一种无线Ad Hoc网络拓扑结构的实现方法技术

本发明专利技术涉及无线通信领域，更具体地涉及到无线Ad Hoc网络(也称移动对等网络、无线自组网络等)中各节点之间互连的拓扑结构的实现方法，主要包括网络中节点无线信道的安排方法、参考节点对周围节点的选择和连接方法以及网络边缘节点的发射功率控制方法。这种方法在无线Ad Hoc网络拓扑结构的控制过程中，各节点需要的知识范围较小，只需要掌握两跳范围内各节点状态信息，节点间控制信息通讯负担低，支持节点自由移动，网络可扩展性强。可以克服了目前无线Ad Hoc网络中部分节点多重角色而导致任务过重的缺点，而且可以降低整体网络的能量消耗。

【技术实现步骤摘要】
所属
本专利技术涉及无线通信领域，更具体地涉及到无线Ad Hoc网络(也称移动对等网络、无线自组网络等)中各节点之间互连的拓扑结构的实现方法。
技术介绍
无线Ad Hoc网络是由多个带有无线收发功能的终端节点共同组成的，它们之间的通信并不需要固定的网络基础设施(例如基站或热点)的支持，每个终端节点可以和无线射频范围内的其他节点直接通信，并且能够通过节点间信息转发(跳)实现更远距离通信，网络中的节点能够自由移动，网络的无线拓扑结构可以随意变化并且无法预知。一般来说，Ad Hoc网络中节点间的路由包含多跳(多次转发)，因此这种网络也称多跳无线Ad Hoc网络。现有的无线Ad Hoc网络主要有这三种技术实现：Wi-Fi、ZigBee和蓝牙(Bluetooth，BT)。1)Wi-Fi的标准是IEEE 802.11，MAC协议是基于CSMA/CA(载波监听多路访问/带有冲突避免)的方案，非常简单，是实现单跳Ad Hoc网络的良好平台。WiFi不是为无线自组网络开发的，尽管在开发IEEE802.11时保持了Ad Hoc模式，但这种Ad Hoc模式只适用于简单的点对点连接，在实现多跳Ad Hoc网络遇到很大挑战，目前还没有比较成熟的解决方法。2)ZigBee是标准IEEE 802.15.4技术的商业名称，IEEE 802.15.4标准的信道接入方式也采用了CSMA/CA机制，标准中虽然定义了星型和端对端两种拓扑工作模式，但是这两种模式都需要通过协调器(PAN，Personal Area Network)协商来实现节点间的通信，目前标准只明确定义了星型拓扑结构中的报文交换和操作，没有详细定义端到端拓扑结构的操作，在大规模的网络中，所有节点不可能使用同一个PAN协调器，虽然标准允许PAN协调器之间的通信，但也没有对该通信方式进行明确定义。3)蓝牙是由爱立信、IBM、INTEL、诺基亚、东芝5家公司联合制定的近距离无线通信技术标准，采用时分双工(TDD)方式来避免冲突，有完善的微微网及散射网构成的解决方案，被认为是无线Ad Hoc网络中最有希望使用的技术之一。蓝牙微微网络拓扑模式和ZigBee星型拓扑模式非常类似，其中一个节点承担通信主节点角色，其他为从节点，所有通信都是通过主节点来实现，主节点还负责提供微微网时钟同步信号，并且确定安排各节点的通信信道。微微网之间通过主节点-主节点、网关从节点和中间网关三种方式互连，构成规模更大的散射网。图1中5个微微网组成一个互相连接的散射网示意了这三种方式的互连。图中五边形表示主节点、小圆表示从节点、包围主节点的虚线大圆表示其传播范围。微微网A和B示意了主节点-主节点的连接方式，当两个主节点1和2相邻并且 互连是通过将其中一个主节点作为另一个的从节点来实现的。微微网B和C示意了网关从节点的连接方式，它们通过各自的从节点5来连接，只要有可能，网关从节点是微微网互连的首选。微微C和D通过相邻的一对从节点6和7(中间网关)连接，互连要求中间网关中的一个节点(图1中节点7)成为新微微网中的主节点，从而产生了额外的微微网E。本专利技术中设计的新的节点互连方式属于一种平面型结构模型，节点之间采用端对端连接方式互连，网络中所有节点地位平等，通过这种创新的网络拓扑控制技术可以克服了目前无线Ad Hoc网络中部分节点多重角色而导致任务过重的缺点，而且可以降低整体网络的能量消耗。
技术实现思路
本专利技术所描述的Ad Hoc网络中的所有节点地位平等，节点间采用端对端直接连接方式互连，通过安排节点的发送信道和控制节点信号发射功率来建立网络中各节点之间的连接，实现互连互通。网络拓扑结构示意图如图2所示，根据图2示意统一定义下列几个术语。邻居节点：和参考节点直接相连的节点的集合。图2中以F节点为参考，和它直接相连的节点G、I、H、E称为节点F的邻居节点。一跳节点：在多跳网络中，邻居节点也称一跳节点，是同一个概念。二跳节点：在多跳网络中，和参考节点的一跳节点直接相连的所有节点中，去除一跳节点及参考节点本身后剩下的节点的集合。图2中还以F节点为参考，图中的B、D、J、K节点称为F节点的二跳节点。同理可以得出，节点A、C、L为F节点的三跳节点。随着网络规模扩大，以此类推，参考节点F会有四跳、五跳等节点。一跳连接：参考节点和一跳节点之间的连接称为一跳连接。同理，相对于参考节点，一跳节点和二跳节点之间的连接称为二跳连接，二跳节点和三跳节点之间的连接称为三跳连接，等等。在本专利技术所描述的Ad Hoc网络中，由于参考节点的周围节点的分布情况不同引起的干扰差异，以及不同节点的发射功率不同，导致有些节点间出现单通的情况，只有一方能接收到另一方的信息。根据图3示意，定义两个术语。双向连接：网络中的节点双方都能直接收到对方信息的数据连接，称为双向连接。如图3中A图示意的节点1和节点2之间的连接。图中包围节点的虚线大圆表示其信号传播范围。双向连接的节点双方可以通过信息交互精确地测量出双方之间的距离。单向连接：网络中的节点双方只有一方能直接收到对方信息的数据连接，称为单向连接。如图3中A图示意的节点2和节点3之间的连接，由于各自信号传播范围不同，导致只有节点3能收到节点2的信号，而节点2则不能直接检测到节点3的存在。图3中B图示意了另一种单通连接的情形，虽然节点2和节点3都在对方信号覆盖范围内，但由于节点2周围分布节点的干扰较大，导致节点2不能正常接收到节点3的信息，形成单向连接。单向连接的双方没有信息交互，图3中只有节点3能够通过接收节点2的信息中的发射功率和接收检测到的功率的比值大小来估算对方的距离，而且也只有节点3能通过增大发射功率来建立双向连接。本专利技术所描述的Ad Hoc网络中系统整个无线信道的资源是有限的，总共有M个信道。网络中的节点的模块原理框图如图4所示，拥有一个发送通道和N个接收通道，节点可同时和周围K个邻居节点建立双向连接，接收通道的数量N大于K、不大于M，剩余通道((N-K)个)继续用于轮流监测系统全部的M个无线信道的状态。同一个信道可以通过节点发射功率控制在不同的空间位置被不同的节点复用，这样用有限的信道资源可以构建更大的网络。新节点在加入网络之前不发送信号，在系统全部的M个无线信道上搜索周围节点，只接收周围节点信号，和周围节点没有信息交换，所以节点只能根据每个信道上周围节点发送功率和各自检测到的接收功率的比值大小来估算周围节点的距离远近，事实上是一种单向连接。新节点加入网络的过程及发送信道的安排方法如下：1)新节点没有搜索到周围有其他节点存在，这种情况下新节点可以选择M个系统信道中任意一个作为自己的发送信道，并以最大功率发射信号。为了节省能量，新节点也可以周期性地以最大功率来发送信号，尽最大能力给周围最大范围的节点发送连接信号，详细的功率控制方法见后续的节点功率控制部分。2)新节点搜索到周围有节点存在，新节点接收周围节点发送的数据信息，以新节点本身作为参考，分析一跳节点和二跳节点的无线信道占用情况，选择M个系统信道中没有被占用的信道作为本节点的发送信道。再根据每个信道上周围节点发送功率和检测到接收功率比值的大小来估算周围节点的距离远近。为了使新节点的加入对现有网络的影响最小，而且基于尽快同步的要求，新节点以估本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线Ad Hoc网络拓扑结构的实现方法，这种无线Ad Hoc网络拓扑结构的控制技术的实现方法包括网络中节点无线信道的安排方法、参考节点对周围节点的选择和连接方法以及网络边缘节点的发射功率控制方法。

【技术特征摘要】
1.一种无线Ad Hoc网络拓扑结构的实现方法，这种无线Ad Hoc网络拓扑结构的控制技术的实现方法包括网络中节点无线信道的安排方法、参考节点对周围节点的选择和连接方法以及网络边缘节点的发射功率控制方法。2.如权利要求1所述的网络中节点无线信道的安排方法，其特征在于：网络中节点无线信道的安排原则是保证任何参考节点以及它的一跳节点不能占用相同的信道，即同一信道可以安排给相隔两跳连接的不同节点使用；这种节点无线信道的安排原则是本方案的一个特征。3.如权利要求1所述的网络中节点无线信道的安排方法，其特征在于：新节点接收周围节点发送的数据信息，以新节点本身作为参考，分析一跳节点和二跳节点的无线信道占用情况，选择系统信道中没有被占用的信道作为本节点的发送信道，为了使新节点的加入对现有网络的影响最小，而且基于尽快同步的要求，新节点以估算好的发射功率和搜索到的周围最近节点建立双向连接，加入网络；新节点先和周围距离最近节点建立双向连接而加入网络。4.如权利要求1所述的网络中节点无线信道的安排方法，其特征在于：加入网络后的节点要实时检测一跳节点和二跳节点的无线信道占用情况，当检测到信道冲突时，比较节点当前发射功率大小，发射功率大的节点维持不变，发射功率相等或小的节点重新安排新的无线信道，发射功率暂时不变；当节点检测到信道冲突时，发射功率小的节点避让发射功率大的节点。5.如权利要求1所述的参考节点对周围节点的选择和连接方法，其特征在于：以参考节点为中心、以和最近的一跳连接重叠的射线为角度的参考零度(或其他一个确定的角度值)，顺时针或逆时针方向引R-1条射线将平面等分R个扇型区域，R不小于6；以和最近的一跳连接重叠的射线作为参考系中角度的参考是本方案的一个特征。6.如权利要求1所述的参考节点对周围节点的选择和连接方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵贵阳，
申请(专利权)人：邵贵阳，
类型：发明
国别省市：江苏;32