CN109788466B - 基于先验信息的三维立体无线自组网的邻居发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于先验信息的三维立体无线自组网的邻居发现方法。该算法适用于空海交互的三维立体的异构无线自组织网络。利用了雷达扫描的先验信息，初步确定海面邻居节点的大致方位。空中节点在一个模糊范围内随机选择方位角和俯仰角对准海面节点发射握手报文，通过多次调度天线的定向发和全向收模式，完成节点间的二次握手，最终快速有效的实现三维立体空海异构无线自组网的邻居发现。采用本发明的方法能够增加邻居发现的效率，并减少了邻居发现的开销。

Description

基于先验信息的三维立体无线自组网的邻居发现方法

技术领域

本发明涉及雷达通信领域，具体地说，是一种基于先验信息的邻居发现方法(Neighbor Discovery Algorithm)。

背景技术

信息系统空海一体组网是提高海上联合作战和体系作战能力的关键。通过将分布在空、海的侦察探测系统、指挥控制系统、打击武器系统与作战力量、保障力量有机结合，实现海空立体战场态势的高度共享，实时协调各作战单元，从而支撑作战效能的整体跃升。

空中、海面各个平台要相互链接形成网络，邻居发现算法是这个过程的首要步骤。传统的邻居发现算法大多基于全向传输，虽然全向天线可以覆盖任意角度，但是其存在网络冲突概率高、传输距离小等缺点，无法达到高性能组网的要求。另外，现有的邻居发现算法，只适用于二维平面。然而，现实中无线网络的应用环境绝大多数是三维立体的，比如，空海异构网络就是一个三维立体的网络。因为维度的增加，所应用的场景也更加复杂，将现有的适用于二维环境的邻居发现算法直接用于空海异构网络是不合适的。

无线自组网的邻居发现指的是网络中各个节点在开机之后发现其邻居，即一跳范围内其他节点的过程(同时节点自身也要被其他节点发现)。在基于定向传输的组网系统中，两个相互对准的节点必须在同一个时隙分别处在发送和接收状态下才能满足邻居发现的条件。

由于雷达技术的进步，空海网络中的各个节点在没有组网之前都可以利用雷达扫描得到其余各个邻居节点的位置信息。然而，这种信息是相对模糊的，而并非精确的，将这种信息作为节点进行邻居发现的先验信息可以大大减少节点握手试探次数，增大邻居发现成功率。

发明内容

本发明的目的是在空海一体无线自组网的邻居发现阶段提供一种空中节点和海面节点双向邻居发现方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于先验信息的三维立体无线自组网的邻居发现方法，空海双向邻居发现在一个时隙内完成，第一个小时隙来的时候，空中节点定向向海面邻居节点发送握手包，海面邻居节点调整天线为全向模式；第二个小时隙来的时候，海面节点定向回复确认ACK包，此时空中节点调整天线为全向模式。

具体实现步骤为：

1)在第一个小时隙来到的时候，空中节点扫描海面邻居节点获得模糊地理位置信息，设海面节点B相对于空中节点A的实际俯仰角为D'_p，方位角为D'_a，D_f表示模糊角度，先验位置信息以俯仰角D'_p和方位角D'_a为参考标记，存在大小为D_f的角度模糊；

2)空中节点以俯仰角D_P和方位角D_A调整定向天线对准角度，并向海面节点发送握手包，其中D_P在有限区间(D'_p-D_f，D'_p+D_f)中随机取值，D_A在有限区间(D_a'-D_f，D_a'+D_f)中随机取值；

3)海面节点设置天线模式为全向接收模式；

4)在第二个时隙来到的时候，若海面节点收到握手包，则根据包里的信息调节天线为定向模式向空中节点回复ACK包，若海面节点没有收到握手包，则继续保持全向接收；

5)空中节点调整天线为全向接收模式，若收到ACK包，则邻居发现过程完成，停止算法；若没有收到ACK包，则在下个时隙来到的时候返回步骤1。

本发明与传统邻居发现算法相比，其显著优点：(1)节点可以利用雷达探测到邻居节点的模糊位置信息，这些先验信息使得邻居发现的效率大大增加。(2)算法采用二次握手进行邻居发现，减少了邻居发现的开销。(3)LRA算法是基于定向传输设计的，定向天线相比于传统天线在冲突避免和传输距离方面有较大优势。

附图说明

图1是俯仰角、方位角和模糊角度的关系图。

图2是本发明的邻居发现方法流程图

具体实施方式

本发明的算法适用于空海交互的三维立体的异构无线自组织网络。空中节点利用雷达扫描提供的模糊先验信息初步确定海面邻居节点的大致方位，安排邻居发现扫描序列依次与三维立体无线自组网中的邻居握手，握手过程中合理调度定向传输与全向传输模式，实现快速准确的邻居发现。

本发明在空海一体无线自组网的邻居发现阶段提供一种空中节点和海面节点双向邻居发现算法LRA(limited random algorithm)，是一种将先验信息和定向传输结合的适用于三维移动的空海网络的邻居发现算法，能够实现三维空间内空海两端的节点快速交互位置信息。该算法最大限度利用了定向天线在传输方面的优势，又很好地避免了定线天线在邻居发现时不能广播的缺陷，做到了利用先验信息进行“靶向发现”。

空海一体化网络建立在定向传输的基础上，也就是网络中所有节点都配备定向天线，相比与全向传输，定向传输有传输距离大、增益高、抗干扰等特性。因此，本发明中的算法是基于定向传输设计的，其能较好地克服全向传输中诸如大延迟、窄带宽、节点移动性、较高的传输错误率等问题，这就保证了空海节点之间通信的高速率和安全性。本发明以节点自身雷达扫描为辅助，雷达扫描得到的邻居节点模糊地理位置信息作为进行邻居发现的先验信息，这样就有效缓解了基于定向传输系统中进行邻居发现广播信息难的问题。

假设空中节点A需要发现海面节点B，另有一个海面网络的节点C。在第一个过程之后，节点A可能收到来自节点B，收到节点B的确认信息说明第一个过程是准确无误的，邻居发现过程完成。假设节点A此时收到了来自节点C的确认信息，说明第一个过程里节点C收到了节点A的握手包而不是节点B，那么，节点C发送确认包之后认为邻居发现过程完成，节点A无法分辩节点B和C，它也会认为邻居发现过程完成。由于节点B和C都是在海面网络中，对于后期的数据传输等工作，节点A通过B或者C是无差异的，故而这样的过程也是成功的邻居发现过程。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

首先对系统假设如下：

1)网络中所有节点已获取自己的坐标信息，同时，能通过雷达扫描等技术获取邻居节点的模糊信息；

2)网络中各个节点配备的天线都有两种工作模式，即全向和定向模式，节点可以自由转换天线模式。

3)当一个节点同时收到另外两个或两个以上节点发的包时会产生冲突，

4)假设任意空中节点和海面节点之间都是一跳可达的。

5)空海异构网络中所有节点都是时钟同步的，采用时分复用的方式接入信道，时间被分为多个长度相同的时隙(time slot)，每个时隙又均分为两个等长的小时隙。

空海双向邻居发现在一个时隙内完成，第一个小时隙来的时候，空中节点定向向海面邻居节点发送握手包，海面邻居节点调整天线为全向模式；第二个小时隙来的时候，海面节点定向回复确认(ACK)包，此时空中节点调整天线为全向模式。

在第一个过程中，空中节点首先扫描海面邻居节点，扫描获得的信息作为邻居发现的先验信息。受雷达探测精度和节点移动的影响，空中节点在发送握手包时所得的先验信息是模糊的，而并非精确的。如图1所示，假设海面节点B相对于空中节点A的实际俯仰角为D'_p，方位角为D'_a，D_f表示模糊角度，它的大小受雷达探测精度和节点移动影响。此时，空中节点A得到的先验信息中，海面节点B相对于它的俯仰角在D'_p-D_f到D'_p+D_f中变化，方位角在D_a'-D_f到D_a'+D_f中变化。在这里，我们假设空中节点和海面节点都是一跳可达的，故而不考虑节点之间的距离影响。图2是算法的流程图，具体步骤如下：

1)在第一个小时隙来到的时候，空中节点扫描海面邻居节点获得模糊地理位置信息，先验位置信息以俯仰角D'_p和方位角D'_a为参考标记，存在大小为D_f的角度模糊；

2)，空中节点以俯仰角D_P和方位角D_A调整定向天线对准角度并向海面节点发送握手包，其中D_P在有限区间(D'_p-D_f，D'_p+D_f)中随机取值，D_A在有限区间(D_a'-D_f，D_a'+D_f)中随机取值；

3)海面节点设置天线模式为全向接收模式；

4)在第二个时隙来到的时候，若海面节点收到握手包，则根据包里的信息调节天线为定向模式向空中节点回复ACK包，若海面节点没有收到握手包，则继续保持全向接收；

5)空中节点调整天线为全向接收模式，若收到ACK包，则邻居发现过程完成，停止算法；若没有收到ACK包，则在下个时隙来到的时候重复步骤1。

Claims (2)

1.一种基于先验信息的三维立体无线自组网的邻居发现方法，其特征在于：

空中节点利用雷达扫描提供的模糊先验信息初步确定海面邻居节点的大致方位，空中节点在一个模糊范围内随机选择方位角和俯仰角对准海面节点发射握手报文，通过多次调度天线的定向发和全向收模式，完成节点间的二次握手，实现三维立体空海异构无线自组网的邻居发现；空海双向邻居发现在一个时隙内完成，第一个小时隙来的时候，空中节点定向向海面邻居节点发送握手包，海面邻居节点调整天线为全向模式；第二个小时隙来的时候，海面节点定向回复确认ACK包，此时空中节点调整天线为全向模式；具体实现步骤为：

1)在第一个小时隙来到的时候，空中节点扫描海面邻居节点获得模糊地理位置信息，设海面节点B相对于空中节点A的实际俯仰角为D'_p，方位角为D'_a，D_f表示模糊角度，先验位置信息以俯仰角D'_p和方位角D'_a为参考标记，存在大小为D_f的角度模糊；

2)空中节点以俯仰角D_P和方位角D_A调整定向天线对准角度，并向海面节点发送握手包，其中D_P在有限区间(D'_p-D_f，D'_p+D_f)中随机取值，D_A在有限区间(D'_a-D_f，D'_a+D_f)中随机取值；

3)海面节点设置天线模式为全向接收模式；

4)在第二个时隙来到的时候，若海面节点收到握手包，则根据包里的信息调节天线为定向模式向空中节点回复ACK包，若海面节点没有收到握手包，则继续保持全向接收；

5)空中节点调整天线为全向接收模式，若收到ACK包，则邻居发现过程完成，停止算法；若没有收到ACK包，则在下个时隙来到的时候返回步骤1)。

2.根据权利要求1所述的邻居发现方法，其特征在于，设系统如下：

1)空海异构网络中所有节点已获取自己的坐标信息，同时，能通过雷达扫描技术获取邻居节点的模糊信息；

2)空海异构网络中各个节点配备的天线都有两种工作模式，即全向和定向模式，节点可以自由转换天线模式；

3)当一个节点同时收到另外两个或两个以上节点发的包时会产生冲突；

4)假设任意空中节点和海面节点之间都是一跳可达的；

5)空海异构网络中所有节点都是时钟同步的，采用时分复用的方式接入信道，时间被分为多个长度相同的时隙(time slot)，每个时隙又均分为两个等长的小时隙。

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