一种基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，属于无线自组织网络数据链路层协议方法设计领域。所述方法为一种应用在卫星编队网络中取代全向天线采用定向天线的多址接入协议设计方法，采用定向天线监听无线信道，通过定向虚拟载波侦听(DNAV)，基于天线单元的扫描，引进邻居节点波达角(AOA)存储，采用帧格式设计和簇发RTS控制信息实现全定向传输数据。本发明专利技术所述方法克服了定向MAC协议设计中增益不对称的问题，解决由于引入定向天线导致的聋节点问题和隐藏终端问题，提高了无线自组织网络中节点建立数据链路的成功率，有效的提高数据的吞吐量和减少数据接入时延，能较好的应用到各类无线自组织网络中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线自组织网络数据链路层协议方法设计领域，是一种应用在卫星编队网络中取代全向天线采用定向天线的多址接入协议设计方法。
技术介绍
微小卫星由于体积小、重量轻、研制周期短、成本低、发射方式灵活等特点，广泛的应用在通信、航天、军事侦查、军事指挥、环境与资源检测等领域。而由于单颗微小卫星的体积小，功率低等限制，在通信天线的选择上摒弃了传统的全向天线，采用面积小，易固定的定向面天线。所以迫切的需要设计基于定向天线的网络通信协议。此外微小卫星的发展经历了：1)单颗小卫星独立工作。2)多颗卫星形成星座，按要求分布在单轨道或多轨道的平面。星座能提高地面覆盖范围直到全球,可极大缩短重访周期,达到大卫星难以达到的目的。3)编队飞行星座。由若干颗小卫星组成一定形状的飞行轨迹,以分布方式构成一颗“虚拟卫星”。而卫星编队的组网通信将对卫星编队飞行，执行联合任务、实现信息共享、进行联合决策起到重要影响。媒体访问控制协议(MediaAccessControlProtocol-MAC)位于开放式系统互联(OpenSystemInterconnection-OSI)七层协议中的数据链路层，主要负责控制与连接物理层的物理介质。无线自组织网络(Adhoc)中的MAC协议负责控制无线传感器节点占用无线网络信道，传输数据。无线自组织网中的MAC协议主要是保证节点之间占用信道的公平性和提高信道资源共享的利用率。无线自组织网络具有拓扑变化快，能量有限，信道资源紧张的特点，所以高效的MAC协议设计方法能够有效的提高无线自组织网络的数据吞吐量、减少数据传输时延、节省能量，提高传感器寿命等特点。无线自组织网络MAC协议的设计方法大都是基于传统的全向天线，即无线传感器节点传输数据时，发射信号范围内的所有其他无线传感器节点都可以收到数据。基于传统定向天线的MAC协议设计方法具有控制简单，链接成功率高的特点。关于采用全向天线的MAC协议设计在R.Jurdak等人“Asurvey,classificationandcomparativeanalysisofmediumaccesscontrolprotocolsforadhocwirelessnetworks,IEEECommun.SurveysTuts.,vol.6,no.1,pp.2–16,2004.”的文献中有详细介绍。无线自组织网络定向MAC协议最早由R.Choudhury等人在文献“UsingdirectionalantennasformediumaccesscontrolinadhocnetworksProc.IEEEMOBICOM’02,Mar.2002.”中提出，并得到了广泛关注，其核心思想是将无线局域网802.11的二进制退避，载波侦听，握手协议等机制运用到定向MAC协议设计的方法中。AdHoc无线网络中的节点使用定向天线可以提高无线传感器网络中节点的信号传输范围、减少信号干扰、提高空间复用、增大数据吞吐量、减少时延等优势。然而使用定向天线会造成隐藏终端和聋节点问题，如图1所示。A.Nasipuri等人针对上述问题在“AMACprotocolformobileadhocnetworksusingdirectionalantennas，inProc.IEEEWCNC’00,Sep.2000.”中提出的解决方法是无线传感器节点采用全向天线监听数据，定向天线发送数据。这种定向MAC协议的设计方法不仅需要无线传感器工作在全向天线和定向天线双模式下，提高了切换操作的复杂度，而且会造成发射增益不对称问题。因此该类方法没有从根本上解决采用定向天线带来的隐藏终端和聋节点问题。目前关于无线自组织网络定向天线的MAC协议研究中，尚且没有一套简单高效的采用全定向天线传输数据的设计方法。
技术实现思路
为了克服现有无线自组织网络定向MAC协议设计方法中半定向传输数据导致增益不对称以及双模式操作切换设计复杂的问题，本专利技术提供一种基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，所述方法为一种全定向多址接入控制协议，通过该方法不仅可以解决定向天线带来的隐藏终端和聋节点问题，而且降低了操作和协议设计的复杂度，提高了无线传感器网络的吞吐量，减少数据接入时延。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，所述方法无线自组织网络中的节点配备定向天线，采用定向天线监听无线信道，通过定向虚拟载波侦听(DNAV)，基于天线单元的扫描实现全定向传输数据。进一步地，所述定向天线为自适应阵列天线或者多个依次排列的定向面天线，定向天线单元包括多个天线扇区，每个天线扇区波束角度相同，所有天线扇区覆盖360度；其中网络中的无线传感器节点服从泊松分布。进一步地，所述方法还采用邻居节点波达角(AOA)存储。进一步地，所述的定向虚拟载波侦听(DNAV)具体为无线自组织网络中的节点在每个天线扇区保存一个DNAV信息，记录当前扇区是否有其他节点在传输数据，节点从接收到的定向RTS和定向CTS信息中更新DNAV数据。进一步地，所述邻居节点波达角(AOA)存储具体为每个节点从成功接收到的信息中，保存邻居节点在当前节点天线单元扇区的方向；节点每次向邻居节点发送数据时，首先搜索是否缓存该邻居节点的天线单元扇区的方向，如果有缓存，则优先在缓存的天线单元扇区的方向尝试发送RTS握手控制信息建立连接。进一步地，所述方法还采用帧格式设计将定向RTS帧在802.11RTS控制帧的基础上扩充至Dth个接收节点地址信息；当无线传感器节点有缓存数据发送时，首先提取FIFO中前Dth缓存数据包的目的地址ID，将地址信息添加到定向RTS帧中，然后采用簇发RTS控制信息进行发送定向RTS帧建立无线链路；如果缓存数据的目的节点的AOA方向信息已经存储，则优先选用朝向缓存数据的目的节点的天线扇区发送。进一步地，所述天线单元的扫描具体为：所有无线传感器节点按顺序不断切换天线扇区；无线传感器节点发送定向RTS的同时能够捕捉来自邻居节点的定向RTS，无线传感器节点在每个扇区中的操作包括监听信道和发送数据两个阶段；其中所述无线传感器节点切换天线扇区的顺序为顺时针或逆时针。进一步地，无线传感器节点在每个扇区中的操作具体为：(1)无线传感器节点的监听信道阶段无线传感器节点的监听时间包括两个部分，分别是固定周期的监听时间和随机周期的监听时间；当无源节点切换到一个新的天线扇区时，它随机的从窗口中选择一个整数作为监听计数器的初始值(LC)；如果源节点检测信道空闲，经过一个最小时隙将LC的值减少1；如果信道检测到被占用，LC计数被冻结，直到信道空闲最小帧间间隔(DIFS)，然后继续监测信道，递减监听计数；如果源节点在递减LC计数的过程中，收到其他节点发来的定向RTS帧，则源节点首先检测RTS帧中是否包含本身的MAC地址；如果有，则在该天线扇区回复定向CTS信号，锁定天线扇区,等待接收数据包，然后回复ACK信号，表示成功接收到数据包，如果回复完定向RTS，源节点没有收到数据包，即等待数据帧超时，源节点则继续检测信道空闲，递减LC计数；如果定向RTS帧中没有包含本身的MAC地址，则源节点从定向RTS帧中获取信道占用时间参数，然后设置该天线扇区的定向NAV本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，其特征在于：所述方法无线自组织网络中的节点配备定向天线，采用定向天线监听无线信道，通过定向虚拟载波侦听(DNAV)，基于天线单元的扫描实现全定向传输数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，其特征在于：所述方法无线自组织网络中的节点配备定向天线，采用定向天线监听无线信道，通过定向虚拟载波侦听(DNAV)，基于天线单元的扫描实现全定向传输数据。2.根据权利要求1所述的基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，其特征在于：所述定向天线为自适应阵列天线或者多个依次排列的定向面天线，定向天线单元包括多个天线扇区，每个天线扇区波束角度相同，所有天线扇区覆盖360度；其中网络中的无线传感器节点服从泊松分布。3.根据权利要求1或2所述的基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，其特征在于：所述的定向虚拟载波侦听(DNAV)具体为无线自组织网络中的节点在每个天线扇区保存一个DNAV信息，记录当前扇区是否有其他节点在传输数据，节点从接收到的定向RTS帧和定向CTS信息中更新DNAV数据。4.根据权利要求1所述的基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，其特征在于：所述方法还采用邻居节点波达角(AOA)存储。5.根据权利要求3所述的基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，其特征在于：所述邻居节点波达角(AOA)存储具体为每个节点从成功接收到的信息中，保存邻居节点在当前节点天线单元扇区的方向；节点每次向邻居节点发送数据时，首先搜索是否缓存该邻居节点的天线单元扇区的方向，如果有缓存，则优先在缓存的天线单元扇区的方向尝试发送RTS握手控制信息建立连接。6.根据权利要求1所述的基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，其特征在于：所述方法还采用帧格式设计将定向RTS帧在802.11RTS控制帧的基础上扩充至Dth个接收节点地址信息；当无线传感器节点有缓存数据发送时，首先提取FIFO中前Dth缓存数据包的目的地址ID，将地址信息添加到定向RTS帧中，然后采用簇发RTS控制信息进行发送定向RTS帧建立无线链路；如果缓存数据的目的节点的AOA方向信息已经存储，则优先选用朝向缓存数据的目的节点的天线扇区发送。7.根据权利要求1或5或6所述的基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，其特征在于：所述天线单元的扫描具体为：所有无线传感器节点按顺序不断切换天线扇区；无线传感器节点发送定向RTS帧的同时能够捕捉来自邻居节点的定向RTS帧，无线传感器节点在每个扇区中的操作包括监听信道和发送数据两个阶段；其中无线传感器节点切换顺序为顺时针或逆时针。8.根据权利要求7所述的基于定向天线的卫星编队网络信道接入控制方法，其特征在于：无线传感器节点在每个扇区中的操作具体为：(1)无线传感器节点的监听信道阶段无线传感器节点的监听时间包括两个部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁建平，张若南，牛健宇，罗建军，王姣，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61