CN113709809B - 一种基于协同通信的移动自组网广播方法 - Google Patents

一种基于协同通信的移动自组网广播方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于协同通信的移动自组网广播方法，属于无线自组网领域。本发明将广播方案分成竞争阶段、控制报文阶段和数据传输阶段，竞争阶段中，利用基于CSMA竞争协议的广播网络在任务负载较轻时的传输优势洪泛少量竞争报文，分配广播权限；控制报文阶段，结合协同通信，利用时隙分配算法完成节点的时隙分配；数据传输阶段，利用协同通信在传输数据时的优势，结合TDMA时隙分配算法，使得节点能够充分利用信道资源进行数据发送，不会造成节点间相互竞争信道资源，从而进行大量数据的传输，在有效降低控制开销的同时，提高网络负载与传输成功率。本发明中通过将三个阶段进行周期化，解决自组网中由于节点移动带来的网络动态拓扑变化问题。通过本发明所述的广播方案，能够实现自组网中低控制开销、高负载、高投递率的广播。

Description

一种基于协同通信的移动自组网广播方法
技术领域
本发明属于无线自组网领域，主要涉及一种基于多节点间协同通信的移动自组织网络广播方法。
背景技术
移动自组网(MANETs)是一种不依赖于固定基础设施的无线、多跳、自组织的移动通信网络，能够在任何时间、任何地点被快速的组建起来。网络中的每个节点在相对独立的同时又具有数据接收和数据发送的功能；节点可以自由移动，网络拓扑结构动态变化；节点之间的高度协作性以及节点的分布式与并行的操作使得网络具有高度的鲁棒性和容错性。移动自组网具有诸多优点，最初是被应用于军事领域，后面被广泛地应用在野外通信、救援抢险、无线传感网等脱离主干网络的环境中。
广播是单个节点将数据发送到网络中所有其他节点的过程，在移动自组网中，广播是一种重要的信息传递方式，比如寻找网络中某个特定节点、给所有节点通知等场景。目前移动自组网中广播通信方案按照其发送机制可以分为三种：基于简单泛洪的广播方案，基于概率转发的广播方案，基于可靠转发的广播方案。
以下文献介绍了目前移动自组网中几个典型的广播算法方案：
[1]X.M.Zhang,E.B.Wang,J.J.Xia and D.K.Sung,"A Neighbor Coverage-BasedProbabilistic Rebroadcast for Reducing Routing Overhead in Mobile Ad HocNetworks,"in IEEE Transactions on Mobile Computing,vol.12,no.3,pp.424-433,March 2013,doi:10.1109/TMC.2011.277.
[2]Khabbazian M,Blake I F,Bhargava V K.Local broadcast algorithms inwireless ad hoc networks:reducing the number of transmissions[J].IEEETrans.on Mobile Computing,2012,11(3):402-413。
在移动自主网的广播方案中，基于简单泛洪的方案是网络中每个节点收到数据之后都进行一次转发，简单泛洪会引发广播风暴，导致大量的数据冗余、信道竞争和传输碰撞。无线信号的传输在空间上具有广播特性，一个节点的广播能够同时覆盖多个节点，所以很多节点的广播是多余的。文献[1]提出一种基于概率转发的方案NCPR，网络中节点通过周期性的交换HELLO报文收集一跳邻居节点信息，通过发送RREQ报文来获取两跳邻居信息。NCPR方案定义了网络中节点的额外覆盖率和连通系数两个参数，并通过两跳邻居信息计算出参数值，进而计算出节点的数据转发概率，通过减少节点的转发概率，降低广播过程中的数据冗余，从而提升网络性能。文献[2]中提出一种基于可靠转发的广播LBA，方案中节点同样需要维护两跳邻居信息，节点在发送数据时，需要根据两跳邻居信息指定下一跳需要转发数据的节点，被指定的节点必须对接收到的数据进行转发，其他没有被指定的节点根据算法自行判定是否转发。LBA方案在保证广播覆盖率的情况下，通过尽量减少参与转发的节点来降低广播过程中的数据冗余。
上述广播方案主要存在以下问题：
1)网络中需要获取两跳节点的信息，而移动自组网的“移动”性质，会使得网络拓扑在不断的变化，这样需要及时的维护两跳邻居信息，造成大量的控制开销。
2)由于广播方案中采用基于CSMA竞争协议，当节点密度较低或者任务负载较轻时能够达到较好的传输效果，但随着网络负载加大，节点密度增加，网络中的竞争加剧，往往会造成大面积的网络拥塞与丢包，而网络的拥塞与丢包又导致节点进行数据重传等恶性循环，导致网络性能的急剧下降。
3)不论是基于概率转发的广播方案还是基于可靠转发的广播方案，本质上都是通过尽量减少节点的多余的转发来降低数据的冗余，但与此同时也会造成节点覆盖率问题，降低了数据包的投递率。
发明内容
本发明主要是为了解决现有广播方案中面对高节点密度和高网络负载情况下，会产生大量冗余传输以及网络拥塞导致网络性能急剧下降的问题；本发明提供了一种基于协同通信的广播方案。
本发明技术方案为一种基于协同通信的移动自组网广播方法，该方法包括以下循环步骤：
A、竞争阶段；
B、控制报文阶段；
C、数据传输阶段；
所述竞争阶段：
(A1)网络中节点初始化，设置默认参数start＝0，end＝1，初始化数组S(v)，C(v)；
(A2)清空数组S(v)，C(v)，有广播需求的节点产生[start，end]之间的随机数α，作为竞争条件；
(A3)小组内有广播需求的节点在竞争阶段广播发送包含节点ID和随机数α的竞争报文；
(A4)网络中节点接收到竞争报文，并取得竞争报文中的节点ID和随机数α，分别对应赋值给参数Si和Ci，并对应存入数组S(v)和C(v)；
(A5)竞争阶段结束时，在数组C(v)中选择最小值Ci，若自身节点ID等于选择出的Ci对应的Si，则取得广播权限，在本周期中成为广播节点，设置参数start＝1–α；否则，成为普通节点。
(A6)进入控制报文阶段；
所述控制报文阶段：
(B1)节点初始化参数时隙计数count为0，初始换参数周期阈值P，若节点是广播节点，则定义自身时隙T为0；发送包含时隙T的时隙分配报文，进入数据传输阶段；普通节点则等待时隙分配；
(B2)若节点首次接收到时隙分配报文，则根据接收到控制报文中的时隙信息分配自己的时隙；具体算法为：
T＝(Tpre+1)％3
其中Tpre是数据包中包含的上一跳时隙信息，T是分配到的时隙信息，％是取余算法；
(B3)若节点在自身时隙后的一个周期内，再次收到时隙分配报文，则自身节点种类从普通节点变更为中继节点；否则，自身节点种类从普通节点变更为边界节点；
(B4)进入数据传输阶段；
所述数据传输阶段：
(C1)若节点为广播节点，则准备发送数据包，并在满足自身时隙T＝count％3时，进行数据包广播；
(C2)若节点为中继节点，并且是首次接收到此数据包，则在自身时隙T＝count％3时，进行数据包转发，若接收到重复的数据包，则丢弃；
(C3)若节点为边界节点，则节点在接收到数据包后，不进行任何转发；
(C4)若时隙计数count小于周期阈值P，则重复步骤C1，C2，C3；若时隙计数count大于等于周期阈值P，进入步骤C5；
(C5)所有节点种类变更为普通节点，时隙计数清零，各节点时隙清楚，进入竞争阶段A2。
上述阶段A算法如图2所示，阶段B、C算法流程图如图3所示：
如上所述，本发明设计了基于协同通信的广播方法，相较于传统基于信道竞争的广播算法，具有以下优势：
1、本发明中利用了基于CSMA广播网络在低负载下的传输优势，在竞争阶段通过广播少量竞争报文确定广播节点；利用基于TDMA的协同通信算法，使得节点能够充分利用信道资源进行数据发送，不会造成节点间相互竞争信道资源，从而能够应对网络的高负载，进行大量数据的传输，提高网络传输效率。
2、本发明中的控制报文阶段结合协同通信算法，能够迅速有效的完成时隙分配过程，并且有效克服了节点密度对于网络广播带来的影响。
3、本发明中的广播算法充分利用协同通信带来的空间增益，从而提高数据包传输的成功率，有效的提高了网络投递率。
附图说明
图1为竞争阶段示意图。
图2为时隙分配示意图。
图3为竞争阶段流程图。
图4为控制报文阶段与数据传输阶段流程图。
具体实施方式
在详细介绍本发明技术方案之前，给出如下说明：
1、竞争阶段采用CSMA竞争协议，控制报文阶段和数据传输阶段采用TDMA协议；
2、结合现代编码及参数抖动技术，协同通信能够充分利用多节点带来的空间增益，避免节点间信道资源竞争。
3、移动自组网中节点默认时间同步。
4、时隙计数参数count每隔一个时隙自动加一，并在一个周期完成后清零。
为使本发明的目的、技术方法和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，自组织网络中存在23个节点，其中S1、S2、S3节点有广播需求。
A、竞争阶段：
(A1)网络中节点初始化，设置默认参数start＝0，end＝1，初始化数组S(v)，C(v)。
(A2)清空数组S(v)，C(v)，有广播需求的节点S1、S2、S3产生[start，end]之间的随机数α，作为竞争条件
(A3)小组内有广播需求的节点S1、S2、S3在竞争阶段广播发送包含节点ID和随机数α的竞争报文。
(A4)网络中节点接收到竞争报文，并取得竞争报文中的节点ID和随机数α，分别赋值给参数Si和Ci，并存入数组S(v)和C(v)。
(A5)竞争阶段结束时，在数组C(v)中选择最小值Ci，若自身节点ID等于Si，则得取得广播权限，在本周期中成为广播节点，设置参数start＝1-α，否则，成为普通节点，设置参数start为0。现在假设节点S1产生的随机数最小，则S1节点获得广播权限，成为本周期中的广播节点，其他节点成为普通节点。
竞争阶段完成后，如图2所示，节点S1获得广播权限。
B、控制报文阶段
(B1)初始化参数周期阈值P，广播节点S1初始化参数时隙计数count为0，定义自身时隙T为0。发送包含时隙T的时隙分配报文，进入数据传输阶段。普通节点则等待时隙分配。
(B2)若节点首次接收到时隙分配报文，则根据接收到控制报文中的时隙信息分配自己的时隙。具体算法为：
T＝(Tpre+1)％3
其中Tpre是数据包中包含的上一跳时隙信息，T是分配到的时隙信息，％是取余算法。
(B3)若节点在自身时隙后的一个周期内，再次收到时隙分配报文，则自身节点种类从普通节点变更为中继节点；否则，自身节点种类从普通节点变更为边界节点。
(B4)进入数据传输阶段控制报文阶段完成后，如图2所示，网络中节点已经分配到自己的时隙信息。
C、数据传输阶段
(C1)节点S1准备发送数据包，并在满足自身时隙T＝count％3时，进行数据包广播。
(C2)若节点为中继节点，并且是首次接收到此数据包，则在自身时隙T＝count％3时，进行数据包转发，若接收到重复的数据包，则丢弃。
(C3)若节点为边界节点，则节点在接收到数据包后，不进行任何转发。
(C4)若时隙计数count小于周期阈值P，则重复步骤C1，C2，C3；若时隙计数count大于等于周期阈值P，进入步骤C5。
(C5)所有节点种类变更为普通节点，时隙计数清零，各节点时隙清除，进入竞争阶段A2。
本发明特点在于：
1、利用了基于CSMA广播网络在低负载下的传输优势，在竞争阶段通过广播少量竞争报文确定广播节点；利用基于TDMA的协同通信算法，使得节点能够充分利用信道资源进行数据发送，不会造成节点间相互竞争信道资源，从而进行大量数据的传输，提高网络负载与传输效率。
2、控制报文阶段结合协同通信算法，能够迅速有效的完成时隙分配过程，并且有效克服了节点密度对于网络广播带来的影响。
3、广播算法能够充分利用协同通信带来的空间增益，提高数据包传输的成功率，有效的提高了网络投递率。
4、本发明中广播算法通过将三个阶段周期化，来解决自组网中由于节点移动带来的网络动态拓扑变化问题。

Claims (1)

1.一种基于协同通信的移动自组网广播方法，该方法包括以下循环步骤：
A、竞争阶段；
B、控制报文阶段；
C、数据传输阶段；
所述竞争阶段：
(A1)网络中节点初始化，设置默认参数start＝0，end＝1，初始化数组S(v)，C(v)；
(A2)清空数组S(v)，C(v)，有广播需求的节点产生[start，end]之间的随机数α，作为竞争条件；
(A3)小组内有广播需求的节点在竞争阶段广播发送包含节点ID和随机数α的竞争报文；
(A4)网络中节点接收到竞争报文，并取得竞争报文中的节点ID和随机数α，分别对应赋值给参数Si和Ci，并对应存入数组S(v)和C(v)；
(A5)竞争阶段结束时，在数组C(v)中选择最小值Ci，若自身节点ID等于选择出的Ci对应的Si，则取得广播权限，在本周期中成为广播节点，设置参数start＝1–α；否则，成为普通节点；
(A6)进入控制报文阶段；
所述控制报文阶段：
(B1)节点初始化参数时隙计数count为0，初始换参数周期阈值P，若节点是广播节点，则定义自身时隙T为0；发送包含时隙T的时隙分配报文，进入数据传输阶段；普通节点则等待时隙分配；
(B2)若节点首次接收到时隙分配报文，则根据接收到控制报文中的时隙信息分配自己的时隙；具体算法为：
T＝(Tpre+1)％3
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