CN111479305B - 一种基于智能天线的tdma移动自组织网络mac层路由方法 - Google Patents

一种基于智能天线的tdma移动自组织网络mac层路由方法 Download PDF

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Abstract

一种基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法，包括路由功能进行跨层实现，所有路由相关信息的洪泛及路由计算在MAC层实现。MAC层采用TDMA信道接入方式：将时间资源以超帧为单位时元进行划分；基于智能天线进行波束切换，所有的路由控制分组全向广播，数据分组定向发送；通过HELLO分组的广播进行邻居节点的发现；节点采用握手的机制进行邻居筛选，候选邻居信息包中包含本节点预筛选结果；对称邻居筛选完毕后进行拓扑信息的洪泛，节点在指定时隙将本地掌握的拓扑信息聚合打包洪泛到全网；节点根据接收到的所有拓扑信息及链路信息计算全网拓扑结构，计算出路径综合质量最优的路径。本发明路由开销小，分组投递率高。

Description

一种基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法。
背景技术
无线自组织网由一组带有无线通信收发装置的移动节点组成，是一种多跳的临时无中心网络，网络中每个节点的地位平等，每个节点既可以是终端也可以是路由器，且无需依赖于固有的网络基础设施。军用无线通信要求具有较高的保密性、抗监听性、抗干扰性，某些特定应用场景还要求具备超远的传输距离。两个无法直接通信的终端节点之间就需要借助其他节点进行组网转发。
路由协议在自组网中起到了最为关键的作用，也是主要的研究热点与难点。由于自组网中节点随机移动、链路时变以及带宽受限等问题，容易引起路由中断或者网络出现拥塞。移动自组织网络的相关特性使得传统无线网络中的距离矢量路由协议和链路状态路由协议已经不再适用，必须研究专用的自组网路由协议。
此外，目前绝大多数路由算法没有考虑与智能天线以及TDMA接入方式相结合时的设计要求，在超远传输距离场景下的路由建立不能够得到有效解决。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中路由协议不满足无线自组织网特性要求的问题，提供一种基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法，不同应用场景下具有良好的扩展性和兼容性，满足超远距离场景下的传输，减少路由开销，提高整个网络的性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法，包括以下步骤：采用跨层设计使路由功能在MAC层实现，MAC层采用具有预留机制的TDMA信道接入方式；将整个网络以超帧为单位时元进行时域资源划分，一个超帧共划分为N帧，每帧划分为M个时隙；其中初始K帧为接入帧，完成网络节点同步及邻居拓扑信息获取；随后的N-K帧为TDMA传输帧，各节点采用TDMA方式接入共享信道，完成功能包括时隙分配、路由控制信息洪泛、全网拓扑建立与维护、上层业务数据及广播包传输；
设计路由控制分组：
路由控制分组包括HELLO分组、候选邻居信息分组、拓扑控制分组；协议通过节点之间HELLO分组的周期***互，执行链路检测、邻居发现功能；通过候选邻居信息分组的周期***互，执行邻居节点筛选功能；通过拓扑控制分组的周期***互，执行拓扑信息洪泛功能；
发现邻居节点：节点通过周期发送HELLO分组进行邻居侦听；节点发送HELLO分组会携带本地节点负载参数，用于路径选择时的节点饱和程度的表征；节点根据接收到的HELLO分组确定节点本地的候选邻居，并将相关信息储存到候选邻居信息表中，所述的相关信息包括邻居节点ID、邻居节点负载、接收信噪比、链路质量；
筛选邻居节点：一轮HELLO分组广播结束后，节点独立筛选邻居；节点根据本地候选邻居信息表，按照物理层获取的接收信干噪比参数进行排序，信干噪比较高的前Q个邻居即为预筛选结果；节点将本节点的预筛选结果组包候选邻居信息分组在指定时隙广播；节点接收到来自其他节点的候选邻居信息分组后，与本地预筛选结果比对；设定一对节点只有被双向预筛选时才会确定为彼此的邻居节点，以保证邻居的双向对称性；
建立拓扑信息的洪泛与全网拓扑结构：节点将本地的拓扑信息及接收到的来自其他节点的拓扑信息进行聚合打包，然后在指定时隙广播出去；在本节点的非指定广播时隙时收到来自其他节点的拓扑分组后解析有用信息并更新本地的拓扑信息表；在所有节点洪泛结束后，每个节点独立根据本地的拓扑信息表建立全网的拓扑结构；
设计路径选择方法：采用主动式的链路状态路由算法，同时具有QoS保障机制；路径衡量标准为多参数加权组合的单度量参数；用于加权计算路径质量的参数包括链路质量、节点负载、跳数三个参数；选路算法采用Dijkstra算法，参考权值为以上三个参数加权得到的综合权值；算法执行后将最优路径缓存到路由表中，数据发送按照路由表逐跳转发。
作为优选的方案，一个超帧内的TDMA业务帧按功能的不同划分为P个拓扑维护帧与N-K-P个业务帧，每个拓扑维护帧固定授权给网络中某个节点完成其一跳通信范围内路由控制信息广播，因此在每个超帧内，该通信帧结构设计满足P个节点的路由控制信息广播，同时采用L个超帧进行拓扑信息洪泛，用于满足网络最大支持L跳下的全网洪泛。
作为优选的方案，设计路由控制分组时，结合智能天线波束形成技术进行波束切换，将所有的路由控制分组全向广播，数据分组定向发送。
作为优选的方案，发现邻居节点时，考虑用于衡量路由度量的相关参数，添加至各个路由控制分组中进行洪泛。
作为优选的方案，筛选邻居节点时，如果邻居节点过多，则基于某种参量进行邻居节点筛选；节点采用握手机制进行邻居筛选，候选邻居信息包中包含本节点预筛选结果。
作为优选的方案，建立拓扑信息的洪泛与全网拓扑结构时，在对称邻居筛选完毕后进行拓扑信息的洪泛，节点在指定时隙将本地掌握的拓扑信息聚合打包洪泛给邻居。
作为优选的方案，设计路径选择方法时，节点根据获取的全网拓扑结构，基于路径度量下的Dijkstra算法进行路径选择。
相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：该路由方法能够针对不同应用场景下网络能够支持的最多节点数目及最大跳数灵活调整TDMA帧结构，具有良好的扩展性和兼容性；基于智能天线底层技术进行设计，使用智能天线完成路由功能相关控制包的传输，极大提高了传输范围，能够满足超远距离场景下的传输，且控制分组仅在路由传输子帧内传输，减少了路由的控制开销，提高了***效率。采用跨层设计，充分利用自组网协议层其它层所提供的信息，在原有协议以跳数为路径度量的基础上加入了从物理层及数据链路层获取的新的约束参数，有效提高了整个网络的性能。通过进行邻居节点筛选，使得只有邻居节点负责本节点拓扑信息的中继洪泛，能够减少在同一区域内控制消息的重复广播，通过最少的转发使所有节点获取全网的拓扑信息，具有较少的路由开销，节约了网络资源；同时相比于其他路由，更适合网络规模大、节点密度较高的移动自组织网络。拓扑信息洪泛采用聚合N个拓扑信息后组包广播，相比于原有协议对于每一条信息进行中继转发，有效的节约了时隙及信道资源，最大程度的使用数据载荷量，大大减少了路由开销。基于综合参数进行路径选择，有效改善了原有链路状态路由算法仅考虑跳数最小的路径而带来的网络拥塞和由于链路质量差带来的误帧率高等现象，同时兼具实时性数据传输与QoS保障。
附图说明
图1本发明无线自组织网络MAC层通信帧结构整体设计原理图；
图2本发明路由控制分组结构示意图；
图3本发明路由功能实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法，包括以下步骤：
(1)路由方案进行跨层设计。路由相关信息的洪泛及路由算法的执行在MAC层实现。MAC层采用具有预留机制的TDMA信道接入方式。路由算法整体采用主动式的链路状态路由协议。每个节点维护到达全网所有节点的路由表，所有的路径信息在数据发送前既已存在并随时可用。跨层设计是为了充分利用自组网协议层其它层所提供的信息，可以提高整个网络的性能。
无线自组织网络MAC层通信帧结构设计：无线自组织网络通信帧结构整体设计方案如图1所示，将整个网络以超帧为单位时元进行时域资源划分，一个超帧共划分为N帧，每帧划分为M个时隙，每个超帧按功能不同整体上可分为两部分。
首先，初始K帧分时段先后完成网络节点同步及邻居拓扑信息获取；其中，节点同步可采用统一外部同步源(如GPS PPS等)方式或互同步方式；邻居拓扑信息包括相对位置信息(如距离、利用空间谱估计技术获得波达角度DOA等)或绝对位置信息(如地理位置坐标等)。
其次，随后的N-K帧为TDMA传输帧，各节点采用TDMA方式接入共享信道，按功能不同整体上可划分为两种类型的数据帧。
第一，P个拓扑维护帧，拓扑维护帧用于网络拓扑结构的初始建立以及后续动态维护保持，网络中每个节点均保存有全网的拓扑信息，该信息包括全网络各节点间是否存在连接的信息以及链路质量相关信息，这些信息均是路由选择算法所依赖的有用信息。因此每个超帧内可支持P个节点先后进行路由控制信息广播工作，每个拓扑维护帧按功能不同可划分为三个子帧。
a)初始A个连续时隙为路由广播子帧，用于路由功能相关控制信息的广播，包括HELLO分组，候选邻居信息分组，拓扑控制分组，如图2所示，HELLO包携带节点ID及节点负载等信息，候选邻居信息分组携带预筛选后的待确认的邻居节点信息，TC分组携带本地获知的拓扑信息及链路信息；
b)剩余B个连续时隙用于正常的业务数据传输；
第二，N-K-P个业务帧，用于正常的业务数据传输及控制命令传输。
(2)路由控制分组的设计：路由控制分组包括HELLO分组、候选邻居信息分组、拓扑控制分组。
-HELLO分组：用于网络初始建立阶段的邻居发现过程，采用全向发射、定向接收的模式进行传输，该分组携带了节点ID、节点负载、生存时间等信息；节点通过接收到的HELLO分组确定一跳可达的邻近节点；
-候选邻居信息分组：用于邻居节点筛选过程，采用全向发射、定向接收的模式进行传输，该分组携带了节点本地预筛选的Q个待确认的邻近节点的信息；节点通过解析接收到的邻近节点的候选邻居信息分组与本地预筛选结果进行比对更新得到确定的邻居节点(保证对称邻居)。
-拓扑控制分组：用于拓扑信息洪泛过程，采用全向发射、定向接收的模式进行传输。通过拓扑控制分组的周期***互执行拓扑信息声明的功能。节点依据MAC层传输的最大分组载荷聚合本地已知的拓扑信息。该分组携带X个拓扑块，每个拓扑块中携带了Y个邻居块，邻居块包含了该邻居的节点ID、链路质量、节点负载等信息。节点通过接收到的拓扑控制分组和自己本地的拓扑信息来计算全网络的拓扑结构。
(3)节点本地缓存信息：在本发明的路由方法下，节点本地需要储存多种信息表。
-候选邻居信息表：节点根据接收到的HELLO分组进行有用数据信息的存储；包含了候选邻居的节点ID、链路质量、接收调制方式(MCS)、接收信干噪比、节点负载等信息。
-邻居信息表：邻居筛选过程完成后的对称邻居信息的存储；包含了邻居节点ID、接收调制方式、节点负载、该表项序列号等信息。
-拓扑信息表：节点本地的拓扑信息及接收到的来自其他节点的拓扑信息的存储；包含了目的节点ID、可达目的节点的节点ID、链路质量、节点负载、该表项的序列号等信息。
-路由表：存储到达全网其他节点的路径信息，数据发送之前查询该表获取下一跳的地址。该信息表记录了目的节点ID、到达目的节点的下一跳节点ID、路径质量(该路径完整路径代价)、跳数、链路质量、节点负载、该表项的序列号等信息。
(4)邻居节点发现：节点通过周期发送HELLO分组进行邻居侦听。节点发送HELLO分组会携带本地节点负载参数，用于路径选择时的节点饱和程度的表征。节点根据接收到的HELLO分组确定节点本地的候选邻居，同时MAC层需获取物理层计算的接收信干燥比，并将相关信息(包括邻居节点ID、邻居节点负载、接收信噪比、链路质量)储存到候选邻居信息表中。
(5)邻居节点筛选：一轮HELLO分组结束后，节点本地独立分布式的筛选邻居。节点根据本地候选邻居信息表，按照物理层获取的接收信干燥比参数进行排序，信干燥比较高的前Q个邻居即为预筛选结果。节点将本节点的预筛选结果组包候选邻居信息分组在指定时隙广播。节点接收到来自其他节点的候选邻居信息分组后，与本地预筛选结果比对。一对节点只有被双向预筛选时才会确定为彼此的邻居节点，以保证邻居的双向对称性。
a)待确认邻居节点筛选：节点在TDMA帧保护时隙部分，根据候选邻居列表，按照接收信干燥比，将所有候选邻居节点按照筛选标准的优劣按顺序排序，筛选出的N个待确认邻居节点在候选邻居列表中置顶；
b)候选邻居信息广播：在每周期的指定超帧的拓扑维护帧中，所有节点按照某种顺序在置顶时隙组包候选邻居信息分组并广播给所有一跳可达邻居节点。
c)接收节点处理候选邻居信息分组：对于本节点待确认节点，如若对方候选列表中也标识本节点为待确认，直接将该待确认邻居节点放入邻居列表中；如若对方候选列表中未标识本节点为待确认，取消该节点在候选邻居列表中的标识。此时本节点邻居列表不足Q个，在下一次的候选邻居信息广播后进行补充。对于非本节点待确认节点，如若对方候选列表中也标识本节点为待确认，将该节点放入可选邻居列表中；如若对方候选列表中未标识本节点为待确认，则不予处理。
d)下一周期的更新：若本节点此时候选邻居列表中待确认的Q个节点与上一周期筛选结果有异(由于节点移动、加入、退出等导致)，则将新的待确认候选邻居列表组包广播出去；若本节点此时候选邻居列表中待确认的Q个节点与上一次筛选结果一致，且上一轮确定的邻居列表中节点不足Q个。若本节点仍有其他候选邻居可选，则依次判断其他后续节点的可选性(即对方邻居节点也不足Q个)，则将可选节点代替上一轮被剔除的节点，将该节点标识为待确认邻居节点广播出去。
(6)拓扑信息的洪泛与全网拓扑结构的建立：节点将本地的拓扑信息及接收到的来自其他节点的拓扑信息，聚合打包在指定时隙广播出去。节点每次聚合X个拓扑块，每个拓扑块中包含了Y个邻居块。节点接收到TC分组时，首先查询是否已经重复接收过该分组，对于第一次接收到的TC分组，节点将TC分组中的相关信息(源节点ID、该节点的邻居节点、链路质量、节点负载等)记录在本地的拓扑信息表中。节点根据本地的拓扑信息表建立全网的拓扑结构。
(7)路径选择方法的设计：本路由算法为主动式的链路状态路由算法，同时具有QoS保障机制。改进的路由算法核心思想是在路由选路算法中，加入了对物理层链路质量变化以及节点待发数据量负载情况的评估模型。通过物理层获取有效信号的接收信干噪比用以衡量链路质量，从MAC层待发数据队列长度作为节点饱和度的衡量标准。路径衡量标准为多参数加权组合的单度量参数。用于加权计算路径质量的参数包括链路质量、节点负载、跳数三个参数。选路算法采用Dijkstra算法，参考权值为加权得到的综合权值。算法执行后将最优路径(路径质量最小的路径)缓存到路由表中。数据发送按照路由表逐跳转发。
以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些显而易见的修改和替换也均属于权利要求书涵盖的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法，其特征在于，包括以下步骤：采用跨层设计使路由功能在MAC层实现，MAC层采用具有预留机制的TDMA信道接入方式；将整个网络以超帧为单位时元进行时域资源划分，一个超帧共划分为N帧，每帧划分为M个时隙；其中初始K帧为接入帧，完成网络节点同步及邻居拓扑信息获取；随后的N-K帧为TDMA传输帧，各节点采用TDMA方式接入共享信道，完成功能包括时隙分配、路由控制信息洪泛、全网拓扑建立与维护、上层业务数据及广播包传输；一个超帧内的TDMA业务帧按功能的不同划分为P个拓扑维护帧与N-K-P个业务帧，每个拓扑维护帧固定授权给网络中某个节点完成其一跳通信范围内路由控制信息广播，因此在每个超帧内，该通信帧结构设计满足P个节点的路由控制信息广播，同时采用L个超帧进行拓扑信息洪泛，用于满足网络最大支持L跳下的全网洪泛；
设计路由控制分组：
路由控制分组包括HELLO分组、候选邻居信息分组、拓扑控制分组；协议通过节点之间HELLO分组的周期***互，执行链路检测、邻居发现功能；通过候选邻居信息分组的周期***互，执行邻居节点筛选功能；通过拓扑控制分组的周期***互，执行拓扑信息洪泛功能；
设计路由控制分组时，结合智能天线波束形成技术进行波束切换，将所有的路由控制分组全向广播，数据分组定向发送；
发现邻居节点：节点通过周期发送HELLO分组进行邻居侦听；节点发送HELLO分组会携带本地节点负载参数，用于路径选择时的节点饱和程度的表征；节点根据接收到的HELLO分组确定节点本地的候选邻居，并将相关信息储存到候选邻居信息表中，所述的相关信息包括邻居节点ID、邻居节点负载、接收信噪比、链路质量；
筛选邻居节点：一轮HELLO分组广播结束后，节点独立筛选邻居；节点根据本地候选邻居信息表，按照物理层获取的接收信干噪比参数进行排序，信干噪比较高的前Q个邻居即为预筛选结果；节点将本节点的预筛选结果组包候选邻居信息分组在指定时隙广播；节点接收到来自其他节点的候选邻居信息分组后，与本地预筛选结果比对；设定一对节点只有被双向预筛选时才会确定为彼此的邻居节点，以保证邻居的双向对称性；
建立拓扑信息的洪泛与全网拓扑结构：节点将本地的拓扑信息及接收到的来自其他节点的拓扑信息进行聚合打包，然后在指定时隙广播出去；在本节点的非指定广播时隙时收到来自其他节点的拓扑分组后解析有用信息并更新本地的拓扑信息表；在所有节点洪泛结束后，每个节点独立根据本地的拓扑信息表建立全网的拓扑结构；
设计路径选择方法：采用主动式的链路状态路由算法，同时具有QoS保障机制；路径衡量标准为多参数加权组合的单度量参数；用于加权计算路径质量的参数包括链路质量、节点负载、跳数三个参数；选路算法采用Dijkstra算法，参考权值为以上三个参数加权得到的综合权值；算法执行后将最优路径缓存到路由表中，数据发送按照路由表逐跳转发。
2.根据权利要求1所述基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法，其特征在于：发现邻居节点时，考虑用于衡量路由度量的相关参数，添加至各个路由控制分组中进行洪泛。
3.根据权利要求1所述基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法，其特征在于：筛选邻居节点时，如果邻居节点过多，则基于某种参量进行邻居节点筛选；节点采用握手机制进行邻居筛选，候选邻居信息包中包含本节点预筛选结果。
4.根据权利要求1所述基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法，其特征在于：建立拓扑信息的洪泛与全网拓扑结构时，在对称邻居筛选完毕后进行拓扑信息的洪泛，节点在指定时隙将本地掌握的拓扑信息聚合打包洪泛给邻居。
5.根据权利要求1所述基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法，其特征在于：设计路径选择方法时，节点根据获取的全网拓扑结构，基于路径度量下的Dijkstra算法进行路径选择。
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