专利名称：一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于无线传感网络(MANET)中的节点位置预测与通信，更 特别地说，是指一种基于定向天线的移动节点位置预测与通信方法。
背景技术：
MANET (mobile ad hoc net)是由无线传感器节点组成的能够进行相互通信
的无线网络。该网络常常用于灾难恢复、幸存者搜救等无法使用有线网络或是有线网 络难以发挥作用的环境中。
在MANET网络中的无线传感器节点所使用的天线有以下2种全向天线和定
向天线。
全向天线拥有360°射频范围，所以在通信的过程中不需要将天线指向对端。全 向天线向各个方向发送相同强度的信号，因此，它的信号覆盖区域近似于一个圆形， 但由于接收方只存在于一个特定的方向上，所以，使用全向天线会造成大量的能量浪 费。除此之外，全向天线在通信的过程容易被非法节点发现并监听，因此全向天线通 信的安全性也较低。
定向天线只能向特定的角度发送和接收信号，所以，定向天线能够扩展通信的距 离，提髙通信的空间利用率；增加通信的安全性；减少移动节点通信时能量的消耗。 同时，由于不在射频区域内的节点无法收到信号，所以减小了节点间通信时的冲突， 提高了通信的质量和通信传输的速度，并且降低了其被非法节点发现和监听的概率。
然而，定向天线只能在特定的角度发送和接收信号，因此移动节点之间能够进行 通信的前提是两个移动节点的定向天线相互对准，否则就无法接收到对方发过来的信 号。伹是在MANET网络中，由于通信的双方都处于无规则的运动中，因此通信的双
方都不知道对方的位置，也就无法将自己的定向天线照准对方，所以需要提出一种方 法，使得通信双方能够在不知道对方位置的情况下也可以将自己定向天线指向对方。
对位置信息的研究包含方向位置跟踪和位置预测。位置跟踪是周期性地记录其 他节点的位置信息，属于被动策略。现有的位置跟踪技术是利用未知节点与某些参考 节点集的距离或角度，并使用三角测量技术求解未知节点的位置。位置预测是一种积 极的动态策略，该方法是通过使用节点的运动模型来预测运动节点的位置。F&yM在"Quality of Service Provisioning in Cellular Mobile Network" In The University of British Columbia, 2003;中提出了一种基于统计分析的方法 来预测用户移动的箅法。该算法将用户的移动用一系列的事件来表示，并假设用户 的移动轨迹符合马尔可夫模型，认为下一个事件的发生概率和前面的m个iW^fev事 件有关。这种方法优点是参考了用户前几步的移动。该箅法为每个移动用户建立一 个移动概率树，每一个树的根节点根据这个树的叶节点概率来预测下一个事件发生 的概率。该算法虽然可以根据历史统计信息计箅出当前节点移动到某个区域的概率， 但是需要维护每个移动用户的多个移动树，增加了系统的开销。另一方面，使用该 算法的一方必须具有移动用户以前的移动路径记录，并且记录越多箅法效果越好， 对于移动记录较少或者没有移动路径记录的情况，不能使用该箅法。
综上所述，现有的位置预测的方法在MANET网络中使用存在局限，对环境的 适应性不强，都需要在待测的区域中做大量的学习， 一旦待测区域发生了改变，预测 的正确性将会大幅度的下降。除此之外，现在人们所提出的位置预测的方法都是釆用 全向天线；或是采用定向天线发送，全向天线接收的模式，不利于提高预测的精度和 节点之间通信的安全性，而在本发明中，无论是通信的接收还是发送，均采用定向天 线来完成，从而增加了双方通信的距离和通信的效率。 发明内 容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间 通信系统，通过使用双定向邻居发现方法实现移动节点间通信连接的建立；然后根据 邻居节点的以往运动轨迹进行分析，使用JWc/e方法来计算出该邻居节点在未来某一 时刻出现的区域，从而实现了对该邻居节点的位置预测；并以该位置预测的结果，使 用天线参数计箅方法来得到定向天线的波束角和方位角，从而使通信双方的定向天线 相互对准，实现两个移动节点间的通信；除此之外，本发明还提出了一种位置预测修 正方法，用来解决位置预测错误的情况，从而完善了对邻居节点的位置预测。由于本 发明在无线传感器节点上使用了定向天线，因此扩展了通信的距离，提高了通信的空 间利用率；减少移动节点通信时能量的消耗。同时，减小了节点间通信时的冲突，提 高了通信的质量和通信传输的速度，并且降低了其被非法节点发现和监听的概率，增 加了通信的安全性。本发明的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，该系统包括 有邻居发现模块(1)、地址解析模块(2)、地址存储模块(3)、位置预测模块(4)、 参数设置模块(5)、通信发送模块(6)、通信接收模块(7)和位置修正模块(8);
邻居发现模块(1) 一方面根据双定向邻居发现方法进行通信连接建立，使得通 信连接建立的发起方节点与接收方节点能够相互交换双方的地理位置信息v4(x,力、 5(x,力，并输出邻居身份^w给地址解析模块(2);另一方面接收位置修正模块(8) 输出的重启指令ww"w ，并依据该重启指令"成W进行下一次的通信连接建立；
地址解析模块(2)第一方面接收通信接收模块(7)输出的数据包&to」"，并 从血加—i"中提取出B(^力，并将该B(义，力传输给地址存储模块(3〉；第二方面将 接收的邻居身份5^输出给通信发送模块(6);第三方面移动节点将GPS接收终端 收到的地理位置信息乂Cx,力提取出来，并将该^x,力传输给通信发送模块(6);
地址存储模块(3) —方面将经过地址解析模块(2)解析之后的数据J5(x,力存 储到移-节-数据库中，该数据库对每一个邻居节点只保存《条最新的位置信息的记 录；另一方面输出邻居节点的历史地址(&X),(义w,;^)给位置预测模块(4)，用 于三角形覆盖位置预测法7Wc/e使用，该模块使用堆栈的方式有利于提高数据的读取
速度，减少査询等待时间；上述移-节-数据库中记录的格式为 ("me, "。fife一 W,/7(w/ho" 一 jc,/ os"io" __y)，"附e表示移动节点接收到回复信息的时间, "o血一W表示邻居节点的身份标识，po甜^2一;c表示邻居节点在测试区域中的经度 ■x，戶础》"一y邻居节点在测试区域中的纬度y;
位置预测模块(4)对接收到的邻居节点历史地址(&x), (;^,;^)通过7Wde方
法来分析，从而实现对邻居节点在将来某个时刻所在区域的预测，得到邻居节点可能 出现的区域，并将该区域的数据(x,w,;^)传输给参数设置模块(5);
参数设置模块(5) —方面接收位置预测模块(4)输出的邻居节点预测位置 (A+1，>W)，另一方面接收位置修正模块(8)输出的修正指令/^尸，第三方面采用天 线参数计箅方法对"+1, A！)和/^尸进行计箅，获得定向天线的波束角^和方位角 〃 输 出给通信发送模块(6);
通信发送模块(6) —方面接收地址解析模块(2)输出的移动节点地理信息 J(x,y)，另一方面接收参数设置模块(5)输出的第二波束角6和方位角/ ，并依据e和"设置移动节点上的定向天线参数,第三方面对4义,力进行打包处理获得数据包 J"to一ow输出；通信发送模块(6)输出的数据包&to一cwrf格式与通信连接请求
朋rs(4,^，^"力)相同；
通信接收模块(7) —方面接收邻居节点输出的第一数据包&tojw,另一方面 采用转发方法进行数据的分发；
位置修正模块(8)接收到通信接收模块(7)输出的"me一otrf和c/e朋后，应用 位置预测修正方法进行处理，将获得的重启指令w成zw输出给邻居发现模块(1), 将获得的修正指令i^尸输出给参数设置模块(5)。
本发明的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，该系统的优 点在于
(1) 本发明是一种使用在车载移动节点上的进行位置预测的通信方法，由于通信的 发送方与接收方都使用定向天线，因此减小了节点间通信时的能量消耗，扩展 了节点间通信的距离，增加了通信时空间使用率，增强了通信时的安全性，提 高了通信的质量和通信的速度。
(2) 本发明进行位置预测时不需要在跟踪区域设置大量的锚节点，不需要将节点的 轨迹完全记录，只需要记录少量的运动点的^^置数据就可以进行位置预测，因 此减小了计算的复杂度和存储空间的消耗。
(3) 采用双定向邻居发现方法来分别获得发送、接收方的地理位置信息，实现了两 个采用定向天线的移动节点间的位置发现。最大程度地利用了定向天线的优 势，扩展了通信的距离，提高了通信的空间利用率；增加了通信的安全性；减 少了移动节点通信时能量的消耗；有效地利用了定向天线抗干扰的能力，提高 了通信的质量和通信传输的速度。
图1是本发明的基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统的结构图。 图2是本发明中的位置预测的原理图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明。，使用定向天线作为通信的媒介，并
且安装有GPS接收终端。因此每个移动节点都能够获得自己当前的地理位置信息。
上述地理位置信息^(j,力包括节点所在的经度jc，纬度y。
在本发明中，每个移动节点通过邻居发现操作获得其邻居节点的位置信息。该节 点会每隔一定的时间f (该时间段被称为间隔周期)对其周围的邻居节点进行位置预 测，然后对预测区域进行通信，当通信承功时则交换双方的地理位置信息；否则，节 点会自动地釆用位置预测修正方法来进行修正，重新进行通信。
为了叙述方便，在下面的详细说明中，除了邻居发现模块1中应用发送方节点、 接收方节点以外，其余对发送方节点采用移动节点的称呼，接收方节点采用邻居节点 的称呼。
参见图l所示，本发明的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信 系统，该系统包括有邻居发现模块1、地址解析纟莫块2、地址存储模块3、位置预测 模块4、参数设置模块5、通信发送模块6、通信接收模块7和位置修正模块8。 (一)邻居发现模块1
邻居发现模块1 一方面根据双定向邻居发现方法进行通信连接建立，使得通信 连接建立的发起方节点与接收方节点能够相互交换双方的地理位置信息j(x,力、
，并输出接收方节点的身份标识万w (简称为邻居身份^"给地址解析模块2; 另一方面接收位置修正模i夫8输出的重启指令re成zrt ，并依据该重启指令mstot进 行下一次的通信连接建立；
在本发明中，通信连接建立的发起方节点也称作发送方节点，接收方称作接收方 节点。
发送方节点与接收方节点之间进行的通信所使用的方法称为双定向邻居发现方 法，应用该双定向邻居发现方法的具体实现步骤如下
步骤ioi:发送方节点采用旋转周期为:f r对定向天线的转动进行控制，每移
动一个波束角0后，并向接收方节点发送一次通信连接请求Di rS(4,&爿(x,力)； 而接收方节点则以旋转周期T进行定向夭线转动，并始终处于通信接收状态；0表示定向天线的波束角；
r表示定向天线的旋转周期；
4d表示发送方节点的身份；
5w表示接收方节点的身份；
我j,力表示发送方节点的地理位置信息，x表示经度，y表示纬度。
步骤102:当接收方节点接收到Z)/ rS(4,^,^(x，力)后，接收方节点将发送方
节点标记为自身的邻居节点，并获取j"力存储在接收方节点的地理位置信息库(简 称为邻-节-数据库)，然后接收方节点的定向天线停止旋转，并向发送方节点发送回
复信息Z)CrS(Sw,4,S"力)；
在本发明中，若接收方节点能够接收到发送方节点的通信连接请求
Di rs(4rf，&，x(x,力)，则说明接收方节点与发送方节点之间的定向天线相互对准。 步骤i03:发送方节点接收到回复信息zx:ra(5w,4,5(X力)后，发送方节点将 接收方节点标记为自身的邻居节点，并获取S(JC,力存储在发送方节点的地理位置信
息库(简称为移-节-数据库)中，然后发送方节点的定向天线停止旋转，并向接收方 节点发送确认信息^cx。
BOc,力表示接收方节点的地理位置信息，义表示经度，y表示纬度。
在本发明中，采用三次信息握手，实现了发送方节点向接收方节点的通信连接建
立o
在本发明中，采用双定向邻居发现方法来分别获得发送、接收方的地理位置信息， 实现了两个釆用定向天线的移动节点间的位置发现。最大程度地利用了定向天线的优
势，扩展了通信的距离，提高了通信的空间利用率；增加了通信的安全性；减少了移 动节点通信时能量的消耗；有效地利用了定向天线抗干扰的能力，提高了通信的质量 和通信传输的速度。 (二)地址解析+莫i夫2
地址解析模块2第一方面接收通信接收模块7输出的数据包^to一m，并从
^to —/w中提取出S(x,力，并将该5(义,力传输给地址存储模块3;第二方面将接收的 邻居身份^^输出给通信发送模块6;第三方面移动节点将GPS接收终端收到的地理 位置信息J(A力提取出来，并将该^(A力传输给通信发送模块6;在本发明中，利用GPS接收终端能够获得移动节点本身的精确的位置信息，有 利于提高地址预测模i夫4对邻居节点的位置预测的精度。 <三)地址存储模块3
地址存储模块3 —方面将经过地址解析模块2解析之后的数据S(;c,力存储到移-节-数据库中，该数据库对每一个邻居节点只保存《(《》2)条最新的位置信息的记 录；另一方面输出邻居节点的历史地址Oc,，乂)， 0cwJ,—J给位置预测模块4，用于三 角形覆盖位置预测法7Wc/e使用，该模块使用堆栈的方式有利于提高数据的读取速
度，减少查询等待时间。
上述移-节-数据库中记录白勺格式为("附6,"0^&一/ /,/ 0^"0"_义，/>05"///0"—x)，"附e 表示移动节点接收到回复信息的时间，朋& —!t/表示邻居节点的身份标识， /7ow"o"一x表示邻居节点在测试区域中的经度;c ， ；ww"o"—j/邻居节点在测试区域中 的纬度少。 (四)位置预测模块4
位置预测模块4对接收到的邻居节点历史地址(；， (&,&)通过^Wc/e方法
来分析，从而实现对邻居节点在将来某个时刻所在区域的预测，得到邻居节点可能出 现的区域，并将该区域的数据".+1,>^)传输给参数设置模块5。
参见图2所示，移动节点的当前位置点记为H， H点的坐标为(&,凡)，该H点
的波束角为ff。
PA点和Pe点是移动节点的邻居节点，P;v的坐标记为(:^,1,)， Ps的坐标记为
(A,;0，《是PA点与Pe点之间的距离，连接P八点与PB点能够获得满足直线方程 y-;b + c的一条直线，在该直线上有M点，该M点的坐标记为0^,少,.+,)， M点也是
邻居节点未来出现的位置。过Pe点，且以《为边长，M点为中心，构形一个等边三 角形。以M点为圆心，^为半径，构形一个圆。
H点与M点之间的距离记为D,。
本发明的7^c/e方法的实现步骤如下
步骤401:移动节点根据接收到的PA点和PB点的历史地址",x)， 》构 形出满足直线方程y = fcc + c的一条直线 ，所述直线方程中斜率Ar与截距c的计算方法为:
义''一
义/ 一义M
步骤402:以PA点与PB点之间的距离《为边长，过PB点(X,X)构形一个等边三 角形，该三角形的中心为M点，并且M点在直线y-h + c上；
所述该三角形边长为《=V(;c广;cw)2+(n》2 ，《为邻居节点在一个间隔周期 中可能移动的最大距离。
所述三角形的M点的坐标为
A+i = A ~^yCOS(arctan(lA:l》 L = X + ， H sin(肌tan(")
6 n
步骤403:根据步骤402所得的等边三角形为基础构形得到一个外接圆，该外 接圆所在的区域就,邻居节点进行位置预测的结果。 所述外接圆的圆心与等边三角形的中心M点重合。
在本发明中，由于使用了2W&方法进行位置预测，所以不需要在跟踪区域设置 大量的锚节点；不需要对邻居节点的轨迹进行完全记录，只需要记录少量的运动点的 位置数据就可以进行位置预测，因此减小了计箅的复杂度和存储空间的消耗；移动节 点不需要做大量的机器学习，增强了对待测区域环境的适应性。 (五)参数设置模块5
参数设置模块5 —方面接收位置预测模块4输出的邻居节点预测位置0^,j^)，
另一方面接收位置修正模块8输出的修正指令/^尸，第三方面采用天线参数计算方 法对O^,x+,)和i^尸进行计算，获得定向天线的波束角0和方位角"输出给通信发送
模块6。
在本发明中，移动节点上所安装的定向天线，能够自动地改变其波束角和方位角，
该波束角的调节角度可以是按照o.or 、 r 、 3°或io°进行调节，调节角度记 为《，/表示具体的调节角度数。
本发明的天线参数计算方法具体步骤如下
步骤501:计算移动节点所需的波束角c^2arcsin(舍)(简称为第一波束角a);在第一波束角"-2arcsin(+)中，《表示等边三角形外接圆的半径，a表示移动
节点与邻居节点的距离；
步骤502:将修正指令i^尸和第一波束角"在定向天线修正模型 ^ = +1) x ^"mw^M中修改正定向天线当前使用的波束角，从而获得第二波束角
定向天线修正模
《，z/ "《
<9<， '/ ，字糊理意义为:
《， 2 6>
《表示定向天线调整时的第一个波束角角度，
《表示定向天线调整时的第z个波束角角度，
&表示定向天线调整时的第z -1个波束角角度，
《表示定向天线调整时的最后一个波束角角度，
a表示第一波束角,
6eaww/dWz表示第三波束角,
i^尸表示修正指令的修正值。
步骤503:采用方位角模型计箅移动节点上定向夭线当前的方位角;0 ;
arccos& , & <《+1,凡< 乂+1
方位角模型为y^
-arccos
'义i+l —义a
a
+l — ^
—+ arccos ~^. 4 a
y —义+1 ~~ — arccos -"2~
4 A
A+I表示邻居节点预测位置的经度， 义。表示移动节点当前位置的经度， 乂+1表示邻居节点预测位置的纬度， 凡表示移动节点当前位置的纬度，
a表示移动节点与邻居节点的距离，在本发明中，参数设置模块5应用两个数学模型解析获得波束角和方位角，有 利于移动节点和邻居节点上的定向天线相互对准。
(六) 通信发送模块6
通信发送模块6 —方面接收地址解析模块2输出的移动节点地理信息XOc,力， 另 一方面接收参数设置模块5输出的第二波束角P和方位角- ，并依据^和"设置移 动节点上的定向天线参数，第三方面对《A力进行打包处理获得数据包^to—ow输 出。
在本发明中，通信发送模块6输出的数据包血to一ow格式与通信连接请求 Di JS(4,5w,^c,力)相同。
在本发明中，通信发送模块6采用定向天线进行数据的发送，减小了节点间通 信时的能量消耗，扩展了节点间通信的距离，增加了通信时空间使用率，增强了通信 时的安全性，提高了通信的质量和通信的速度。
(七) 通信接收模块7
通信接收模块7 —方面接收邻居节点输出的第一数据包血to」"，另一方面采用 转发方法进行数据的分发。
接收邻居节点输出的第一数据包&to」"的格式与通信连接请求 Di rS(4rf,^,^x,力)相同。
在本发明中，通信接收模块7对第一数据包&to —^进行的转发方法包括有下列 步骤
步骤701;将移动节点的定向天线设置为通信接收状态，并设置计时器rtmw， 一般设置计时器"ww为1秒左右；
步骤702:移动节点等待邻居节点的第一数据包&to一/"，若收到该数据包，执 行步骤703;若计时器细"超时，执行步骤704;
步骤703:移动节点在接收到数据包""to — z"后， 一方面直接将数据包— /"转 发给地址解析模块2;另一方面输出清零指令cfe""给位置修正模块8;
步骤704:移动节点发送超时信号"膨_^给位置修正模±夫8。
在本发明中，通信接收模块7采用了通信计时器，有利于防止移动节点无限期 的处于通信接收状态，提高了移动节点的运行效率。(八)位置修正模块8
位置修正模块8接收到通信接收模块7输出的"膨—oW和c/m"后，应用位置预 测修正方法进行处理，将获得的重启指令/^toW输出给邻居发现纟莫块1，将获得的修 正指令i^尸输出给参数设置模块5。 位置预测修正方法的执行步骤如下
步骤801:当位置修正模块8接收到超时信号"me一后，移动节点的计数器 加1，则执行步骤803;
步骤802:当位置修正模块8接收到清零指令c/^"后，预测成功，并将计数器 清零，说明采用本发明的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统中 的一个通信周期结束；
步骤803:如果计数器的计数值大于3时，执行步骤805，反之执行步骤804;
步骤804:重新进行预测，向参数设置丰莫块5发送修正指令i 5P，该i 5P指令
的值等于计数器的值；
步骤805:预测失败，向邻居发现模块1发送重启指令 她zw，从而结束一种
基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统的一个通信周期。
在本发明中，位置修正模块8使用了位置预测修正方法，因此提高了预测的成 功率。
本发明的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统,通过使用双 定向邻居发现方法实现移动节点间通信连接的建立;然后根据邻居节点的以往运动轨 迹进行分析，使用7Wc/e方法来计算出该邻居节点在未来某一时刻出现的区域，从而
实现了对该邻居节点的位置预测；并以该位置预测的结果，使用天线参数计算方法来 得到定向天线的波束角和方位角，从而使通信双方的定向天线相互对准，实现两个移 动节点间的通信；除此之外，本发明还提出了一种位置预测修正方法，用来解决位置 预测错误的情况，从而完善了对邻居节点的位置预测。由于本发明在无线传感器节点 上使用了定向天线，因此扩展了通信的距离，提高了通信的空间利用率；减少移动节 点通信时能量的消耗。同时，减小了节点间通信时的冲突，提高了通信的质量和通信 传输的速度，并且降低了其被非法节点发现和监听的概率，增加了通信的安全性。
权利要求
1、一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，其特征在于该系统包括有邻居发现模块(1)、地址解析模块(2)、地址存储模块(3)、位置预测模块(4)、参数设置模块(5)、通信发送模块(6)、通信接收模块(7)和位置修正模块(8)；邻居发现模块(1)一方面根据双定向邻居发现方法进行通信连接建立，使得通信连接建立的发起方节点与接收方节点能够相互交换双方的地理位置信息A(x，y)、B(x，y)，并输出邻居身份Bid给地址解析模块(2)；另一方面接收位置修正模块(8)输出的重启指令restart，并依据该重启指令restart进行下一次的通信连接建立；地址解析模块(2)第一方面接收通信接收模块(7)输出的数据包data_in，并从data_in中提取出B(x，y)，并将该B(x，y)传输给地址存储模块(3)；第二方面将接收的邻居身份Bid输出给通信发送模块(6)；第三方面移动节点将GPS接收终端收到的地理位置信息A(x，y)提取出来，并将该A(x，y)传输给通信发送模块(6)；地址存储模块(3)一方面将经过地址解析模块(2)解析之后的数据B(x，y)存储到移-节-数据库中，该数据库对每一个邻居节点只保存K条最新的位置信息的记录；另一方面输出邻居节点的历史地址(xi，yi)，(xi-1，yi-1)给位置预测模块(4)，用于三角形覆盖位置预测法Tricle使用，该模块使用堆栈的方式有利于提高数据的读取速度，减少查询等待时间；上述移-节-数据库中记录的格式为(time，node_id，position_x，position_y)，time表示移动节点接收到回复信息的时间，node_id表示邻居节点的身份标识，position_x表示邻居节点在测试区域中的经度x，position_y邻居节点在测试区域中的纬度y；位置预测模块(4)对接收到的邻居节点历史地址(xi，yi)，(xi-1，yi-1)通过Tricle方法来分析，从而实现对邻居节点在将来某个时刻所在区域的预测，得到邻居节点可能出现的区域，并将该区域的数据(xi+1，yi+1)传输给参数设置模块(5)；参数设置模块(5)一方面接收位置预测模块(4)输出的邻居节点预测位置(xi+1，yi+1)，另一方面接收位置修正模块(8)输出的修正指令REP，第三方面采用天线参数计算方法对(xi+1，yi+1)和REP进行计算，获得定向天线的波束角θ和方位角β输出给通信发送模块(6)；通信发送模块(6)一方面接收地址解析模块(2)输出的移动节点地理信息A(x，y)，另一方面接收参数设置模块(5)输出的第二波束角θ和方位角β，并依据θ和β设置移动节点上的定向天线参数，第三方面对A(x，y)进行打包处理获得数据包data_out输出；通信发送模块(6)输出的数据包data_out格式与通信连接请求DRTS(Aid，Bid，A(x，y))相同；通信接收模块(7)一方面接收邻居节点输出的第一数据包data_in，另一方面采用转发方法进行数据的分发；位置修正模块(8)接收到通信接收模块(7)输出的time_out和clean后，应用位置预测修正方法进行处理，将获得的重启指令restart输出给邻居发现模块(1)，将获得的修正指令REP输出给参数设置模块(5)。
2、 根据权利要求1所述的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系 统，其特征在于在邻居发现模块(1)中，双定向邻居发现方法的具体实现步骤 如下步骤ioi:发送方节点采用旋转周期为^r对定向天线的转动进行控制，每移动一个波束角0后，并向接收方节点发送一次通信连接请求^ rs(A^,Sw,J(x，力)； 而接收方节点则以旋转周期r进行定向天线转动，并始终处于通信接收状态；e表示 定向天线的波束角，r表示定向天线的旋转周期，《表示发送方节点的身份，^表 示接收方节点的身份，J(x,力表示发送方节点的地理位置信息，^表示经度，少表示 讳度；步骤102:当接收方节点接收到z)i rs(4d，&,^X力)后，接收方节点将发送方 节点标记为自身的邻居节点，并获取^0c，力存储在邻-节-数据库中，然后接收方节点 的定向天线停止旋转，并向发送方节点发送回复信息Dcrs(A,4^(j,力)；步骤103:发送方节点接收到回复信息DCra(&,4,5Cx,力)后，发送方节点将接收方节点标记为自身的邻居节点，并获取s(x，力存储在移-节-数据库中，然后发送方节点的定向天线停止旋转，并向接收方节点发送确认信息乂CAT;辨义j)表示接收 方节点的地理位置信息，x表示经度，y表示纬度。
3、 根据权利要求1所述的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系 统，其特征在于在位置预测模块(4)中，移动节点的当前位置点记为H， H 点的坐标为(&,凡)，该H点的波束角为a; PA点和Pe点是移动节点的邻居节点， PA的坐标记为(、,Jm)， PB的坐标记为(x,.,乂)，《是PA点与PB点之间的距离， 连接PA点与PB点能够获得满足直线方程y =虹+ c的一条直线，在该直线上有M 点，该M点的坐标记为(Xw，x+J， M点也是邻居节点未来出现的位置；过Pe点， 且以《为边长，M点为中心，构形一个等边三角形；以M点为圆心，/;为半径，构形一个圆；H点与M点之间的距离记为A; 所述的7>/C/e方法的实现步骤如下步骤401:移动节点根据接收到的PA点和PB点的历史地址",x)， (;^，:^)构 形出满足直线方程y = ^ + c的一条直线；所述直线方程中斜率A:与截距c的计箅方法为:<formula>formula see original document page 4</formula>步骤402:以PA点与PB点之间的距离《为边长，过Pe点(^:K)构形一个等边三 角形，该三角形的中心为M点，并且M点在直线j^h + c上;所述该三角形边长为<formula>formula see original document page 4</formula>为邻居节点在一个间隔周期中可能移动的最大距离；所述三角形的M点的坐标为<formula>formula see original document page 4</formula>步骤403:根据步骤402所得的等边三角形为基础构形得到一个外接圆，该外 接圆所在的区域就是对邻居节点进行位置预测的结果；所述外接岡的圆心与等边三角 形的中心M点重合。
4、丰艮据^l利要求1所述的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系 统，其特征在于在参数设置模块(5)中天线参数计箅方法具体步骤如下 步骤501:计箅移动节点所需的第一波束角a-2arcsin(+)，《表示等边三角形外接圆的半径，A表示移动节点与邻居节点的距离；步骤502:将修正指令/^尸和第一波束角《在定向天线修正模型<formula>formula see original document page 4</formula>修改正定向天线当前使用的波束角，从而获得第二波束角定向天线修正模型e = CR￡y + l)x6eaww ^中 的<formula>formula see original document page 4</formula>表示定向天线调整时的第一个波束角角度，《 《，c^(9"表示定向天线调整时的第/个波束角角度，《—,表示定向天线调整时的第/-l个波束角 角度，《表示定向天线调整时的最后一个波束角角度，"表示第一波束角，6^wnWc/A 表示第三波束角，i i P表示修正指令的修正值；步骤503:采用方位角模型计箅移动节点上定向天线当前的方位角〃 ；arccos 、 ^ , & <《+1,凡< x+1方位角模型为P-《+1表示邻居节点预-肌cos 、 & ， ^ < xw, ya > 乂+1 ^+arccos : ", jc。 >,凡<丁 - arccos 。", ^ >不+1, _ya >测位置的经度，；c。表示移动节点当前位置的经度，乂+1表示邻居节点预测位置的纬度， h表示移动节点当前位置的纬度，A表示移动节点与邻居节点的距离。
5、 根据权利要求1所述的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系 统，其特征在于M信接收模块(7)中，对第一数据包^to—!力进行的转发方法包括有下列步骤步骤701:将移动节点的定向天线设置为通信接收状态，并设置计时器"/ww ;步骤702:移动节点等待邻居节点的第一数据包c/"to—/"，若收到该数据包，执 行步骤703;若计时器"mw超时，执行步骤704;步骤703:移动节点在接收到数据包oto"j"后,一方面直接将数据包&to」"转 发给地址解析模块2;另一方面输出清零指令c/e朋给位置修正模块(8);步骤704:移动节点发送超时信号nme—ow/给位置修正模块(8)。
6、 根据权利要求1所述的一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系 统，其特征在于位置预测修正方法的执行步骤如下步骤801:当位置修正模块(8)接收到超时信号"me一o^后，移动节点的计数 器加l，则执行步骤803;步骤802:当位置修正模块(8)接收到清零指令c/e""后，预测成功，并将计 数器清零，从而结束一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统的一个 通信周期；步骤803:如果计数器的计数值大于3时，执行步骤805，反之执行步骤804;步骤804:重新进行预测，向参数设置纟莫块(5)发送修正指令i^尸，该/^尸指 令的值等于计数器的值；步骤805:预测失败，向邻居发现模块(1)发送重启指令，tot，从而结束一 种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统的一个通信周期。
全文摘要
本发明公开了一种基于定向天线的带有位置预测的移动节点间通信系统，该系统包括有邻居发现模块(1)、地址解析模块(2)、地址存储模块(3)、位置预测模块(4)、参数设置模块(5)、通信发送模块(6)、通信接收模块(7)和位置修正模块(8)。本发明中的每个移动节点通过邻居发现操作获得其邻居节点的位置信息。该节点会每隔一定的时间t对其周围的邻居节点进行位置预测，然后对预测区域进行通信，当通信成功时则交换双方的地理位置信息；否则，节点会自动地采用位置预测修正方法来进行修正，重新进行通信。在本发明中，使用定向天线的波束角进行区域界定有效地减小了节点通信时的射频覆盖区域，从而减小节点间通信时的能量消耗，提高了空间使用率，增加了通信时的安全性。
文档编号H04W24/00GK101605295SQ20091008901
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月20日 优先权日2009年7月20日
发明者刘国师, 璋 熊, 芦效峰, 蒲菊华, 佳 陈 申请人:北京航空航天大学