一种基于主动探测与被动侦听相结合的邻居节点发现方法

摘要

本发明公开了一种基于主动探测与被动侦听相结合的邻居节点发现方法，主要解决被动侦听中由于无法正确解析出所接收的数据帧，而不能得到邻居节点准确信息的问题；同时解决了由较大发送功率导致的网络节点间干扰增大和能量消耗加剧的问题。其实现包括对被动侦听到的邻居节点分类、主动探测节点发送功率的调整和邻居节点的回复方法。基于上述的邻居节点发现方法，本发明提高了发现到的邻居节点的数目和邻居节点发现的速度，同时降低节点能量消耗。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，尤其是无线机会网络中一种基于物理层功率控制的主动探测与媒体接入控制层被动侦听跨层结合的邻居节点发现方法。

背景技术

机会网络，又被称为稀疏Ad Hoc网络、间歇性网络(Intermittently Connected Network)或者容迟网络(Delay/Disruption Tolerated Network)。它是一种不需要在源节点和目的节点之间存在完整路径，利用节点移动带来的相遇机会实现网络通信的、时延的和分裂可容忍的自组织网络。在现实世界中，由于环境、应用特点、成本等因素的限制，在很多的应用领域都无法建立全连通网络，以至于传统的多跳自组织网络协议无法在实际场景中很好地应用。而机会网络恰恰能够弥补传统自组织网络的不足，能够更好地应用于缺乏通信基础设施的、节点稀疏、节点移动速度快等恶劣条件导致的网络连通性差甚至分裂的环境。

在机会网络中，数据传输本质上是依赖于对周围邻居的准确发现，假如不能准确地发现邻居，可能使得节点一直等待转发机会，不仅大大增加了数据的延时，甚至导致数据传递失败，同时也会白白浪费了宝贵的存储器资源和电池电量，造成自身损坏。因此，在对机会网络的研究过程中，对邻居节点发现方法的研究是十分必要的。

从邻居节点发现过程的两个不同阶段来看，可以将邻居节点发现的方法分成两大类：主动式邻居节点探测和被动式邻居节点探测。主动式邻居探测方法是通过广播探测包去探测通信范围内的邻居节点，但开销较大。被动式邻居探测方法是静默的监听所有有发送活动的邻居节点，但是对于没有发送活动的邻居节点则无法监听到，影响邻居发现的数目和准确性。

李经安在“一种改进的邻居节点发现算法”一文中，通过改进现有的邻居发现算法，针对定向天线，提出一种采用在慢扫描时多次发送Hello数据包的方案。该方法属于主动式探测邻居节点发现方法，避免了定向天线的“听不到”问题，虽然提高了邻居节点发现的速度和效率，但是没有考虑能量的效益，因此邻居节点发现所消耗的能量代价太大。

林爽在“无线机会网络中邻居节点的扩展搜寻”一文中，提出了基于功率变化的邻居节点发现方法，并将功率等级划分应用到数据传输过程中，减少数据包传输的能量。该方法虽然考虑到了节点的能量效益，但是没有考虑到在MAC层中未能正确解析出来的这类邻居节点，因此在邻居节点的发现数目上并未有很大的提高。

发明内容

有鉴于此，本发明通过将MAC层被动侦听到数据帧的邻居节点分为清晰邻居节点和模糊邻居节点两种，以此给主动式探测邻居节点调整功率提供参考。对于模糊的邻居节点，由于节点可以通过接收到的信号，就知道其存在周围，但是不能清楚地知道该邻居信息，故从当前功率逐步增大发送功率来发现邻居节点，从而可以节约节点自身的能量；对不是模糊邻居节点的发现，直接采用节点最大的发送功率，这样又可以提高邻居节点发现的速度；本发明的目的在于提供了一种基于主动探测与被动侦听相结合的邻居节点发现方法，本方法通过跨层将两种邻居节点的发现方式结合，有效地解决了节点的能量效益问题，同时考虑到那些未能成功解析的节点，提高了发现的邻居节点的数目。

本发明的一种基于主动探测与被动侦听相结合的邻居节点发现方法通过如下技术方案实现：

一种基于物理层功率控制的主动探测与媒体接入控制层被动侦听跨层结合的邻居节点发现方法，该方法包括以下的四个子方法：

(1)基于媒体接入控制层的被动侦听邻居节点的发现和分类方法，该方法中任意一节点A通过侦听其周围节点的发送活动，对侦听到的媒体接入控制层数据帧进行解析，根据解析的结果将邻居节点分为清晰邻居节点和模糊邻居节点：

(1.1)所述清晰邻居节点是指从侦听到的数据帧中能正确解析出发送节点的物理地址信息，将这类节点加入到清晰邻居节点列表中；

(1.2)所述模糊邻居节点是指所侦听到的信号无法成功解析，无法确定该信号发送节点的物理地址，将这类节点加入到模糊邻居节点列表中。

(2)基于模糊邻居节点信息的物理层主动式探测邻居节点方法，该方法让节点A利用(1.2)中的模糊邻居节点信息，通过调节其物理层的发送功率来发送探测包，所述探测包携带的信息包括该节点当前功率值与最小可接收功率值，该方法包括以下步骤：

(2.1)节点A的模糊邻居节点列表为空的情况下，对于那些不在清晰邻居节点列表中的节点，节点A采用最大发送功率发送探测包来尝试发现这些节点；

(2.2)节点A的模糊邻居节点列表不为空的情况下，对于那些不在清晰邻居节点列表中的节点，节点以当前所使用的发送功率为初始值，发送携带功率信息的探测包，并逐步递增发送功率，重复上述发送行为，直到节点A收到被探测节点的清晰回复或者节点A的发送功率达到其最大允许的发送功率。

(3)基于探测包功率信息被探测节点的回复方法，该方法利用(2)中节点发送的探测包信息，其方法如下：

(3.1)当被探测节点B侦听到节点A所发送探测节点B的探测包信息时，记 录该探测包中的当前功率值P_AT、节点A最小可接收功率值P_MAR；

(3.2)根据探测包信号强度得到节点B接收到的探测包功率为P_BR，则传输的功率损耗P_loss＝P_AT‐P_BR，故被探测节点B用P_MAR+P_loss的功率发送携带功率信息的回复消息。

(4)基于回复信息的节点发送功率优化调整方法，节点A收到被探测节点B的回复消息后，记录该回复消息中的节点B最小可接收功率P_MBR，当下次再探测节点B就用P_MBR+P_loss功率发送探测包。

本发明具有如下优点：

(1)通过对侦听到的消息将节点分为清晰邻居节点和模糊邻居节点，对模糊邻居节点的发现结合了主动式探测的发现方法。可以完成对没有正确地解析出物理地址的这类节点的发现，增加了发现邻居节点的数目。

(2)在主动探测中提出了基于最大发送功率和递增发送功率的两种功率控制方式，加快了不在清晰邻居节点列表中其它节点的发现速度，又可以达到节约能量的目的。

(3)被探测节点采用最小的发送功率回复，探测节点根据回复消息，重新调整节点的发送功率，达到能量最优化。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明中节点发送的探测包格式；

图3为本发明中基于最大发送功率的邻居节点探测方法的示意图；

图4为本发明中基于功率递增的邻居节点探测方法的示意图；

图5为本发明中被探测节点回复方法的示意图。

具体实施方案

为使本发明的目的和技术方案更加清晰，下面结合实施例对本发明技术方案进行具体说明。

图1显示了本实施例所述的基于物理层功率控制的主动探测与媒体介入控制层被动侦听跨层结合的邻居节点发现方法的流程图。如图1所示，上述实施例所述的基于物理层功率控制的主动探测与媒体接入控制层被动侦听跨层结合的邻居节点发现方法应当包括以下过程：

(1)基于媒体接入控制层的被动侦听邻居节点的发现和分类方法，该方法中任意一节点A通过侦听其周围节点的发送活动，对侦听到的媒体接入控制层数据帧进行解析，根据解析的结果将邻居节点分为清晰邻居节点和模糊邻居节点：

(1.1)所述清晰邻居节点是指从侦听到的数据帧中能正确解析出发送节点的物理地址信息，将这类节点加入到清晰邻居节点列表中；

(1.2)所述模糊邻居节点是指所侦听到的信号无法成功解析，无法确定该信号发送节点的物理地址，将这类节点加入到模糊邻居节点列表中；

(2)基于模糊邻居节点信息的物理层主动式探测邻居节点方法，该方法让节点A利用(1.2)中的模糊邻居节点信息，通过调节其物理层的发送功率来发送探测包，所述探测包携带的信息包括该节点当前功率值与最小可接收功率值，具体的探测包格式如图2所示，该方法包括以下：

(2.1)节点A的模糊邻居节点列表为空的情况下，对于那些不在清晰邻居节点列表中的节点，节点A采用最大发送功率发送携带功率信息的探测包来尝试发现这些节点，如图3所示，从图中可以清楚地看出，当节点A的周围没有模糊邻居节点存在时，节点A就以其最大的发送功率发送探测包发现周围的邻居节点，节点C、D、E都在在节点A的最大功率传输范围内，当成功收到探测包的节点发现目的节点就是本节点时，给节点A发送一个回复消息，则此时节点A将回复的节点加入自己的清晰邻居列表中。在节点周围没有模糊邻居节点存在的前提下，用这种基于最大发送功率的邻居节点探测方法可以很块地发现周围的邻居节点，同时这种单个节点回复方式，减少节点间的干扰；

(2.2)节点A的模糊邻居节点列表不为空的情况下，对于那些不在清晰邻居节点列表中的节点，节点A使用功率递增的邻居节点探测方法，如图4所示，因为节点A的周围存在模糊邻居，所以节点A用当前功率等级1发送携带功率信息的探测包，然而并没有探测到周围有邻居节点活动。于是节点A调大发送功率等级，以功率等级2发送携带功率信息的探测包，此时，周围有一个节点B侦听到节点A发送的携带功率消息的探测包，B节点发现自己就是目标节点，于是向节点A发送回复消息，节点A收到节点B的回复消息后，将节点B加入本节点的清晰邻居列表中。接着节点A继续调大自己的发送功率，为发现更多的邻居节点。重复上述发送行为，直到节点A收到被探测节点的清晰回复或者节点A的发送功率达到其最大允许的发送功率，最终节点D也被探测到；

(3)基于探测包功率信息被探测节点的回复方法，该方法利用(2)中节点发送的探测包信息，如图5所示，图中的方格数目表示功率的值，其方法实现步骤如下：

(3.1)当被探测节点B侦听到节点A所发送探测节点B的探测包信息时，记录该探测包携带的当前功率值P_AT、节点A最小可接收功率值P_MAR；

(3.2)根据探测包信号强度得到节点B接收到的探测包功率为P_BR，则传输的功率损耗P_loss＝P_AT‐P_BR，故被探测节点B用P_MAR+P_loss的功率发送携带功率信息的回复消息，该发送功率是节点B到节点A的最小的发送功率，节约节点的自身能量。

(4)基于回复信息的节点发送功率优化调整方法，节点A收到被探测节点B的回复消息后，记录该回复消息携带的节点B最小可接收功率P_MBR，当下次再探测节点B就用P_MBR+P_loss功率发送探测包，该发送功率是节点A能够探测到节点B的最小的发送功率。