙中应当是处于发送还是接收状态，以及它在每个发送时隙中应如何设置自适应天线阵列的发送方向。
而衡量一个适用于自适应天线阵列节点的状态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)，即当任意两个节点均根据该序列来设置其自适应天线阵列的状态时，它们能连续两次获得邻居发现机会(即同一时隙内彼此天线阵列方向处于对准状态)的最长时间间隔。通常来说，具备更小MTTR的自适应天线状态切换序列能为无线Ad hoc网络提供更好的邻居发现性能。
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[4]梁志公，无线自组网定向天线邻居发现技术研究[D]，电子科技大学硕士论文，2020年6月。
发明内容
本发明针对基于自适应天线阵列的无线ad hoc网络的初始化/周期性组网需求，为每个时钟同步或异步的网络节点设计适用于邻居发现的自适应天线阵列发送和接收状态的切换序列。
本发明的技术方案是：基于自适应天线阵列的无线ad hoc网络邻居发现方法，无线ad hoc网络中网络节点以n位二进制序列进行编号，表示为b0b1…bn-1，每个网络节点配置m个天线扇区，其特征在于，所述邻居发现方法包括以下步骤：
S1、生成一个周期长度为
Figure BDA0002689180400000021
个时隙的时钟同步自适应天线阵列状态切换序列和一个周期长度为4n个时隙的时钟异步自适应天线阵列状态切换序列；
S2、定义网络节点的状态切换序列为：
S21、将组成时钟同步自适应天线阵列每个状态切换周期的
Figure BDA0002689180400000022
个时隙分别标记为0,1,…,
Figure BDA0002689180400000023
将组成时钟异步自适应天线阵列每个状态切换周期的4n个时隙分别标记为0,1,…,4n-1；将每个时隙划分为m个等长度的子时隙，分别标记为0,1,…,m-1；将该节点的m个天线扇区分别标记为0,1,…,m-1；
S22、如果该网络节点满足时钟同步的限制条件，那么它将二进制序列b0b1…bn-1中比特0的个数表示为一个
Figure BDA0002689180400000031
位二进制序列
Figure BDA0002689180400000032
其中c0和
Figure BDA0002689180400000033
分别为该序列的最高和最低位，并将这一新生成的二进制序列添加到二进制序列b0b1…bn-1之后，从而生成一个
Figure BDA0002689180400000034
位的二进制序列
Figure BDA0002689180400000035
进入步骤S23；否则，对二进制序列b0b1…bn-1进行扩展，以生成一个4n位的二进制序列：在二进制序列b0b1…bn-1之后，首先添加对该序列所有n个比特分别取反所生成的n位二进制序列
Figure BDA0002689180400000036
然后再添加n个比特0，最后再添加n个比特1，进入步骤S24；
S23、在生成的
Figure BDA0002689180400000037
位二进制序列基础上，采用如下规则生成一个周期长度为
Figure BDA0002689180400000038
的时钟同步自适应天线阵列收发状态切换序列：
如果
Figure BDA0002689180400000039
位二进制序列的第v+1位为比特1，
Figure BDA00026891804000000310
那么该网络节点的自适应天线阵列会在每个周期的第v+1个时隙的第k+1个子时隙内，k∈[0,m-1]，在其第k+1个天线扇区上发送其控制信息；否则，它会在每个周期的第v+1个时隙内持续监听信道；
S24、在生成的4n位二进制序列基础上，采用如下规则生成一个周期长度为4n个时隙的异步自适应天线阵列收发状态切换序列：
如果4n位二进制序列的第w+1位为比特1，w∈[0,4n-1]，那么该网络节点的自适应天线阵列会在每个周期的第w+1个时隙的第k+1个子时隙内，k∈[0,m-1]，在其第k+1个天线扇区上发送其控制信息；否则，它会在每个周期的第w+1个时隙内持续监听信道；
S3、网络节点根据步骤S2定义的状态切换序列发送和接收控制信息，定义任意两个网络节点为S和R，所述满足时钟同步的限制条件为S和R同时开始执行周期性状态切换，如果S和R同时开始执行周期性状态切换，则节点S总能在任意
Figure BDA00026891804000000311
个连续时隙内获得至少一次发现节点R的机会，否则，，无论它们开始执行状态切换序列的时间差距有多大，节点S总能在任意4n个连续时隙内获得至少一次发现节点R的机会，从而实现邻居发现。
本发明的有益效果是：本发明的方案能确保，无论两个网络节点开始执行状态切换序列的时间差距有多大，它们总能在有限时长内获得至少一次彼此发现的机会。与现有适用于邻居发现的自适应天线阵列状态切换序列相比，本发明所设计的状态切换序列具备更小的MTTR值，从而在更短的时间长度内为无线Ad hoc网络的任意两个网络节点提供彼此发现的机会。如图7所示，当节点编号的二进制序列的比特位数分别为2,3,4,5,6,7,8,9,10时，文献[4]的状态切换序列的MTTR分别为4,6,8,10,12,14,16,18,20，而本发明的状态切换序列的MTTR分别为4,5,7,8,9,10,12,13,14。因此，对于编号为n位二进制序列的时钟同步的网络节点来说，相比文献[4]的状态切换序列，采取本发明的状态切换序列对其配置的m个天线扇区的自适应天线阵列进行状态切换能获得更小的MTTR值。
附图说明
图1为编号为二进制序列1001和0101的两个配置了自适应天线阵列的无线Ad hoc网络节点分别生成的周期长度为7个时隙的状态切换序列；
图2为编号为二进制序列1001和0001的两个配置了自适应天线阵列的无线Ad hoc网络节点分别生成的周期长度为7个时隙的状态切换序列。；
图3为编号为二进制序列1001和0101的两个配置了自适应天线阵列的无线Ad hoc网络节点分别生成的周期长度为16个时隙的状态切换序列；
图4为编号为二进制序列1001和0101的两个配置了自适应天线阵列的无线Ad hoc网络节点分别生成的周期长度为16个时隙的状态切换序列；
图5为在时钟同步的限制条件下，编号为二进制序列1001的网络节点与其它编号为4位二进制序列的节点完成互相发现的MTTR的情况；
图6为在时钟异步的限制条件下，编号为二进制序列1001的网络节点与其它编号为4位二进制序列的完成互相发现的MTTR的情况；
图7为本发明的方法与传统技术进行的MTTR对比示意。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案：
实施例1
对于一个编号为4位二进制序列1001和扇区数为m＝5的无线Ad hoc网络节点，本发明通过如下步骤为其生成一个时钟同步的自适应天线阵列状态切换序列：
步骤1.将组成每个天线状态切换周期的7个等长度时隙如图1所示分别标记为0,1,…,6；将每个时隙划分为5个等长度的子时隙，分别标记为0,1,2,3,4；将该节点的m个天线扇区分别标记为0,1,2,3,4。
步骤2.将二进制序列1001中比特0的个数表示为一个3位二进制序列010，并将这一新生成的二进制序列添加到二进制序列1001之后，从而生成一个7位的二进制序列1001010。
步骤3.在步骤2所生成的7位二进制序列基础上，采用如下规则分别生成一个周期长度为7个时隙的时钟同步自适应天线阵列收发状态切换序列：
如果7位二进制序列的第v+1位，v∈[0,6]，为比特1，那么该网络节点的自适应天线阵列会在每个周期的第v+1个时隙的第k+1个子时隙内，k∈[0,4]，在其第k+1个天线扇区上发送其控制信息；否则，它会在每个周期的第v+1个时隙内持续监听信道。
通过图1和图2可以看出，在每个序列中，比特1和0分别代表网络节点的自适应天线阵列在相应时隙内处于发送和接收状态。当它们同时开始执行自适应天线阵列的周期性状态切换时，编号为1001的网络节点总能在每个7时隙周期的时隙1内获得发现编号为0101的网络节点的机会，而后者总能在同一周期的时隙0内获得发现前者的机会；同理，编号为1001的网络节点总能在每个7时隙周期的时隙6内获得发现编号为0001的网络节点的机会，而后者总能在同一周期的时隙0内获得发现前者的机会。
通过图5可以看出，在时钟同步限制条件下，二进制编号为1001的节点与二进制编号为0010,0100,0110,0111和1110的节点完成相互发现过程所需的实际MTTR分别为4,5,6,5和5，而前者与其它4位二进制编号节点所需的实际MTTR均等于理论上界值7。这意味着，如果无线Ad hoc网络中的节点均同时开始执行周期性状态切换，那么二进制编号为1001的节点总能在任意7个连续时隙内获得至少一次发现任意其它节点的机会，而后者也总能在同一时间段内获得至少一次发现前者的机会。
实施例2
对于一个编号为4位二进制序列1001和扇区数为m＝5的无线Ad hoc网络节点，本发明通过如下步骤为其生成一个时钟异步的自适应天线阵列状态切换序列：
步骤1.将组成每个天线状态切换周期的16个等长度时隙分别标记为0,1,…,15；将每个时隙划分为5个等长度的子时隙，分别标记为0,1,2,3,4；将该节点的m个天线扇区分别标记为0,1,2,3,4。
步骤2.对二进制序列1001进行扩展，首先添加对该序列所有4个比特分别取反所生成的4位二进制序列0110，其次再添加4个比特0，并在最后再添加4个比特1，从而生成一个16位的二进制序列1001011000001111。
步骤3.在步骤2所生成的16位二进制序列基础上，采用如下规则分别生成一个周期长度为16个时隙的时钟异步自适应天线阵列收发状态切换序列：
如果16位二进制序列的第w+1位，w∈[0,15]，为比特1，那么该网络节点的自适应天线阵列会在每个周期的第w+1个时隙的第k+1个子时隙内，k∈[0,4]，在其第k+1个天线扇区上发送其控制信息；否则，它会在每个周期的第w+1个时隙内持续监听信道。
通过图3和图4可以看出，在每个序列中，比特1和0分别代表网络节点的自适应天线阵列在相应时隙内处于发送和接收状态。当它们同时开始执行自适应天线阵列的周期性状态切换时，编号为1001的网络节点总能在每个16时隙周期的时隙1和时隙4内获得发现编号为0101的网络节点的机会，而后者总能在同一周期的时隙0和时隙5内获得发现前者的机会。此外，当编号为1001的网络节点比编号为0101的网络节点早3个时隙开始执行自适应天线阵列的周期性状态切换时，前者总能在自己每个16时隙周期的时隙4、时隙7和时隙9内获得发现后者的机会，而后者总能在前者同一周期的时隙3、时隙5、时隙12、时隙13和时隙14内获得发现前者的机会。
通过图6可以看出，在时钟异步条件下，二进制编号为1001的节点与二进制编号为0000,0101,0110,0111,1010,1110和1111的节点完成相互发现过程所需的实际MTTR分别为15,15,13,15,15,15和15，而前者与其它4位二进制编号节点所需的实际MTTR均等于理论上界值16。这意味着，无论无线Ad hoc网络中的节点开始执行状态切换序列的时间差距有多大，二进制编号为1001的节点总能在任意16个连续时隙内获得至少一次发现任意其它节点的机会，而后者也总能在同一时间段内获得至少一次发现前者的机会。

Claims (1)

1.基于自适应天线阵列的无线ad hoc网络邻居发现方法，无线ad hoc网络中网络节点以n位二进制序列进行编号，表示为b0b1…bn-1，每个网络节点配置m个天线扇区，其特征在于，所述邻居发现方法包括以下步骤：
S1、生成一个周期长度为
Figure FDA0002689180390000011
个时隙的时钟同步自适应天线阵列状态切换序列和一个周期长度为4n个时隙的时钟异步自适应天线阵列状态切换序列；
S2、定义网络节点的状态切换序列为：
S21、将组成时钟同步自适应天线阵列每个状态切换周期的
Figure FDA0002689180390000012
个时隙分别标记为0,1,…,
Figure FDA0002689180390000013
将组成时钟异步自适应天线阵列每个状态切换周期的4n个时隙分别标记为0,1,…,4n-1；将每个时隙划分为m个等长度的子时隙，分别标记为0,1,…,m-1；将该节点的m个天线扇区分别标记为0,1,…,m-1；
S22、如果该网络节点满足时钟同步的限制条件，那么将二进制序列b0b1…bn-1中比特0的个数表示为一个
Figure FDA0002689180390000014
位二进制序列c0c1…
Figure FDA0002689180390000015
其中c0和
Figure FDA0002689180390000016
分别为该序列的最高和最低位，并将这一新生成的二进制序列添加到二进制序列b0b1…bn-1之后，从而生成一个
Figure FDA0002689180390000017
位的二进制序列b0b1…bn-1c0c1…
Figure FDA0002689180390000018
进入步骤S23；否则，对二进制序列b0b1…bn-1进行扩展，以生成一个4n位的二进制序列：在二进制序列b0b1…bn-1之后，首先添加对该序列所有n个比特分别取反所生成的n位二进制序列
Figure FDA0002689180390000019
然后再添加n个比特0，最后再添加n个比特1，进入步骤S24；
S23、在生成的
Figure FDA00026891803900000110
位二进制序列基础上，采用如下规则生成一个周期长度为
Figure FDA00026891803900000111
的时钟同步自适应天线阵列收发状态切换序列：
如果
Figure FDA00026891803900000112
位二进制序列的第v+1位为比特1，
Figure FDA00026891803900000113
那么该网络节点的自适应天线阵列会在每个周期的第v+1个时隙的第k+1个子时隙内，k∈[0,m-1]，在其第k+1个天线扇区上发送其控制信息；否则，它会在每个周期的第v+1个时隙内持续监听信道；
S24、在生成的4n位二进制序列基础上，采用如下规则生成一个周期长度为4n个时隙的异步自适应天线阵列收发状态切换序列：
如果4n位二进制序列的第w+1位为比特1，w∈[0,4n-1]，那么该网络节点的自适应天线阵列会在每个周期的第w+1个时隙的第k+1个子时隙内，k∈[0,m-1]，在其第k+1个天线扇区上发送其控制信息；否则，它会在每个周期的第w+1个时隙内持续监听信道；
S3、网络节点根据步骤S2定义的状态切换序列发送和接收控制信息，定义任意两个网络节点为S和R，所述满足时钟同步的限制条件为S和R同时开始执行周期性状态切换，如果S和R同时开始执行周期性状态切换，则节点S总能在任意
Figure FDA0002689180390000021
个连续时隙内获得至少一次发现节点R的机会，否则，节点S总能在任意4n个连续时隙内获得至少一次发现节点R的机会，从而实现邻居发现。
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