基于智能天线的TDMA移动自组织网络MAC层路由方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010301184.0 (22)申请日 2020.04.16 (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 肖海涛穆鹏程刘思宁张渭乐 田宇王霞 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 房鑫 (51)Int.Cl. H04W 40/02(2009.01) H04W 40/04(2009.01) H04W 40/24(2009.01) H04W 84/18(2009.01) (54)发明名称 一种。

2、基于智能天线的TDMA移动自组织网络 MAC层路由方法 (57)摘要 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。

3、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。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 111479305 A 2020.07.31 CN 111479305 A 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。

4、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分组的周期性交互， 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性 交互， 执行邻居节点筛选功能； 通过拓扑控制分组的周期性交互， 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。

5、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。

6、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。

7、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： 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。 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： 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。

8、由控制分 组全向广播， 数据分组定向发送。 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： 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。 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 权利要求书 1/2 页 2 CN 111479305 A 2 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。 6.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。

9、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。 7.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。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111479305 A 3 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 0001 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。

10、技术 0002 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。 0003 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。

11、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。 0004 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 0005 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。 0006 为了实现上述目的， 本发明采用如下的技术方案： 0007 一种基于智能天线的TD。

12、MA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； 0008 设计路由控制分组： 0009 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。

13、间HELLO分组的周期性交互， 执行链路检测、 邻居发现功能； 通过候选邻居信息分组的周 期性交互， 执行邻居节点筛选功能； 通过拓扑控制分组的周期性交互， 执行拓扑信息洪泛功 能； 0010 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 说明书 1/5 页 4 CN 111479305 A 4 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； 0011 筛选邻居节点：。

14、 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； 0012 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。

15、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； 0013 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。 0014 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。

16、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。 0015 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。 0016 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。 0017 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，。

17、 候选邻居信息包中包含本节点预筛选结果。 0018 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。 0019 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。 0020 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， 。

18、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， 提高了系统效率。 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。

19、用 说明书 2/5 页 5 CN 111479305 A 5 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 0021 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； 0022 图2本发明路由控制分组结构示意图； 0023 图3本发明路由功能实现流程图。 具体实施方式 0024 下面结合附图和。

20、实施例对本发明做进一步的详细说明。 0025 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： 0026 (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。 0027 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。

21、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。 0028 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)。 0029 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。 0030 第一， P个拓扑维护帧， 拓扑维护帧用于网络拓扑结构的。

22、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。 0031 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； 00。

23、32 b)剩余B个连续时隙用于正常的业务数据传输； 0033 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。 0034 (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 说明书 3/5 页 6 CN 111479305 A 6 控制分组。 0035 -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； 0036 -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。

24、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)。 0037 -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性交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。

25、构。 0038 (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。 0039 -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。 0040 -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。 0041 -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。

26、息。 0042 -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。 0043 (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。

27、量)储存到候选邻居信息表 中。 0044 (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。 0045 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。

28、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； 0046 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。 ； 0047 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 说明书 4/5 页 7 CN 111479305 A 7 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。

29、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。 0048 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。

30、邻居节点广播出去。 0049 (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。 0050 (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。

31、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。 0051 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。 说明书 5/5 页 8 CN 111479305 A 8 图1 说明书附图 1/2 页 9 CN 111479305 A 9 图2 图3 说明书附图 2/2 页 10 CN 111479305 A 10 。