导航传感器网络中基于协作mac协议的中继通信方法
【专利摘要】本发明公开了导航传感器网络中一种基于协作MAC协议的中继通信方法。主要解决导航传感器网络中通信距离远、节点机动性强、三维动态网络拓扑下的可靠通信问题。所述中继通信方法的实现过程是：源节点广播RTS&CTC数据包；在候选最优中继集合中选择最优中继；目标节点通过最优中继向源节点发送CTC&CTS数据包；若源节点成功接收CTC&CTS数据包，通信节点对转入数据传输阶段；若协作传输失败，候选中继节点开始新一轮的最优中继的竞争；若全部候选中继节点均没有成功完成信道协商，源节点将在下一轮中重启协作传输流程。本发明能够有效避免冲突，降低通信系统的复杂度，且兼顾公平性，可用于导航传感器网络中的远距通信。
【专利说明】
导航传感器网络中基于协作MAC协议的中继通信方法
技术领域
[0001] 本发明隶属于导航载体通信技术领域，尤其是设及一种适用于导航载体无线通信 的中继选取方法W及协作MAC协议设计方法。
【背景技术】
[0002] 导航传感器网络(NC-肥T)，即为一种W导航/定位为核屯、任务需求的无线通信网 络，旨在通过导航平台的组网完成导航/定位、目标跟踪、多媒体信息传输等多种任务需求。 具有组网平台复杂、运动范围大、实时性要求高的特点。NC-肥T的MAC协议在设计上面临如 下共性难题:通信距离远、节点机动性强、Ξ维动态网络拓扑等，不仅涵盖了 VANET、FANET等 MANET的诸多设计难题，还提出了诸多独有的技术要求。
[0003] 近年来，协作分集作为一种新的空间分集技术，在无线Ad-hoc网络中具有巨大应 用空间，从网络的体系结构上来讲，协作分集归属于物理层的关键技术之一，在工作机制相 对独立，往往不考虑网络的应用。由于多个中继节点的存在，协作分集过程中，多个节点同 时参与协作，那么，节点之间的交互信息W及网络开销急剧增加，因此，如何在多个节点中 选择一个最佳的中继节点进行协作成为了一个重要的研究方向。
[0004] 中继选择策略可W在多个候选中继节点中选择一个最佳节点，然后利用该最佳节 点来协作源节点通信，选择最佳节点时不需要拓扑信息而是基于本地测得的瞬时信道状态 信息。理论分析表明，运种策略可W实现与利用分布式空时编码的方法相同的分集增益。显 然，对于无线多跳网络来说，在通信过程中，随着信道状态和网络环境的改变，在多个候选 中继节点中实时的选择最佳中继节点协作转发不仅可W获得分集增益，而且可W降低通信 系统的复杂度。
[0005] 从中继选择策略与数据链路层的结合来看，首先，由于无线信道的广播特性，节点 发送的信息将由其通信范围内的所有邻居节点接收到，为多节点协作分集的实现提供了必 要条件。同时，多跳通信模式的存在，使得多跳转发比单跳传输节省能量真正实现。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术中存在的高速移动的组网导航载体的长距通信难题，提供了 一种基于协作MC协议的中继通信方法。
[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种适用于导航传感器网络的基于协作MAC协议 的中继通信方法，所述网络包括源节点S、目标节点D和η个候选中继节点Ri，ie{l，...，n}， 中继通信方法包括如下步骤：
[000引（1)源节点S通过无线信道广播发送RTC&CTC数据包至单跳通信范围内的邻居节 点，RTC&CTC数据包中包含请求协作信令(Request to Cooperative，RTC)和协作结束信令 (Clear to Cooper曰tive,CTC);
[0009] (2)源节点S的邻居节点接收源节点S的RTC&CTC数据包，其中，满足最优中继约束 条件的邻居节点当选为候选中继节点Ri;候选中继节点Ri分别执行RT化CTC数据包的解码， 计算出自身相对于源节点s的接收信噪比SNR佑，并将请求协作信令RTC在一个SIFS时隙之 后发往目标节点D;
[0010] (3)目标节点D从候选中继节点Ri转发的请求协作信令RTC中解码出源节点S的位 置和方位，并通过定向天线向源节点S回复允许发送信令CTS;此后，满足最优中继约束条件 的单跳邻节点Ri通过最优链路公式解算出源节点S与目标节点D之间通信链路的信噪比SNR 记分别设置各自的回退计时器；最先计时结束的候选中继将当选为最优中继Rdp，并将 CTC&CTS数据包回传至源节点S;
[0011] (4)其他候选中继节点Ri串听到最优中继Rop的CT化CTS数据包后，分别中止各自的 回退计时器，并保持侦听信道；
[001^ (5)若源节点S成功接收到最优中继Rop转发的CTC&CTS数据包，将从中解码出目标 节点D的相对方位、相对位置和信道占用信息;此后，通信对(S，D)转入数据传输阶段，源节 点S借助最优中继Rop的转发向目标节点D发送DATA数据包，其他候选中继节点Ri保持对DATA 数据包的串听，并继续侦听信道；
[001引（6)若其他候选中继节点Ri在一个SIFS时隙后未能串听到DATA数据包，则认定为 本次协作传输失败，此后，除最优中继Rop之外的其他候选中继节点Ri将同时重启各自的回 退计时器，最先结束计时的候选中继节点Ri将当选为新一轮的最优中继节点，并执行步骤 (3)~步骤(5);
[0014] (7)若所有候选中继节点Ri均没有成功完成信道的协商，或者中继重传的次数超 出上限，则源节点S将在下一轮中重启协作传输的流程，并执行步骤(1)~步骤(6)。
[0015] 最优中继约束条件为Ξ个，具体为：
[0016] 约束1:候选中继节点Ri为源节点S在单跳通信范围内的邻居节点，而且目标节点D 为该候选中继节点Ri在单跳通信范围内的邻居节点；
[0017] 约束2:候选中继节点Ri可W正确解码通信对（S，D)的请求协作信令RTC和允许发 送信令CTS;
[001引约束3:源节点S的最优中继Rop在所有候选中继节点Ri中具有最高的接收信噪比 SNR 丫 SRD。
[0019] 最优链路公式具体为:在准稳定信道的增益呈瑞利分布时具有最大信噪比SNR的 链路，记为imax，该链路满足等式
，式中複。表示链路i的瞬时接收SNR，i e U，. . .，n}，獄"可通过下式得到
，其中记^和碱分别表示源节点S至候选中 继节点Ri和候选中继节点Ri至目标节点D的平均接收信噪比SNR，可W分别从请求协作信令 RTC和允许发送信令CTS中得到。
[0020] 回退计时器具体为:将候选中继节点Ri的回退时间记'Aw设定为与链路质量心成 反比，候选中继节点Ri按照如下等式设定回退时间，即
式 中，丫 i?为候选中继节点Ri中链路i的瞬时接收SNR感Λ的阔值;η为参与候选中继节点Ri的数 目。
[0021] 本发明导航传感器网络中基于协作MAC协议的中继通信方法具有下列有益效果： 通过基于接收最优中继选择算法的Ξ种约束条件对候选中继节点进行了初步的筛选，限制 了并行链路的数量，在保证带宽利用率和减小时延的基础上实现了有冗余的最优中继转 发。在导航定位用的载体导航传感器网络中，中继的选择对于拓展导航信息的传输区域和 提高业务的实时性具有重要的意义。本发明提出的冗余的最优中继选择策略，能够适应网 络拓扑和通信请求的动态实时的变化，从而达到增加系统的带宽使用率，提高组网载体的 导航定位效能。
【附图说明】
[0022] 图1为典型导航传感器网络的中继通信示意图；
[0023] 图2为本发明实施例1中导航传感器网络的中继通信MAC的流程图；
[0024] 图3为本发明实施例2中节点通信距离的增加对数据包误码率的影响；
[0025] 图4为本发明实施例2中节点通信距离的增加对数据包吞吐量的影响；
[0026] 图5为本发明实施例2中链路质量恶化对数据包到达率的影响；
[0027] 图6为本发明实施例2中链路质量恶化对平均延迟的影响。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，W下结合具体实施例，并参照 例图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参 数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。
[0029] 实施例1:
[0030] 图1为典型导航传感器网络的中继通信示意图。包括源节点S，记为10;目标节点D， 记为20;多个候选中继节点，记为30-1,30-2，. ..，30-n。
[0031] 图2为本发明实施例导航传感器网络的中继通信MAC的流程图。本流程针对本发明 的实施例中适用于导航传感器网络的基于协作MC协议的中继通信方法，具体步骤为：
[0032] 步骤S101:源节点S通过无线信道广播发送RTC&CTC数据包至单跳通信范围内的邻 居节点，RTC&CTC数据包中包含请求协作信令(Request to Cooperative，RTC)和协作结束 信令（Clear to Cooperative,CTC);
[0033] 步骤S102:源节点S的邻居节点接收源节点S的RTC&CTC数据包，其中，满足最优中 继约束条件的邻居节点当选为候选中继节点Ri;候选中继节点R汾别执行RTC&CTC数据包的 解码，计算出自身相对于源节点S的接收信噪比SNR?4，并将请求协作信令RTC在一个SIFS时 隙之后发往目标节点D;
[0034] 步骤S103:目标节点D从候选中继节点Ri转发的请求协作信令RT帥解码出源节点 S的位置和方位，并通过定向天线向源节点S回复允许发送信令CTS;此后，满足最优中继约 束条件的单跳邻节点Ri通过最优链路公式解算出源节点S与目标节点D之间通信链路的信 噪比SNR績。，分别设置各自的回退计时器;最先计时结束的候选中继将当选为最优中继Rdp， 并将CTC&CTS数据包回传至源节点S;
[0035] 步骤S104:其他候选中继节点Ri串听到最优中继Rop的CTC&CTS数据包后，分别中止 各自的回退计时器，并保持侦听信道；
[0036] 步骤S105:若源节点S成功接收到最优中继Rop转发的CTC&CTS数据包，将从中解码 出目标节点D的相对方位、相对位置和信道占用信息；此后，通信对(S，D)转入数据传输阶 段，源节点S借助最优中继Rop的转发向目标节点D发送DATA数据包，其他候选中继节点Ri保 持对DATA数据包的串听，并继续侦听信道；
[0037] 步骤S106:若其他候选中继节点Ri在一个SIFS时隙后未能串听到DATA数据包，贝U 认定为本次协作传输失败，此后，除最优中继Rop之外的其他候选中继节点Ri将同时重启各 自的回退计时器，最先结束计时的候选中继节点Ri将当选为新一轮的最优中继节点，并执 行步骤S103~步骤S105;
[0038] 步骤S107:若所有候选中继节点Ri均没有成功完成信道的协商，或者中继重传的 次数超出上限，则源节点S将在下一轮中重启协作传输的流程，并执行步骤S101~步骤 S106。
[0039] 最优中继Rdp约束条件为Ξ个，具体为：
[0040] 约束1:候选中继节点Ri为源节点S在单跳通信范围内的邻居节点，而且目标节点D 为该候选中继节点Ri在单跳通信范围内的邻居节点；
[0041 ]约束2:候选中继节点Ri可W正确解码通信对（S，D)的请求协作信令RTC和允许发 送信令CTS;
[0042] 约束3:源节点S的最优中继Rop在所有候选中继节点Ri中具有最高的接收信噪比 SNR 丫 SRD。
[0043] 最优链路公式具体为:在准稳定信道的增益呈瑞利分布时具有最大信噪比SNR的 链路，记为imax，该链路满足等式
，式中庙。表示链路i的瞬时接收SNR，i e {1，...，n|，记^可通过下式得到
，其中冷和姑。分别表示源节点S至候选中继 节点Ri和候选中继节点Ri至目标节点D的平均接收信噪比SNR，可W分别从请求协作信令RTC 和允许发送信令CTS中得到。
[0044] 回退计时器具体为:将候选中继节点Ri的回退时间瓦，设定为与链路质量rk成 反比，候选中继节点Ri按照如下等式设定回退时间，即
/ = 1，2，·'·，η;式 中，丫 i?为候选中继节点Ri中链路i的瞬时接收SNR)4。的阔值;η为参与候选中继节点Ri的数 目。
[0045] 实施例2:
[0046] 使用NS-2作为模拟仿真平台，实验数据用Matlab辅助分析。仿真中采用信道吞吐 量、平均分组接入时延等参数作为评价指标。验证了本发明基于协作MC协议的中继通信方 法，（记为DDC-MAC)的饱和吞吐量、平均时延、数据包到达率等性能。仿真参数分别为:节点 通信距离250km，节点传感距离500km，数据传输速率{1，2，5.5，11 }Mbps，短帖间隔 SIFS0.01ms，DCF帖间隔DIFS 0.02ms，ACK 分组发送时间0.02s，SNR阔值 15dB，RTS 帖长度 20b}rtes，ACK帖长度Mbytes，DATA数据包长度512b}rtes，MAC头长度34bytes，P肌头长度 24bytes，射频发送功率32地m(全向发送），38地m(定向发送），射频接收灵敏度-105地m，CTS 帖长度Mbytes,干扰阔值-74地m。
[0047] 主要仿真检验DDC-MAC协议在通信距离增加和链路质量降低(信道噪声增加)两种 环境下的通信性能。仿真中采用多信道环境，通信节点为70个，与传统中继选择方法 CoopMAC、DMAC和IE邸802. Ub DCF协议进行仿真对比，如图3~图6所示。
[0048]其中，图3和图4分别仿真检验了节点通信距离的增加对数据包误码率和吞吐量的 影响。图5和图6分别仿真检验了链路质量恶化对数据包到达率和平均延迟的影响。
【主权项】
1. 导航传感器网络中基于协作MAC协议的中继通信方法，其特征在于，所述网络包括源 节点S、目标节点D和η个候选中继节点Ri，ie{l,. . .，n}，该中继通信方法包括如下步骤： (1) 源节点S通过无线信道广播发送RTC&CTC数据包至单跳通信范围内的邻居节点， RTC&CTC数据包中包含请求协作信令RTC和协作结束信令CTC; (2) 源节点S的邻居节点接收来自源节点S的RTC&CTC数据包，其中，满足最优中继约束 条件的邻居节点当选为候选中继节点Ri;候选中继节点Ri分别执行RTC&CTC数据包的解码， 计算出自身相对于源节点S的接收信噪比SNRA，并将请求协作信令RTC在一个SIFS时隙之 后发往目标节点D; (3) 目标节点D从候选中继节点Ri转发的请求协作信令RTC中解码出源节点S的位置和方 位，并通过定向天线向源节点S回复允许发送信令CTS;此后，满足最优中继约束条件的单跳 邻节点心通过最优链路公式解算出源节点S与目标节点D之间通信链路的信噪比SNRr_，分 别设置各自的回退计时器;最先计时结束的候选中继将当选为最优中继R〇 P，并将CTC&CTS数 据包回传至源节点S; (4) 其他候选中继节点Ri串听到最优中继R〇P的CTC&CTS数据包后，分别中止各自的回退 计时器，并保持侦听信道； (5) 若源节点S成功接收到最优中继R〇P转发的CTC&CTS数据包，将从中解码出目标节点D 的相对方位、相对位置和信道占用信息;此后，通信对(S，D)转入数据传输阶段，源节点S借 助最优中继R〇 P的转发向目标节点D发送DATA数据包，其他候选中继节点Ri保持对DATA数据 包的串听，并继续侦听信道； (6) 若其他候选中继节点Ri在一个SIFS时隙后未能串听到DATA数据包，则认定为本次协 作传输失败，此后，除最优中继R〇 P之外的其他候选中继节点心将同时重启各自的回退计时 器，最先结束计时的候选中继节点心将当选为新一轮的最优中继节点，并执行步骤(3)~步 骤(5); (7) 若所有候选中继节点h均没有成功完成信道的协商，或者中继重传的次数超出上 限，则源节点S将在下一轮中重启协作传输的流程，并执行步骤(1)~步骤(6)。2. 根据权利1所述的导航传感器网络中基于协作MAC协议的中继通信方法，其特征在 于，所述最优中继约束条件为三个，具体为： 约束1:候选中继节点心为源节点S在单跳通信范围内的邻居节点，而且目标节点D为该 候选中继节点心在单跳通信范围内的邻居节点； 约束2:候选中继节点心可以正确解码通信对(S，D)的请求协作信令RTC和允许发送信令 CTS； 约束3:源节点S的最优中继R〇P在所有候选中继节点Ri中具有最高的接收信噪比SNR y SRDo3. 根据权利1所述的导航传感器网络中基于协作MAC协议的中继通信方法，其特征在 于，所述最优链路公式具体为： 在准稳定信道的增益呈瑞利分布时具有最大信噪比SNR的链路，记为imax，该链路满足 等式:' =式中'表示链路i的瞬时接收SNR，i e {1，. . .，n}，'可通过下式 得到= + 1，其中么和4分别表示源节点S至候选中继节点心和候选中继节点心 至目标节点D的平均接收信噪比SNR，可以分别从请求协作信令RTC和允许发送信令CTS中得 到。4.根据权利1所述的导航传感器网络中基于协作MAC协议的中继通信方法，其特征在 于，所述回退计时器具体为： 将候选中继节点R i的回退时间设定为与链路质量成反比，候选中继节点R i按 照如下等式设定回退时间，即，…，η;式中，γ ι?为候选中继 节点Ri中链路i的瞬时接收SNRrL的阈值;η为参与候选中继节点Ri的数目。
【文档编号】H04W84/18GK105873167SQ201610330314
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】高超, 赵国荣, 卢建华, 曾宾, 万兵, 王希彬
【申请人】中国人民解放军海军航空工程学院