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

劉巖　劉成朋　楊健

摘要：為了減少無(wú)線自組網(wǎng)的組網(wǎng)所需時(shí)間，提升隨機(jī)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(jī)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(diǎn)，發(fā)揮寬波束搜索能力強(qiáng)、窄波束傳輸能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，使用寬波束和窄波束來(lái)進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，并結(jié)合碰撞重傳機(jī)制和鄰居節(jié)點(diǎn)輔助發(fā)現(xiàn)機(jī)制，對(duì)碰撞重傳的最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)窗口值進(jìn)行了計(jì)算。仿真實(shí)驗(yàn)表明，算法降低了鄰居再發(fā)現(xiàn)的時(shí)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(diǎn)數(shù)下，鄰居發(fā)現(xiàn)所需時(shí)隙數(shù)均少于基于碰撞避免的隨機(jī)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(wú)線自組網(wǎng)提供一種高效的鄰居發(fā)現(xiàn)方案，提高無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)性能，在飛行器組網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信技術(shù);無(wú)線自組網(wǎng);定向天線;鄰居發(fā)現(xiàn);隨機(jī)發(fā)現(xiàn);波束寬度

中圖分類號(hào)：TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)線自組網(wǎng)由于具備自組織、抗毀性強(qiáng)和無(wú)中心等特點(diǎn)，引起了研究者們的廣泛關(guān)注[1]，其應(yīng)用范圍也得到了擴(kuò)展。目前傳統(tǒng)的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)大多采用全向天線模式[2]，該模式具有輻射無(wú)方向性的特點(diǎn)，存在節(jié)點(diǎn)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(wú)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(yuǎn)、抗截獲能力強(qiáng)和信道利用率高等優(yōu)點(diǎn)[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(gè)條件：1）通信的雙方必須滿足同一時(shí)間進(jìn)行信息交互;2）同一時(shí)間通信雙方的波束必須彼此指向?qū)Ψ?3）2個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離應(yīng)該小于此場(chǎng)景下的最遠(yuǎn)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(jī)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(diǎn)的發(fā)送和接收方向，增加了檢測(cè)概率，但同時(shí)增加了碰撞概率;相反，隨機(jī)型發(fā)現(xiàn)算法中收發(fā)狀態(tài)隨機(jī)和方向隨機(jī)的方案降低了檢測(cè)概率和碰撞概率。B43F9E47-26B5-44BC-8274-6197D0BDF388

近年來(lái)，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(guān)注。文獻(xiàn)[15]通過引入DSN的鄰居協(xié)作發(fā)現(xiàn)機(jī)制，使節(jié)點(diǎn)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(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)90%的鄰居。文獻(xiàn)[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(xiàn)[17]在相鄰節(jié)點(diǎn)之間尋找鄰居集合的發(fā)現(xiàn)交集，利用公共鄰居來(lái)提高發(fā)現(xiàn)效率，加快了鄰居發(fā)現(xiàn)的進(jìn)程。

消息碰撞問題是影響鄰居發(fā)現(xiàn)速度的因素之一。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，碰撞幾乎沒有出現(xiàn)，若采用節(jié)點(diǎn)以一定概率保持靜默的策略來(lái)降低碰撞概率，則會(huì)降低發(fā)現(xiàn)概率，反而影響發(fā)現(xiàn)速度。隨著網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，碰撞問題會(huì)隨之增加，合理的碰撞避免機(jī)制會(huì)降低碰撞概率，合理的碰撞解決機(jī)制會(huì)快速再發(fā)現(xiàn)，相比重新發(fā)現(xiàn)耗時(shí)短，從而加快發(fā)現(xiàn)速度。為了解決消息碰撞問題，文獻(xiàn)[18]提出SBA-PI算法引入了靜默狀態(tài)，使節(jié)點(diǎn)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(jī)制減少?zèng)_突。此外，文獻(xiàn)[19]在隨機(jī)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，引入選擇性回復(fù)機(jī)制，節(jié)點(diǎn)一次握手成功后，以概率ρ進(jìn)行回復(fù)，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(xiàn)[20]通過隨機(jī)選擇發(fā)送控制消息的微時(shí)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(lái)提升鄰居發(fā)現(xiàn)速度，但這會(huì)降低鄰居發(fā)現(xiàn)的概率。因此，文獻(xiàn)[21]在經(jīng)典的隨機(jī)發(fā)現(xiàn)算法[22]的基礎(chǔ)上，結(jié)合鄰居輔助發(fā)現(xiàn)方法，提出了碰撞重傳機(jī)制來(lái)解決碰撞問題。[JP2]該方法在碰撞后重新預(yù)約時(shí)隙進(jìn)行重傳，改善了碰撞帶來(lái)的影響。在隨機(jī)算法中，相比于碰撞避免的方式，碰撞解決機(jī)制能避免浪費(fèi)此次波束對(duì)準(zhǔn)的機(jī)會(huì)，快速再發(fā)現(xiàn)，從而加快發(fā)現(xiàn)速度。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，定向天線的加入對(duì)無(wú)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(jī)發(fā)現(xiàn)算法已無(wú)法滿足性能要求，采用窄波束搜索、窄波束監(jiān)聽的方式，導(dǎo)致鄰居發(fā)現(xiàn)概率較低，發(fā)現(xiàn)時(shí)間較長(zhǎng)。因此本文提出一種基于定向天線無(wú)線自組網(wǎng)的快速隨機(jī)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(diǎn)，發(fā)揮寬波束搜索能力強(qiáng)、窄波束傳輸能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，采用窄波束搜索、寬波束監(jiān)聽策略進(jìn)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(luò)模型描述

假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)窄波束個(gè)數(shù)為K₁，接收節(jié)點(diǎn)寬波束個(gè)數(shù)為K₂。此外，節(jié)點(diǎn)還具有以下特點(diǎn)。

1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為N，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的ID標(biāo)識(shí)。

2）一個(gè)鄰居發(fā)現(xiàn)時(shí)隙可以分為2個(gè)子時(shí)隙，在每個(gè)子時(shí)隙中，節(jié)點(diǎn)可以完成握手的過程。鄰居發(fā)現(xiàn)時(shí)隙劃分如圖1所示。

3）假設(shè)2個(gè)具有定向天線的節(jié)點(diǎn)可以互相通信，需要一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)必須要同時(shí)指向其波束，并且發(fā)送和接收狀態(tài)相反。

4）如果有2個(gè)或者2個(gè)以上的波束到達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收波束上，則會(huì)發(fā)生消息碰撞，碰撞之后，節(jié)點(diǎn)不會(huì)收到數(shù)據(jù)包。在子時(shí)隙1，A節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，B節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接收。在子時(shí)隙2，2個(gè)節(jié)點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)相反，通信成功的案例如圖2所示。

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)從其給定波束中的2個(gè)或多個(gè)鄰居接收發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包時(shí)，就會(huì)發(fā)生碰撞，碰撞案例如圖3所示。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)無(wú)法解析信息，因此認(rèn)為數(shù)據(jù)包丟失了。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通過一個(gè)簡(jiǎn)單的能量探測(cè)器區(qū)分空時(shí)隙和一個(gè)碰撞的時(shí)隙。

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

2.1改進(jìn)思路

為了在遠(yuǎn)距離的條件下快速地發(fā)現(xiàn)鄰居，建立網(wǎng)絡(luò)，達(dá)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(jī)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(diǎn)使用窄波束掃描，接收節(jié)點(diǎn)使用寬波束監(jiān)聽，二次握手階段接收節(jié)點(diǎn)使用窄波束回復(fù)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)使用窄波束監(jiān)聽，增大節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)概率，并結(jié)合碰撞重傳機(jī)制和鄰居輔助發(fā)現(xiàn)機(jī)制，加快鄰居發(fā)現(xiàn)進(jìn)程，滿足快速發(fā)現(xiàn)鄰居的需求。

相較于傳統(tǒng)隨機(jī)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(jìn)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(shí)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(jī)的接收性能越好;k代表玻爾茲曼常數(shù)，T代表絕對(duì)溫度，B代表信號(hào)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(gè)過程。其中參數(shù)初始化中主要完成節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，加快鄰居發(fā)現(xiàn)進(jìn)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(gè)處于隨機(jī)位置的初始節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)已通過外部授時(shí)或自帶銣鐘進(jìn)行時(shí)間同步。

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

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

步驟4：當(dāng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點(diǎn)間所有鏈路時(shí)，鄰居發(fā)現(xiàn)成功。

對(duì)參數(shù)初始化、碰撞解決階段和鄰居輔助發(fā)現(xiàn)階段進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2.2節(jié)點(diǎn)參數(shù)初始化

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

1）當(dāng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，首先根據(jù)當(dāng)前的時(shí)隙號(hào)搜索退避列表，判斷是否要進(jìn)行退避。

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

節(jié)點(diǎn)收發(fā)狀態(tài)的選取需要對(duì)發(fā)送概率進(jìn)行研究。在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)，一跳鄰域中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別以p_t和1-p_t的概率隨機(jī)選擇發(fā)送或者接收。如果節(jié)點(diǎn)發(fā)送概率p_t設(shè)置過高，將導(dǎo)致較多的碰撞，減慢鄰居發(fā)現(xiàn)速度。相反，如果節(jié)點(diǎn)發(fā)送概率p_t設(shè)置過低，將導(dǎo)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(píng)估鄰居發(fā)現(xiàn)算法的性能，這里計(jì)算了節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j在給定時(shí)隙t中發(fā)現(xiàn)彼此的概率，用p_s表示。對(duì)于鄰居發(fā)現(xiàn)過程，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在2個(gè)子時(shí)隙中成功傳輸。

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

1）對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，在子時(shí)隙1，節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j的方向發(fā)送消息的概率為A=（1/K₁）p_t，在子時(shí)隙2，節(jié)點(diǎn)j回復(fù)節(jié)點(diǎn)i的概率為1。

2）對(duì)于節(jié)點(diǎn)j，在子時(shí)隙1，節(jié)點(diǎn)j在節(jié)點(diǎn)i的方向接收消息的概率為B=（1/K₂）pt，在子時(shí)隙2，節(jié)點(diǎn)i指向原來(lái)發(fā)送方向保持接收的概率為1。

3）對(duì)于任意一個(gè)其他節(jié)點(diǎn)，假如此節(jié)點(diǎn)不干擾到節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)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(shí)隙1，其他節(jié)點(diǎn)沒有選擇向節(jié)點(diǎn)j接收方向發(fā)送的概率，在子時(shí)隙2，節(jié)點(diǎn)不會(huì)再發(fā)送。第2部分表示在子時(shí)隙1，其他節(jié)點(diǎn)保持接收狀態(tài)，在子時(shí)隙2，沒有向節(jié)點(diǎn)i的方向回復(fù)信息的概率。

結(jié)合上述3點(diǎn)，同理可得，節(jié)點(diǎn)j作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)i作為接收節(jié)點(diǎn)的概率，故節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j在時(shí)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(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)A，B，C，D，在子時(shí)隙1中，節(jié)點(diǎn)A，C和D處于發(fā)送模式，而節(jié)點(diǎn)B處于接收模式。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)B可能接收到多個(gè)發(fā)現(xiàn)包，導(dǎo)致沖突，在子時(shí)隙2中，節(jié)點(diǎn)B使用相同的波束傳輸碰撞確認(rèn)信息，4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入碰撞解決階段[20]。

節(jié)點(diǎn)B一直保持接收模式，直到它成功接收到2個(gè)信息包為止，代表重傳成功。而節(jié)點(diǎn)A，C，D將在接下來(lái)的幾個(gè)時(shí)隙計(jì)劃重傳，在競(jìng)爭(zhēng)窗口CW中隨機(jī)選擇一個(gè)重傳時(shí)隙，其他時(shí)隙節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行發(fā)送或者接收。但是如果節(jié)點(diǎn)A進(jìn)入了碰撞解決機(jī)制，那么它在接收到B的成功回復(fù)之前，不會(huì)再對(duì)B計(jì)劃新的重傳。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇同一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行重傳，那么將根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)窗口值選取新的時(shí)隙進(jìn)行重傳，保證碰撞解決。

在碰撞解決機(jī)制中，為了降低多個(gè)節(jié)點(diǎn)選取同一時(shí)隙進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)給定時(shí)隙進(jìn)行重傳的概率，找到最優(yōu)的競(jìng)爭(zhēng)窗口值CW，使成功重傳的概率取最大值。

定義i個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇同一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行重傳的概率為p_s（i）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)周圍有n個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，其中恰好有i個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行重傳，每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇重傳時(shí)隙的概率為1/CW，此時(shí)模型可以視為二項(xiàng)式分布n，1CW，可以得出：

綜上，所提算法在碰撞解決階段設(shè)置競(jìng)爭(zhēng)窗口大小為n時(shí)最優(yōu)。

2.2.4鄰居輔助發(fā)現(xiàn)階段

網(wǎng)絡(luò)時(shí)幀分為鄰居發(fā)現(xiàn)階段、管控階段及數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)階段。鄰居發(fā)現(xiàn)階段進(jìn)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(diǎn)的波束跟蹤，業(yè)務(wù)請(qǐng)求和時(shí)隙分配功能，兩兩節(jié)點(diǎn)彼此對(duì)準(zhǔn)一次。若節(jié)點(diǎn)A和B在鄰居發(fā)現(xiàn)階段成為鄰居，則互相收到對(duì)方的鄰居發(fā)現(xiàn)包，記錄潛在的鄰居，將在管控階段進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，包括與潛在鄰居的對(duì)準(zhǔn)，此為鄰居輔助發(fā)現(xiàn)過程[17]。節(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系如圖7所示。

3仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提算法的有效性，在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中，在5 000×5 000的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成節(jié)點(diǎn)，本算法兩節(jié)點(diǎn)間的最大傳輸距離設(shè)置為1 000，以發(fā)現(xiàn)全部節(jié)點(diǎn)間所有鏈路所需時(shí)隙數(shù)為指標(biāo)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于文獻(xiàn)[21]中的算法以及經(jīng)典的隨機(jī)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(shí)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(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送概率p_t為05時(shí)，發(fā)現(xiàn)概率p_s取最大值。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)以上結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，此處設(shè)置窄波束個(gè)數(shù)K₁=12，寬波束個(gè)數(shù)K₂=4，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N分別設(shè)置為16，32，48以代表低密度、中密度、高密度3種情況。每個(gè)概率p_t重復(fù)10次實(shí)驗(yàn)取p_s的平均值，仿真結(jié)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(duì)總時(shí)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(dāng)發(fā)送概率p_t取05時(shí)，發(fā)現(xiàn)概率p_s最大，可以達(dá)到最佳的發(fā)現(xiàn)效果，與式（3）推導(dǎo)結(jié)論相符。此外，由圖9可知，當(dāng)p_t取05時(shí)，鄰居發(fā)現(xiàn)所需總時(shí)隙數(shù)slots最少，該趨勢(shì)與理論推導(dǎo)相符。

3.2算法性能對(duì)比

為了客觀驗(yàn)證所提算法的有效性，本節(jié)將所提算法進(jìn)行仿真，并與文獻(xiàn)[21]中的算法及經(jīng)典的隨機(jī)算法進(jìn)行對(duì)比，使用發(fā)現(xiàn)全部節(jié)點(diǎn)間所有鏈路所需時(shí)隙數(shù)slots作為性能指標(biāo)。所提算法設(shè)置窄波束個(gè)數(shù)K₁=12，寬波束個(gè)數(shù)K₂=4，文獻(xiàn)[21]中的算法及經(jīng)典的隨機(jī)算法，設(shè)置發(fā)節(jié)點(diǎn)和收節(jié)點(diǎn)窄波束個(gè)數(shù)均為K=12。鄰居發(fā)現(xiàn)時(shí)間性能進(jìn)行對(duì)比如圖10所示。其中橫坐標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N，縱坐標(biāo)表示鄰居發(fā)現(xiàn)所需總時(shí)隙數(shù)slots。

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

由圖11可知，隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增大，所提算法完成鄰居發(fā)現(xiàn)所需時(shí)隙數(shù)為線性增長(zhǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為100時(shí)，所需時(shí)隙數(shù)僅約為450個(gè)。

4結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于定向天線的無(wú)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(diǎn)，發(fā)揮寬波束搜索能力強(qiáng)，窄波束傳輸能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，使用窄波束搜索，寬波束接收來(lái)進(jìn)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(shí)驗(yàn)表明，所提算法能計(jì)算出節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)和前期握手，這導(dǎo)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(shí)達(dá)到較高的鄰居傳輸速率，是未來(lái)可進(jìn)一步研究的方向。

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