一種適于波束切換移動自組網(wǎng)的鄰居發(fā)現(xiàn)改進算法

李 麗，鄭博文，劉麗哲

(1.海軍參謀部，北京 100000；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著人們對業(yè)務(wù)需求的快速增長，對無線通信系統(tǒng)的通信速率、工作頻段以及組網(wǎng)節(jié)點數(shù)量均提出了更高的要求，有學(xué)者預(yù)測每秒兆位鏈路在未來十年內(nèi)將成為現(xiàn)實[3]，有學(xué)者建議第六代通信技術(shù)應(yīng)用于太赫茲頻段(0.1～10 THz)[4]。更高的載波頻率帶來了更高的空間損耗，全向天線通信系統(tǒng)也越來越無法滿足通信覆蓋要求；節(jié)點數(shù)量的增加，或者節(jié)點通信容量的增加都對移動自組網(wǎng)的容量提出了挑戰(zhàn)。

綜上所述，采用定向天線能夠顯著提高移動自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)容量，更好地滿足業(yè)務(wù)對移動自組網(wǎng)提出的要求。

在定向天線移動自組網(wǎng)中，鄰居發(fā)現(xiàn)是進行任何通信的前提，是指節(jié)點開機后，在沒有鄰節(jié)點任何先驗信息的條件下，通過基于一定的互盲或自盲算法協(xié)議發(fā)現(xiàn)其一跳范圍內(nèi)的其他節(jié)點，同時被其他節(jié)點發(fā)現(xiàn)并建立通信連接的過程。由于定向天線的窄波束特性，節(jié)點必須在正確的時間、將正確的波束指向?qū)Ψ?，而且彼此收發(fā)模式相反，才能有效通信，這給鄰居發(fā)現(xiàn)算法帶來了很大的挑戰(zhàn)。另外，節(jié)點的移動、入網(wǎng)和離開網(wǎng)絡(luò)等動作都會增加鄰居發(fā)現(xiàn)算法的難度，因此研究定向天線移動自組網(wǎng)鄰居發(fā)現(xiàn)算法十分有必要。

文中，首先討論定向天線移動自組網(wǎng)鄰居發(fā)現(xiàn)算法的研究現(xiàn)狀[9-18]，然后指出現(xiàn)有基于波束掃描的鄰居發(fā)現(xiàn)算法在波束切換移動自組網(wǎng)中存在的問題，并提出一種適于波束切換移動自組網(wǎng)的鄰居發(fā)現(xiàn)改進算法。

1 定向天線鄰居發(fā)現(xiàn)算法

定向天線移動自組網(wǎng)鄰居發(fā)現(xiàn)算法可分為隨機算法和同步算法兩大類，隨機算法是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點沒有時鐘同步情況下，每個節(jié)點收發(fā)波束、發(fā)送和接收狀態(tài)獨立隨機選擇；同步算法是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時鐘同步的前提下，設(shè)計了一種機制讓多個節(jié)點協(xié)同地進行收發(fā)波束、發(fā)送和接收狀態(tài)選擇。研究證明，同步算法的鄰居發(fā)現(xiàn)性能優(yōu)于隨機算法，因此，基于同步的鄰居算法研究文獻居多，其中Xiong W[17]等人提出的基于掃描的鄰居發(fā)現(xiàn)算法(Scan-Based Algorithm，SBA)性能優(yōu)越，較為經(jīng)典。該算法有如下假設(shè)：

① 每個節(jié)點配備定向掃描天線，波束寬度為α(0≤α≤2π)；

② 半雙工通信方式，節(jié)點或處于發(fā)送模式，或處于接收模式；

③ 所有節(jié)點均通過GPS或其他方法精準同步，分為多個時隙，每個時隙又分為3個子時隙，用以實現(xiàn)3次握手；

④ 如果一個節(jié)點同時從多個鄰居節(jié)點接收到信號，則認為發(fā)生沖突。

SBA算法的基本思想是：將掃描定義為一系列方向，并且每個掃描周期應(yīng)覆蓋全部天線方向，且不得重復(fù)。在每次掃描起始，節(jié)點以概率pt隨機進入發(fā)送狀態(tài)，并以概率1-pt進入偵聽狀態(tài)，節(jié)點保持收發(fā)狀態(tài)不變，直到完成一次掃描；在發(fā)送時，節(jié)點通過在每個指定的方向上發(fā)送廣播包；偵聽時，節(jié)點也在指定方向上接收廣播包，如果接收到廣播包，則回復(fù)確認包。掃描時發(fā)射波束指向與接收波束指向相對，令θ表示發(fā)送節(jié)點波束指向，則θ′=(θ+π)mod2π表示接收節(jié)點波束指向，SBA算法掃描方案的一個例子如圖1所示[17]。在時隙t1，節(jié)點1和節(jié)點2在0°方向上發(fā)送，節(jié)點3和節(jié)點4在180°方向上接收；在時隙t2，節(jié)點1和節(jié)點2在45°方向上發(fā)送，節(jié)點3和節(jié)點4在135°方向上接收，在時隙t2，節(jié)點2和節(jié)點3能夠彼此發(fā)現(xiàn)。在一次掃描中完成360°掃描覆蓋。

SBA算法以概率的方式選擇收發(fā)狀態(tài)，能夠在一定程度上緩解一個定向波束中存在多個節(jié)點時，鄰居發(fā)現(xiàn)幀沖突所引起的鄰居發(fā)現(xiàn)失敗和發(fā)現(xiàn)時間過長的問題。為了更好地解決該問題以縮短鄰居發(fā)現(xiàn)時間，王昕羽[18]等人在SBA算法的基礎(chǔ)上進行改進，提出了一種使用定向天線的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)鄰居發(fā)現(xiàn)算法，即引入靜默機制，減小了同一波束角內(nèi)節(jié)點握手信息碰撞的概率。經(jīng)王昕羽等人改進后的鄰居發(fā)現(xiàn)算法可使節(jié)點有效地發(fā)現(xiàn)鄰居，節(jié)點間順利建立一跳網(wǎng)絡(luò)，同時，可根據(jù)節(jié)點的入網(wǎng)時間或已掃描次數(shù)，動態(tài)調(diào)整該節(jié)點進入靜默狀態(tài)的概率，使得鄰居發(fā)現(xiàn)效率提高，節(jié)點入網(wǎng)建立網(wǎng)絡(luò)連接的速度加快[18]。

圖1 SBA算法收發(fā)方向示意圖Fig.1 Overview of SBA

2 SBA算法的改進

2.1 現(xiàn)有SBA算法的問題

針對一個定向波束覆蓋多個節(jié)點的情況，已有研究學(xué)者進行了深入研究[17-18]，但是在實際工程應(yīng)用中，采用多波束切換實現(xiàn)全方位掃描是一種常見實現(xiàn)形式。為了保證多個定向天線能實現(xiàn)360°的覆蓋以及波束邊緣時的通信容量，定向天線波束寬度α(0≤α≤2π)與定向天線數(shù)量B，應(yīng)滿足α·B>2π。當鄰居節(jié)點位于兩個定向天線波束相重合的位置時，若采用基于掃描的方法會出現(xiàn)多個定向天線波束發(fā)現(xiàn)同一個鄰居節(jié)點的情況，如圖2所示，采用基于隨機方法的情況如圖3所示。

基于掃描的傳統(tǒng)方法[17-18]在上述情況下會以波束掃描中最后一次實現(xiàn)握手的定向天線波束作為該鄰居節(jié)點的通信波束，但是該波束不一定是信道質(zhì)量最好的波束，從而影響通信質(zhì)量。

圖2 SBA方法多個定向天線波束發(fā)現(xiàn)同一個 鄰居節(jié)點的情況示意圖Fig.2 Problem of SBA when multiple beams find the same node

圖3 基于隨機方法多個定向天線波束發(fā)現(xiàn)同一個 鄰居節(jié)點的情況示意圖Fig.3 Problem of generic random neighbor discovery algorithm when multiple beams find the same node

2.2 改進算法

為了解決基于掃描的傳統(tǒng)方法在多個定向天線波束發(fā)現(xiàn)同一個鄰居節(jié)點時，無法選取最優(yōu)波束的問題，本文提出了一種適于波束切換移動自組網(wǎng)的鄰居發(fā)現(xiàn)改進算法。改進算法的基本思想是在王昕羽等人提出的SBA算法基礎(chǔ)上增加接收信號質(zhì)量評估機制，針對波束交疊區(qū)域，節(jié)點通過判定接收特征參數(shù)決定是否繼續(xù)進行握手，選擇最佳波束，從而避免當節(jié)點處于兩個波束共同覆蓋區(qū)域時選擇了差的波束，增強網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，改進后的算法與原算法鄰居發(fā)現(xiàn)時間相同。

與SBA算法[17-18]一樣，本文作出如下假設(shè)：

① 每個節(jié)點配備一副基于波束切換的多波束天線，實現(xiàn)360°覆蓋，波束數(shù)目為B，每個波束的寬度為α(0≤α≤2π)，滿足α·B>2π；

② 每個節(jié)點配備測向和授時設(shè)備，例如GPS/北斗或電子羅盤等；

③ 半雙工通信方式，節(jié)點或處于發(fā)送模式，或處于接收模式；

④ 如果一個節(jié)點同時從多個鄰居節(jié)點接收信號，則會發(fā)生沖突。

本文提出的改進算法時隙設(shè)計如下：整個時隙周期包含鄰居發(fā)現(xiàn)階段和數(shù)據(jù)階段，其中鄰居發(fā)現(xiàn)階段包括3次掃描過程，每次掃描由B個時隙構(gòu)成，完成對360°范圍內(nèi)的掃描，每個時隙進一步分為3個子時隙。時隙結(jié)構(gòu)如圖4所示。

鄰居發(fā)現(xiàn)階段掃描方式設(shè)計如下：在一次掃描起始之前，每個節(jié)點以pt的概率作為主動掃描節(jié)點進行主動發(fā)送，以概率1-pt作為被動收聽節(jié)點對信道進行偵聽接收。選擇主動掃描的節(jié)點將在后續(xù)B個時隙，于每一個時隙的第一子時隙發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)幀1(Neighbor Discovery 1,ND1)，其中ND1中包含本機節(jié)點號；選擇被動收聽的節(jié)點將在后續(xù)B個時隙，于每一個時隙的第一子時隙收聽信道。以B=16時為例，圖5為鄰居發(fā)現(xiàn)階段主動掃描節(jié)點和被動掃描節(jié)點的掃描流程詳細說明。

圖4 時隙結(jié)構(gòu)Fig.4 Time slots

圖5 動態(tài)鄰居發(fā)現(xiàn)示意圖Fig.5 Overview of the proposed modified SBA

對16個定向天線進行編號，與電子羅盤參考基線方向?qū)R的波束定為1波束，按照逆時針方向?qū)?6個定向天線依次編號；根據(jù)正北方向與電子羅盤的參考基線方向的順時針夾角計算主動掃描節(jié)點在當前時隙的第一子時隙發(fā)送ND1幀的定向天線編號，并通過此定向天線發(fā)送ND1幀；計算主動掃描節(jié)點在當前時隙的第一子時隙發(fā)送ND1幀的定向天線編號為：

式中，S為主動掃描節(jié)點在當前時隙的第一子時隙發(fā)送ND1幀的定向天線編號，θ為電子羅盤參考基線方向與正北方向的順時針夾角，i代表定向天線編號。

具體發(fā)現(xiàn)過程如下：

步驟1：根據(jù)發(fā)送ND1幀的定向天線編號計算被動收聽節(jié)點在當前時隙的第一子時隙偵聽ND1幀的定向天線編號，并通過此定向天線偵聽ND1幀，如果被動收聽節(jié)點在當前時隙的第一子時隙偵聽到了ND1幀，則計算ND1幀的接收功率并解析ND1幀中的節(jié)點號，執(zhí)行步驟2；如果被動收聽節(jié)點在當前時隙的第一子時隙未偵聽到ND1幀，則轉(zhuǎn)入步驟5；被動收聽節(jié)點在當前時隙的第一子時隙偵聽ND1幀的定向天線編號為K=(S+8)mod16，其中，K為被動收聽節(jié)點在當前時隙的第一子時隙偵聽ND1幀的定向天線編號，AmodB代表A除以B的余數(shù)。

步驟2：將接信噪比(SNR)和當前TDMA周期內(nèi)該節(jié)點的累計接收SNR最大值進行比較，如果接收SNR不小于該節(jié)點的累計接收SNR最大值，則更新該節(jié)點的累計接收SNR最大值，并在當前時隙的第二子時隙回復(fù)ND2幀，執(zhí)行步驟3；如果接收功率小于該節(jié)點的累計接收SNR最大值，則轉(zhuǎn)入步驟5；其中，該節(jié)點為當前時隙接收到的ND1幀中的節(jié)點號所對應(yīng)的節(jié)點，ND2幀中包含自身節(jié)點號，累計接收SNR最大值的初始值設(shè)置為零。

步驟3：如果主動掃描節(jié)點在當前時隙的第二子時隙收到ND2幀，則在當前時隙的第三子時隙回復(fù)ND3幀，執(zhí)行步驟4；如果主動掃描節(jié)點在當前時隙的第二子時隙未收到ND2幀，則轉(zhuǎn)入步驟5。

步驟4：被動收聽節(jié)點在當前時隙的第三子時隙接收并讀取ND3幀。

步驟5：判斷當前時隙的時隙號是否為16，如果是，則累計接收功率最大值所對應(yīng)的波束即為所選波束，結(jié)束本流程；如果不是，則等待進入下一時隙，轉(zhuǎn)入步驟4。

現(xiàn)以具體實例對改進算法進行說明，如圖6所示，節(jié)點1為主動掃描節(jié)點，節(jié)點2為被動偵聽節(jié)點。在時隙1，節(jié)點2收到節(jié)點1的ND1幀，接收信噪比為snr1，記錄當前節(jié)點1的累計最大接收信噪比為Max1=snr1，并在接下來的時隙ND2和時隙ND3完成與節(jié)點1的3次握手；在時隙2，節(jié)點2收到節(jié)點1的ND1幀，接收信噪比為snr2，其中snr2Max1，并在接下來的時隙ND2和時隙ND3完成與節(jié)點1的3次握手。

圖6 一種適于波束切換移動自組網(wǎng)的鄰居發(fā)現(xiàn)改進算法舉例Fig.6 Example of the proposed algorithm

3 改進算法性能仿真及分析

為了驗證本文提出的適于波束切換移動自組網(wǎng)的鄰居發(fā)現(xiàn)改進算法的有效性，用python對該算法進行了仿真，仿真中心頻率為4 GHz，發(fā)射機輸出功率40 dBm，仿真中用于鄰居發(fā)現(xiàn)的信令幀接收靈敏度為-105 dBm，仿真場景采用20 km×20 km的正方形區(qū)域，隨機在20 km×20 km的區(qū)域產(chǎn)生16個節(jié)點，隨機產(chǎn)生每個節(jié)點的基線方向，仿真節(jié)點分布如圖7所示。

圖7 仿真節(jié)點分布圖Fig.7 Scatter of nodes in 20 km×20 km square

天線采用4陣元、6陣元和8陣元平面天線，天線方向圖如圖8所示，可以看出4陣元天線3 dB波束寬度約為35°，6陣元天線3 dB波束寬度約為23°，8陣元天線3 dB波束寬度為17°。下面分別在4陣元、6陣元和8陣元平面天線，用α代表交疊波束和波束寬度比值，在α為1/4和1/8情況下，對本文提出的鄰居發(fā)現(xiàn)改進算法的累計平均接收電平與傳統(tǒng)SBA[18]算法進行比較。

圖8 單波束天線方向圖Fig.8 Radiation pattern of single antenna beam

在上述仿真場景和參數(shù)設(shè)置情況下，將本文提出的鄰居發(fā)現(xiàn)改進算法的接收電平累計概率分布與傳統(tǒng)SBA[18]算法進行比較，如圖9、圖10和圖11所示。其中橫坐標為接收信號強度，縱坐標為累計分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function,CDF)。

圖9 4陣元累計平均接收電平對比Fig.9 Cumulative reception level equipped with 4-element antenna

圖10 6陣元累計平均接收電平對比Fig.10 Cumulative reception level equipped with 6-element antenna

圖11 8陣元累計平均接收電平對比Fig.11 Cumulative reception level equipped with 8-element antenna

由圖 9、圖 10和圖 11可以看出，本文提出的鄰居發(fā)現(xiàn)改進算法的累計平均接收電平相較于傳統(tǒng)SBA算法提高約15 dB，可支撐更高的通信容量、或增強網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；隨著天線陣元數(shù)量增多，天線增益變大，傳統(tǒng)SBA算法選擇的非最優(yōu)波束的概率在逐漸增加，例如，在交疊波束占波束寬度1/8時，在4陣元、6陣元和8陣元時分別為60%，80%，90%，而本文提出的改進算法始終能選擇最優(yōu)波束，具有更高的網(wǎng)絡(luò)容量，且隨著天線陣元數(shù)量增多，網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提升越大。

4 結(jié)束語

本文針對基于多波束切換的移動自組網(wǎng)在波束交疊的情況下，鄰居發(fā)現(xiàn)過程無法選擇最優(yōu)通信波束的問題，提出了一種適于波束切換移動自組網(wǎng)的鄰居發(fā)現(xiàn)改進算法，該算法在基于掃描的鄰居發(fā)現(xiàn)算法的基礎(chǔ)上通過接收信號質(zhì)量評估選擇最佳波束。仿真結(jié)果表明，在波束交疊情況下，采用本文提出的改進算法，系統(tǒng)能夠選擇最優(yōu)通信波束，累計平均接收電平優(yōu)于傳統(tǒng)的基于掃描的鄰居發(fā)現(xiàn)算法，并且單波束寬度越窄、波束交疊占波束寬度的比例越大，網(wǎng)絡(luò)吞吐量提升越明顯。