移动自组织网络中基于BLE的邻节点发现协议研究

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在重大自然灾害过后,基础通信设施基本瘫痪,灾区内的人们可以通过移动自组织网络在短时间内建立起通信网络协调开展救援工作,而邻节点间的相互发现是移动自组织网络能够提供服务的前提。在基于BLE(Bluetooth Low Energy,蓝牙低功耗)的移动自组织网络中,节点间的发现是单向的,扫描节点能够发现广播节点,广播节点不能发现扫描节点,而移动自组织网络中的节点应该同时具有发现邻节点和被邻节点发现的功能,以便数据传输与汇聚;由于随机延迟参数的存在,该发现过程的最大发现延迟可能较大,也可能较小,具有不确定性,不利于网络的设计与开发;在实际应用场景下,通信区域内往往存在很多节点,对于一个存在多个节点的网络来说,其中一个节点发送的广播分组很有可能和其他节点发送的广播分组发生冲突,而广播分组间的冲突会导致发现延迟增大甚至两个节点不能完成相互发现,因此需要给出发现概率和网络中节点个数以及邻节点发现协议参数之间的关系,以便网络的设计与开发。针对基于BLE的移动自组织网络在邻节点发现过程中存在的两个问题:发现过程是单向的以及最大发现延迟具有不确定性,本文首先从实际应用角度出发,提出了一种适用于BLE的邻节点发现机制,双模式BLE Circle邻节点发现协议,并给出了该发现机制的理论占空比和理论最大发现延迟,分析表明,在该机制下的节点同时具有发现邻节点和被邻节点发现的功能,并且节点间的最大发现延迟是确定的。其次基于SDK15架构,在Nordic nrf52832节点上实现了双模式BLE Circle邻节点发现协议,并通过仿真实验和节点实验测试了所提协议的实际发现性能,实验结果表明该协议具有确定的最大发现延迟和较小的平均发现延迟。最后分析了所提协议在多节点场景下的发现性能,并从实际应用的角度出发,给出了节点发现概率和节点个数以及协议参数之间的关系。通过分析可以知道,偶发冲突对发现概率以及最大发现延迟的影响不大,持续冲突是降低发现概率、加大发现延迟的主要原因。结果表明,发现概率和节点个数成反比关系,和节点占空比呈正比关系;当节点数少于702个时,节点个数对发现概率的影响较大,当节点数多于702个时,节点占空比对发现概率的影响较大;随着可用的超周期个数增加,节点被发现的概率变大。
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