導航傳感器網絡中基于協作mac協議的中繼通信方法
【專利摘要】本發明公開了導航傳感器網絡中一種基于協作MAC協議的中繼通信方法。主要解決導航傳感器網絡中通信距離遠、節點機動性強、三維動態網絡拓撲下的可靠通信問題。所述中繼通信方法的實現過程是：源節點廣播RTS&CTC數據包；在候選最優中繼集合中選擇最優中繼；目標節點通過最優中繼向源節點發送CTC&CTS數據包；若源節點成功接收CTC&CTS數據包，通信節點對轉入數據傳輸階段；若協作傳輸失敗，候選中繼節點開始新一輪的最優中繼的競爭；若全部候選中繼節點均沒有成功完成信道協商，源節點將在下一輪中重啟協作傳輸流程。本發明能夠有效避免沖突，降低通信系統的復雜度，且兼顧公平性，可用于導航傳感器網絡中的遠距通信。
【專利說明】
導航傳感器網絡中基于協作MAC協議的中繼通信方法
技術領域
[0001] 本發明隸屬于導航載體通信技術領域，尤其是設及一種適用于導航載體無線通信 的中繼選取方法W及協作MAC協議設計方法。
【背景技術】
[0002] 導航傳感器網絡(NC-肥T)，即為一種W導航/定位為核屯、任務需求的無線通信網 絡，旨在通過導航平臺的組網完成導航/定位、目標跟蹤、多媒體信息傳輸等多種任務需求。 具有組網平臺復雜、運動范圍大、實時性要求高的特點。NC-肥T的MAC協議在設計上面臨如 下共性難題:通信距離遠、節點機動性強、Ξ維動態網絡拓撲等，不僅涵蓋了 VANET、FANET等 MANET的諸多設計難題，還提出了諸多獨有的技術要求。
[0003] 近年來，協作分集作為一種新的空間分集技術，在無線Ad-hoc網絡中具有巨大應 用空間，從網絡的體系結構上來講，協作分集歸屬于物理層的關鍵技術之一，在工作機制相 對獨立，往往不考慮網絡的應用。由于多個中繼節點的存在，協作分集過程中，多個節點同 時參與協作，那么，節點之間的交互信息W及網絡開銷急劇增加，因此，如何在多個節點中 選擇一個最佳的中繼節點進行協作成為了一個重要的研究方向。
[0004] 中繼選擇策略可W在多個候選中繼節點中選擇一個最佳節點，然后利用該最佳節 點來協作源節點通信，選擇最佳節點時不需要拓撲信息而是基于本地測得的瞬時信道狀態 信息。理論分析表明，運種策略可W實現與利用分布式空時編碼的方法相同的分集增益。顯 然，對于無線多跳網絡來說，在通信過程中，隨著信道狀態和網絡環境的改變，在多個候選 中繼節點中實時的選擇最佳中繼節點協作轉發不僅可W獲得分集增益，而且可W降低通信 系統的復雜度。
[0005] 從中繼選擇策略與數據鏈路層的結合來看，首先，由于無線信道的廣播特性，節點 發送的信息將由其通信范圍內的所有鄰居節點接收到，為多節點協作分集的實現提供了必 要條件。同時，多跳通信模式的存在，使得多跳轉發比單跳傳輸節省能量真正實現。

【發明內容】

[0006] 本發明針對現有技術中存在的高速移動的組網導航載體的長距通信難題，提供了 一種基于協作MC協議的中繼通信方法。
[0007] 根據本發明的一個方面，提供了一種適用于導航傳感器網絡的基于協作MAC協議 的中繼通信方法，所述網絡包括源節點S、目標節點D和η個候選中繼節點Ri，ie{l，...，n}， 中繼通信方法包括如下步驟：
[000引（1)源節點S通過無線信道廣播發送RTC&CTC數據包至單跳通信范圍內的鄰居節 點，RTC&CTC數據包中包含請求協作信令(Request to Cooperative，RTC)和協作結束信令 (Clear to Cooper曰tive,CTC);
[0009] (2)源節點S的鄰居節點接收源節點S的RTC&CTC數據包，其中，滿足最優中繼約束 條件的鄰居節點當選為候選中繼節點Ri;候選中繼節點Ri分別執行RT化CTC數據包的解碼， 計算出自身相對于源節點s的接收信噪比SNR佑，并將請求協作信令RTC在一個SIFS時隙之 后發往目標節點D;
[0010] (3)目標節點D從候選中繼節點Ri轉發的請求協作信令RTC中解碼出源節點S的位 置和方位，并通過定向天線向源節點S回復允許發送信令CTS;此后，滿足最優中繼約束條件 的單跳鄰節點Ri通過最優鏈路公式解算出源節點S與目標節點D之間通信鏈路的信噪比SNR 記分別設置各自的回退計時器；最先計時結束的候選中繼將當選為最優中繼Rdp，并將 CTC&CTS數據包回傳至源節點S;
[0011] (4)其他候選中繼節點Ri串聽到最優中繼Rop的CT化CTS數據包后，分別中止各自的 回退計時器，并保持偵聽信道；
[001^ (5)若源節點S成功接收到最優中繼Rop轉發的CTC&CTS數據包，將從中解碼出目標 節點D的相對方位、相對位置和信道占用信息;此后，通信對(S，D)轉入數據傳輸階段，源節 點S借助最優中繼Rop的轉發向目標節點D發送DATA數據包，其他候選中繼節點Ri保持對DATA 數據包的串聽，并繼續偵聽信道；
[001引（6)若其他候選中繼節點Ri在一個SIFS時隙后未能串聽到DATA數據包，則認定為 本次協作傳輸失敗，此后，除最優中繼Rop之外的其他候選中繼節點Ri將同時重啟各自的回 退計時器，最先結束計時的候選中繼節點Ri將當選為新一輪的最優中繼節點，并執行步驟 (3)~步驟(5);
[0014] (7)若所有候選中繼節點Ri均沒有成功完成信道的協商，或者中繼重傳的次數超 出上限，則源節點S將在下一輪中重啟協作傳輸的流程，并執行步驟(1)~步驟(6)。
[0015] 最優中繼約束條件為Ξ個，具體為：
[0016] 約束1:候選中繼節點Ri為源節點S在單跳通信范圍內的鄰居節點，而且目標節點D 為該候選中繼節點Ri在單跳通信范圍內的鄰居節點；
[0017] 約束2:候選中繼節點Ri可W正確解碼通信對（S，D)的請求協作信令RTC和允許發 送信令CTS;
[001引約束3:源節點S的最優中繼Rop在所有候選中繼節點Ri中具有最高的接收信噪比 SNR 丫 SRD。
[0019] 最優鏈路公式具體為:在準穩定信道的增益呈瑞利分布時具有最大信噪比SNR的 鏈路，記為imax，該鏈路滿足等式
，式中複。表示鏈路i的瞬時接收SNR，i e U，. . .，n}，獄"可通過下式得到
，其中記^和堿分別表示源節點S至候選中 繼節點Ri和候選中繼節點Ri至目標節點D的平均接收信噪比SNR，可W分別從請求協作信令 RTC和允許發送信令CTS中得到。
[0020] 回退計時器具體為:將候選中繼節點Ri的回退時間記'Aw設定為與鏈路質量心成 反比，候選中繼節點Ri按照如下等式設定回退時間，即
式 中，丫 i?為候選中繼節點Ri中鏈路i的瞬時接收SNR感Λ的闊值;η為參與候選中繼節點Ri的數 目。
[0021] 本發明導航傳感器網絡中基于協作MAC協議的中繼通信方法具有下列有益效果： 通過基于接收最優中繼選擇算法的Ξ種約束條件對候選中繼節點進行了初步的篩選，限制 了并行鏈路的數量，在保證帶寬利用率和減小時延的基礎上實現了有冗余的最優中繼轉 發。在導航定位用的載體導航傳感器網絡中，中繼的選擇對于拓展導航信息的傳輸區域和 提高業務的實時性具有重要的意義。本發明提出的冗余的最優中繼選擇策略，能夠適應網 絡拓撲和通信請求的動態實時的變化，從而達到增加系統的帶寬使用率，提高組網載體的 導航定位效能。
【附圖說明】
[0022] 圖1為典型導航傳感器網絡的中繼通信示意圖；
[0023] 圖2為本發明實施例1中導航傳感器網絡的中繼通信MAC的流程圖；
[0024] 圖3為本發明實施例2中節點通信距離的增加對數據包誤碼率的影響；
[0025] 圖4為本發明實施例2中節點通信距離的增加對數據包吞吐量的影響；
[0026] 圖5為本發明實施例2中鏈路質量惡化對數據包到達率的影響；
[0027] 圖6為本發明實施例2中鏈路質量惡化對平均延遲的影響。
【具體實施方式】
[0028] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，W下結合具體實施例，并參照 例圖，對本發明進一步詳細說明。雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參 數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于所述值。
[0029] 實施例1:
[0030] 圖1為典型導航傳感器網絡的中繼通信示意圖。包括源節點S，記為10;目標節點D， 記為20;多個候選中繼節點，記為30-1,30-2，. ..，30-n。
[0031] 圖2為本發明實施例導航傳感器網絡的中繼通信MAC的流程圖。本流程針對本發明 的實施例中適用于導航傳感器網絡的基于協作MC協議的中繼通信方法，具體步驟為：
[0032] 步驟S101:源節點S通過無線信道廣播發送RTC&CTC數據包至單跳通信范圍內的鄰 居節點，RTC&CTC數據包中包含請求協作信令(Request to Cooperative，RTC)和協作結束 信令（Clear to Cooperative,CTC);
[0033] 步驟S102:源節點S的鄰居節點接收源節點S的RTC&CTC數據包，其中，滿足最優中 繼約束條件的鄰居節點當選為候選中繼節點Ri;候選中繼節點R汾別執行RTC&CTC數據包的 解碼，計算出自身相對于源節點S的接收信噪比SNR?4，并將請求協作信令RTC在一個SIFS時 隙之后發往目標節點D;
[0034] 步驟S103:目標節點D從候選中繼節點Ri轉發的請求協作信令RT帥解碼出源節點 S的位置和方位，并通過定向天線向源節點S回復允許發送信令CTS;此后，滿足最優中繼約 束條件的單跳鄰節點Ri通過最優鏈路公式解算出源節點S與目標節點D之間通信鏈路的信 噪比SNR績。，分別設置各自的回退計時器;最先計時結束的候選中繼將當選為最優中繼Rdp， 并將CTC&CTS數據包回傳至源節點S;
[0035] 步驟S104:其他候選中繼節點Ri串聽到最優中繼Rop的CTC&CTS數據包后，分別中止 各自的回退計時器，并保持偵聽信道；
[0036] 步驟S105:若源節點S成功接收到最優中繼Rop轉發的CTC&CTS數據包，將從中解碼 出目標節點D的相對方位、相對位置和信道占用信息；此后，通信對(S，D)轉入數據傳輸階 段，源節點S借助最優中繼Rop的轉發向目標節點D發送DATA數據包，其他候選中繼節點Ri保 持對DATA數據包的串聽，并繼續偵聽信道；
[0037] 步驟S106:若其他候選中繼節點Ri在一個SIFS時隙后未能串聽到DATA數據包，貝U 認定為本次協作傳輸失敗，此后，除最優中繼Rop之外的其他候選中繼節點Ri將同時重啟各 自的回退計時器，最先結束計時的候選中繼節點Ri將當選為新一輪的最優中繼節點，并執 行步驟S103~步驟S105;
[0038] 步驟S107:若所有候選中繼節點Ri均沒有成功完成信道的協商，或者中繼重傳的 次數超出上限，則源節點S將在下一輪中重啟協作傳輸的流程，并執行步驟S101~步驟 S106。
[0039] 最優中繼Rdp約束條件為Ξ個，具體為：
[0040] 約束1:候選中繼節點Ri為源節點S在單跳通信范圍內的鄰居節點，而且目標節點D 為該候選中繼節點Ri在單跳通信范圍內的鄰居節點；
[0041 ]約束2:候選中繼節點Ri可W正確解碼通信對（S，D)的請求協作信令RTC和允許發 送信令CTS;
[0042] 約束3:源節點S的最優中繼Rop在所有候選中繼節點Ri中具有最高的接收信噪比 SNR 丫 SRD。
[0043] 最優鏈路公式具體為:在準穩定信道的增益呈瑞利分布時具有最大信噪比SNR的 鏈路，記為imax，該鏈路滿足等式
，式中廟。表示鏈路i的瞬時接收SNR，i e {1，...，n|，記^可通過下式得到
，其中冷和姑。分別表示源節點S至候選中繼 節點Ri和候選中繼節點Ri至目標節點D的平均接收信噪比SNR，可W分別從請求協作信令RTC 和允許發送信令CTS中得到。
[0044] 回退計時器具體為:將候選中繼節點Ri的回退時間瓦，設定為與鏈路質量rk成 反比，候選中繼節點Ri按照如下等式設定回退時間，即
/ = 1，2，·'·，η;式 中，丫 i?為候選中繼節點Ri中鏈路i的瞬時接收SNR)4。的闊值;η為參與候選中繼節點Ri的數 目。
[0045] 實施例2:
[0046] 使用NS-2作為模擬仿真平臺，實驗數據用Matlab輔助分析。仿真中采用信道吞吐 量、平均分組接入時延等參數作為評價指標。驗證了本發明基于協作MC協議的中繼通信方 法，（記為DDC-MAC)的飽和吞吐量、平均時延、數據包到達率等性能。仿真參數分別為:節點 通信距離250km，節點傳感距離500km，數據傳輸速率{1，2，5.5，11 }Mbps，短帖間隔 SIFS0.01ms，DCF帖間隔DIFS 0.02ms，ACK 分組發送時間0.02s，SNR闊值 15dB，RTS 帖長度 20b}rtes，ACK帖長度Mbytes，DATA數據包長度512b}rtes，MAC頭長度34bytes，P肌頭長度 24bytes，射頻發送功率32地m(全向發送），38地m(定向發送），射頻接收靈敏度-105地m，CTS 帖長度Mbytes,干擾闊值-74地m。
[0047] 主要仿真檢驗DDC-MAC協議在通信距離增加和鏈路質量降低(信道噪聲增加)兩種 環境下的通信性能。仿真中采用多信道環境，通信節點為70個，與傳統中繼選擇方法 CoopMAC、DMAC和IE邸802. Ub DCF協議進行仿真對比，如圖3~圖6所示。
[0048]其中，圖3和圖4分別仿真檢驗了節點通信距離的增加對數據包誤碼率和吞吐量的 影響。圖5和圖6分別仿真檢驗了鏈路質量惡化對數據包到達率和平均延遲的影響。
【主權項】
1. 導航傳感器網絡中基于協作MAC協議的中繼通信方法，其特征在于，所述網絡包括源 節點S、目標節點D和η個候選中繼節點Ri，ie{l,. . .，n}，該中繼通信方法包括如下步驟： (1) 源節點S通過無線信道廣播發送RTC&CTC數據包至單跳通信范圍內的鄰居節點， RTC&CTC數據包中包含請求協作信令RTC和協作結束信令CTC; (2) 源節點S的鄰居節點接收來自源節點S的RTC&CTC數據包，其中，滿足最優中繼約束 條件的鄰居節點當選為候選中繼節點Ri;候選中繼節點Ri分別執行RTC&CTC數據包的解碼， 計算出自身相對于源節點S的接收信噪比SNRA，并將請求協作信令RTC在一個SIFS時隙之 后發往目標節點D; (3) 目標節點D從候選中繼節點Ri轉發的請求協作信令RTC中解碼出源節點S的位置和方 位，并通過定向天線向源節點S回復允許發送信令CTS;此后，滿足最優中繼約束條件的單跳 鄰節點心通過最優鏈路公式解算出源節點S與目標節點D之間通信鏈路的信噪比SNRr_，分 別設置各自的回退計時器;最先計時結束的候選中繼將當選為最優中繼R〇 P，并將CTC&CTS數 據包回傳至源節點S; (4) 其他候選中繼節點Ri串聽到最優中繼R〇P的CTC&CTS數據包后，分別中止各自的回退 計時器，并保持偵聽信道； (5) 若源節點S成功接收到最優中繼R〇P轉發的CTC&CTS數據包，將從中解碼出目標節點D 的相對方位、相對位置和信道占用信息;此后，通信對(S，D)轉入數據傳輸階段，源節點S借 助最優中繼R〇 P的轉發向目標節點D發送DATA數據包，其他候選中繼節點Ri保持對DATA數據 包的串聽，并繼續偵聽信道； (6) 若其他候選中繼節點Ri在一個SIFS時隙后未能串聽到DATA數據包，則認定為本次協 作傳輸失敗，此后，除最優中繼R〇 P之外的其他候選中繼節點心將同時重啟各自的回退計時 器，最先結束計時的候選中繼節點心將當選為新一輪的最優中繼節點，并執行步驟(3)~步 驟(5); (7) 若所有候選中繼節點h均沒有成功完成信道的協商，或者中繼重傳的次數超出上 限，則源節點S將在下一輪中重啟協作傳輸的流程，并執行步驟(1)~步驟(6)。2. 根據權利1所述的導航傳感器網絡中基于協作MAC協議的中繼通信方法，其特征在 于，所述最優中繼約束條件為三個，具體為： 約束1:候選中繼節點心為源節點S在單跳通信范圍內的鄰居節點，而且目標節點D為該 候選中繼節點心在單跳通信范圍內的鄰居節點； 約束2:候選中繼節點心可以正確解碼通信對(S，D)的請求協作信令RTC和允許發送信令 CTS； 約束3:源節點S的最優中繼R〇P在所有候選中繼節點Ri中具有最高的接收信噪比SNR y SRDo3. 根據權利1所述的導航傳感器網絡中基于協作MAC協議的中繼通信方法，其特征在 于，所述最優鏈路公式具體為： 在準穩定信道的增益呈瑞利分布時具有最大信噪比SNR的鏈路，記為imax，該鏈路滿足 等式:' =式中'表示鏈路i的瞬時接收SNR，i e {1，. . .，n}，'可通過下式 得到= + 1，其中么和4分別表示源節點S至候選中繼節點心和候選中繼節點心 至目標節點D的平均接收信噪比SNR，可以分別從請求協作信令RTC和允許發送信令CTS中得 到。4.根據權利1所述的導航傳感器網絡中基于協作MAC協議的中繼通信方法，其特征在 于，所述回退計時器具體為： 將候選中繼節點R i的回退時間設定為與鏈路質量成反比，候選中繼節點R i按 照如下等式設定回退時間，即，…，η;式中，γ ι?為候選中繼 節點Ri中鏈路i的瞬時接收SNRrL的閾值;η為參與候選中繼節點Ri的數目。
【文檔編號】H04W84/18GK105873167SQ201610330314
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】高超, 趙國榮, 盧建華, 曾賓, 萬兵, 王希彬
【申請人】中國人民解放軍海軍航空工程學院