一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法，属于移动自组网的邻居发现领域。针对具有地域性与集群性的无线移动网络中，针对节点i配置一个方向性天线并划分扇区，初始监视周期，节点i在每个扇区停留的时间相同，在该停留时间内，节点i周期性在发送时隙内广播消息，更新“邻节点列表”完成邻居发现；并在此基础上，更新第二个监视周期的停留时间，同时更新“邻节点列表”。从第三个监视周期开始，根据上一个更新的“邻节点列表”，微调停留时间，并完成“邻节点列表”发现。本发明专利技术对网络中的拓扑变化足够敏感，减少特定环境下方向性天线在某些没有邻节节点的扇区停留造成扫描时间的浪费，适应各种情况。

A method of adaptive neighbor detection for directional antennas based on historical information

The invention discloses a directional antenna adaptive neighbor discovery method based on historical information, belonging to the neighbor discovery field of mobile ad hoc networks. In wireless mobile networks with locality and clustering, node I is configured with a directional antenna and divided into sectors. The initial monitoring period is the same for node I in each sector. During this period, node I periodically broadcasts messages in the sending slot and updates the list of neighboring nodes to complete the neighborhood. Found; and on this basis, update the residence time of the second monitoring cycle, while updating the \list of neighboring nodes\. Starting from the third monitoring cycle, the residence time is fine-tuned according to the last updated \list of neighboring nodes\ and the \list of neighboring nodes\ discovery is completed. The invention is sufficiently sensitive to topological changes in the network to reduce the waste of scanning time caused by directional antenna staying in some sectors without adjacent nodes in a specific environment, and adapts to various situations.

【技术实现步骤摘要】
一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法
本专利技术涉及移动自组网的邻居发现领域，具体是一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法。
技术介绍
方向性天线是指在某一个或某几个方向上发射及接收电磁波特别强而其他方向发射或接收能力极弱的一种天线。方向性天线的应用，可以在以下方面显著提高通信系统的性能：①扩大节点通信范围；②提高频谱利用率；③提高系统安全性和抗干扰性；④减少信息转发次数，提高系统效率；⑤增加系统容量。伴随着引入方向性天线带来的潜在的性能提升，方向性天线的部署也带来了诸如邻居发现、网络频繁中断、拓扑状态不稳定等严峻的挑战。在基于方向性天线的系统中，两个在通信范围内的节点只有天线方向相对，且互为收发模式才可以完成一次信息传递。在一个分布式无线移动网络中，邻居发现是两个节点之间建立连接的关键初始步骤，邻居发现算法的优劣，直接影响着接入控制协议、路由协议的选择，甚至影响了整个网络的性能。纯方向性天线的邻居发现算法主要可以分为两大类：确定性算法与随机发现算法；前者能保证时延上限但平均性能较差，后者不需要时间同步且鲁棒性更强，但在一些特殊情形下发现时延极长。然而，现有的大多数邻居发现算法均未考虑到网络的拓扑结构变化带来的影响。在节点并非统一部署且节点的移动并不是完全随机的情况下，简单的邻居发现算法无法满足性能需求。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，在随机发现算法的基础上，将天线在某一扇区停留的时间与一段时间内扇区所接受消息的频率结合，也就是将天线的扇区选择与网络拓扑变化结合，提出了一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法；在节点分布具有地域性、集群性的无线移动网络中，提高邻居发现的性能。所述的基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法，具体步骤如下：步骤一、针对节点分布具有地域性与集群性的无线移动网络中，每个节点各配置一个方向性天线；步骤二、针对节点i，以节点i为圆心，天线通信范围R为半径，将该节点i的圆周平均分成Ni个扇区；扇区的编号为从0到Ni-1；步骤三、针对初始监视周期M，每个节点随机选择各自的天线所指向的扇区；监视周期M是指：在算法前期收集每个节点周围网络拓扑信息需要的时间段。节点i配置的方向性天线指向每个扇区的概率相等，均为1/Ni；初始阶段，节点i配置的方向性天线所指的扇区记为Si；步骤四、针对节点i，计算初始监视周期该节点配置的方向性天线在每个扇区停留的时间T为配置的方向性天线遍历Ni个扇区一次需要的时间。由此可知，初始阶段，节点i的方向性天线在每个扇区的停留时间相同。步骤五、在停留时间内，节点i周期性的在发送时隙内广播HELLO包消息，发送完成之后节点i立即转入接收状态进行侦听；时隙以τ为单位，是指保证HELLO包消息广播到所有邻居节点的最长时间，将发送消息所用的时隙τ称作发送时隙，发送消息完成之后该节点立即转入接收状态，接收状态持续多个时隙，称作侦听时隙；HELLO包消息的帧结构包括：发送此包的节点ID，包的类型，节点发送此消息时所用的扇区以及跳转到下一个扇区的剩余时间；步骤六、节点i监听到来自其他节点广播的HELLO消息后，则更新自身维护的“邻节点列表”并按规则回复响应包，完成互相发现；当节点i收到来自节点j的HELLO包消息后，首先，节点i利用HELLO包中的消息更新邻节点列表；邻节点列表的每一个条目均包含以下信息：①邻节点ID；②邻节点发送时所用的扇区编号；③邻节点在发送扇区停留的剩余时间；④接收扇区信息；⑤时间戳。然后，判断节点i的邻节点列表中是否保存有节点j的信息，且信息有效；如果是，表示节点i和节点j已完成互相发现，则不做回应；否则，节点j的HELLO包消息是节点i的邻节点表中的新消息，节点i经随机时间ε后，回复一个响应包；ε小于HELLO包中的扇区剩余停留时间，以免节点j更换扇区造成丢包。响应包结构与HELLO包结构相同，仅类型不同。步骤七、根据初始监视周期中节点i发现的“邻节点列表”，计算该节点在第二个监视周期M中，方向性天线在每个扇区停留的时间；首先，计算节点i的方向性天线在每个扇区的周期占比周期占比表示下一次天线对准扇区Si时，在该扇区停留的时间所占一个遍历周期的比例；Li表示节点i所有已发现的邻居节点的集合；表示扇区Si收到的来自邻居节点k的消息次数；是节点i配置的方向性天线所指的扇区Si组成的集合；然后，利用周期占比分别调整方向性天线在每个扇区的具体停留时间；步骤八、根据第二个监视周期M中节点i的方向性天线在每个扇区的停留时间，节点i广播HELLO包消息，并更新自身维护的“邻节点列表”发现；步骤九、从第三个监视周期M开始，根据上一个监视周期M节点i更新的“邻节点列表”发现，该节点每隔M时间对方向性天线在各扇区不同的停留时间进行微调；具体步骤如下：步骤901、计算节点i在扇区Si接收消息的速率反映该节点周围网络拓扑环境的变化；速率在每个周期M开始时计算，且在该周期内为常量；表示节点i的扇区Si收到的消息总数，为周期占比的分子；步骤902、针对某时刻，计算该时刻之前M时间之内的消息接收速率的瞬时速率步骤903、判断瞬时速率是否约等于平均速率，如果是，则表示网络拓扑结构变化较小，不对时间进行调整；否则，进入步骤904；步骤904、当节点i的周围网络环境有所变化，调整方向性天线在不同扇区所停留的时间，直到新的M周期开始，确定扇区停留时间。表示节点i的方向性天线在m扇区的瞬时速率，表示节点i方向性天线在m扇区的时间占比；m，n分别是节点i的两个不同扇区；Ei表示整个节点i收到的消息总数，为周期占比的分母。步骤十、节点i在当前监视周期M中，根据方向性天线在每个扇区的停留时间，广播HELLO包消息，并更新自身维护的“邻节点列表”发现。本专利技术的优点在于：1)、一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法，初期使用纯随机的扇区选择方式，避免了一些特殊情况造成的节点仅指向某一或某几个扇区的情况。2)、一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法，对网络中的拓扑变化足够敏感。3)、一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法，利用邻节点列表中的历史信息判断网络拓扑结构变化，及时调整扇区选择概率，减少特定环境下方向性天线在某些没有邻节节点的扇区停留造成扫描时间的浪费。4)、一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法，将扇区选择与节点周围拓扑关系相结合，能够针对节点的相对移动做出调整，适应各种情况。附图说明图1是本专利技术无线移动网络中采用的网络节点分布示意图；图2是本专利技术基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法流程图；图3是本专利技术从第三个监视周期M开始，对天线在各扇区的停留时间做出调整的流程图。图4是本专利技术HELLO包的帧结构示意图；图5是本专利技术节点通信模型的收发模式转换示意图；图6是本专利技术节点自身维护的邻节点列表包含的信息示意图；图7是本专利技术节点密度极低时与随机算法的性能比较示意图；图8是本专利技术节点密度低时与随机算法的性能比较示意图；图9是本专利技术节点密度高时与随机算法的性能比较示意图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方法进行详细说明。本专利技术是针对使用方向性天线的节点活动范围有限的自组织网络中，节点之间进行邻居发现的方法；首本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、针对节点分布具有地域性与集群性的无线移动网络中，每个节点各配置一个方向性天线；步骤二、针对节点i，以节点i为圆心，天线通信范围R为半径，将该节点i的圆周平均分成Ni个扇区；扇区的编号为从0到Ni‑1；步骤三、针对初始监视周期M，每个节点随机选择各自的天线所指向的扇区；监视周期M是指：在算法前期收集每个节点周围网络拓扑信息需要的时间段；节点i配置的方向性天线指向每个扇区的概率相等，均为1/Ni；初始阶段，节点i配置的方向性天线所指的扇区记为Si；步骤四、针对节点i，计算初始监视周期该节点配置的方向性天线在每个扇区停留的时间

【技术特征摘要】
1.一种基于历史信息的方向性天线自适应邻居发现的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、针对节点分布具有地域性与集群性的无线移动网络中，每个节点各配置一个方向性天线；步骤二、针对节点i，以节点i为圆心，天线通信范围R为半径，将该节点i的圆周平均分成Ni个扇区；扇区的编号为从0到Ni-1；步骤三、针对初始监视周期M，每个节点随机选择各自的天线所指向的扇区；监视周期M是指：在算法前期收集每个节点周围网络拓扑信息需要的时间段；节点i配置的方向性天线指向每个扇区的概率相等，均为1/Ni；初始阶段，节点i配置的方向性天线所指的扇区记为Si；步骤四、针对节点i，计算初始监视周期该节点配置的方向性天线在每个扇区停留的时间T为配置的方向性天线遍历Ni个扇区一次需要的时间；由此可知，初始阶段，节点i的方向性天线在每个扇区的停留时间相同；步骤五、在停留时间内，节点i周期性的在发送时隙内广播HELLO包消息，发送完成之后节点i立即转入接收状态进行侦听；步骤六、节点i监听到来自其他节点广播的HELLO包消息后，则更新自身维护的“邻节点列表”并按规则回复响应包，完成互相发现；步骤七、根据初始监视周期中节点i发现的“邻节点列表”，计算该节点在第二个监视周期M中，方向性天线在每个扇区停留的时间；具体如下：首先，计算节点i的方向性天线在每个扇区的周期占比周期占比表示下一次天线对准扇区Si时，在该扇区停留的时间所占一个遍历周期的比例；Li表示节点i所有已发现的邻居节点的集合；表示扇区Si收到的来自邻居节点k的消息次数；是节点i配置的方向性天线所指的扇区Si组成的集合；然后，利用周期占比分别调整方向性天线在每个扇区的具体停留时间；步骤八、根据第二个监视周期M中节点i的方向性天线在每个扇区的停留时间，节点i广播HELLO包消息，并更新自身维护的“邻节点列表”发现；步骤九、从第三个监视周期M开始，根据上一个监视周期M节点i更新的“邻节点列表”发现，该节点每隔M时间对方向性天线在各扇区不同的停留时间进行微调；具体步骤如下：步骤901、计算节点i在扇区Si接收消息的速率反映该节点周围网络拓扑环境的变化；速率在每个周期M开始时计算，且在该周期内...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐桢，叶松，李海鹏，刘锋，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11