基于纯定向天线的邻节点快速发现方法

摘要

本发明公开了一种基于纯定向天线的邻节点快速发现方法，其主要实现步骤为：选取自组织网络中的扫描序列；分配扫描序列；确定定向天线节点的状态；判断定向天线节点的状态；读取定向天线节点扇区的命令记录，发送相应信息；定向天线节点接收信息，分析信息类型，记录相应命令。本发明选取等汉明距离的二进制编码作为扫描序列，判断是否产生信息冲突，使定向天线节点接收信息和发送信息的机会均等，有效避免信息冲突，在邻节点发现的过程中可以快速准确地发现所有可以正常通信的邻节点。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及无线通信领域中的一种基于纯定向 天线的邻节点快速发现方法。该方法实现无线自组织通信网络中邻节点的快速发 现和冲突避免，可以作为纯定向天线通信协议一个重要组成部分。

背景技术

采用定向天线进行信息传输比普通全向天线具有传输距离更远，速率更高， 安全性更高和实现空间复用的优势。目前，利用定向天线进行信息传输的方式大 致分为两种：带全向天线或信道辅助的定向传输和定向接收定向发送的纯定向传 输。带有全向天线或信道辅助的定向传输可以简单高效地实现邻节点发现信息传 输，但是天线设备的构造复杂不利于移动携带；纯定向传输方式天线结构简单， 但是发现机制和传输协议设计相对复杂。

Zhensheng Zhang在论文“Pure Directional Transmission and Reception  Algorithms in Wireless AdHoc Networks with Directional Antennas” (Published in:Communications,2005.ICC 2005.2005IEEE international  Conference on,0-7803-8938-7)中提出了一种只利用定向天线进行接收和发送 信息的邻节点发现方法。该方法对天线节点的ID号进行二进制求值，再根据网络 中的最大节点数补齐二进制序列的长度，将该二进制序列作为天线扫描模式序列 进行邻节点扫描，在一个定向天线的扇区内进行三步握手交互，完成了纯定向邻 节点发现，但是该方法存在的不足之处是，三步握手交互在定向天线的一个扇区 内完成，对天线配置要求较高，模式切换速度慢的定向天线并不适用，没有给节 点分配更合理的扫描序列，其扫描序列会使部分节点在扫描周期内接收或发送的 机会很小，并且没有解决信号冲突的方法，当网络中的节点数较多时会产生较大 的发送时延。

中国电子科技集团公司第五十四研究所在其申请的专利“一种基于定向天 线的新型邻居发现方法”(专利申请号：CN201310695670.5，公开号：CN103686611A) 中提出了一种加入随机静默机制的纯定向邻节点发现方法。该方法在采用二进制 扫描序列的基础上加入了随机静默机制达到避免信号冲突的目的，静默状态为既 不发送也不接收的状态，天线节点在扫描周期的初始时刻生成一个随机数，该随 机数与相应的阈值进行比较，如果该随机数小于阈值就进入静默状态，否则进入 扫描状态，该方法可以避免部分信号冲突。但是，该方法仍然存在的不足之处是， 没有对信号冲突进行判断，不能准确地避免信号冲突，并且会使没有冲突的天线 节点进入静默状态导致不能发现全部的邻节点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种基于纯定向天线的 邻节点快速发现方法。本发明改进了二进制扫描序列的选取；加入了信号冲突现 象的判断和有效的避免机制；改进了三步握手机制，降低了对定向天线模式切换 速度的要求。

本发明实现上述目的的思路是：选取等汉明距离的二进制编码作为扫描序列， 通过判断接收信号的强度判读是否发生冲突，引进抑制发送模式避免信号冲突， 在一次信息交互过程中只进行单向的接收或者发送信息，从而在至少三个扫描中 期内完成三步握手。

本发明实现的具体步骤如下：

(1)选取自组织网络中的扫描序列：

(1a)按照下式，确定自组织网络中的扫描序列的长度：

其中，表示在所有长度为N的二进制编码中汉明重量是的二进制编 码的个数，C表示进行组合数操作，N表示自组织网络中的扫描序列的长度，表 示向下取整操作，L表示自组织网络中定向天线节点的个数的最大值；

(1b)从所有长度为N的二进制编码中选出汉明重量是的二进制编码，N 表示自组织网络中的扫描序列的长度，表示向下取整操作；

(1c)将选出的二进制编码按数值大小排序；

(2)分配扫描序列：

将已排序的二进制编码，按照排序号等于自组织网络中定向天线节点ID号的规 则，分配给自组织网络中每个定向天线节点，每个定向天线节点将分配到的二进制编 码作为自身的扫描序列；

(3)确定定向天线节点的状态：

自组织网络中的定向天线节点，按顺序取出该定向天线节点的扫描序列中的一位 值，根据该值确定一次扫描周期内的天线状态，天线状态包括接收状态和发送状态；

(4)判断定向天线节点的状态：

判断定向天线节点是处于接收状态还是发送状态，如果是处于接收状态，执行定 向天线节点接收信息的步骤(17)；如果是处于发送状态，执行定向天线节点发送信 息的步骤(5)；

(5)读取定向天线节点扇区的命令记录：

处于发送状态的定向天线节点按顺序进入该定向天线节点的一个扇区，读取该扇 区的命令记录；

(6)判断定向天线节点扇区的命令是否存在，如果存在，则执行步骤(8)，否则， 执行步骤(7)；

(7)处于发送状态的定向天线节点在步骤(6)所判断的扇区发送问候信息HELLO；

(8)判断定向天线节点扇区的命令是否为执行发送抑制操作，如果是，则执行步 骤(9)，否则，执行步骤(10)；

(9)处于发送状态的定向天线节点在步骤(8)进行判断的扇区执行发送抑制操 作；

(10)判断定向天线节点扇区的命令是否为发送报告冲突信息REPcon，如果是， 则执行步骤(11)，否则，执行步骤(12)；

(11)处于发送状态的定向天线节点在步骤(10)所判断的扇区发送报告冲突信 息REPcon；

(12)判断定向天线节点扇区的命令是否为发送第一次回复信息REPack1，如果 是，则执行步骤(13)，否则，执行步骤(14)；

(13)处于发送状态的定向天线节点在步骤(12)所判断的扇区发送第一次回复 信息REPack1；

(14)判断定向天线节点扇区的命令是否为发送第二次回复信息REPack2，如果 是，则执行步骤(15)，否则，执行步骤(16)；

(15)处于发送状态的定向天线节点在步骤(14)所判断的扇区发送第二次回复 信息REPack2；

(16)判断处于接收状态的定向天线节点的发送信息扇区是否为终止扇区，如果 是，则执行步骤(29)，否则，执行步骤(5)；

(17)定向天线节点接收信息：

处于接收状态的定向天线节点按顺序进入该定向天线节点的一个扇区接收信息；

(18)判断定向天线节点接收的信息是否产生冲突，如果是，则执行步骤(19)， 否则，执行步骤(20)；

(19)处于接收状态的定向天线节点记录步骤(18)所判断的扇区发送报告冲突 信息REPcon的命令；

(20)判断定向天线节点接收的信息是否为报告冲突信息REPcon，如果是，则执 行步骤(21)，否则，执行步骤(22)；

(21)处于接收状态的定向天线节点记录步骤(20)所判断的扇区进入执行发送 抑制操作；

(22)判断定向天线节点接收的信息是否为问候信息HELLO，如果是，则执行步 骤(23)，否则，执行步骤(24)；

(23)第一次握手成功，处于接收状态的定向天线节点记录步骤(22)所判断的 扇区发送第一次回复信息REPack1的命令；

(24)判断定向天线节点接收的信息是否为第一次回复信息REPack1，如果是， 则执行步骤(25)，否则，执行步骤(26)；

(25)第二次握手成功，处于接收状态的定向天线节点记录步骤(24)所判断的 扇区发送第二次回复信息REPack2的命令；

(26)判断定向天线节点接收的信息是否为第二次回复信息REPack2，如果是， 则执行步骤(27)，否则，执行步骤(28)；

(27)三次握手成功，处于发送状态的定向天线节点发现一个邻节点；

(28)判断处于接收状态的定向天线节点的接收信息扇区是否为终止扇区，如果 是，则执行步骤(29)，否则，执行步骤(17)；

(29)判断定向天线节点的扫描序列是否按照步骤(3)中所述的顺序读取完最后 一位数值，如果是，则执行步骤(30)，否则，执行步骤(3)；

(30)扫描结束。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明将选取等汉明重量的二进制编码作为扫描序列，克服了现有技 术中部分节点在在其扫描过程中接收信息和发送信息机会不均等的问题，使得本发明 中的所有定向天线节点在其扫描过程中接收信息和发送信息机会均等，在扫描过程中 能进行多次信息交互，提高了发现邻节点的速度和效率。

第二，由于本发明在多个定向天线的扇区的信息交互中完成三步握手，克服了现 有技术中只在一个定向天线的扇区中完成三步握手，造成的只适用于模式切换速度快 的定向天线的问题，使得本发明可以在定向天线模式切换速度慢的定向天线中适用， 扩大了本发明可适用的定向天线的范围。

第三，由于本发明判断是否发生信息冲突，并且引入发送抑制模式来避免信息冲 突，克服了现有技术中没有判断信息冲突，随机避免冲突，造成扫描不到所有的邻节 点的问题，使得本发明可以准确有效地避免信息冲突，扫描出所有的可以正常通信的 邻节点。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

参照图1，对本发明实施步骤做进一步的详细描述。

步骤1.选取自组织网络中的扫描序列。

第一步，按照下式，确定自组织网络中的扫描序列的长度。

其中，表示在所有长度为N的二进制编码中汉明重量是的二进制编 码的个数，C表示进行组合数操作，N表示自组织网络中的扫描序列的长度，表 示向下取整操作，L表示自组织网络中定向天线节点的个数的最大值。

第二步，从所有长度为N的二进制编码中选出汉明重量是的二进制编码， N表示自组织网络中的扫描序列的长度，表示向下取整操作。

第三步，将选出的二进制编码按数值大小排序。

步骤2.分配扫描序列。

将已排序的二进制编码，按照排序号等于自组织网络中定向天线节点ID号的规 则，分配给自组织网络中每个定向天线节点，每个定向天线节点将分配到的二进制编 码作为自身的扫描序列。

步骤3.确定定向天线节点的状态。

自组织网络中的定向天线节点，按顺序取出该定向天线节点的扫描序列中的一位 值，根据该值确定一次扫描周期内的天线状态，天线状态包括接收状态和发送状态。

步骤4.判断定向天线节点的状态。

判断定向天线节点是处于接收状态还是发送状态，如果是处于接收状态，执行定 向天线节点接收信息的步骤17；如果是处于发送状态，执行定向天线节点发送信息 的步骤5。

步骤5.读取定向天线节点扇区的命令记录。

处于发送状态的定向天线节点按顺序进入该定向天线节点的一个扇区，读取该扇 区的命令记录。读取处于发送状态的定向天线节点的扇区命令的顺序为：每个处于发 送状态的定向天线节点将定向天线扇区中任意一个定向天线扇区对准正北方向，并且 将该定向天线扇区编号为1号扇区，其余定向天线扇区按照顺时针定向天线扇区编号 递增的顺序进行编号，从1号定向天线扇区开始读取定向天线扇区的命令，之后按照 定向天线扇区编号由小到大的顺序依次读取定向天线扇区命令。

步骤6.判断定向天线节点扇区的命令是否存在，如果存在，则执行步骤8，否则， 执行步骤7。

步骤7.处于发送状态的定向天线节点在步骤6所判断的扇区发送问候信息 HELLO。

步骤8.判断定向天线节点扇区的命令是否为执行发送抑制操作，如果是，则执 行步骤9，否则，执行步骤10。

步骤9.处于发送状态的定向天线节点在步骤8进行判断的扇区执行发送抑制操 作。执行发送抑制操作是指：定向天线节点产生一个范围在1到10之间的随机数， 如果该随机数在小于等于5，则该定向天线节点将步骤8进行判断的扇区的状态变为 接收状态，接收信息；否则，该定向天线天线节点将步骤8进行判断的扇区保持发送 状态不变，发送信息。

步骤10.判断定向天线节点扇区的命令是否为发送报告冲突信息REPcon，如果 是，则执行步骤11，否则，执行步骤12。

步骤11.处于发送状态的定向天线节点在步骤10所判断的扇区发送报告冲突信 息REPcon。

步骤12.判断定向天线节点扇区的命令是否为发送第一次回复信息REPack1，如 果是，则执行步骤13，否则，执行步骤14。

步骤13.处于发送状态的定向天线节点在步骤12所判断的扇区发送第一次回复 信息REPack1。

步骤14.判断定向天线节点扇区的命令是否为发送第二次回复信息REPack2，如 果是，则执行步骤15，否则，执行步骤16。

步骤15.处于发送状态的定向天线节点在步骤14所判断的扇区发送第二次回复 信息REPack2。

步骤16.判断处于接收状态的定向天线节点的发送信息扇区是否为终止扇区，如 果是，则执行步骤29，否则，执行步骤5。

步骤17.定向天线节点接收信息。

处于接收状态的定向天线节点按顺序进入该定向天线节点的一个扇区接收信息。 进入处于接收状态的定向天线节点的扇区的顺序为：每个处于接收状态的定向天线节 点，将定向天线扇区中任意一个定向天线扇区对准正南方向，并且将该定向天线扇区 编号为1号扇区，其余定向天线扇区按照顺时针定向天线扇区编号递增的顺序进行编 号，从1号定向天线扇区开始进入定向天线扇区接收信号，之后按照定向天线扇区编 号由小到大的顺序依次进入定向天线扇区接收信号。

步骤18.判断定向天线节点接收的信息是否产生冲突，如果是，则执行步骤19， 否则，执行步骤20。信息冲突是指：如果定向天线节点接收的信息的强度大于在只 有一个定向天线在发送的情况下的发送信息的强度阈值，并且解码失败无法恢复出信 息帧，则产生信息冲突。

步骤19.处于接收状态的定向天线节点记录步骤18所判断的扇区发送报告冲突 信息REPcon的命令。

步骤20.判断定向天线节点接收的信息是否为报告冲突信息REPcon，如果是， 则执行步骤21，否则，执行步骤22。

步骤21.处于接收状态的定向天线节点记录步骤20所判断的扇区进入执行发送 抑制操作。

步骤22.判断定向天线节点接收的信息是否为问候信息HELLO，如果是，则执 行步骤23，否则，执行步骤24。

步骤23.第一次握手成功，处于接收状态的定向天线节点记录步骤22所判断的 扇区发送第一次回复信息REPack1的命令。

步骤24.判断定向天线节点接收的信息是否为第一次回复信息REPack1，如果是， 则执行步骤25，否则，执行步骤26。

步骤25.第二次握手成功，处于接收状态的定向天线节点记录步骤24所判断的 扇区发送第二次回复信息REPack2的命令。

步骤26.判断定向天线节点接收的信息是否为第二次回复信息REPack2，如果是， 则执行步骤27，否则，执行步骤28。

步骤27.三次握手成功，处于发送状态的定向天线节点发现一个邻节点。

步骤28.判断处于接收状态的定向天线节点的接收信息扇区是否为终止扇区，如 果是，则执行步骤29，否则，执行步骤17。

步骤29.判断定向天线节点的扫描序列是否按照步骤3中所述的顺序读取完最后 一位数值，如果是，则执行步骤30，否则，执行步骤3。

步骤30.扫描结束。