一种基于附加扫描窗口的异步周期性协作邻居发现方法

1.本发明属于无线通信技术领域，特别是一种基于附加扫描窗口的异步周期性协作邻居发现方法。


背景技术：

2.邻居发现是自组网模式下物联网设备相互发现、构建网络的第一步。由于物联网设备大多是能量受限的，保持收发机长时间工作是不现实的，因此常采用异步周期性邻居发现方式，广播节点和扫描节点只周期性地进入工作状态，而在其余时间均关闭收发机以节约能量。对于异步周期性邻居发现，不同的设计方式与系统参数意味着不一样的平均能耗水平，而对应的邻居发现时延也有差异。对于相同的能耗水平，时延更短的邻居发现方法消耗的总能量更少，能量效率也更高。因此，设计时延较短的邻居发现方法成为了研究的重点。
3.在现有异步周期性邻居发现方法中，singleint方法(参考文献：kindt p h,narayanaswamy s,saur m,“optimizing ble-like neighbor discovery,”ieee transactions on mobile computing,vol.21,no.5,pp.1779-1797,2022.)实现了给定占空比条件下对称邻居发现最差情况时延的最小化，但没有考虑利用协作机制进一步降低时延。griassdi方法(参考文献：kindt,p h,yunge d,reinerth g.chakraborty,s.griassdi,“mutually assisted slotless neighbor discovery,”in proc.acm/ieee ipsn,2017.)虽然是基于协作机制的，但其采用的扫描周期较短，在随机时延广播模式下首次邻居发现性能不佳。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于附加扫描窗口的异步周期性协作邻居发现方法，有效减少平均邻居发现时延。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于附加扫描窗口的异步周期性协作邻居发现方法，采用周期性调度方式。每个节点周期性地发送广播包以被邻居发现，周期性地进入扫描窗口接收广播包以发现邻居，并利用周期性的短扫描窗口实现协作邻居发现。除了处于发送状态与扫描状态的时间以外，节点均处于休眠状态以节约能量。
6.进一步地，所述的周期性的调度方式，具体如下：
7.每个节点周期性地发送广播包，广播包传输时间da是一个固定值，而广播周期由固定值部分t
l
与伪随机数部分r组成，平均广播周期ta＝t
l
+r/2。每个节点周期性地进入扫描状态以接收广播包，扫描周期为固定值ts，常规扫描窗口长度为固定值ds。连续的两个常规扫描窗口之间均匀分布了(k-1)个较短的附加扫描窗口以实现协作邻居发现，附加扫描窗口长度为固定值de＝αda(α＞1)。广播周期ta与扫描周期ts不同，因而在按照正常调度周期性运行的过程中可能出现常规扫描窗口或附加扫描窗口内需要发送广播包的情况。此时先暂时中断扫描状态并发送广播包，待广播包发送完毕后重新切换回扫描状态，并且不对
扫描窗口的长度进行补偿。
8.进一步地，所述利用附加扫描窗口实现协作邻居发现的方法，具体如下：
9.每个由节点a发送的广播包都会捎带节点a下一个附加扫描窗口到来的时刻。如果节点b收到了节点a发出的广播包，那么它就会在节点a下一个附加扫描窗口到来时额外发送一个协作广播包，从而被节点a发现。如果节点a收到目标对象为自身且来自节点b的协作广播包，它即意识到与节点b的相互发现已经完成。
10.进一步地，所述的占空比η与系统参数的关系如下：
[0011][0012]
进一步地，对于给定的系数α、占空比η与一跳范围内邻居节点总数n，各系统参数的取值由以下方式依次确定：
[0013]
用于常规扫描窗口和广播的占空比c、平均邻居发现时延扫描周期ts、平均广播周期ta和常规扫描窗口长度ds分别由以下各式给出：
[0014][0015][0016][0017][0018][0019]
将公式(2)代入公式(3)，得到由各已知参数与未知正整数k表示的在区间[2,8/(αη)+1]内搜索最小化的正整数k，将k代入公式(2)得到c，利用c计算出扫描周期ts，平均广播周期ta和常规扫描窗口长度ds。
[0020]
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)优化了单方面邻居发现时间；(2)利用附加扫描窗口实现协作邻居发现，有效缩短双向邻居发现时间；(3)增加了附加扫描窗口数目，以补偿多节点争抢同一附加扫描窗口带来的不利影响。
附图说明
[0021]
图1是本发明所提方法一次成功邻居发现事件的示意图。
[0022]
图2是本发明所提方法在一对一邻居发现场景下占空比取0.6％时与现有方法的时延累积分布比较。
[0023]
图3是本发明所提方法在一对一邻居发现场景下与现有方法的平均时延比较。
[0024]
图4是本发明所提方法在群体邻居发现场景下与现有方法的平均时延比较。
具体实施方式
[0025]
本发明提出的一种基于附加扫描窗口的异步周期性协作邻居发现方法，利用附加扫描窗口实现协作邻居发现，从而降低邻居发现时间。具体特征如下：
[0026]
每个节点采用周期性的调度方式：周期性地发送广播包以被邻居发现，周期性地进入扫描窗口接收广播包以发现邻居，并利用周期性的短扫描窗口实现协作邻居发现。除了处于发送状态与扫描状态的时间以外，节点均处于休眠状态以节约能量。
[0027]
本发明的具体实施如下：
[0028]
一、所述的周期性的调度方式，具体如下：
[0029]
每个节点周期性地发送广播包，广播包传输时间da是一个固定值，而广播周期由固定值部分t
l
与伪随机数部分r组成，平均广播周期ta＝t
l
+r/2。每个节点周期性地进入扫描状态以接收广播包，扫描周期为固定值ts，常规扫描窗口长度为固定值ds。连续的两个常规扫描窗口之间均匀分布了(k-1)个较短的附加扫描窗口以实现协作邻居发现，附加扫描窗口长度为固定值de＝αda(α＞1)。广播周期ta与扫描周期ts不同，因而在按照正常调度周期性运行的过程中可能出现常规扫描窗口或附加扫描窗口内需要发送广播包的情况。此时先暂时中断扫描状态并发送广播包，待广播包发送完毕后重新切换回扫描状态，并且不对扫描窗口的长度进行补偿。
[0030]
二、所述利用附加扫描窗口实现协作邻居发现的方法，具体如下：
[0031]
每个由节点a发送的广播包都会捎带节点a下一个附加扫描窗口到来的时刻。如果节点b收到了节点a发出的广播包，那么它就会在节点a下一个附加扫描窗口到来时额外发送一个协作广播包，从而让节点a在附加扫描窗口内收到它的广播包。如果节点a收到目标对象为自身且来自节点b的协作广播包，它即意识到与节点b的相互发现已经完成。
[0032]
三、所述的占空比η与系统参数的关系如下：
[0033][0034]
四、对于给定的系数α、占空比η与一跳范围内邻居节点总数n，各系统参数的取值由以下方式依次确定：
[0035]
用于常规扫描窗口和广播的占空比c、平均邻居发现时延扫描周期ts、平均广播周期ta和常规扫描窗口长度ds分别由以下各式给出：
[0036][0037][0038][0039]
[0040][0041]
将公式(2)代入公式(3)，得到由各已知参数与未知正整数k表示的在区间[2,8/(αη)+1]内搜索最小化的正整数k，将k代入公式(2)得到c，利用c计算出扫描周期ts，平均广播周期ta和常规扫描窗口长度ds。
[0042]
实施例1
[0043]
本发明的第一个实施例具体描述如下，网络仿真在omnet++平台上运行，采用c++语言，参数设定不影响一般性。在仿真中，广播包传输时间设为da＝3.76
×
10-4
s，附加扫描窗口与广播包传输时间的比值设为α＝1.5。广播周期的随机部分r每次在区间[0，10ms]中随机选取，这一设置与低功耗蓝牙的随机时延广播模式一致。占空比η在0.6％与1.2％之间选取。每次仿真的起始时刻即认为是节点两两进入相互通信范围的时刻，每个节点的首次广播时间在区间[0，ta]内随机选取，首次扫描时间在区间[0，ts]内随机选取。对于每个工作占空比，均仿真得到2000个样本并求平均值。
[0044]
图2是实施例1中一对一邻居发现场景下占空比取0.6％时本发明所提方法与singleint方法和griassdi方法的邻居发现时延累积分布结果对比图。从图中可以看出，无论平均时延还是双向发现时延，所提方法均优于singleint方法与griassdi方法。
[0045]
图3是实施1中一对一邻居发现场景下本发明所提方法与singleint方法和griassdi方法的平均时延结果对比图。从图中可以看出，对于不同占空比，所提方法均优于singleint方法与griassdi方法，且相比于singleint方法平均时延可降低约26％。可见所提方法能够通过协作邻居发现机制有效降低邻居发现时延。
[0046]
图4是实施1中群体邻居发现场景下本发明所提方法与singleint方法和griassdi方法的平均时延结果对比图。从图中可以看出，随着一跳邻居节点数目增多，各方法平均时延均会升高，但所提方法受影响较大。节点数目为4、8、12和16时，所提方法的平均时延比singleint方法低约25％、18％、13％和5％，所提方法的优势逐渐减小。可见所提方法主要适用于节点稀疏的环境。