劉巖　劉成朋　楊健

摘要：為了減少無線自組網(wǎng)的組網(wǎng)所需時間，提升隨機發(fā)現(xiàn)算法鄰居發(fā)現(xiàn)的概率，提出了一種基于定向天線的隨機鄰居發(fā)現(xiàn)算法。根據(jù)相控陣天線能夠自由切換寬波束和窄波束的特點，發(fā)揮寬波束搜索能力強、窄波束傳輸能力強的優(yōu)勢，使用寬波束和窄波束來進行鄰居發(fā)現(xiàn)，并結合碰撞重傳機制和鄰居節(jié)點輔助發(fā)現(xiàn)機制，對碰撞重傳的最優(yōu)競爭窗口值進行了計算。仿真實驗表明，算法降低了鄰居再發(fā)現(xiàn)的時間開銷，增加了鄰居的發(fā)現(xiàn)概率，滿足快速組網(wǎng)和高速通信的需求。在不同節(jié)點數(shù)下，鄰居發(fā)現(xiàn)所需時隙數(shù)均少于基于碰撞避免的隨機發(fā)現(xiàn)算法，具備更快的鄰居發(fā)現(xiàn)速度。所提算法可為無線自組網(wǎng)提供一種高效的鄰居發(fā)現(xiàn)方案，提高無線自組織網(wǎng)絡性能，在飛行器組網(wǎng)等應用場景中具有一定的實用價值。

關鍵詞：無線通信技術;無線自組網(wǎng);定向天線;鄰居發(fā)現(xiàn);隨機發(fā)現(xiàn);波束寬度

中圖分類號：TN929.5文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02002

Fast random neighbor discovery algorithm based onwireless Ad hoc network of directional antennas

LIU Yan，LIU Chengpeng，YANG Jian

（The 54th Research Institution of CETC，Shijiazhuang，Hebei 050081，China）

Abstract：In order to reduce the time required for wireless Ad hoc network and improve the probability of neighbor discovery in random discovery algorithm，a fast random neighbor discovery algorithm based on directional antennas wireless Ad hoc network was proposedBased on the characteristics of the free switch between wide and narrow beams of phased array antenna，the proposed algorithm gave full play to the advantages of strong wide beam search ability and narrow beam transmission ability，used wide beam and narrow beam for neighbor discovery，and combined the collision retransmission mechanism and neighbor node auxiliary discovery mechanism to calculate the optimal competition window value of the collision retransmissionIt reduced the time cost of the neighbor rediscoveryThe simulation experiment shows that the algorithm increased the probability of neighbor discovery，and met the needs of fast networking and high-speed communication，and under different numbers of nodes，the number of time slots required for neighbor discovery of the proposed algorithm is less than that of the random discovery algorithm based on collision avoidance，and has a faster neighbor discovery speedThis design method can provide an efficient neighbor discovery scheme for wireless Ad hoc network，improve the performance of wireless Ad hoc network，and has certain practical value in application scenarios such as aircraft network

Keywords： wireless communication technology;wireless Ad hoc network;directional antenna;neighbor discovery;random discovery;beam width

隨著無線通信技術的高速發(fā)展，無線自組網(wǎng)由于具備自組織、抗毀性強和無中心等特點，引起了研究者們的廣泛關注[1]，其應用范圍也得到了擴展。目前傳統(tǒng)的無線自組織網(wǎng)絡大多采用全向天線模式[2]，該模式具有輻射無方向性的特點，存在節(jié)點間傳輸距離受限、信息易截獲和信道利用率低[3]等問題。為解決上述問題，研究人員將定向天線引入無線自組網(wǎng)中[4]。定向天線在特定方向具有很高的收發(fā)增益，而在其他方向上增益很小，故具備傳輸距離遠、抗截獲能力強和信道利用率高等優(yōu)點[5-7]。然而，定向天線的引入使鄰居發(fā)現(xiàn)變得較為困難，鄰居互相發(fā)現(xiàn)必須滿足以下3個條件：1）通信的雙方必須滿足同一時間進行信息交互;2）同一時間通信雙方的波束必須彼此指向對方;3）2個節(jié)點的距離應該小于此場景下的最遠傳輸距離。目前，鄰居發(fā)現(xiàn)算法主要分為確定型發(fā)現(xiàn)算法[8-10]和隨機型發(fā)現(xiàn)算法[11-14]兩類。確定型發(fā)現(xiàn)算法協(xié)調(diào)了所有節(jié)點的發(fā)送和接收方向，增加了檢測概率，但同時增加了碰撞概率;相反，隨機型發(fā)現(xiàn)算法中收發(fā)狀態(tài)隨機和方向隨機的方案降低了檢測概率和碰撞概率。B43F9E47-26B5-44BC-8274-6197D0BDF388

近年來，為了提升鄰居發(fā)現(xiàn)算法的性能，鄰居輔助發(fā)現(xiàn)方法被許多研究者關注。文獻[15]通過引入DSN的鄰居協(xié)作發(fā)現(xiàn)機制，使節(jié)點在不同扇區(qū)交換輪詢消息，間接發(fā)現(xiàn)鄰居。然而，該算法只能保證在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)90%的鄰居。文獻[16]采用慢掃描模式，以較低的延遲將鄰居發(fā)現(xiàn)概率提高至接近100%。文獻[17]在相鄰節(jié)點之間尋找鄰居集合的發(fā)現(xiàn)交集，利用公共鄰居來提高發(fā)現(xiàn)效率，加快了鄰居發(fā)現(xiàn)的進程。

消息碰撞問題是影響鄰居發(fā)現(xiàn)速度的因素之一。當網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)較少時，碰撞幾乎沒有出現(xiàn)，若采用節(jié)點以一定概率保持靜默的策略來降低碰撞概率，則會降低發(fā)現(xiàn)概率，反而影響發(fā)現(xiàn)速度。隨著網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點數(shù)的增加，碰撞問題會隨之增加，合理的碰撞避免機制會降低碰撞概率，合理的碰撞解決機制會快速再發(fā)現(xiàn)，相比重新發(fā)現(xiàn)耗時短，從而加快發(fā)現(xiàn)速度。為了解決消息碰撞問題，文獻[18]提出SBA-PI算法引入了靜默狀態(tài)，使節(jié)點具備發(fā)送、接收以及靜默3種狀態(tài)，這一操作通過碰撞避免機制減少沖突。此外，文獻[19]在隨機發(fā)現(xiàn)的基礎上，引入選擇性回復機制，節(jié)點一次握手成功后，以概率ρ進行回復，減少了二次握手中的碰撞沖突，但是在碰撞較少的情況下，降低了鄰居發(fā)現(xiàn)的概率。文獻[20]通過隨機選擇發(fā)送控制消息的微時隙，有效避免了碰撞沖突的產(chǎn)生。以上算法都通過避免碰撞的方式來提升鄰居發(fā)現(xiàn)速度，但這會降低鄰居發(fā)現(xiàn)的概率。因此，文獻[21]在經(jīng)典的隨機發(fā)現(xiàn)算法[22]的基礎上，結合鄰居輔助發(fā)現(xiàn)方法，提出了碰撞重傳機制來解決碰撞問題。[JP2]該方法在碰撞后重新預約時隙進行重傳，改善了碰撞帶來的影響。在隨機算法中，相比于碰撞避免的方式，碰撞解決機制能避免浪費此次波束對準的機會，快速再發(fā)現(xiàn)，從而加快發(fā)現(xiàn)速度。

然而，在實際應用中，定向天線的加入對無線自組網(wǎng)提出了快速組網(wǎng)和高速通信的需求。而普通的隨機發(fā)現(xiàn)算法已無法滿足性能要求，采用窄波束搜索、窄波束監(jiān)聽的方式，導致鄰居發(fā)現(xiàn)概率較低，發(fā)現(xiàn)時間較長。因此本文提出一種基于定向天線無線自組網(wǎng)的快速隨機鄰居發(fā)現(xiàn)算法，根據(jù)相控陣天線能夠自由切換寬波束和窄波束的特點，發(fā)揮寬波束搜索能力強、窄波束傳輸能力強的優(yōu)勢，采用窄波束搜索、寬波束監(jiān)聽策略進行鄰居發(fā)現(xiàn)，增加鄰居的發(fā)現(xiàn)概率，滿足快速組網(wǎng)和高速通信的需求。

1網(wǎng)絡模型描述

假設每個節(jié)點都配備一副可以調(diào)整為寬波束和窄波束的一維相控陣天線，其中發(fā)送節(jié)點窄波束個數(shù)為K₁，接收節(jié)點寬波束個數(shù)為K₂。此外，節(jié)點還具有以下特點。

1）網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù)為N，每個節(jié)點都有唯一的ID標識。

2）一個鄰居發(fā)現(xiàn)時隙可以分為2個子時隙，在每個子時隙中，節(jié)點可以完成握手的過程。鄰居發(fā)現(xiàn)時隙劃分如圖1所示。

3）假設2個具有定向天線的節(jié)點可以互相通信，需要一個節(jié)點處于接收狀態(tài)，另一個節(jié)點處于發(fā)射狀態(tài)，并且它們的收發(fā)波束相互覆蓋。因此，2個節(jié)點必須要同時指向其波束，并且發(fā)送和接收狀態(tài)相反。

4）如果有2個或者2個以上的波束到達一個節(jié)點的接收波束上，則會發(fā)生消息碰撞，碰撞之后，節(jié)點不會收到數(shù)據(jù)包。在子時隙1，A節(jié)點進行發(fā)送，B節(jié)點進行接收。在子時隙2，2個節(jié)點收發(fā)狀態(tài)相反，通信成功的案例如圖2所示。

當一個節(jié)點同時從其給定波束中的2個或多個鄰居接收發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包時，就會發(fā)生碰撞，碰撞案例如圖3所示。在這種情況下，節(jié)點無法解析信息，因此認為數(shù)據(jù)包丟失了。每個節(jié)點可以通過一個簡單的能量探測器區(qū)分空時隙和一個碰撞的時隙。

2基于定向天線無線自組網(wǎng)的快速隨機鄰居發(fā)現(xiàn)算法

2.1改進思路

為了在遠距離的條件下快速地發(fā)現(xiàn)鄰居，建立網(wǎng)絡，達到數(shù)據(jù)高速通信的目的。所提算法使用定向天線，采用兩次握手的工作機制完成鄰居發(fā)現(xiàn)，握手過程如圖4所示。一次握手階段發(fā)送節(jié)點使用窄波束掃描，接收節(jié)點使用寬波束監(jiān)聽，二次握手階段接收節(jié)點使用窄波束回復，發(fā)送節(jié)點使用窄波束監(jiān)聽，增大節(jié)點發(fā)現(xiàn)概率，并結合碰撞重傳機制和鄰居輔助發(fā)現(xiàn)機制，加快鄰居發(fā)現(xiàn)進程，滿足快速發(fā)現(xiàn)鄰居的需求。

相較于傳統(tǒng)隨機發(fā)現(xiàn)算法采用窄波束相互掃描的方式。所提算法使用窄波束掃描，寬波束監(jiān)聽的策略，并采用低速率模式進行鄰居發(fā)現(xiàn)以提高可靠性，增加了接收靈敏度，如式（1）和式（2）所示，能夠提高鄰居發(fā)現(xiàn)概率，縮短鄰居發(fā)現(xiàn)的時間。

發(fā)射功率-接收靈敏度=LOS， （1）

S=10lg（kTB）+NF+SNR， （2）

式中：S代表接收靈敏度，接收靈敏度越小，則接收機的接收性能越好;k代表玻爾茲曼常數(shù)，T代表絕對溫度，B代表信號帶寬，kTB整體表示帶寬范圍內(nèi)的熱噪聲功率;NF代表系統(tǒng)噪聲系數(shù);SNR代表解調(diào)所需信噪比。由此可知，選擇低速率通信，則接收靈敏度越小，便于發(fā)現(xiàn)鄰居。

2.2工作流程

本文算法主要包括參數(shù)初始化、碰撞解決階段和鄰居輔助發(fā)現(xiàn)階段3個過程。其中參數(shù)初始化中主要完成節(jié)點收發(fā)狀態(tài)和天線方向的選取，碰撞解決階段完成碰撞節(jié)點的信息重傳過程，鄰居輔助發(fā)現(xiàn)階段根據(jù)收到的信息包，判斷是否有自身未含有的鄰居信息，間接進行鄰居發(fā)現(xiàn)，加快鄰居發(fā)現(xiàn)進程。綜上，所提算法的工作流程如圖5所示。

2.2.1算法步驟

步驟1：生成N個處于隨機位置的初始節(jié)點，所有節(jié)點已通過外部授時或自帶銣鐘進行時間同步。

步驟2：每個節(jié)點以一定概率成為發(fā)送節(jié)點或接收節(jié)點。1）成為發(fā)送節(jié)點概率p_t，在子時隙1向隨機方向用窄波束搜索，[JP2]在子時隙2向相同的方向用窄波束監(jiān)聽。2）成為接收節(jié)點的概率為1-p_t，在子時隙1向隨機方向用寬波束監(jiān)聽。如果子時隙1成功收到信息包，則在子時隙2判斷來時信息的方向，切換窄波束進行回復，否則需判斷是碰撞還是未收到信息包。若發(fā)生碰撞則進入碰撞解決機制，否則將在子時隙2保持靜默狀態(tài)，保存節(jié)點能量。B43F9E47-26B5-44BC-8274-6197D0BDF388

步驟3：若節(jié)點間在鄰居發(fā)現(xiàn)階段完成兩次握手，則2個節(jié)點成為鄰居，并且收到對方的鄰居列表。例如，節(jié)點A和B互為鄰居，節(jié)點B和C互為鄰居，A和C通過B節(jié)點提供的鄰居列表，進行間接鄰居發(fā)現(xiàn)。

步驟4：當發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中全部節(jié)點間所有鏈路時，鄰居發(fā)現(xiàn)成功。

對參數(shù)初始化、碰撞解決階段和鄰居輔助發(fā)現(xiàn)階段進行詳細介紹。

2.2.2節(jié)點參數(shù)初始化

節(jié)點參數(shù)包括節(jié)點收發(fā)狀態(tài)和天線方向，若定義發(fā)送節(jié)點窄波束個數(shù)為K₁，接收節(jié)點窄波束個數(shù)為K₂。具體初始化步驟如下。

1）當節(jié)點啟動后，首先根據(jù)當前的時隙號搜索退避列表，判斷是否要進行退避。

2）如果不需要退避，則開始按照算法隨機選擇節(jié)點的收發(fā)狀態(tài)和天線方向。

3）如果需要退避則按照退避列表選擇節(jié)點的收發(fā)狀態(tài)和天線方向。

節(jié)點收發(fā)狀態(tài)的選取需要對發(fā)送概率進行研究。在每個時隙開始時，一跳鄰域中的每個節(jié)點分別以p_t和1-p_t的概率隨機選擇發(fā)送或者接收。如果節(jié)點發(fā)送概率p_t設置過高，將導致較多的碰撞，減慢鄰居發(fā)現(xiàn)速度。相反，如果節(jié)點發(fā)送概率p_t設置過低，將導致信道利用率不足，從而降低鄰居發(fā)現(xiàn)效率。因此，求解最優(yōu)的發(fā)送概率才能獲得最大的鄰居發(fā)現(xiàn)概率。為了評估鄰居發(fā)現(xiàn)算法的性能，這里計算了節(jié)點i和節(jié)點j在給定時隙t中發(fā)現(xiàn)彼此的概率，用p_s表示。對于鄰居發(fā)現(xiàn)過程，節(jié)點應該在2個子時隙中成功傳輸。

假設節(jié)點i作為發(fā)送節(jié)點，節(jié)點j作為接收節(jié)點，二者互相發(fā)現(xiàn)彼此，需要滿足3個條件。

1）對于節(jié)點i，在子時隙1，節(jié)點i向節(jié)點j的方向發(fā)送消息的概率為A=（1/K₁）p_t，在子時隙2，節(jié)點j回復節(jié)點i的概率為1。

2）對于節(jié)點j，在子時隙1，節(jié)點j在節(jié)點i的方向接收消息的概率為B=（1/K₂）pt，在子時隙2，節(jié)點i指向原來發(fā)送方向保持接收的概率為1。

3）對于任意一個其他節(jié)點，假如此節(jié)點不干擾到節(jié)點i和節(jié)點j正常通信的概率可描述為C=p_t（1-1/K₁K₂）+（1-p_t）[1-（p_t/K₁²）]，第1部分表示在子時隙1，其他節(jié)點沒有選擇向節(jié)點j接收方向發(fā)送的概率，在子時隙2，節(jié)點不會再發(fā)送。第2部分表示在子時隙1，其他節(jié)點保持接收狀態(tài)，在子時隙2，沒有向節(jié)點i的方向回復信息的概率。

結合上述3點，同理可得，節(jié)點j作為發(fā)送節(jié)點，節(jié)點i作為接收節(jié)點的概率，故節(jié)點i和節(jié)點j在時隙t成功發(fā)現(xiàn)彼此的概率如式（3）：

p_s=2ABC^n-1， （3）

式中n-1為節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)。

2.2.3碰撞解決階段

碰撞解決流程如圖6所示，假定一跳的鄰域內(nèi)有4個節(jié)點A，B，C，D，在子時隙1中，節(jié)點A，C和D處于發(fā)送模式，而節(jié)點B處于接收模式。在這種情況下，節(jié)點B可能接收到多個發(fā)現(xiàn)包，導致沖突，在子時隙2中，節(jié)點B使用相同的波束傳輸碰撞確認信息，4個節(jié)點進入碰撞解決階段[20]。

節(jié)點B一直保持接收模式，直到它成功接收到2個信息包為止，代表重傳成功。而節(jié)點A，C，D將在接下來的幾個時隙計劃重傳，在競爭窗口CW中隨機選擇一個重傳時隙，其他時隙節(jié)點可以進行發(fā)送或者接收。但是如果節(jié)點A進入了碰撞解決機制，那么它在接收到B的成功回復之前，不會再對B計劃新的重傳。如果多個節(jié)點選擇同一個時隙進行重傳，那么將根據(jù)競爭窗口值選取新的時隙進行重傳，保證碰撞解決。

在碰撞解決機制中，為了降低多個節(jié)點選取同一時隙進行重傳的概率，避免鄰居發(fā)現(xiàn)包再次碰撞，需要定義恰好一個節(jié)點選擇一個給定時隙進行重傳的概率，找到最優(yōu)的競爭窗口值CW，使成功重傳的概率取最大值。

定義i個節(jié)點選擇同一個時隙進行重傳的概率為p_s（i）。每個節(jié)點周圍有n個鄰居節(jié)點，其中恰好有i個節(jié)點需要進行重傳，每個節(jié)點選擇重傳時隙的概率為1/CW，此時模型可以視為二項式分布n，1CW，可以得出：

綜上，所提算法在碰撞解決階段設置競爭窗口大小為n時最優(yōu)。

2.2.4鄰居輔助發(fā)現(xiàn)階段

網(wǎng)絡時幀分為鄰居發(fā)現(xiàn)階段、管控階段及數(shù)據(jù)傳輸3個階段。鄰居發(fā)現(xiàn)階段進行互相發(fā)現(xiàn)，鄰居發(fā)現(xiàn)包攜帶自身鄰居信息，發(fā)現(xiàn)成功后將得知潛在的鄰居;管控階段完成所有節(jié)點的波束跟蹤，業(yè)務請求和時隙分配功能，兩兩節(jié)點彼此對準一次。若節(jié)點A和B在鄰居發(fā)現(xiàn)階段成為鄰居，則互相收到對方的鄰居發(fā)現(xiàn)包，記錄潛在的鄰居，將在管控階段進行對準，包括與潛在鄰居的對準，此為鄰居輔助發(fā)現(xiàn)過程[17]。節(jié)點拓撲關系如圖7所示。

3仿真結果分析

為了驗證所提算法的有效性，在Matlab平臺上進行仿真驗證。實驗中，在5 000×5 000的區(qū)域內(nèi)隨機生成節(jié)點，本算法兩節(jié)點間的最大傳輸距離設置為1 000，以發(fā)現(xiàn)全部節(jié)點間所有鏈路所需時隙數(shù)為指標。仿真實驗結果表明，相較于文獻[21]中的算法以及經(jīng)典的隨機算法，所提算法具有更高的鄰居發(fā)現(xiàn)概率，且發(fā)現(xiàn)全部鄰居所用時隙數(shù)更少，鄰居發(fā)現(xiàn)的效率更高。

3.1最佳發(fā)送概率選取的仿真及分析

由22節(jié)的式（3）可得，當節(jié)點發(fā)送概率p_t為05時，發(fā)現(xiàn)概率p_s取最大值。通過實驗對以上結論進行驗證，此處設置窄波束個數(shù)K₁=12，寬波束個數(shù)K₂=4，節(jié)點個數(shù)N分別設置為16，32，48以代表低密度、中密度、高密度3種情況。每個概率p_t重復10次實驗取p_s的平均值，仿真結果如圖8和圖9所示。其中圖8展示了發(fā)現(xiàn)概率p_s隨發(fā)送概率的變化圖，圖9展示了發(fā)送概率p_t對總時隙數(shù)的影響。B43F9E47-26B5-44BC-8274-6197D0BDF388

由圖8可知，在低密度、中密度、高密度3種情況下，當發(fā)送概率p_t取05時，發(fā)現(xiàn)概率p_s最大，可以達到最佳的發(fā)現(xiàn)效果，與式（3）推導結論相符。此外，由圖9可知，當p_t取05時，鄰居發(fā)現(xiàn)所需總時隙數(shù)slots最少，該趨勢與理論推導相符。

3.2算法性能對比

為了客觀驗證所提算法的有效性，本節(jié)將所提算法進行仿真，并與文獻[21]中的算法及經(jīng)典的隨機算法進行對比，使用發(fā)現(xiàn)全部節(jié)點間所有鏈路所需時隙數(shù)slots作為性能指標。所提算法設置窄波束個數(shù)K₁=12，寬波束個數(shù)K₂=4，文獻[21]中的算法及經(jīng)典的隨機算法，設置發(fā)節(jié)點和收節(jié)點窄波束個數(shù)均為K=12。鄰居發(fā)現(xiàn)時間性能進行對比如圖10所示。其中橫坐標表示節(jié)點個數(shù)N，縱坐標表示鄰居發(fā)現(xiàn)所需總時隙數(shù)slots。

由圖10可知，所提算法發(fā)現(xiàn)所有節(jié)點所需的時間均小于文獻[21]中隨機算法及經(jīng)典的隨機算法所需時間，并且隨著節(jié)點數(shù)的增多，所提算法與其他算法相比，增長的時間較少，具備更優(yōu)的性能。為了進一步考察所提算法的性能，將節(jié)點個數(shù)N增加到100個，如圖11所示。

由圖11可知，隨著節(jié)點個數(shù)的增大，所提算法完成鄰居發(fā)現(xiàn)所需時隙數(shù)為線性增長，當網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)為100時，所需時隙數(shù)僅約為450個。

4結語

本文研究了基于定向天線的無線自組網(wǎng)鄰居發(fā)現(xiàn)問題，為了提升鄰居發(fā)現(xiàn)的效率，根據(jù)相控陣天線能夠自由切換寬波束和窄波束的特點，發(fā)揮寬波束搜索能力強，窄波束傳輸能力強的優(yōu)勢，使用窄波束搜索，寬波束接收來進行鄰居發(fā)現(xiàn)，增加了鄰居的發(fā)現(xiàn)概率，滿足快速組網(wǎng)和高速通信的需求。仿真實驗表明，所提算法能計算出節(jié)點的最佳發(fā)送概率和碰撞重傳的最佳窗口值，從而取得最優(yōu)的鄰居發(fā)現(xiàn)效果，加快鄰居發(fā)現(xiàn)速度，并且隨著節(jié)點數(shù)增加，所提算法性能更優(yōu)。

鄰居發(fā)現(xiàn)階段使用低速率模式通信，實現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)和前期握手，這導致鄰居發(fā)現(xiàn)階段的信息傳輸速率受到了一定程度的限制。因此，如何在鄰居發(fā)現(xiàn)階段取得較好的發(fā)現(xiàn)效果，同時達到較高的鄰居傳輸速率，是未來可進一步研究的方向。

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