【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线网络领域，特别涉及基于邻居波束对准与跟踪的移动adhoc网络定向时分接入协议。
技术介绍
由于具有组网快速、灵活、可靠性高、抗毁性强等特点，移动adhoc网络在民用和军事领域得到广泛应用。网络吞吐量是评估移动adhoc网络性能，甚至评价其存在价值的重要指标之一。随着无线自组织组网技术在越来越多的领域得到应用，提高网络吞吐量性能，为网络中的用户提供更好的服务成为了移动adhoc网络研究的重点内容。传统移动adhoc网络中，节点在媒质接入访问控制(MediumAccessControl，MAC)协议的控制下，共享无线信道资源，通过全向天线完成数据传输。全向通信条件下，节点间信号干扰大，空间利用率低，成为制约网络吞吐量提高的主要因素之一。近年来，随着定向天线技术研究的深入以及定向天线在成本和规格上的降低，定向天线在移动adhoc网络中的应用成为可能。与全向天线相比，定向天线只在特定方向上发射信号，信号发射功率集中，在增大信号传输距离的同时降...
【技术保护点】
一种基于邻居波束对准与跟踪的移动ad hoc网络定向时分接入协议，所采用的步骤是：步骤1：定义网络时帧结构，将全网节点时间轴同步划分为一系列连续的网络时帧，每个网络时帧由时间上连续的邻居发现、邻居跟踪、数据预约和数据传输四个阶段组成，邻居发现、邻居跟踪和数据预约阶段分别包含一系列子时隙，数据预约阶段的子时隙数和邻居跟踪阶段子时隙数相同，数据传输阶段子时隙的划分由节点根据数据传输需求情况确定；同时，为了实现邻居发现、邻居跟踪和数据时隙预约，每个邻居发现子时隙被进一步划分为波束对准请求、波束对准应答和波束对准确认三个子阶段，每个邻居跟踪子时隙被进一步划分为跟踪请求和跟踪应答两个...
【技术特征摘要】
1.一种基于邻居波束对准与跟踪的移动adhoc网络定向时分接入协议，所
采用的步骤是：
步骤1：定义网络时帧结构，将全网节点时间轴同步划分为一系列连续的网
络时帧，每个网络时帧由时间上连续的邻居发现、邻居跟踪、数据预约和数据
传输四个阶段组成，邻居发现、邻居跟踪和数据预约阶段分别包含一系列子时
隙，数据预约阶段的子时隙数和邻居跟踪阶段子时隙数相同，数据传输阶段子
时隙的划分由节点根据数据传输需求情况确定；同时，为了实现邻居发现、邻
居跟踪和数据时隙预约，每个邻居发现子时隙被进一步划分为波束对准请求、
波束对准应答和波束对准确认三个子阶段，每个邻居跟踪子时隙被进一步划分
为跟踪请求和跟踪应答两个子阶段，每个数据预约子时隙被进一步划分为数据
预约请求和数据预约应答两个子阶段；
步骤2：邻居发现阶段，节点通过基于随机波束切换与三次握手策略的邻居
发现机制实现波束对准，完成邻居发现，并预约后续邻居跟踪子时隙；
步骤3：邻居跟踪阶段，节点通过控制帧交互对已发现的邻居节点进行跟踪，
并发送数据传输需求；
步骤4：构建节点运动模型，分析得出节点间链路断开时间的分布函数，并
根据链路断开时间的分布函数设置合理的数据传输阶段的时间长度；
步骤5：数据预约阶段，节点根据数据传输需求完成数据传输阶段时隙的动
态划分和分配；
步骤6：数据传输阶段，发送和接收节点在选定的数据交互时间段内完成定
向数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于邻居波束对准与跟踪的移动adhoc网络
定向时分接入协议，其特征在于邻居发现阶段，节点通过基于随机波束切换与
\t三次握手策略的邻居发现机制实现波束对准，完成邻居发现，并预约后续邻居
跟踪子时隙的具体方法为：
邻居发现阶段，每个子时隙开始时，节点随机切换一个天线波束方向发送
和接收数据，在波束对准请求子阶段，节点在[0，CW-1]中随机选取一个整数作
为退避计算器的值并开始退避，其中，CW为随机退避竞争窗口值，退避结束后
广播发送波束对准请求帧TONE，若节点在退避过程中接收到其他节点发送的
TONE帧，则停止当前退避过程，记录发送TONE帧的节点的方位，并尝试在
当前时隙的波束对准应答子阶段中应答波束对准应答帧TONE-ACK，节点在应
答TONE-ACK帧之前，同样在在[0，CW-1]中随机选取一个整数作为退避计算器
的值并开始退避，退避结束后发送TONE-ACK帧，节点若在波束对准请求子阶
段成功发送了TONE帧，则在当前时隙的波束对准应答子阶段等待接收其他节
点应答的TONE-ACK帧，节点成功接收到TONE-ACK帧后，记录发送
TONE-ACK帧的节点的方位，并在波束对准确认子阶段向该节点应答ACK帧，
告知该节点两节点波束对准成功，完成邻居发现；
节点在邻居发现过程中，同时完成后续跟踪子时隙的预约，对于邻居节点A、
B，在邻居发现过程中，节点B在成功接收到节点A发送的TONE帧应答
TONE-ACK帧时，将本节点邻居跟踪阶段的空闲时隙表捎带在TONE-ACK帧
中，节点A接收到节点B的TONE-ACK帧后，将节点B邻居跟踪阶段的空闲
时隙表与本节点邻居跟踪阶段的空闲时隙表进行对比，在共同空闲的跟踪子时
隙中随机选择一个时隙作为这对邻居节点的相互跟踪时隙，节点A在向节点B
应答ACK帧时将选定的跟踪子时隙号告知接收节点B，节点若在选定的跟踪子
时隙内因被其他节点干扰导致跟踪邻居节点失败，则在新时帧的邻居发现阶段
重新发起邻居发现过程，若在选定的跟踪子时隙内邻居跟踪成功，则在后续时
\t帧继续使用选定的跟踪子时隙完成邻居跟踪过程。
3.根据权利要求1所述的一种基于邻居波束对准与跟踪的移动adhoc网络
定向时分接入协议，其特征在于邻居跟踪阶段，节点通过控制帧交互对已发现
的邻居节点进行跟踪，并发送数据传输需求的具体方法为：
邻居跟踪阶段，每个子时隙开始时，预约该跟踪子时隙的两个节点将天线
波束指向对方所在方位，为了便于描述，对于特定邻居节点对，定义邻居发现
过程中发送TONE帧的节点为主动节点，应答TONE-ACK帧的节点为从动节点，
在跟踪请求子阶段，主动节点向从动节点发送跟踪请求帧P-RTS，从动节点接
收到P-RTS帧后，首先根据接收信号到达角度DOA(DirectionOfArrival)将本
天线波束最大增益方向指向主动节点并更新维护的邻居节点方位信息，然后向
主动节点回复跟踪应答帧P-CTS，主动节点接收到P-CTS帧后，同样根据接收
信号到达角度DOA将天线波束最大增益方向指向从动节点并更新维护的邻居节
点方位信息，完成邻居跟踪，在网络时帧的后续阶段，节点每收到一次邻居节
点发送的信号，即根据信号的到达角度DOA更新维护的相应邻居节点的方位信
息，
同时，在邻居跟踪过程中，本发明要求主动节点在发送P-RTS帧时，将自
身的数据传输需求告知从动节点，从动节点接收到P-RTS帧后记录主动节点的
传输需求，邻居跟踪阶段结束后，从动节点即可获知当前时帧中有多少主动节
点需要与本节点进行数据交互，从而指导数据传输阶段时隙的划分。
4.根据权利要求1所述的一种基于邻居波束对准与跟踪的移动adhoc网络
定向时分接入协议，其特征在于构建节点运动模型，分析得出节点间链路断开
时间的分布函数，并根据链路断开时间的分布函数设置合理的数据传输阶段的
时间长度的具体方法为：
本发明根据节点运动状态构建节点二维平面运动模型，并根据节点运动模
型求解节点间相对速率的概率密度函数，同时结合节点间的距离以及相对运动
速率的概率密度函数，得出波束对准的节点间链路断开时间的分布函数，以链
路断开时间的分布函数为依据，设置合理的数据传输阶段的时间长度；
(1)节点运动模型
在二维平面中，将定向自组织网络中的节点运动状态抽象为二维平面中的
加速运动、匀速运动、转弯、减速运动和静止五个状态，分别用α、β、γ、ε、ζ
表示，五个状态中相邻两个状态之间的关系为：静止-＞加速运动、加速运动-＞
匀速运动、匀速运动-＞转弯、转弯-＞匀速运动、匀速运动-＞减速运动、减速运
动-＞静止；
①加速运动阶段(α阶段)
本发明假定节点从静止到运动状态做匀加速运动，设节点加速后的速率为
vα∈U[vmin，vmax]，其中U表示均匀分布，vmin和vmax分别表示vα的最小和最大
取值，加速持续时隙数为nα∈U[nαmin，nαmax]，节点运动方向为匀
加速运动阶段的加速度aα可表示为
a α = v α - v t 0 t α - t 0 = v α n α · Δ t - - - ( 1 ) ]]>其中，为初始速率，因节点从静止开始运动，故初始速率为0，t0为节
点开始运动时的时间，tα为节点加速到vα时对应的时间，Δt为节点运动周期中
的基本时隙单元；
节点在加速运动阶段，任一时刻t的速率v可以表示为：
v = a α · t = v α · t n α · Δ t - - - ( 2 ) ]]>②匀速运动阶段(β阶段)
节点加速运动达到目标速率vα后，保持速度不变，沿选定方向水平匀速运
动，该阶段为匀速运动阶段，匀速运动的速率vβ＝vα，方向与vα相同，持续时隙
数为nβ∈U[nβmin，nβmax]；
③转弯阶段(γ阶段)
节点在运动过程中，可能会因为某些原因改变原来的运动方向，这时节点
将进入转弯阶段，本发明将节点转弯过程近似为匀速圆周运动，节点在转弯前
随机选定运动半径和运动方向，转弯阶段节点的速率为vγ＝vβ，持续时隙数为
nγ∈U[nγmin，nγmax]；
节点在匀速运动后，可能进入转弯阶段，也可能进入减速阶段，假定节点
进入转弯阶段的概率为Pβ-γ，进入减速阶段的概率为Pβ-ε，由节点运动模型可知
Pβ-γ+Pβ-ε＝1，设节点在做减速运动之前经历过M次转弯过程，则节点经历匀速运
动状态的次数为M+1，因而，M的期望为
E [ M ] = Σ M = 0 ∞ M ( P β - γ ) M P β - ϵ = Σ M = 0 ∞ M ( P β - γ ) M ( 1 - P β - γ ) = P β - γ 1 - P β - γ - - - ( 3 ) ]]>④减速运动阶段(ε阶段)
本发明假定节点从运动到静止状态做匀减速运动，减速前的速率为vε＝vβ，
运动方向角为匀减速运动持续时隙数nε∈U[nεmin，nεmax]，匀减速运动最
终速率降为0，因而加速度可以表示为
a ϵ = 0 - v ϵ n ϵ · Δ t = - v ϵ n ϵ · Δ t - - - ( 4 ) ]]>节点在加速运动阶段，任一时刻t的速率v可以表示为：
v = v ϵ + a ϵ · t = v ϵ - v ϵ · t n ϵ · Δ t - - - ( 5 ) ]]>⑤静止阶段(ζ阶段)
节点处于静止状态的持续时隙数为nζ∈U[nζmin，nζmax]，然后开始下一次的运
动；
(2)根据运动模型分析得到链路断开时间分布函数
根据节点运动模型，首先计算出节点在各阶段运动速率的概率密度函数，
然后计算出节点间相对运动速率的概率密度函数，最后根据节点间的位置关系
分析出链路断开时间的分布函数；
①各阶段速率的概率密度函数
a、加速运动阶段概率密度函数
加速运动阶段，节点速率v从0开始加速到指定目标速率vα，由于vα≥vmin，
因而在加速运动阶段节点速率v在[0，vmin]范围内出现的概率为1，且具有相同的
概率密度，用常数k表示，由于vα在[vmin，vmax]之间均匀取值，则vα在[vmin，vmin+Δv]
范围内取值的概率为Δv/(vmax-vmin)，相应的在[vmin+Δv，vmax]范围内取值的概率为
1-Δv/(vmax-vmin)，因而，在加速运动阶段，节点速率v的概率密度函数为
f α ( v ) = k 0 ≤ v ≤ v m i n k ( 1 - v - v m i n v m a x - v m i n ) v m i n < v ≤ v m a x - - - ( 6 ) ]]>由概率密度函数的归一性
∫ - ∞ + ∞ f α ( v ) d v = 1 - - - ( 7 ) ]]>可得
k = 2 ( v m a x + v m i n ) - - - ( 8 ) ]]>节点速率v的概率密度函数可进一步表示为
f α ( v ) = 2 v max + v min 0 ≤ v ≤ v m i n 2 v max + v min ( 1 - v - v min v max - v min ) v m i n ≤ v ≤ v max - - - ( 9 ) ]]>b、减速运动阶段概率密度函数
减速运动阶段，节点初始速率vε同样在[vmin，vmax]范围内均匀取值，节点速
率v由vε均匀减至0，该过程与节点加速运动阶段刚好相反，节点速率v具有相
同的概率密度函数；
c、匀速运动阶段概率密度函数
匀速运动阶段，节点速率v保持恒定，在[vmin...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡圣所，雷磊，王夏楠，张雅静，徐亚楠，徐海楼，黄太彬，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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