CN113747539B - 基于智能天线的tdma移动自组织网络拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，对智能天线长距离范围内发现的众多邻居节点进行筛选，使筛选确定的邻居节点的数量满足邻居节点数量限制，同时，优先选择与自身邻居节点为非邻居节点关系的节点作为自身的邻居节点，可以保证网络的连通性，不会出现网络拓扑划分为若干个“小网络”导致网络拓扑不连通的情况，具有一定实际意义。本发明能够满足邻居节点数量限制的要求，邻居节点数量的限制不但为基于TDMA的移动自组网节省了时间资源，能更方便地设计时隙分配算法与更快的网络拓扑更新，同时能减少同一区域控制包的收发与相同洪泛包的转发，节约了信令传输上的开销。

Description

基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法。

背景技术

移动自组织网络(MANET，Mobile Ad Hoc Networks)是一种包含若干具有收发功能的节点的临时多跳自治通信系统。作为定向天线的一种，智能天线能通过数字信号处理技术，利用阵列天线与空间自适应波束形成技术，跟踪并对准用户方向，从而实现定向收发。智能天线可以在提高接收用户信号质量的同时抑制旁瓣干扰，这对提高移动自组织网络的容量和稳定性有明显效果。因此，基于智能天线的移动自组织网络已经成为当前研究热点。

智能天线相比全向天线，收发信号强度全面提升，单跳通信距离显著提高，这使得节点在邻居发现时的一跳可通信邻居节点大幅增加。另一方面，基于时分多址(TDMA)方式接入信道的无线自组织网络以帧、时隙为时间资源划分给各个节点进行控制包和数据包的传输，节点为保证将有限的时隙资源最大程度地合理分配给其他节点，需要对邻居节点的数量进行自适应控制。

目前绝大多数基于智能天线的TDMA无线自组织网络文献虽然提出了很多物理层邻居发现方法(如Emad Felemban提出的SAND Protocol、Gentian Jakllari提出的PMAC等)和后续的MAC层接入以及动态时隙分配算法(如统一时隙分配协议USAP、五步预留协议FPRP以及扩时多址接入协议等)，但鲜有考虑邻居节点数量的自适应控制问题，因此在实际应用中很难高效实施。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，保证每个节点尽可能多地选择邻居节点而不超过数量限制，同时满足整体网络拓扑结构的连通性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，包括：

步骤1，网络中的每个节点查找能在一跳内与各自建立双向链路的节点作为各自的可选邻居节点；

步骤2，各节点向各自的可选邻居节点发送邻居请求并接收其他节点自身发送的邻居请求；各节点将接收到的邻居请求所属的节点作为各自的待回应节点，并应答各自待回应节点的邻居请求；当邻居请求得到应答时，发送该邻居请求和应答该邻居请求的两个节点互相成为对方节点的邻居节点，各节点的邻居节点个数不超过预设的阈值；其中，各节点向各自的可选邻居节点发送邻居请求时，优先向与各自的邻居节点为非邻居节点关系的可选邻居节点发送邻居请求；各节点应答各自的待回应节点的邻居请求时，优先应答与各自的邻居节点为非邻居节点关系的待回应节点的邻居请求；

步骤3，各节点将各自的邻居节点信息广播洪泛到全网。

优选的，步骤1具体包括：

步骤1.1，网络中的各节点广播各自的节点信息并侦听其他节点广播的节点信息，各节点将侦听到的其他节点的节点信息写入各自的本地监听一跳节点表；其中，所述节点信息包含广播该节点信息的节点的节点号；

步骤1.2，各节点广播各自的本地监听一跳节点表信息并侦听其他节点广播的本地监听一跳节点表信息，各节点侦听到其他节点的本地监听一跳节点表信息后，进行如下判断：对于一节点A，节点A检索侦听到的本地监听一跳节点表信息中是否包含节点A的节点号，若包含，则将该本地监听一跳节点表信息所属的节点作为节点A的可选邻居节点。

优选的，步骤2中，各节点向各自的可选邻居节点发送邻居请求时，优先向与各自的邻居节点为非邻居节点关系的可选邻居节点发送邻居请求，具有是：各节点对各自的所有可选邻居节点进行多级排序，优先向排序在前的可选邻居节点发送邻居请求；其中，排序的优先级规则是：请求标识>邻居节点个数>请求优先级>接收信噪比；其中，所述请求标识分为未请求和已请求两种，请求标识为未请求的排在前，请求标识为已请求的排在后，不再向请求标识为已请求的可选邻居节点发送邻居请求；将可选邻居节点按照邻居节点个数由低到高进行排序，只向邻居节点个数未达到预设阈值的可选邻居节点发送邻居请求；若可选邻居节点为自身邻居节点的邻居节点，则将该可选邻居节点的请求优先级设为低，否则将可选邻居节点的请求优先级设为高，优先向请求优先级为高的可选邻居节点发送邻居请求；接收信噪比是指发送邻居请求的节点至其可选邻居节点的信噪比，将可选邻居节点按照接收信噪比由高到低进行排序。

进一步的，步骤2中，各节点应答各自的待回应节点的邻居请求时，优先应答与各自的邻居节点为非邻居节点关系的待回应节点的邻居请求，具有是：各节点对各自的待回应节点进行多级排序，优先应答排序在前的待回应节点发送的邻居请求；其中，排序的优先级规则是：应答标识>应答优先级>请求优先级>接收信噪比；其中，应答标识分为未应答和已应答两种，应答标识为未应答的排在前，应答标识为已应答的排在后，不再应答应答标识为已应答的待回应邻居节点的邻居请求；若待回应邻居节点为自身邻居节点的邻居节点，则将该待回应邻居节点的应答优先级设为低，否则将待回应邻居节点的应答优先级设为高，优先应答应答优先级为高的待回应邻居节点的邻居请求；请求优先级是指自身节点作为可选邻居节点时相对于待回应邻居节点的请求优先级，优先应答请求优先级高的待回应节点的邻居请求；接收信噪比是指进行应答的节点至待回应节点的信噪比，将待回应节点按照接收信噪比由高到低进行排序。

优选的，步骤2中，各节点向各自的可选邻居节点发送邻居请求并接收其他节点向自身发送的邻居请求；各节点将接收到的邻居请求所属的节点作为各自的待回应节点，并应答各自待回应节点的邻居请求，具体是：

节点根据预设的阈值L和其自身已经确定的邻居节点的个数C1，确定能应答待回应邻居节点的邻居请求的最大个数为L-C1，向预设应答信息中装填待应答的邻居请求所属的待回应邻居节点的信息，其中，待回应邻居节点的装填个数C11不超过L-C1；节点向预设邻居请求信息中装填待发送邻居请求的可选邻居节点的信息，其中，可选邻居节点的装填个数不超过L-(C1+C11)。

优选的，步骤1之前进行通信帧结构的设计，具体为：以超帧为单位时元进行时域资源划分，一个超帧划分为N帧，N帧中的前J帧为接入帧，接入帧用于所有节点同步接入于网络；N帧中的后N-J帧为TDMA传输帧，TDMA传输帧划分为K个拓扑维护帧和N-J-K个其它业务帧，每个拓扑维护帧固定授权给网络中的一个节点，用于该节点完成步骤1-3。

进一步的，每帧划分为M个时隙，每个拓扑维护帧的前A个时隙被划分为邻居确认子帧，邻居确认子帧用于节点完成步骤1-2；在邻居确认子帧随后历经一个保护间隔时隙后的B个时隙被划分为拓扑洪泛子帧，拓扑洪泛子帧用于节点完成步骤3。

优选的，步骤3中，各节点还将接收到的其他节点发送的邻居节点信息广播洪泛到全网。

进一步的，各节点对接收的其他节点发送的邻居节点信息只广播洪泛一次。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，对智能天线长距离范围内发现的众多邻居节点进行筛选，使筛选确定的邻居节点的数量满足邻居节点数量限制，同时，优先选择与自身邻居节点为非邻居节点关系的节点作为自身的邻居节点，可以保证网络的连通性，不会出现网络拓扑划分为若干个“小网络”导致网络拓扑不连通的情况，具有一定实际意义。本发明能够满足邻居节点数量限制的要求，邻居节点数量的限制不但为基于TDMA的移动自组网节省了时间资源，能更方便地设计时隙分配算法与更快的网络拓扑更新，同时能减少同一区域控制包的收发与相同洪泛包的转发，节约了信令传输上的开销。

进一步的，相比于传统OLSR协议中邻居侦听的两次握手都使用相同的分组结构，本技术对此在两次握手过程分别进行设计，简化了第一次握手分组结构，节省了信道资源与节点算力。

本发明通信帧结构的设计，可针对网络最大节点数目和节点最大邻居节点数灵活调整TDMA帧结构，具有良好的扩展性和兼容性。

附图说明

图1为通信帧结构整体设计方案说明图。

图2为用于邻居筛选确认功能的分组结构说明图。

图3为用于拓扑洪泛功能的分组结构说明图。

图4为本地监听一跳节点表结构说明图。

图5为本地一跳节点表结构说明图。

图6为待回应邻居表结构说明图。

图7为屏蔽表结构说明图。

图8为本地邻居表结构说明图。

图9为本地拓扑表结构说明图。

图10为拓扑发送队列结构说明图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，包括以下步骤：

步骤一：通信帧结构设计：以超帧为单位时元进行时域资源划分，一个超帧共划分为N帧，每帧划分为M个时隙，单个时隙长度取决于物理层的发送与接收性能；其中J帧为接入帧，完成网络节点同步；N-J帧为TDMA传输帧，各节点采用TDMA方式接入共享信道，完成包括邻居发现、邻居筛选、拓扑洪泛等拓扑控制功能，以及上层业务数据包和广播包收发的数据传输功能。本文着重于对拓扑控制功能进行说明。

步骤二：拓扑控制分组设计：拓扑控制分组包括HELLO分组、REPLY分组、RAN(Require and Answer Neighbors)分组、TI(Topology Information)分组；节点通过周期性地收发HELLO分组和REPLY分组侦听发现一跳通信距离以内的邻居节点，两种分组分别对应两次握手过程以保证建立双向链路的可能性；节点通过收发RAN分组对所发现的邻居节点进行邻居请求和应答，利用邻居筛选算法建立邻居关系；节点通过发送、转发TI分组将自己的邻居节点信息洪泛到全网，并接收全网的各节点邻居信息形成全网拓扑结构，可为后续路由功能提供网络信息基础。

步骤三：邻居侦听第一次握手：节点通过周期性收发HELLO分组进行邻居侦听第一次握手过程，这一过程节点广播本地的节点号以方便其他节点的监听。若节点接收到其他节点的HELLO分组，将接收到的节点号信息写入本地监听一跳节点表，仅代表本节点与表中节点可建立接收方向的单向链路。本地监听一跳节点表信息包括监听一跳节点号、接收信噪比、监听一跳节点数。

步骤四：邻居侦听第二次握手：节点通过周期性收发REPLY分组进行邻居侦听第二次握手过程，这一过程节点广播本地监听一跳节点表信息，除此之外REPLY分组中还包括本地节点负载信息。若本地节点接收到其他节点的REPLY分组，检索REPLY分组信息是否包含本地节点号，若REPLY分组包含本地节点号则代表二者具备建立双向链路的可能性，将发送该REPLY分组的节点作为本地节点的可选邻居节点并将其相关信息更新至本地一跳节点表。本地一跳节点表信息包括可选邻居节点号、本地节点负载、可选邻居节点的接收信噪比、可选邻居节点的邻居节点数、可选邻居节点的请求优先级、可选邻居节点的请求标识。

步骤五：邻居请求与应答：节点周期性收发RAN分组进行邻居请求与应答过程，RAN分组同时具备请求与应答的功能。邻居请求时发送邻居请求的节点(称为请求节点)从本地一跳节点表获取信息，优先请求本地一跳节点表中记录的接收信噪比高、邻居节点未满、请求优先级高的可选邻居节点，接收邻居请求的节点(称为接收节点)将RAN分组中请求节点的携带信息加入待回应邻居表，待回应邻居表信息包括待回应节点号、待回应节点的接收信噪比、待回应节点的请求优先级、待回应节点的应答优先级、待回应节点的应答标识。接收节点应答邻居请求时从待回应邻居表获取信息，优先回应待回应邻居表中记录的接收信噪比高、请求优先级高、应答优先级高的待回应节点。请求节点将已回应的接收节点的相关信息加入本地邻居表，接收节点将RAN分组中请求节点的携带信息加入本地邻居表，二者节点正式成为邻居，即互相成为对方节点的邻居节点。

步骤六：拓扑洪泛：节点需周期性地从拓扑发送队列将经步骤三、四、五后所更新的本地邻居表打包成为本地邻居节点信息TI块以及待转发的其他节点邻居节点信息TI块聚合打包至TI分组，并在指定时隙进行广播洪泛到全网。每个节点独立根据本地拓扑信息表建立全网的拓扑结构，且拓扑洪泛与邻居侦听、邻居请求与应答是并行过程，有利于及时动态更新网络拓扑结构。

步骤一中，一个超帧内的TDMA传输帧按功能的不同划分为K个拓扑维护帧和N-J-K个其它业务帧，每个拓扑维护帧固定授权给网络中某个节点完成其一跳通信范围内的拓扑控制信息广播以及拓扑洪泛转发，邻居确认与拓扑洪泛可并行工作，设计在同一拓扑维护帧中，因此在每个超帧内，该通信帧结构设计可以完成K个节点的拓扑控制任务。

步骤二中，设计拓扑控制分组时，结合智能天线波束形成技术进行波束切换，将所有的拓扑控制分组全向广播，而不用于拓扑控制的业务数据分组依然采用智能天线技术定向发送。

步骤三中，邻居侦听第一次握手时，接收信噪比可作为筛选邻居和后续路由度量的相关参数，添加至各个拓扑控制分组中进行洪泛。

步骤四中，邻居侦听第二次握手时，节点负载可作为后续路由度量的相关参数，添加至各个拓扑控制分组中进行洪泛。

步骤五中，邻居请求与应答时，RAN分组同时具备请求与应答的功能，为保证最终能双向确定邻居，在本文通信帧结构设计下，至少需预留两个超帧给RAN分组广播。

步骤五中，邻居请求与应答时，为保证节点最终确定邻居数不超过限制，RAN分组内容装填需保证以下顺序：首先从待回应邻居表获取信息完成邻居应答信息装填，设最大邻居数限制为L，即为邻居节点数量预设的阈值为L，本地节点在装填RAN分组前已确定邻居节点个数为C1，则待回应邻居节点装填个数最大为L-C1，每装填一个待回应邻居节点，那么已确认邻居节点会加1，假设本次装填待回应邻居节点的数量为C11，那么已确定邻居节点个数变C2＝C1+C11；其次根据已装填待回应邻居节点装填已确定邻居信息，已确定的邻居节点需要装填，是用于广播告诉周围一跳的节点本节点当前已确定的邻居节点信息，以影响它们(即周围一跳的节点)的邻居选择决策；最后，从本地一跳节点表获取信息完成邻居请求信息装填，假设经前两步装填工作后，本地节点的已确定邻居节点个数变为C2，若L-C2>0，则装填个数最大值为L-C2。

步骤五中，邻居请求与应答时，为尽可能保证网络整体的连通性，不应当优先请求或应答邻居节点的邻居节点，故在本地一跳节点表中对本地节点的邻居节点和本地节点的邻居节点的邻居节点添上低请求优先级，在待回应邻居表中对本地节点的邻居节点和本地节点的邻居节点的邻居节点添上低请求优先级。例如，对于节点A，在节点A的本地一跳节点表中对节点A的邻居节点B和邻居节点B的邻居节点C添上低请求优先级，在待回应邻居表中对节点A的邻居节点D和邻居节点D的邻居节点E添上低请求优先级。

步骤五中，邻居请求与应答时，各节点对各自的所有可选邻居节点进行排序，优先向排序在前的可选邻居节点发送邻居请求；本地一跳节点表的排序参考优先级如下：请求标识>请求节点的邻居节点数>请求优先级>接收信噪比。其中，所述请求标识用于指示是否已经向该可选邻居节点发送过邻居请求，所述请求标识分为未请求和已请求两种，请求标识为未请求的排在前，请求标识为已请求的排在后，不再向请求标识为已请求的可选邻居节点发送邻居请求；将可选邻居节点按照邻居节点个数由低到高进行排序，只向邻居节点个数未达到预设阈值的可选邻居节点发送邻居请求；若可选邻居节点为自身邻居节点的邻居节点，则将该可选邻居节点请求优先级设为低，否则将可选邻居节点的请求优先级设为高，优先向请求优先级为高的可选邻居节点发送邻居请求；接收信噪比是指发送邻居请求的节点至其可选邻居节点的信噪比，用于表现发送邻居请求的节点至其可选邻居节点的单向链路信道情况，将可选邻居节点按照接收信噪比由高到低进行排序。

步骤五中，邻居请求与应答时，各节点对各自的待回应节点进行排序，优先应答排序在前的待回应节点发送的邻居请求；待回应邻居表的排序参考优先级如下：应答标识>应答优先级>请求优先级>接收信噪比。其中，所述应答标识用于指示是否已经应答过该待回应节点的邻居请求，应答标识分为未应答和已应答两种，应答标识为未应答的排在前，应答标识为已应答的排在后，不再应答应答标识为已应答的待回应邻居节点的邻居请求；若待回应邻居节点为自身邻居节点的邻居节点，则将该待回应邻居节点的应答优先级设为低，否则将待回应邻居节点的应答优先级设为高，优先应答应答优先级为高的待回应邻居节点的邻居请求；请求优先级是指自身节点作为可选邻居节点时相对于待回应邻居节点的请求优先级，优先应答请求优先级高的待回应节点的邻居请求；接收信噪比是指进行应答的节点至待回应节点的信噪比，将待回应节点按照接收信噪比由高到低进行排序。

步骤六中，节点接收到TI分组时，检索TI分组中TI块的块序号是否为比本地拓扑表对应TI块的块的序号新，若是则将该TI块信息加入拓扑发送队列，同时更新至本地拓扑表，否则丢弃该TI块信息，节点只广播一次块序号相同的TI分组，块序号更新周期与本地邻居表更新周期保持一致。

具体实施过程如下：

一种基于智能天线的TDMA移动自组网MAC层拓扑控制方法，包括下述步骤：

(1)无线移动自组网的通信帧结构设计：整体设计方案如图1所示，以超帧为单位时元进行时域资源划分，一个超帧共划分为N帧，每帧划分为M个时隙，单个时隙长度由物理层的发送与接收性能决定，各节点在各帧内均采用TDMA方式接入信道，每个超帧按功能不同整体上可分为两部分。

首先，在一个超帧中，划分前J帧为接入帧，用于所有节点同步接入于网络，对齐所有节点的工作帧结构使它们工作在同一时间基准，确保后续各节点在划分好的时隙资源下收发控制包与数据包不发生冲突。节点同步可采用统一外部同步源(如GPS、北斗)方式，或者利用相对位置信息(如无线电距离测量、利用空间谱估计技术获得波达角度DOA等)或绝对位置信息(地理位置坐标)进行同步。

其次，在一个超帧剩余N-J个TDMA传输帧中，划分其中K个为拓扑维护帧，该拓扑维护帧用于网络中最多K个节点建立、保持、更新网络拓扑结构信息以及业务数据的传输，节点间互相分享的连接信息与节点信息可为邻居筛选算法以及后续网络层路由选择算法提供参考。拓扑维护帧可按照功能不同划分为三个子帧。

a)拓扑维护帧的前A个时隙被划分为邻居确认子帧，节点间收发HELLO分组、REPLY分组和RAN分组完成包括邻居侦听、邻居请求与应答的邻居筛选确认功能，三种分组结构如图2所示。网络各节点在一个超帧内所有拓扑维护帧的邻居确认子帧只收发一种分组，因此一轮邻居筛选确认周期至少需要四个超帧完成，即HELLO分组一个超帧、REPLY分组一个超帧、RAN分组两个超帧。

b)在邻居确认子帧随后历经一个保护间隔时隙后的B个时隙被划分为拓扑洪泛子帧，节点间收发TI分组(分组结构如图3所示)完成拓扑洪泛，各节点将自己的邻居信息、链路质量、节点负载信息洪泛至全网，最终使每个节点都能在本地构建起网络拓扑结构图。

c)在拓扑洪泛子帧随后历经一个保护间隔时隙后的C个时隙被划分为数据传输子帧，完成上层业务数据包和广播包的数据传输。

(2)拓扑控制分组设计：一个网络拓扑的建立、保持、更新周期需要设计以下的拓扑控制分组：HELLO分组、REPLY分组、RAN分组、TI分组。

-HELLO分组：用于一轮邻居筛选确认过程中的邻居侦听第一次握手，该分组主要携带本地节点号信息，接收HELLO分组的节点若能接收到HELLO分组则表明其与发送HELLO分组的本地节点之间具备通信单向链路，并与本地监听一跳节点表(如图4所示)进行交互，具体见步骤(3)。

-REPLY分组：用于一轮邻居筛选确认过程中的邻居侦听第二次握手，该分组主要携带本地节点号、本地节点负载、监听一跳节点数、监听一跳节点号、监听一跳节点接收信噪比信息，负责广播该节点邻居侦听第一次握手的结果，接收REPLY分组的节点根据REPLY分组内容可判断其与发送REPLY分组的本地节点是否具备通信双向链路，并与本地一跳节点表(如图5所示)进行交互，具体见步骤(4)。

-RAN分组：用于一轮邻居筛选确认的邻居请求与应答，该分组主要携带本地节点号、节点的邻居数、节点的邻居节点号、节点的邻居请求数、节点的邻居请求对应的可选邻居节点号、节点的邻居应答数、节点的应答的待回应节点号信息，网络中节点使用同一邻居筛选算法双向确认邻居，并与本地一跳节点表、待回应邻居表、本地邻居表进行交互。RAN分组同时具备请求与应答的功能，为保证最终能双向确定邻居，在本文通信帧结构设计下，至少需预留两个超帧给RAN分组广播。

-TI分组：用于网络拓扑洪泛，该分组主要装载若干(依据实际系统MAC层传输的最大分组载荷)TI块进行广播，所述若干TI块包括节点自身的TI块和接收到的其他节点发送的TI块。节点通过发送自身TI块与转发其他节点发送的TI块将全网拓扑信息洪泛到网络全部节点，接收到TI分组的节点通过解析TI分组中的TI块逐渐构建或更新全网拓扑结构，与本地拓扑表、拓扑发送队列、本地邻居表进行交互。TI块主要携带块序号、块所属原始节点号、块生存时间、块所属原始节点的邻居节点数、块所属原始节点的邻居节点号、块所属原始节点与其邻居节点的链路质量、块所属原始节点的邻居节点负载信息。所述块所属原始节点是指第一次发送该TI块的节点，而不是转发该TI块的节点。每个节点都只转发一次其他节点的TI块。

(3)邻居侦听第一次握手：一轮邻居筛选确认周期的第一个超帧，各节点将在节点号对应拓扑维护帧的邻居确认子帧全向发送HELLO分组，HELLO分组中携带本地节点号He_ID，接收节点使用智能天线技术定向接收，解析出接收信噪比和HELLO分组中本地节点号He_ID，将信息分别缓存到本地监听一跳节点表Mointor_TAB的Monitor_SINR和Monitor_ID，代表节点号为Monitor_ID的节点对本地节点存在单向通信链路。

(4)邻居侦听第二次握手：一轮邻居筛选确认周期的第二个超帧，各节点将在节点号对应拓扑维护帧的邻居确认子帧全向发送REPLY分组，REPLY分组中携带本地节点号RE_ID，本地节点负载RE_Load，并与本地监听一跳节点表交互，装填监听一跳节点号RE_CanNbID和监听一跳节点接收信噪比RE_CanNbSNR至RE_NB块，RE_NB块与本地监听一跳节点表的表项一一对应，记录装填块数至监听一跳节点数RE_CanNbCnt。接收节点使用智能天线技术定向接收，解析REPLY分组中RE_NB块的RE_CanNbID是否有本地节点号，若是则表明本地节点与RE_ID节点可建立双向链路，将REPLY分组对应信息缓存到本地一跳节点表OneHop_TAB：RE_ID填入OneHopTab_ID、RE_Load填入OneHopTab_Load、RE_CanNbSNR填入OneHopTab_SNR，表中其他信息不在本步骤填写。

(5)邻居请求与应答：一轮邻居筛选确认周期的第三、四个超帧，各节点将在节点号对应拓扑维护帧的邻居确认子帧全向发送和定向接收RAN分组，使用相同邻居筛选算法对本地一跳节点表所有可选邻居节点进行筛选使之成为正式的邻居节点。将邻居筛选算法应用于本例的步骤如下：

节点发送RAN分组时，将本地节点号装填至RAN_ID，随后：

I)首先装填邻居应答部分：

a)为待回应邻居表ToReplyNb_Tab(如图6)所有节点表项添上应答优先级，遍历待回应邻居表和屏蔽表Block_Tab(如图7)，为所有等于Block_ID的ToReplyNbTab_ID对应表项的应答优先级ToReplyNbTab_AP填为0(应答优先级为低)，其余表项填为1(应答优先级为高)。

b)对待回应邻居表ToReplyNb_Tab进行多级排序，第一级为应答标识ToReplyNb_AnsSign，所述应答标识用于指示是否已经应答过该待回应节点的邻居请求，若是，则不再应答该待回应节点的邻居请求，应答标识为未应答的待回应节点排在前面，应答标识为已应答的待回应节点排在后面；第二级为应答优先级ToReplyNbTab_AP，在第一级排序的基础上，应答优先级为高的在前，应答优先级为低的在后；第三为请求优先级ToReplyNbTab_RP，这个信息来自于待回应邻居节点发来的RAN分组中的REQNB_RP，在前两级排序基础上，请求优先级为高的在前，请求优先级为低的在后；最后一级为节点接收信噪比ToReplyNbTab_SNR，在前三级排序基础上，接收信噪比高的在前，接收信噪比低的在后。

c)判断是否继续装填RAN分组中ANSNB_NbID部分，判断依据：若已排序的待回应邻居表第一项(即排在前面的第一个节点)应答标识为未应答、且本地邻居表项数(即邻居节点数)小于最大邻居数L、且已装填应答块数(已装填待回应邻居个数)小于最大邻居数L，则进入步骤d)；否则进入装填邻居部分。

d)待回应邻居表第一项节点号ToReplyNbTab_ID装填至RAN分组的应答块ANSNB_NbID，已装填应答块数ANSNB_NbCnt加1，第一项的应答标识ToReplyNbTab_AnsSign修改为已应答，本地节点视应答标识为已应答的节点为自身正式的邻居，在本地邻居表Nb_TAB(如图8)进行相关信息添加，信息来源为本地一跳节点表OneHop_TAB，同时将应答标识为已应答的节点的所有邻居节点OneHopTab_NbID装填至本地屏蔽表Block_TAB。删除本地一跳节点表中应答标识为已应答的节点对应表项，然后重复步骤a)、b)、c)。

II)其次装填邻居部分：

a)遍历本地邻居表Nb_TAB，将所有正式邻居节点号NbTab_ID装填至邻居块RAN_NbID，邻居块数RAN_NbCnt对应赋值。遍历结束后，进入装填邻居请求部分。

III)最后装填邻居请求部分：

a)为本地一跳节点表OneHop_TAB添上请求优先级，遍历本地一跳节点表和屏蔽表，为所有等于Block_ID的OneHopTab_ID对应表项的请求优先级OneHopTab_RP填上低请求优先级，其余表项填为高请求优先级。

b)对本地一跳节点表OneHop_TAB进行多级排序，第一级为按照请求标识OneHopTab_ReqSign排序，请求标识为未请求的排在前，请求标识为已请求的排在后；第二级为可选邻居节点的邻居节点数OneHopTab_NbCnt是否小于最大邻居数L，在第一级排序的基础上，可选邻居节点的邻居节点数小于最大邻居数L的排在前，可选邻居节点的邻居节点数不小于最大邻居数L的排在后；第三级为请求优先级OneHopTab_RP，在前两级排序基础上，请求优先级为高的排在前，请求优先级为低的排在后；最后一级为节点接收信噪比OneHopTab_SNR，在前三级排序基础上，将可选邻居节点按照接收信噪比由高到低进行排序，即接收信噪比高的排在前，接收信噪比低的排在后。

c)判断是否继续装填RAN分组中REQNB_NbID部分，判断依据：若已排序的待回应邻居表第一项请求标识为未请求、已装填请求块数小于最大邻居数L与本地邻居表项数C之差L-C，则进入步骤d)，否则结束RAN分组装填步骤，等待RAN分组发送。

d)本地一跳节点表第一项节点号(对应图2(c)中的邻居请求节点号)OneHopTab_ID和请求优先级OneHopTab_RP分别装填至RAN分组请求块REQNB_NbID和REQNB_RP，已装填请求块数REQNB_NbCnt加1，请求标识OneHopTab_ReqSign修改为已请求，将请求标识为已请求的节点的所有邻居节点OneHopTab_NbID装填至屏蔽表Block_TAB。重复步骤a)、b)、c)。

节点接收RAN分组时：

I)首先处理RAN_NbID部分：

a)RAN分组蕴藏着发送该RAN分组的节点的邻居信息，可以将其填入本地一跳节点表：遍历本地一跳节点表OneHop_TAB，找到等于RAN_ID的OneHopTab_ID对应表项，将节点的邻居节点号RAN_NbID赋值到OneHopTab_NbID。

II)其次处理ANSNB部分：

a)遍历应答块ANSNB_NbID，若有本地节点号，进入步骤b)，否则进入处理REQNB部分。

b)在本地邻居表Nb_TAB进行相关信息添加，信息来源为本地一跳节点表OneHop_TAB(表项名类似的进行赋值，不过多赘述)，同时将节点RAN_ID的所有邻居节点OneHopTab_NbID装填至屏蔽表Block_TAB，删除本地一跳节点表RAN_ID对应表项。

III)最后处理REQNB部分：

a)遍历请求块REQNB_NbID，若有本地节点号，进入步骤b)，否则结束RAN分组的接收处理。

b)在待回应邻居表添加RAN_ID的相关信息，ToReplyNbTab_SNR信息来源于本地一跳节点表OneHop_TAB，请求优先级ToReplyNbTab_RP来源于RAN分组中的REQNB_RP，应答优先级ToReplyNbTab_AP初始化为高优先级，应答标识ToReplyNbTab_AnsSign初始化为未应答。

(6)拓扑洪泛：各节点将在节点号对应拓扑维护帧的拓扑洪泛子帧全向发送和定向接收TI分组，工作方式如下：

每过一段时间(一般为一轮邻居筛选确认的周期，本例为四个超帧)，本地邻居表信息可能更新，本地节点将邻居节点信息装载至本地拓扑表TL_TAB(如图9)，更新TI块的块序号TList_Seq使其加1，本地节点将邻居节点信息装载至拓扑发送队列TQ_TAB(如图10)，更新发送序号TQeue_Seq使其加1，生存时间TQeue_Surv设为INIT(根据实际需求进行修改)。轮到本节点发送TI分组时，将最多P个TI块从拓扑发送队列TQ_TAB聚合至TI分组。

节点接收TI块时，判断块序号TI_Seq，若新接收的TI块的块序号比本地拓扑表TL_TAB对应表项的块序号TList_Seq要大，则接收此TI块并将所含信息覆盖更新至本地拓扑表。否则拒绝接收此TI块。相同块序号TI_Seq的TI块只会被接收一次，它也只会被本地节点转发一次。

每次节点成功接收某TI块，该TI块不仅会更新至本地拓扑表TL_TAB，还会进入拓扑发送队列TQ_TAB等待发送。进入拓扑发送队列TQ_TAB前该TI块Surv_Cnt减1，若Surv_Cnt已经归0则不进入拓扑发送队列，由于相同块序号TI_Seq的TI块只会被接收一次，因此它也只会被本地节点转发一次。同时它具有计算本地节点与原始节点Original_ID之间最小跳数的功能，设Surv_Cnt初始值为INIT，则跳数＝INIT-Surv_Cnt+1，它将被记录在本地拓扑表TL_TAB的TList_Hop。

本地拓扑表中表标识TLSign可用于判断该表项的可靠性，若某个表项的TList_Seq迟迟不更新，可能代表着该表项所对应节点已经脱离网络，这时候该表项不可靠应当删除。设计TLSign初始值为Y，每个超帧结尾遍历整个本地拓扑表，删除TLSign为0的表项，然后所有表项TLSign值减1。每次成功更新某表项时，TLSign重新设为初始值Y。

以下为使用该方法进行拓扑控制的仿真结果，其中网络节点数K＝32，一跳通信距离5500，节点邻居数上限L＝8。节点坐标设置如表1所示：

表1 32个节点坐标设置

拓扑控制结果如表2所示。

表2拓扑控制结果

从结果来看，该方法能够控制网络拓扑形成连通图，并且各节点在邻居数限制下尽可能多的选取邻居，一定程度上能减小网络拥塞率，是一种实际可行的拓扑控制方案。

本发明基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，着力于解决当节点允许连接的邻居数量有上限设定时的网络拓扑建立与维护问题，在保证每个节点尽可能多地选择邻居节点而不超过数量限制的同时，尽可能满足整体网络拓扑结构的连通性，为后续的数据传输提供网络基础。本发明包括通信帧结构设计、拓扑控制分组设计、拓扑控制工作流程，其中拓扑控制过程包括邻居侦听第一次握手、邻居侦听第二次握手、邻居请求与应答、拓扑洪泛。本发明具有良好的扩展性和兼容性。本发明能提高整个网络的节点邻居选取率，同时具有较好的网络连通性。

本发明具有以下优点：

本发明可针对网络最大节点数目和节点最大邻居节点数灵活调整TDMA帧结构，具有良好的扩展性和兼容性。

基于智能天线底层技术进行设计，使用智能天线完成拓扑控制功能相关控制包的传输，极大提高了传输范围，能够满足远距离场景下的传输，且控制分组仅在拓扑维护帧内。

相比于传统OLSR协议中邻居侦听的两次握手都使用相同的分组结构，本技术对此在两次握手过程分别进行设计，简化了第一次握手分组结构，节省了信道资源与节点算力。

本设计充分利用来自物理层(如接收信噪比)和MAC层(如节点负载、邻居个数)所提供的信息，不仅能为邻居筛选算法提供数据支持，也能为后续网络层的路由功能提供一定的信息参考，从而减少网络拥塞。

本设计能够满足邻居节点数量限制的要求，邻居数量的限制不但为基于TDMA的移动自组网节省了时间资源，能更方便地设计时隙分配算法与更快的网络拓扑更新，同时能减少同一区域控制包的收发与相同洪泛包的转发，节约了信令传输上的开销。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些显而易见的修改和替换也均属于权利要求书涵盖的保护范围。

Claims (6)

1.基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，其特征在于，包括：

步骤1，网络中的每个节点查找能在一跳内与各自建立双向链路的节点作为各自的可选邻居节点；

步骤2，各节点向各自的可选邻居节点发送邻居请求并接收其他节点自身发送的邻居请求；各节点将接收到的邻居请求所属的节点作为各自的待回应节点，并应答各自待回应节点的邻居请求；当邻居请求得到应答时，发送该邻居请求和应答该邻居请求的两个节点互相成为对方节点的邻居节点，各节点的邻居节点个数不超过预设的阈值；其中，各节点向各自的可选邻居节点发送邻居请求时，优先向与各自的邻居节点为非邻居节点关系的可选邻居节点发送邻居请求；各节点应答各自的待回应节点的邻居请求时，优先应答与各自的邻居节点为非邻居节点关系的待回应节点的邻居请求；

步骤3，各节点将各自的邻居节点信息广播洪泛到全网；

步骤2中，各节点向各自的可选邻居节点发送邻居请求并接收其他节点向自身发送的邻居请求；各节点将接收到的邻居请求所属的节点作为各自的待回应节点，并应答各自待回应节点的邻居请求，具体是：

节点根据预设的阈值L和其自身已经确定的邻居节点的个数C1，确定能应答待回应邻居节点的邻居请求的最大个数为L-C1，向预设应答信息中装填待应答的邻居请求所属的待回应邻居节点的信息，其中，待回应邻居节点的装填个数C11不超过L-C1；节点向预设邻居请求信息中装填待发送邻居请求的可选邻居节点的信息，其中，可选邻居节点的装填个数不超过L-（C1+ C11）；

步骤1之前进行通信帧结构的设计，具体为：以超帧为单位时元进行时域资源划分，一个超帧划分为N帧，N帧中的前J帧为接入帧，接入帧用于所有节点同步接入于网络；N帧中的后N-J帧为TDMA传输帧，TDMA传输帧划分为K个拓扑维护帧和N-J-K个其它业务帧，每个拓扑维护帧固定授权给网络中的一个节点，用于该节点完成步骤1-3；

每帧划分为M个时隙，每个拓扑维护帧的前A个时隙被划分为邻居确认子帧，邻居确认子帧用于节点完成步骤1-2；在邻居确认子帧随后历经一个保护间隔时隙后的B个时隙被划分为拓扑洪泛子帧，拓扑洪泛子帧用于节点完成步骤3。

2.根据权利要求1所述的基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，其特征在于，步骤1具体包括：

步骤1.1，网络中的各节点广播各自的节点信息并侦听其他节点广播的节点信息，各节点将侦听到的其他节点的节点信息写入各自的本地监听一跳节点表；其中，所述节点信息包含广播该节点信息的节点的节点号；

步骤1.2，各节点广播各自的本地监听一跳节点表信息并侦听其他节点广播的本地监听一跳节点表信息，各节点侦听到其他节点的本地监听一跳节点表信息后，进行如下判断：对于一节点A，节点A检索侦听到的本地监听一跳节点表信息中是否包含节点A的节点号，若包含，则将该本地监听一跳节点表信息所属的节点作为节点A的可选邻居节点。

3.根据权利要求1所述的基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，其特征在于，步骤2中，各节点向各自的可选邻居节点发送邻居请求时，优先向与各自的邻居节点为非邻居节点关系的可选邻居节点发送邻居请求，具有是：各节点对各自的所有可选邻居节点进行多级排序，优先向排序在前的可选邻居节点发送邻居请求；其中，排序的优先级规则是：请求标识>邻居节点个数>请求优先级>接收信噪比；其中，所述请求标识分为未请求和已请求两种，请求标识为未请求的排在前，请求标识为已请求的排在后，不再向请求标识为已请求的可选邻居节点发送邻居请求；将可选邻居节点按照邻居节点个数由低到高进行排序，只向邻居节点个数未达到预设阈值的可选邻居节点发送邻居请求；若可选邻居节点为自身邻居节点的邻居节点，则将该可选邻居节点的请求优先级设为低，否则将可选邻居节点的请求优先级设为高，优先向请求优先级为高的可选邻居节点发送邻居请求；接收信噪比是指发送邻居请求的节点至其可选邻居节点的信噪比，将可选邻居节点按照接收信噪比由高到低进行排序。

4.根据权利要求3所述的基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，其特征在于，步骤2中，各节点应答各自的待回应节点的邻居请求时，优先应答与各自的邻居节点为非邻居节点关系的待回应节点的邻居请求，具有是：各节点对各自的待回应节点进行多级排序，优先应答排序在前的待回应节点发送的邻居请求；其中，排序的优先级规则是：应答标识>应答优先级>请求优先级>接收信噪比；其中，应答标识分为未应答和已应答两种，应答标识为未应答的排在前，应答标识为已应答的排在后，不再应答应答标识为已应答的待回应邻居节点的邻居请求；若待回应邻居节点为自身邻居节点的邻居节点，则将该待回应邻居节点的应答优先级设为低，否则将待回应邻居节点的应答优先级设为高，优先应答应答优先级为高的待回应邻居节点的邻居请求；请求优先级是指自身节点作为可选邻居节点时相对于待回应邻居节点的请求优先级，优先应答请求优先级高的待回应节点的邻居请求；接收信噪比是指进行应答的节点至待回应节点的信噪比，将待回应节点按照接收信噪比由高到低进行排序。

5.根据权利要求1所述的基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，其特征在于，步骤3中，各节点还将接收到的其他节点发送的邻居节点信息广播洪泛到全网。

6.根据权利要求5所述的基于智能天线的TDMA移动自组织网络拓扑控制方法，其特征在于，各节点对接收的其他节点发送的邻居节点信息只广播洪泛一次。