一种基于多微时隙的网络邻居发现方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及无线通信技术领域，本发明专利技术公开了一种基于多微时隙的网络邻居发现方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧；步骤二、给入网节点分配节点编号，并对该节点编号进行编码；基于节点的编码，判断该节点在本轮天线扫描周期内是主动探测模式还是被动侦听模式；主动探测模式进入步骤三，被动侦听模式进入步骤四；步骤三、处于主动探测模式节点的邻居发现；步骤四、处于被动侦听模式节点的邻居发现。本发明专利技术可以达到多个节点在时间上相互错开发送的目的，可有效减少邻居发现过程中多个节点同时向某一个节点发送消息所引发的数据碰撞冲突，并显著提高节点邻居发现的成功概率和缩短网络组网时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种基于多微时隙的网络邻居发现方法和系统。
技术介绍
定向天线利用数字信号处理技术产生空间定向波束，将发射信号能量集中在某一个或者某些特定的方向上进行辐射，而不会干扰到其他方向上节点收发信号，并通过增加信号传输速率和传输距离，来提高无线网络的空间复用率和网络的整体性能。但定向天线相比于全向天线而言，也存在一些技术上的难点，如收发均采用定向天线的节点间能进行有效通信的条件变得更为苛刻：只有当两个节点的定向波束相互对准且收发模式相反时，才能正常通信。另一方面，邻居节点发现作为Ad Hoc网络组网的基础和前提，对网络层的路由选择算法、网络拓扑控制和MAC层的动态时隙分配等都起着不可或缺的作用，是MAC层相关协议设计应首先考虑和解决的问题。在基于定向天线通信的网络中，由于定向通信波束窄使得邻居节点发现变得更加复杂，尤其是当网络中的节点在没有其周围邻居节点的任何先验信息时，如何快速发现其1跳范围内所有邻居节点并建立起通信连接仍是一个十分棘手和复杂的问题。目前，国内外对Ad Hoc网络组网的研究还主要集中在采用全向天线进行收发，或者采用全向天线和定向天线相结合的方式，如利用全向发送定向接收或定向发送全向接收，这些邻居发现算法在邻居发现过程的某一阶段都不可避免地采用了全向天线，但由于全向天线通信距离较小，网络自干扰严重且抵抗外部干扰的能力较差，致使网络组网阶段存在着定向和全向天线增益不匹配、组网时间不确定、邻居发现的时延性较差等问题，未能充分利用定向天线通信的全部潜在优势，极大影响了网络性能的改善程度。在现有专利“一种基于定向天线的Ad Hoc网络异步邻居节点扫描方法”中，作者提出了一种完全基于定向天线的异步系统邻居发现算法，该算法充分利用了定向波束传输的优势，但在密集网络中其邻居发现过程存在严重的消息碰撞冲突，发现所有邻居节点耗时长，同时存在覆盖范围内孤立节点始终无法入网的可能，因而该专利无法适用于高密集、高速移动和网络拓扑动态变化的场景。
技术实现思路
针对现有技术中在高密集、高速移动和网络拓扑动态变化的场景下，没有一种邻居节点的快速发现方法，本专利技术公开了一种基于多微时隙的网络邻居发现方法。本专利技术还公开了一种基于多微时隙的网络邻居发现系统。本专利技术公开了一种基于多微时隙的网络邻居发现方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，每帧由邻居发现子帧和业务数据传输子帧组成；所述业务数据传输子帧包含M个数据时隙；所述邻居发现子帧包含探测、响应和确认3个阶段，每个阶段由K个持续时间更短的微时隙构成；其中每个时隙的时间长度为T，每个微时隙的时间长度为T/K；步骤二、给入网节点分配节点编号，并对该节点编号进行编码；基于节点的编码，判断该节点在本轮天线扫描周期内是主动探测模式还是被动侦听模式；主动探测模式进入步骤三，被动侦听模式进入步骤四；步骤三、处于主动探测模式节点的邻居发现过程如下：在探测阶段开始时，从K个探测微时隙中选取1个微时隙，用于发送邻居探测消息；响应阶段，在所有响应微时隙内定向接收邻居节点发送的响应消息；确认阶段，在与探测阶段所选择相同编号的微时隙内，定向发送确认消息；步骤四、处于被动侦听模式节点的邻居发现过程如下：探测阶段在所有探测微时隙内定向接收邻居节点发送的探测消息数据；响应阶段开始时，从K个响应微时隙中选取1个微时隙，用于发送邻居响应消息；确认阶段，在所有确认微时隙内定向接收邻居节点发送的确认消息。更进一步地，上述从K个微时隙中选取1个微时隙时采用等概率随机选取的方式。更进一步地，上述方法还包括步骤五、节点在每一个TDMA帧中周期性依次执行步骤二、步骤三、步骤四，每一帧扫描一个波束方向，每个节点按照相同的波束方向顺序依次扫描。更进一步地，上述节点发送/接收的探测、响应和确认数据消息中，除包含本节点的编号和地理位置坐标外，还包括本节点未被分配的可用数据传输时隙集合。更进一步地，上述步骤二中基于节点的编码判断该节点在本轮天线扫描周期内是主动探测模式还是被动侦听模式具体包括以下的步骤：步骤S201：初始化节点参数N和j，N为网络中总节点数，                                                为节点在网络内的唯一编号；步骤S202：对节点的编号j以二进制形式编码；步骤S203：如果节点j的二进制编码位数等于，转步骤S205，否则转步骤S204；步骤S204：在二进制编码左边添0补位，直到位为止；步骤S205：第i轮天线扫描周期内，如果节点j的二进制编码的第i位为0，转至步骤S206，否则转至步骤S207(当i大于，则进行取模运算，并判断二进制编码的第(i%)位，若为0转至步骤S206，否则转至步骤S207)；步骤S206：该轮扫描周期内设置天线为被动侦听模式，转至步骤S208；步骤S207：该轮扫描周期内设置天线为主动探测模式；步骤S208：结束。更进一步地，上述主动探测模式节点的邻居发现过程具体为：步骤S301：探测阶段开始时，利用伪随机数发生器，在[1，K]之间产生1个伪随机整数；即为节点从K个探测微时隙中等概率随机选取、用于发送邻居探测消息的微时隙号；步骤S302：在第个探测微时隙内，定向发送其邻居探测消息；步骤S303：响应阶段，节点在所有响应微时隙内定向接收邻居节点发送的响应消息；步骤S304：确认阶段，节点在第个确认微时隙，针对响应阶段收到的响应消息，定向发送其邻居确认消息；步骤S305：邻居发现过程结束。更进一步地，上述被动侦听模式节点的邻居发现过程具体为:步骤S401：探测阶段，节点在所有探测微时隙内定向接收邻居节点发送的探测消息数据；步骤S402：响应阶段开始时，节点利用伪随机数发生器，在[1，K]之间产生1个伪随机整数；即为节点从K个响应微时隙中等概率随机选取、用于发送响应消息的微时隙号；步骤S403：在第个响应微时隙内，根据探测阶段接收的探测消息，定向发送其邻居响应消息；步骤S404：确认阶段，节点所有确认微时隙内定向接收邻居节点发送的确认消息数据；步骤S405：邻居发现过程结束。本专利技术还公开了一种基于多微时隙的网络邻居发现系统，其具体包括时间划分单元、节点判断单元、主动探测模式节点邻居发现单元和被动侦听模式节点邻居发现单元；所述时间划分单元用于将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，每帧由邻居发现子帧和业务数据传输子帧组成；所述业务数据传输子帧包含M个数据时隙；所述邻居发现子帧包含探测、响应和确认3个阶段，每个阶段由K个持续时间更短的微时隙构成；其中每个时隙的时间长度为T，每个微时隙的时间长度为T/K；所述节点判断单元用于基于节点的编码，判断该节点在本轮天线扫描周期内是主动探测模式还是被动侦听模式；所述主动探测模式节点邻居发现单元用于在探测阶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多微时隙的网络邻居发现方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，每帧由邻居发现子帧和业务数据传输子帧组成；所述业务数据传输子帧包含M个数据时隙；所述邻居发现子帧包含探测、响应和确认3个阶段，每个阶段由K个持续时间更短的微时隙构成；其中每个时隙的时间长度为T，每个微时隙的时间长度为T/K；步骤二、给入网节点分配节点编号，并对该节点编号进行编码；基于节点的编码，判断该节点在本轮天线扫描周期内是主动探测模式还是被动侦听模式；主动探测模式进入步骤三，被动侦听模式进入步骤四；步骤三、处于主动探测模式节点的邻居发现过程如下：在探测阶段开始时，从K个探测微时隙中选取1个微时隙，用于发送邻居探测消息；响应阶段，在所有响应微时隙内定向接收邻居节点发送的响应消息；确认阶段，在与探测阶段所选择相同编号的微时隙内，定向发送确认消息；步骤四、处于被动侦听模式节点的邻居发现过程如下：探测阶段在所有探测微时隙内定向接收邻居节点发送的探测消息数据；响应阶段开始时，从K个响应微时隙中选取1个微时隙，用于发送邻居响应消息；确认阶段，在所有确认微时隙内定向接收邻居节点发送的确认消息。...

【技术特征摘要】
1.一种基于多微时隙的网络邻居发现方法，其具体包括以下的步骤：
步骤一、将时间划分为连续的、周期性重复的TDMA帧，每帧由邻居发现子帧和业务数据传输子帧组成；所述业务数据传输子帧包含M个数据时隙；所述邻居发现子帧包含探测、响应和确认3个阶段，每个阶段由K个持续时间更短的微时隙构成；其中每个时隙的时间长度为T，每个微时隙的时间长度为T/K；
步骤二、给入网节点分配节点编号，并对该节点编号进行编码；基于节点的编码，判断该节点在本轮天线扫描周期内是主动探测模式还是被动侦听模式；主动探测模式进入步骤三，被动侦听模式进入步骤四；
步骤三、处于主动探测模式节点的邻居发现过程如下：在探测阶段开始时，从K个探测微时隙中选取1个微时隙，用于发送邻居探测消息；响应阶段，在所有响应微时隙内定向接收邻居节点发送的响应消息；确认阶段，在与探测阶段所选择相同编号的微时隙内，定向发送确认消息；
步骤四、处于被动侦听模式节点的邻居发现过程如下：探测阶段在所有探测微时隙内定向接收邻居节点发送的探测消息数据；响应阶段开始时，从K个响应微时隙中选取1个微时隙，用于发送邻居响应消息；确认阶段，在所有确认微时隙内定向接收邻居节点发送的确认消息。
2.如权利要求1所述的基于多微时隙的网络邻居发现方法，其特征在于所述从K个微时隙中选取1个微时隙时采用等概率随机选取的方式。
3. 如权利要求1所述的基于多微时隙的网络邻居发现方法，其特征在于所述方法还包括步骤五、节点在每一个TDMA帧中周期性依次执行步骤二、步骤三、步骤四，每一帧扫描一个波束方向，每个节点按照相同的波束方向顺序依次扫描。
4.如权利要求1或者3所述的基于多微时隙的网络邻居发现方法，其特征在于所述节点发送/接收的探测、响应和确认数据消息中，除包含本节点的编号和地理位置坐标外，还包括本节点未被分配的可用数据传输时隙集合。
5. 如权利要求4所述的基于多微时隙的网络邻居发现方法，其特征在于所述步骤二中基于节点的编码判断该节点在本轮天线扫描周期内是主动探测模式还是被动侦听模式具体包括以下的步骤：
步骤S201：初始化节点参数N和j，N为网络中总节点数，                                               为节点在网络内的唯一编号；
步骤S202：对节点的编号j以二进制形式编码；
步骤S203：如果节点j的二进制编码位数等于，转步骤S205，否则转步骤S204；
步骤S204：在二进制编码左边添0补位，直到位为止；
步骤S205：第i轮扫描周期内，判断节点j的二进制编码的第i位，当i大于，则进行取模运算，并判断二进制编码的第(i%)位，若i为0转至步骤S206，否则转至步骤S207；
步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：李大双，景中源，谭齐，曾浩洋，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51