CN115665777A - 一种定向自组网的子网融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向自组网的子网融合方法，网络中的任意节点均可以进行邻居发现和子网融合，节点通过定向天线的窄波束进行邻居发现，建立连接并通过信令交互实时更新网络拓扑信息。本发明引入了依据跳数制定的时间质量概念，结合老化机制，解决无中心的两个子网在融合后出现的时间同步混乱的问题；结合节点任务类型分配节点序列号，并根据节点序列号分配收发状态，在符合节点通信需求的同时使得不同节点间都存在可以通信的时隙，提高节点被发现的概率，提升子网融合成功率。
Description
技术领域
本发明属于无线自组织网络通信技术领域，涉及一种定向自组网的子网融合方法。
背景技术
传统自组网进行数据收发时使用全向天线，这种天线覆盖面广，但针对特定方向上的有效功率却不大，容易造成功率浪费，还会给周围其他节点的通信带来干扰，降低网络容量和通信质量。随着天线技术的发展，定向天线应用于自组网网络中，极大地提高了网络容量，减少了干扰问题，提高了安全性，并增大了通信距离。目前，定向天线中的相控阵天线具备高带宽、高增益和波束捷变等优点，能够为隐形飞行平台提供高速安全的数据交互。
早期自组网通信方式主要是利用节点地面控制站或组网中作为控制中心的节点进行集群组网通信，各组网网络节点通过地面控制站或控制中心节点进行数据中继转发，组网节点不能直接进行通信。该种通信方式的弊端在于，当地面控制站或控制中心节点无法正常工作时，自组网网络将直接瘫痪。为此，领域内又催生出无中心自组网通信，实现集群网络节点的多跳、无中心和自组织的无线网络。
自组织网络中每个节点都能够进行邻居发现，由于没有中心控制，集群中容易出现多个子网的情况，必须考虑子网融合的问题。在子网融合的邻居发现阶段，当网络工作在时分体制下时，为避免同一天线发射信号对接收通道的同频干扰，定向相控阵天线的多个波束需要工作在同发同收状态，即同时处于发送状态或同时处于接收状态，每个波束都按照天线的收发时隙来确定其收发状态。因此，如何协调不同子网间的收发时隙，让其可以扫描发现、建立链路，并且如何在建立链接后更新网络拓扑信息，成为无中心自组网通信中亟待解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种定向自组网的子网融合方法。
一种定向自组网的子网融合方法，网络中的任意节点均可以进行邻居发现和子网融合，节点通过定向天线的窄波束进行邻居发现，建立连接并通过信令交互实时更新网络拓扑信息，包括以下步骤：
步骤1，子网P中的节点A的邻居发现波束按照空域的波位进行扫描，并在每个波位上等待发送时隙，发送邻居发现信息，并等待接收邻居反馈信息；
步骤2，子网Q中的节点B接收到节点A的邻居发现信息，判断节点A是否在其网络拓扑信息表中，若不在，则进行子网融合的握手流程，具体包括：
步骤2.1，节点B解析节点A的邻居发现信息HELLO，并根据节点A的时间信息调整自身时钟；
步骤2.2，节点B判断自身波束是否满连，若没有满连，则直接调用一个波束与节点A进行握手交互，若已经满连，则选择其中连接优先级最低的节点，与其断开连接，并通过该断连后的波束与节点A进行握手交互，在与节点A的接收时隙匹配的发送时隙，向节点A发送邻居反馈信息；
步骤2.3，节点A接收到邻居反馈信息，向节点B发送邻居确认信息，至此，节点A与节点B完整建链；
步骤3，将节点B所在子网Q融入节点A所在子网P，并更新网络拓扑信息，具体包括：
步骤3.1，节点B将其时间质量修改为节点A的时间质量-1，其中节点时间质量包含于邻居发现信息和邻居反馈信息中，设定网络中节点号最小的节点为启动节点，并将其时间质量定义为m，与启动节点连接关系为1跳的节点的时间质量为m-1，与启动节点连接关系为2跳的节点的时间质量为m-2，依次类推，每增加1跳，时间质量降低1，其中m为设定参数；
步骤3.2，节点B将更新子网Q的网络拓扑信息表为老化状态，并通过自身链路将该状态以及更新后的时间质量传递给子网Q中的各个节点，节点B成为子网Q的参考节点，子网Q中其余节点的时间质量，根据节点B的时间质量以及与节点B之间的跳数确定。
进一步的，步骤2.1中的连接优先级根据其连接节点的位置和业务优先级确定，具体为连接优先级=ω1*业务优先级+ω2/两节点之间的距离，其中ω1、ω2为权重系数。
进一步的，节点A发送的邻居发现信息包括节点A的时间信息、时间质量、位置信息、节点号信息；节点B发送的邻居反馈信息包括节点B的波束ID、业务优先级、时间质量、位置信息和节点号信息；邻居确认信息包括节点A的波束ID。
进一步的，邻居发现信息和邻居反馈信息中包含的节点号信息，指的是网络为每个节点分配的一个n位的二进制节点号，该节点号中“0”代表该节点处于接收时隙，“1”代表该节点处于发送时隙，其中n根据网络中的节点数量设定；二进制节点号的分配根据节点任务类型进行，分配原则为：
对于需要经常发送消息的节点，在[0.95*2n,2n]区间内为其分配节点号；
对于需要经常接收消息的节点，在[0,0.05*2n]区间内为其分配节点号；
对于无明显收发特征的节点，在剩余区间内随机分配节点号，并使用伪随机二进制序列对该节点号进行加扰，保证其中0,1出现的几率均等。
进一步的，在子网融合过程中，子网Q中其余节点接收到节点B的网络拓扑更新信息后，将其时间质量修改为节点B的时间质量-1，并将自身时钟同步到节点B的时间信息上。
本发明引入了依据跳数制定的时间质量概念，结合老化机制，解决无中心的两个子网在融合后出现的时间同步混乱的问题；结合节点任务类型分配节点序列号，并根据节点序列号分配收发状态，在符合节点通信需求的同时使得不同节点间都存在可以通信的时隙，提高节点被发现的概率，提升子网融合成功率。
附图说明
图1为实施例1中不同节点之间的收发时隙示意图；
图2为实施例1公开的定向自组网的子网融合方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
本实施例公开的定向自组网的子网融合方法，网络中的任意节点均可以进行邻居发现和子网融合，节点通过定向天线的窄波束进行邻居发现，建立连接并通过信令交互实时更新网络拓扑信息。
为提升子网融合成功率，本实施例中，网络为每个节点分配的一个n位的二进制节点号，该节点号中“0”代表该节点处于接收时隙，“1”代表该节点处于发送时隙。此处的n根据网络节点数量设定，例如，若网络中的节点数量为64个，则一个8位（即n取8）的二进制数就完全足够给64个节点编号。
二进制节点号的分配根据节点任务类型进行，以n取8为例，分配原则为：
对于需要经常发送消息的节点，在[0.95*28,28]区间内为其分配节点号，在此区间内，8位二进制序列的前四位确定为1，可以至少保证4个发送时隙，例如，子网P中需要经常发送信息的节点A1分配节点号245，对应的二进制序列11110101；
对于需要经常接收消息的节点，在[0,0.05*28]区间内为其分配节点号，在此区间内，8位二进制序列的前四位确定为0，可以至少保证4个接收时隙，例如，子网Q中需要经常接收信息的节点B1分配节点号5，对应的二进制序列00000101；
对于无明显收发特征的节点，随机分配节点号，并使用伪随机二进制序列对该节点号进行加扰，保证其中0,1出现的几率均等。
以伪随机二进制序列生成多项式为1+X7+X8，移位寄存器初始值为10011001为例。子网Q中节点B2的节点号为72，对应二进制序列01001000，加扰后其二进制序列变为11100010。参照图1所示，A1节点与B1节点能够在第1、2、3、4个时隙上进行通信，A1节点与B2节点能够在第4、6、8个时隙上进行通信。
本实施例公开的定向自组网的子网融合方法，参照图2所示，包括以下步骤：
1、子网P中的节点A的邻居发现波束按照空域的波位进行扫描，并在每个波位上等待发送时隙，发送邻居发现信息HELLO，并等待接收邻居反馈信息HELLO_REPLY，节点A发送的邻居发现信息包括节点A的时间信息、时间质量、位置信息、节点号信息。
2、子网Q中的节点B接收到节点A的邻居发现信息HELLO，判断节点A是否在其网络拓扑信息表中，若不在，则进行子网融合的握手流程，具体包括：
⑴节点B解析节点A的邻居发现信息HELLO，并根据节点A的时间信息调整自身时钟，完成与节点A的粗同步；
⑵节点B判断自身波束是否满连，若没有满连，则直接调用一个波束与节点A进行握手交互，若已经满连，则选择其中连接优先级最低的节点，与其断开连接，并通过该断连后的波束与节点A进行握手交互，在与节点A的接收时隙匹配的发送时隙，向节点A发送邻居反馈信息HELLO_REPLY，节点B发送的邻居反馈信息包括节点B的波束ID、业务优先级、时间质量、位置信息和节点号信息；
连接优先级根据其连接节点的位置和业务优先级确定，具体为连接优先级=ω1*业务优先级+ω2/两节点之间的距离，其中ω1、ω2为权重系数，例如，连接优先级=0.7*业务优先级+0.3/两节点之间的距离。
⑶节点A接收到邻居反馈信息HELLO_REPLY，向节点B发送邻居确认信息ACK，邻居确认信息包括节点A的波束ID；至此，节点A与节点B完整建链。
3、将节点B所在子网Q融入节点A所在子网P，并更新网络拓扑信息，具体包括：
⑴节点B将其时间质量修改为节点A的时间质量-1，其中节点时间质量用于表示节点时间相对于网络时间的准确度，包含于邻居发现信息和邻居反馈信息中，设定网络中节点号最小的节点为启动节点，并将其时间质量定义为m，与启动节点连接关系为1跳的节点的时间质量为m-1，与启动节点连接关系为2跳的节点的时间质量为m-2，依次类推，每增加1跳，时间质量降低1，其中m为设定参数，根据具体情况进行设定，例如设定为10；
⑵节点B将更新子网Q的网络拓扑信息表为老化状态，并通过自身链路将该状态以及更新后的时间质量传递给子网Q中的各个节点，节点B成为子网Q的参考节点，子网Q中其余节点的时间质量，根据节点B的时间质量以及与节点B之间的跳数确定；与此同时，在子网融合过程中，子网Q中其余节点接收到节点B的网络拓扑更新信息后，将其时间质量修改为节点B的时间质量-1，并将自身时钟同步到节点B的时间信息上。
本实施例中的子网P、子网Q、节点A、节点B均为泛指，节点A泛指网络中的扫描节点（即用于邻居发现的节点），节点B泛指网络中的被发现节点，子网P泛指扫描节点所在的子网，子网Q泛指被发现节点所在的子网。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种定向自组网的子网融合方法，网络中的任意节点均可以进行邻居发现和子网融合，节点通过定向天线的窄波束进行邻居发现，建立连接并通过信令交互实时更新网络拓扑信息，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，子网P中的节点A的邻居发现波束按照空域的波位进行扫描，并在每个波位上等待发送时隙，发送邻居发现信息，并等待接收邻居反馈信息；
步骤2，子网Q中的节点B接收到节点A的邻居发现信息，判断节点A是否在其网络拓扑信息表中，若不在，则进行子网融合的握手流程，具体包括：
步骤2.1，节点B解析节点A的邻居发现信息HELLO，并根据节点A的时间信息调整自身时钟；
步骤2.2，节点B判断自身波束是否满连，若没有满连，则直接调用一个波束与节点A进行握手交互，若已经满连，则选择其中连接优先级最低的节点，与其断开连接，并通过该断连后的波束与节点A进行握手交互，在与节点A的接收时隙匹配的发送时隙，向节点A发送邻居反馈信息；
步骤2.3，节点A接收到邻居反馈信息，向节点B发送邻居确认信息，至此，节点A与节点B完整建链；
步骤3，将节点B所在子网Q融入节点A所在子网P，并更新网络拓扑信息，具体包括：
步骤3.1，节点B将其时间质量修改为节点A的时间质量-1，其中节点时间质量包含于邻居发现信息和邻居反馈信息中，设定网络中节点号最小的节点为启动节点，并将其时间质量定义为m，与启动节点连接关系为1跳的节点的时间质量为m-1，与启动节点连接关系为2跳的节点的时间质量为m-2，依次类推，每增加1跳，时间质量降低1，其中m为设定参数；
步骤3.2，节点B将更新子网Q的网络拓扑信息表为老化状态，并通过自身链路将该状态以及更新后的时间质量传递给子网Q中的各个节点，节点B成为子网Q的参考节点，子网Q中其余节点的时间质量，根据节点B的时间质量以及与节点B之间的跳数确定。
2.根据权利要求1所述的定向自组网的子网融合方法，其特征在于，步骤2.1中的连接优先级根据其连接节点的位置和业务优先级确定，具体为连接优先级=ω1*业务优先级+ω2/两节点之间的距离，其中ω1、ω2为权重系数。
3.根据权利要求1所述的定向自组网的子网融合方法，其特征在于，节点A发送的邻居发现信息包括节点A的时间信息、时间质量、位置信息、节点号信息；节点B发送的邻居反馈信息包括节点B的波束ID、业务优先级、时间质量、位置信息和节点号信息；邻居确认信息包括节点A的波束ID。
4.根据权利要求3所述的定向自组网的子网融合方法，其特征在于，邻居发现信息和邻居反馈信息中包含的节点号信息，指的是网络为每个节点分配的一个n位的二进制节点号，该节点号中“0”代表该节点处于接收时隙，“1”代表该节点处于发送时隙，其中n根据网络中的节点数量设定。
5.根据权利要求4所述的定向自组网的子网融合方法，其特征在于，二进制节点号的分配根据节点任务类型进行，分配原则为：
对于需要经常发送消息的节点，在[0.95*2n,2n]区间内为其分配节点号；
对于需要经常接收消息的节点，在[0,0.05*2n]区间内为其分配节点号；
对于无明显收发特征的节点，在剩余区间内随机分配节点号，并使用伪随机二进制序列对该节点号进行加扰，保证其中0,1出现的几率均等。
6.根据权利要求3所述的定向自组网的子网融合方法，其特征在于，在子网融合过程中，子网Q中其余节点接收到节点B的网络拓扑更新信息后，将其时间质量修改为节点B的时间质量-1，并将自身时钟同步到节点B的时间信息上。
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