CN113453210A - 一种基于协作的定向自组网邻居发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于协作的定向自组网邻居发现方法，属于无线通信技术领域。本发明方法中，当节点观测到冲突时，意味着当前时隙选择的波束范围内存在多个邻居，给节点赋予奖励；并且利用邻居发现过程中已发现邻居的信息，计算得到潜在邻居所在的波束编号，实现节点之间协作。每个时隙节点随机选择收发模式，根据波束概率分布选择一个波束通信，之后根据冲突发生情况以及存储的潜在邻居信息更新波束的概率分布，提高发生冲突或存在潜在邻居的波束在下一时隙被选择的概率。解决了现有方法虽然考虑了冲突带来的影响，但是没有充分利用从邻居发现过程中获取的信息，导致邻居发现的效率较低的问题。本发明可应用于军事等领域。

Description

一种基于协作的定向自组网邻居发现方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种定向自组网邻居发现方法。

背景技术

定向自组网中节点配备定向天线会带来增加网络的空间复用率、减少干扰以及降低被窃听的概率等优点，但是增加了邻居发现的难度。邻居发现是指节点在不知道哪些节点与自己相邻以及这些节点的位置情况下，与一跳邻居建立联系的过程，是组网的重要步骤。由于定向天线的波束宽度较窄，配备定向天线的节点想要发现彼此，需要满足两个条件，其一是节点的波束互相对准，其二是节点处于不同的工作模式，即一个节点处于发送模式，另一节点处于接收模式。想要同时满足这两个条件要耗费大量的时间，因此需要设计合理的邻居发现方法，期望使用较少的时隙完成邻居发现。

已经提出的邻居发现方法中，在每个时隙，节点以相同的概率选择发送模式或者接收模式，根据波束的概率分布选择一个波束用来通信，观测是否发生冲突，根据冲突发生情况更新波束的概率分布。若发生冲突，则意味着当前时隙选择的波束范围内存在多个邻居节点，提高下一时隙选择该波束的概率，若成功发现邻居或时隙空闲，则提高其他波束被选择的概率。现有方法虽然考虑了冲突带来的影响，但是没有充分利用从邻居发现过程中获取的一些信息，忽略了与已发现邻居节点的协作，导致邻居发现的效率较低。

发明内容

本发明的目的在于改进已有的定向自组网邻居发现方法，提出一种新的定向自组网邻居发现方法，在考虑冲突带来影响的同时，实现节点与已发现邻居的协作，加快邻居发现过程，减少用来发现邻居的时隙数，提升网络性能。本发明可应用于军事领域。

本发明目的是通过下述技术方案实现的：

节点与已发现邻居协作得到并记录潜在邻居所在的波束编号。每个时隙节点随机选择收发模式，根据波束概率分布选择一个波束通信，观测是否发生冲突，之后根据冲突发生情况以及存储的潜在邻居信息更新波束的概率分布，提高发生冲突或存在潜在邻居的波束在下一时隙被选择的概率。

一种基于协作的定向自组网邻居发现方法，包括以下步骤：

步骤1：定义动作集合。

动作a_k是节点在发送模式或接收模式下选择的用来通信的波束k，节点i的动作空间A_i表示为

A_i＝{a₁,a₂,…,a_K},|A_i|＝K (1)

其中，K为波束切换定向天线的波束数。

步骤2：初始化每个节点的概率分布。

在时隙t节点i的波束概率分布为

其中，

表示节点i在时隙t选择波束k的概率。波束的概率分布需要满足公式(3)所示的条件。

由于网络中节点没有邻居节点的先验知识，节点i在初始时刻选择每个波束的概率相同，为

步骤3：每个节点选择各自的收发状态。节点i选择发送模式或接收模式的概率相同。

步骤4：每个节点选择动作。节点i依据波束概率分布P_i(t)从动作空间A_i选择动作a_k，即选择当前时隙用来通信的波束。

步骤5：每个节点执行动作。节点i执行步骤4选择的动作，将定向天线切换到选择的波束方向。

步骤6：节点与环境交互，得到环境给与的反馈值。

若节点i接收到两个以上的数据包则认为发生了冲突，意味着当前时隙选择的波束中可能存在未发现的邻居节点，在之后的时隙中选择该波束的概率应该更高，环境给与奖励m₁。类似地，对已发现邻居的波束以及当前时隙空闲的波束施加惩罚m₂，从而提高选择其他波束的概率。因此，节点i在时隙t接收到的环境反馈为

若节点i成功发现邻居节点，转到步骤7，观测到冲突或者时隙空闲，转到步骤9。

步骤7：记录成功发现的邻居信息。每个节点在本地存储一个邻居节点表，记录已发现邻居的相对位置，包括距离和方位。

步骤8：计算潜在邻居节点。

若节点i处于接收模式，接收到发送节点发送的邻居发现消息之后，将本地存储的已发现邻居节点信息加入到应答消息数据包中。若节点i处于发送模式，接收到应答消息数据包之后，得到接收节点的一跳邻居信息，通过余弦定理公式计算得到自身的潜在邻居信息，将潜在邻居所在的波束编号存储在潜在邻居节点表中。

步骤9：更新概率分布，提高发生冲突或者存在潜在邻居节点的波束在下一时隙被选择的概率。

用T表示概率更新算子，该算子用于时隙t动作概率分布的调整，调整概率分布的依据为环境给与的反馈以及节点存储的潜在邻居节点信息，如公式(5)所示。

P_i(t+1)＝T(P_i(t),F_i(t),M_i(t)) (5)

其中，F_i(t)为节点i在时隙t接收到的环境的反馈，M_i(t)是节点i在时隙t时潜在邻居节点所在波束的集合。

节点i在时隙t更新概率时，包括以下几种情况：

1)节点i在时隙t观测到冲突，得到奖励，并且发生冲突的波束与潜在邻居所在的波束重合。此时，统计所有潜在邻居节点所在的波束个数n，更新节点i的概率分布，提高潜在邻居节点所在波束的概率，如公式(6)所示。

其中，M为潜在邻居节点所在波束的集合，α为学习率，

K为波束切换定向天线的波束数。

2)节点i在时隙t观测到冲突，得到奖励，并且发生冲突的波束与潜在邻居所在的波束不重合。统计所有潜在邻居节点所在的波束个数n，更新节点i的概率分布，提高潜在邻居节点所在波束以及发生冲突的波束的概率，如公式(7)所示。

其中，M为潜在邻居节点所在波束的集合，c为发生冲突的波束。

3)节点i在时隙t观测到冲突，得到奖励，但是不存在潜在邻居节点。将发生冲突的波束的概率提高，如公式(8)所示。

其中，c为发生冲突的波束。

4)节点i在时隙t未观测到冲突，得到惩罚，但是存在潜在邻居节点。与第一种情况类似，节点i使用公式(5)更新概率，提高潜在邻居节点所在波束的概率。

5)节点i在时隙t未观测到冲突，得到惩罚，并且不存在潜在邻居节点。此时，需要降低未观测到冲突波束的概率，概率更新公式为(9)。

其中，b为未观测到冲突的波束，K为波束切换定向天线的波束数。

步骤10：判断是否完成全网络范围的邻居发现。如果定向自组网中每个节点都已发现自己的所有邻居，则执行步骤11；否则，执行步骤12。

步骤11：记录邻居发现所需的时隙数，每个节点退出邻居发现过程。

步骤12：判断是否超出预定义的最大时隙数t_slot。若超出，则邻居发现过程结束；若未超出，则节点进入下一个时隙，转到步骤3。

有益效果

1.本发明方法，考虑冲突带来的影响，当节点观测到冲突时，意味着当前时隙选择的波束范围内存在多个邻居节点，给与奖励，提高下一时隙切换到该波束的概率，改善邻居发现的性能。

2.本发明方法，利用邻居发现过程中已发现邻居节点的信息，计算得到潜在邻居节点所在的波束编号，实现节点之间协作，提高下一时隙切换到存在潜在邻居节点波束的概率，加快邻居发现过程。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明步骤7所述节点存储的邻居节点表示意图；

图3是本发明步骤8所述节点存储的潜在邻居节点表示意图；

图4是本实施例使用的邻居发现方法与未实现协作的邻居发现方法在网络节点数不同时用来发现邻居的时隙数对比；

图5是本实施例使用的邻居发现方法与未实现协作的邻居发现方法在定向天线拥有的波束数不同时用来发现邻居的时隙数对比。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

为了验证本发明方法的可行性，将本发明方法应用于定向自组网的实际场景空基自组网中，网络中节点为无人机，每个节点配备波束切换定向天线，天线的辐射范围相同为500m。网络范围为1km×1km的正方形区域，所有节点同步开始邻居发现，并且在邻居发现过程中，网络拓扑不发生变化，节点间的相对位置不变。

本发明公开一种基于协作的定向自组网邻居发现方法，包括以下步骤：

步骤1：定义动作集合。

动作a_k是节点在发送模式或接收模式下选择的用来通信的波束k，节点i的动作空间A_i表示为

A_i＝{a₁,a₂,…,a_K},|A_i|＝K (1)

其中，K为波束切换定向天线的波束数。

步骤2：初始化每个节点的概率分布。

在时隙t节点i的波束概率分布为

其中，

表示节点i在时隙t选择波束k的概率。波束的概率分布需要满足公式(3)所示的条件。

由于网络中节点没有邻居节点的先验知识，节点i在初始时刻选择每个波束的概率相同，为

步骤3：每个节点选择各自的收发状态。节点i选择发送模式或接收模式的概率相同。

步骤4：每个节点选择动作。节点i依据波束概率分布P_i(t)从动作空间A_i选择动作a_k，即选择当前时隙用来通信的波束。

步骤5：每个节点执行动作。节点i执行步骤4选择的动作，将定向天线切换到选择的波束方向。

步骤6：节点与环境交互，得到环境给与的反馈值。

若节点i接收到两个以上的数据包则认为发生了冲突，意味着当前时隙选择的波束中可能存在未发现的邻居节点，在之后的时隙中选择该波束的概率应该更高，环境给与奖励m₁＝1。类似地，对已发现邻居的波束以及当前时隙空闲的波束施加惩罚m₂＝0，从而提高选择其他波束的概率。因此，节点i在时隙t接收到的环境反馈为

若节点i成功发现邻居节点，转到步骤7，观测到冲突或者时隙空闲，转到步骤9。

步骤7：记录成功发现的邻居信息。每个节点在本地存储一个邻居节点表，记录已发现邻居的相对位置，包括距离和方位。

步骤8：计算潜在邻居节点。

若节点i处于接收模式，接收到发送节点发送的邻居发现消息之后将本地存储的已发现邻居节点信息加入到应答消息数据包中。若节点i处于发送模式，接收到应答消息数据包之后，得到接收节点的一跳邻居信息，通过余弦定理公式计算得到自身的潜在邻居信息，将潜在邻居所在的波束编号存储在潜在邻居节点表中。

步骤9：更新概率分布，提高发生冲突或者存在潜在邻居节点的波束在下一时隙被选择的概率。

用T表示概率更新算子，该算子用于时隙t动作概率分布的调整，调整概率分布的依据为环境给与的反馈以及节点存储的潜在邻居节点信息，如公式(5)所示。

P_i(t+1)＝T(P_i(t),F_i(t),M_i(t)) (5)

其中，F_i(t)为节点i在时隙t接收到的环境的反馈，M_i(t)是节点i在时隙t时潜在邻居节点所在波束的集合。

节点i在时隙t更新概率时，包括以下几种情况：

1)节点i在时隙t观测到冲突，得到奖励，并且发生冲突的波束与潜在邻居所在的波束重合。此时，统计所有潜在邻居节点所在的波束个数n，更新节点i的概率分布，提高潜在邻居节点所在波束的概率，如公式(6)所示。

其中，M为潜在邻居节点所在波束的集合，α为学习率，

K为波束切换定向天线的波束数。

2)节点i在时隙t观测到冲突，得到奖励，并且发生冲突的波束与潜在邻居所在的波束不重合。统计所有潜在邻居节点所在的波束个数n，更新节点i的概率分布，提高潜在邻居节点所在波束以及发生冲突的波束的概率，如公式(7)所示。

其中，M为潜在邻居节点所在波束的集合，c为发生冲突的波束。

3)节点i在时隙t观测到冲突，得到奖励，但是不存在潜在邻居节点。将发生冲突的波束的概率提高，如公式(8)所示。

其中，c为发生冲突的波束。

4)节点i在时隙t未观测到冲突，得到惩罚，但是存在潜在邻居节点。与第一种情况类似，节点i使用公式(5)更新概率，提高潜在邻居节点所在波束的概率。

5)节点i在时隙t未观测到冲突，得到惩罚，并且不存在潜在邻居节点。此时，需要降低未观测到冲突波束的概率，概率更新公式为(9)。

其中，b为未观测到冲突的波束，K为波束切换定向天线的波束数。

步骤10：判断是否完成全网络范围的邻居发现。如果定向自组网中每个节点都已发现自己的所有邻居，则执行步骤11；否则，执行步骤12。

步骤11：记录邻居发现所需的时隙数，每个节点结束邻居发现过程。

步骤12：判断是否超出预定义的最大时隙数t_slot＝100000。若超出，则邻居发现过程结束；若未超出，则节点进入下一个时隙，转到步骤3。

通过将本实施例公开的一种基于协作的定向自组网邻居发现方法与未实现协作的定向自组网邻居发现方法进行对比，说明本实施例的优点。

如图4所示，本实施例公开的基于协作的定向自组网邻居发现方法与未实现协作的定向自组网邻居发现方法在波束数K＝6，网络节点数为5、10、15、20时各自仿真1000种不同网络，得到平均邻居发现时隙数。由图4可知，本实施例公开的基于协作的定向自组网邻居发现方法优于未实现协作的定向自组网邻居发现方法。基于协作的定向自组网邻居发现方法通过节点之间的协作能够进一步减少用来发现邻居的时隙数，当网络中节点比较密集时，能够利用的已发现邻居节点的信息较多，因此随着节点数增加，基于协作的定向自组网邻居发现方法改善的幅度越来越大。

如图5所示，本实施例公开的定向自组网邻居发现方法与未实现协作的定向自组网邻居发现方法在网络节点数为10，波束数为4、6、8、10时各自仿真1000种不同网络，得到平均邻居发现时隙数。由图5可知，本实施例公开的基于协作的定向自组网邻居发现方法用来发现邻居的时隙数少于未实现协作的定向自组网邻居发现方法。随着波束数增加，波束宽度变窄，发生冲突的几率降低，两种方法用来发现邻居的时隙数增加，但是基于协作的定向自组网邻居发现方法能够与已发现邻居协作，加快邻居发现过程，因此优于未实现协作的定向自组网邻居发现方法。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于协作的定向自组网邻居发现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：定义动作集合；

步骤2：初始化每个节点的概率分布；

步骤3：每个节点选择各自的收发状态；节点i选择发送模式或接收模式的概率相同；

步骤4：每个节点选择动作；节点i依据波束概率分布P_i(t)从动作空间A_i选择动作a_k，即选择当前时隙用来通信的波束；

步骤5：每个节点执行动作；节点i执行步骤4选择的动作，将定向天线切换到选择的波束方向；

步骤6：节点与环境交互，得到环境给与的反馈值；若节点i成功发现邻居节点，转到步骤7，观测到冲突或者时隙空闲，转到步骤9；

步骤7：记录成功发现的邻居信息；每个节点在本地存储一个邻居节点表，记录已发现邻居的相对位置，包括距离和方位；

步骤8：计算潜在邻居节点；

步骤9：更新概率分布，提高发生冲突或者存在潜在邻居节点的波束在下一时隙被选择的概率；

步骤10：判断是否完成全网络范围的邻居发现；如果定向自组网中每个节点都已发现自己的所有邻居，则执行步骤11；否则，执行步骤12；

步骤11：记录邻居发现所需的时隙数，每个节点退出邻居发现过程；

步骤12：判断是否超出预定义的最大时隙数t_slot；若超出，则邻居发现过程结束；若未超出，则节点进入下一个时隙，转到步骤3。

2.如权利要求1所述，一种基于协作的定向自组网邻居发现方法，其特征在于，步骤1的实现方法为：

动作a_k是节点在发送模式或接收模式下选择的用来通信的波束k，节点i的动作空间A_i表示为

A_i＝{a₁,a₂,…,a_K},|A_i|＝K (1)

其中，K为波束切换定向天线的波束数。

3.如权利要求1所述，一种基于协作的定向自组网邻居发现方法，其特征在于，步骤2的实现方法为：

在时隙t节点i的波束概率分布为

其中，

表示节点i在时隙t选择波束k的概率；波束的概率分布需要满足公式(3)所示的条件；

由于网络中节点没有邻居节点的先验知识，节点i在初始时刻选择每个波束的概率相同，为

4.如权利要求1所述，一种基于协作的定向自组网邻居发现方法，其特征在于，步骤6的实现方法为：

若节点i接收到两个以上的数据包则认为发生了冲突，意味着当前时隙选择的波束中可能存在未发现的邻居节点，在之后的时隙中选择该波束的概率应该更高，环境给与奖励m₁；类似地，对已发现邻居的波束以及当前时隙空闲的波束施加惩罚m₂，从而提高选择其他波束的概率；因此，节点i在时隙t接收到的环境反馈为

5.如权利要求1所述，一种基于协作的定向自组网邻居发现方法，其特征在于，步骤8的实现方法为：

若节点i处于接收模式，接收到发送节点发送的邻居发现消息之后，将本地存储的已发现邻居节点信息加入到应答消息数据包中；若节点i处于发送模式，接收到应答消息数据包之后，得到接收节点的一跳邻居信息，通过余弦定理公式计算得到自身的潜在邻居信息，将潜在邻居所在的波束编号存储在潜在邻居节点表中。

6.如权利要求1所述，一种基于协作的定向自组网邻居发现方法，其特征在于，步骤9的实现方法为：

用T表示概率更新算子，该算子用于时隙t动作概率分布的调整，调整概率分布的依据为环境给与的反馈以及节点存储的潜在邻居节点信息，如公式(5)所示；

P_i(t+1)＝T(P_i(t),F_i(t),M_i(t)) (5)

其中，F_i(t)为节点i在时隙t接收到的环境的反馈，M_i(t)是节点i在时隙t时潜在邻居节点所在波束的集合；

节点i在时隙t更新概率时，包括以下几种情况：

1)节点i在时隙t观测到冲突，得到奖励，并且发生冲突的波束与潜在邻居所在的波束重合；此时，统计所有潜在邻居节点所在的波束个数n，更新节点i的概率分布，提高潜在邻居节点所在波束的概率，如公式(6)所示；

其中，M为潜在邻居节点所在波束的集合，α为学习率，

K为波束切换定向天线的波束数；

2)节点i在时隙t观测到冲突，得到奖励，并且发生冲突的波束与潜在邻居所在的波束不重合；统计所有潜在邻居节点所在的波束个数n，更新节点i的概率分布，提高潜在邻居节点所在波束以及发生冲突的波束的概率，如公式(7)所示；

其中，M为潜在邻居节点所在波束的集合，c为发生冲突的波束；

3)节点i在时隙t观测到冲突，得到奖励，但是不存在潜在邻居节点；将发生冲突的波束的概率提高，如公式(8)所示；

其中，c为发生冲突的波束；

4)节点i在时隙t未观测到冲突，得到惩罚，但是存在潜在邻居节点；与第一种情况类似，节点i使用公式(5)更新概率，提高潜在邻居节点所在波束的概率；

5)节点i在时隙t未观测到冲突，得到惩罚，并且不存在潜在邻居节点；此时，需要降低未观测到冲突波束的概率，概率更新公式为(9)；

其中，b为未观测到冲突的波束，K为波束切换定向天线的波束数。

Images