基于定向天线的无线自组网邻居发现技术研究

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具备无需固定基础设施、无中心和动态网络拓扑优势的无线自组网已被广泛应用于应急、救灾和战场等特殊目的通信场景中。通过使用定向天线技术,无线自组网可以有效提高空间利用率,节省传输功率,增大传输距离,以及提高网络通信的抗干扰能力。作为无线自组网的组网基础,邻居发现技术可以为每个网络节点生成邻居节点状态表,并为后续的动态网络拓扑维护和通信传输业务奠定基础。与传统的全向天线邻居发现技术不同,基于定向天线的邻居发现技术正面临着相邻网络节点扇区对准效率低下的问题。为此,本文拟基于自适应波束天线设计能在有限时间内完成邻居发现的高效定向天线状态切换算法,并通过引入强化学习的Q学习理论对邻居发现过程中存在的节点冲突问题进行了研究。本文研究的主要贡献包括:第一,针对基于自适应波束天线的状态切换问题,本文基于网络节点二进制编号的唯一性为时钟同步和异步的无线自组网分别设计了确定型的天线状态切换算法,分别在最多(n+(?)log2n(?)+1)m和4nm个时隙内就能确保两个配置了自适应波束天线的网络节点实现彼此天线扇区的对准,从而为发现彼此存在奠定物理基础。这里n代表每个网络节点的二进制编号序列长度,而m代表每个网络节点所配置的自适应波束天线扇区数量。基于MATLAB的算法仿真分析表明,本文所提的时钟同步和异步无线自组网定向天线状态切换算法能获得优于现有同类型算法的最大邻居发现时间间隔。第二,针对邻居发现过程中存在的节点冲突问题,本文提出了能有效缓解节点冲突的邻居发现算法,在邻居发现初期先通过接收状态时检测到的节点冲突情况收集节点密度信息,然后运用Q学习和贪心策略动态调整邻居发现的参数,从而为节点所配置定向天线选择更优的通信信道。基于MATLAB的算法仿真分析表明,与随机型的信道切换算法相比,本文所提的算法可以更好地缓解天线扇区内节点冲突,降低整个邻居发现过程的时延,并且在每扇区信道数发生改变时仍然提供较为稳定的邻居发现性能。
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