多跳移動無線自組織網絡拓撲快速發現方法與流程

本發明涉及無線網絡技術，特別是一種多跳移動無線自組織網絡拓撲快速發現方法。

背景技術：

無線移動自組織網沒有中心控制，具有分布式特點，網絡拓撲的快速變化導致節點狀態信息(位置信息、鄰居節點信息)也隨著變化。快速獲得網絡節點的拓撲狀態信息，可以有效提升移動自組織網的網絡性能。實現快速網絡拓撲發現與路由收斂，是移動自組織網在快速移動過程中需要解決的主要問題。

傳統的無線移動自組織網絡拓撲控制機制利用網絡層路由協議實現，如基于表驅動的路由協議，利用HELLO消息和TC(Topology Control)消息，實現全網拓撲的發現。通過設置HELLO消息和TC消息的發送間隔(如HELLO消息間隔1s，TC消息間隔3s)，雖然減少了信道上的路由開銷，但網絡拓撲發現時間過長(30s-1min)，不能適應快速變化的移動自組織網絡。如果減少HELLO消息和TC消息發送間隔時間(如HELLO消息間隔0.1s，TC消息間隔0.3s)，可以加快網絡拓撲收斂，但給整個信道上帶來了較大的路由開銷，在無線信道上并不適用。而傳統的按需路由協議，如AODV、DSR等，由于在沒有獲得網絡拓撲信息(即目的節點的位置信息及網絡拓撲情況未知)的前提下，查找路由，也給整個網絡的信道傳輸帶來的較大開銷，不能適用于網絡拓撲快速變化的移動自組織網絡。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供了一種多跳移動無線自組織網絡拓撲快速發現方法。

本發明采用的技術方案如下：一種多跳移動無線自組織網絡拓撲快速發現方法，具體包括以下過程：步驟1、全網結構中的節點A廣播自己的狀態信息；步驟2、所有的1跳鄰居節點接受狀態信息，解析并轉發給2跳鄰居節點；步驟3、利用多徑接收方法，所述2跳鄰居節點同時會接受多個1跳鄰居節點并發的節點A的狀態信息并解析，將解析出的節點A的狀態信息并發給下一跳鄰居節點；步驟4、以此類推，利用多徑接收方法，N跳鄰居節點同時會接受多個N-1跳鄰居節點并發的節點A的狀態信息并解析，所述N為大于1的自然數，將解析出的節點A的狀態信息并發給下一跳鄰居節點直至擴散到全網，所述節點A的狀態信息擴散到全網的過程中采用TDMA(時分多址)機制為節點配置信道資源。

進一步的，所述N-1鄰居節點接受到N跳鄰居節點回傳的信息，將回傳的信息刪除不再轉發。

進一步的，所述節點A的狀態信息擴散到全網的過程中TMDA機制的方式具體為：(1)設置MAC協議的幀結構，采用TDMA機制，子網內的TDMA時元包括M個子網內時幀，所述M為大于1小于等于32的自然數；(2)將全網中M個節點劃為一個子網，每個子網內時幀對應相應的子網內節點ID號，所述相應的節點為時幀的主節點；(3)每個子網內時幀的第1個時隙為主節點狀態信息廣播時隙，第2個時隙、第4個時隙、第6個時隙、第8個時隙、第10個時隙、第12個時隙和第14個時隙為鄰居節點接受發送處理保護時間，第3個時隙、第5個時隙、第7個時隙、第9個時隙、第11個時隙和第13個時隙分別為主節點1跳鄰居節點、2跳鄰居節點、3跳鄰居節點、4跳鄰居節點、5跳鄰居節點、6跳鄰居節點和7跳鄰居節點轉發時隙，將主節點狀態信息轉發給下一跳鄰居節點，下一跳鄰居節點在當前時隙內多徑接受，主節點狀態信息轉發至全網；(4)全網節點ID號從1-M號的節點都按照(3)過程中的方法實現相應節點狀態信息的轉發擴散。

進一步的，所述A節點狀態信息格式依次為類型、節點ID號、位置信息、1跳鄰居節點和預留；所述類型采用MAC協議的信令類型，所述節點ID號采用子網號和節點編號組成，所述位置信息通過GPS得到，需全網共享，所述1跳鄰居節點信息全網共享，用于建立全網拓撲，所述預留用于協議擴展。

進一步的，所述子網內的TDMA時元包括32個子網內時幀。

進一步的，所述時隙長度為2ms，1個時元960ms后，全網節點狀態信息完成擴散。

進一步的，上述多跳移動無線自組織網絡拓撲快速發現方法還包括以下過程：(1)將全網劃分為子網1、子網2、子網3和子網4，所述子網1的節點攜帶子網1中的所有節點狀態信息進行并發，與子網1毗鄰的子網2中的1跳鄰居節點利用多徑接收方法解析子網1的所有節點狀態信息，并將所有節點狀態信息轉發給2跳鄰居節點；(2)所述2跳鄰居節點與1跳鄰居節點一起參與子網1，將子網1中的所有節點狀態信息轉發給下一跳鄰居節點；(3)依次類推，直至子網1中的所有節點狀態信息轉發給子網2中所有的鄰居節點，實現子網間狀態信息擴散，所述子網間狀態信息擴散的過程中通過TDMA機制為節點配置信道資源。

進一步的，所述子網間狀態信息擴散的過程中的TDMA機制的方式具體為：(1)設置MAC協議的幀結構，采用TDMA機制，子網間的TDMA時元包括32個時幀；(2)每個時幀對應相應的子網內節點ID號，所述相應的節點為時幀的主節點；(3)每個時幀分為所述子網內時幀和子網間時幀，所述子網間時幀工作在公共信道上。

進一步的，時元的1-8號時幀中的子網間時幀用于子網1的子網間狀態信息擴散，將子網1的信息擴散到全網，以此類推，所述時元的9-16號時幀用于子網2的子網間狀態信息擴散，所述時元的17-24號時幀用于子網3的子網間狀態信息擴散，所述時元的25-32號時幀用于子網4的子網間狀態信息擴散。

進一步的，所述子網間狀態信息格式依次為類型、子網ID號、子網內節點信息和預留，所述類型為MAC協議的信令類型，所述子網ID號由該子網發起并發，所述子網內節點信息包含節點ID號和位置信息，所述預留用于協議擴散。

與現有技術相比，采用上述技術方案的有益效果為：本發明利用鏈路層信息擴散方法，巧妙地利用多徑接收原理和鏈路層TDMA機制，實現了全網節點的快速發現及網絡拓撲信息的快速收斂，收斂時間控制在秒級(協議設計理論時間1s)。采用本方案具有以下效果：(1)適用于移動自組織網絡，解決網絡拓撲結構變化帶來的狀態信息共享實時性問題。(2)將網絡層路由機制用于發現網絡拓撲的功能利用鏈路層協議實現，有效提高網絡拓撲收斂性能。(3)網絡拓撲快速發現的方法基于多徑接收機制，利用抗多徑接收機制，實現同一時刻同一內容、不同節點發出信息的正確解析。(4)結合TDMA機制，設計MAC協議，解決不同節點狀態信息并發帶來的沖突問題，并保證網絡拓撲的快速發現。

附圖說明

圖1是本發明利用多徑接受機制實現鏈路層信息擴散的原理圖。

圖2是本發明A節點狀態信息鏈路層全網擴散方法示意圖。

圖3是本發明A節點狀態信息鏈路層全網擴散方法示意圖。

圖4是本發明A節點狀態信息鏈路層全網擴散方法示意圖。

圖5是本發明A節點狀態信息鏈路層全網擴散方法示意圖。

圖6是本發明實現子網內網絡拓撲快速發現的MAC幀結構。

圖7是本發明節點A狀態信息格式定義示意圖。

圖8是本發明子網間的狀態信息擴散方法示意圖。

圖9是本發明子網間的狀態信息擴散方法示意圖。

圖10是本發明子網間拓撲發現MAC時幀結構示意圖。

圖11是本發明子網間信息擴散時隙分配規則示意圖。

圖12是本發明子網間狀態信息格式定義示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步描述。

如圖1所示為利用抗多徑方法實現鏈路層信息擴散，無線信道的廣播式全向傳輸，多徑接受不可避免，只要源節點1、源節點2和源節點3傳輸的是相同信息，即使有輕微的時間差，傳輸的路徑不同、距離不同，在接收端的目的節點都可以利用多徑接受方式實現信息的正確解析。節點信息全網擴散利用了相同信息同時刻發送的多徑接收原理，實現鏈路層信息擴散。如圖2所述，以節點A狀態信息擴散為例，一種多跳移動無線自組織網絡拓撲快速發現方法，具體包括以下過程：步驟1、全網結構中的節點A廣播自己的狀態信息；步驟2、所有的1跳鄰居節點接受狀態信息，解析并轉發給2跳鄰居節點；步驟3、利用多徑接收方法，所述2跳鄰居節點同時會接受多個1跳鄰居節點并發的節點A的狀態信息并解析，將解析出的節點A的狀態信息并發給下一跳鄰居節點；步驟4、以此類推，利用多徑接收方法，N跳鄰居節點同時會接受多個N-1跳鄰居節點并發的節點A的狀態信息并解析，所述N為大于1的自然數，圖2中示出了3跳鄰居擴散，即3跳鄰居節點同時會接受多個2跳鄰居節點并發的節點A的狀態信息并解析，將解析出的節點A的狀態信息并發給4跳鄰居節點直至擴散到全網，例如有7跳鄰居節點，需要將節點A的狀態信息最終并發給7跳鄰居節點，所述節點A的狀態信息擴散到全網的過程中采用TDMA(時分多址)機制為節點配置信道資源。利用同樣的過程，如圖3-5所示，節點B、節點C和節點D的狀態信息并發擴散至全網的過程。

所述N-1鄰居節點接受到N跳鄰居節點回傳的信息，將回傳的信息刪除不再轉發。由于N-1鄰居節點已經轉發過回傳的信息，將其刪除可以防止網絡中信息泛洪。

采用節點狀態信息全網擴散方法需結合MAC協議實現，每個節點涉及廣播本節點的狀態信息(位置信息、鄰居節點信息等)，接收到狀態信息的鄰居節點拷貝該信息，并實施轉發等處理過程，上述處理過程需要TDMA機制為節點配置信道資源，避免多個節點占用信道導致的沖突。如圖6所示為TDMA時元包括32個時幀的實施例，所述節點A的狀態信息擴散到全網的過程中TMDA機制的方式具體為：(1)設置MAC協議的幀結構，采用TDMA機制，子網間的TDMA時元包括32個子網內時幀；(2)將全網中32個節點劃為一個子網，每個子網內時幀對應相應的子網內節點ID號，所述相應的節點為時幀的主節點；例如，ID＝1的節點對應1號時幀，ID＝1的節點為1號時幀的主節點；ID＝2的節點對應2號時幀，ID＝2的節點為2號時幀的主節點；(3)圖6中示出了1號時幀，1號時幀的第1個時隙為主節點狀態信息廣播時隙，第2個時隙、第4個時隙、第6個時隙、第8個時隙、第10個時隙、第12個時隙和第14個時隙為鄰居節點接受發送處理保護時間，第3個時隙、第5個時隙、第7個時隙、第9個時隙、第11個時隙和第13個時隙分別為主節點1跳鄰居節點、2跳鄰居節點、3跳鄰居節點、4跳鄰居節點、5跳鄰居節點和6跳鄰居節點轉發時隙，將主節點狀態信息轉發給下一跳鄰居節點，下一跳鄰居節點在當前時隙內多徑接受，本實施例中全網的最大跳數鄰居節點為7跳鄰居節點，主節點狀態信息轉發至全網；(4)全網節點ID號從1-32號的節點都按照(3)過程中的方法實現相應節點狀態信息的轉發擴散。

如圖7所示，所述節點狀態信息格式依次為類型、節點ID號、位置信息、1跳鄰居節點和預留；所述類型采用MAC協議的信令類型，所述節點ID號采用子網號和節點編號組成，所述位置信息通過GPS得到，需全網共享，所述1跳鄰居節點信息全網共享，用于建立全網拓撲，所述預留用于協議擴展。

所述每一個時隙長度為2ms，TDMA時元具有32個時幀，每個時幀有15個時隙，第14時隙后面的預留也是一個時隙，1個時元就是960ms后，全網節點狀態信息在960ms完成擴散。

所述多跳移動無線自組織網絡拓撲快速發現方法還包括以下過程：(1)將全網劃分為子網1、子網2、子網3和子網4，如圖8所示，所述子網1的節點攜帶子網1中的所有節點狀態信息進行并發，與子網1毗鄰的子網2中的1跳鄰居節點利用多徑接收方法解析子網1的所有節點狀態信息，并將所有節點狀態信息轉發給2跳鄰居節點；(2)如圖9所示，所述2跳鄰居節點與1跳鄰居節點一起參與子網1，將子網1中的所有節點狀態信息轉發給下一跳鄰居節點；(3)依次類推，直至子網1中的所有節點狀態信息轉發給子網2中所有的鄰居節點，實現子網間狀態信息擴散，其它子網通過同樣的方法也能和毗鄰的子網進行子網間狀態信息的傳播，所述子網間狀態信息擴散的過程中通過TDMA機制為節點配置信道資源。

如圖10所示，所述子網間狀態信息擴散的過程中的TDMA機制的方式具體為：(1)設置MAC協議的幀結構，采用TDMA機制，子網間的TDMA時元包括32個時幀；(2)每個時幀對應相應的子網內節點ID號，所述相應的節點為時幀的主節點；(3)每個時幀分為所述子網內時幀和子網間時幀，所述子網內時幀及其時隙與節點A的狀態信息擴散到全網的過程中TMDA機制相同，子網內所述子網間時幀工作在公共信道上。

子網間的時幀分配規則如圖11所示，時元的1-8號時幀中的子網間時幀用于子網1的子網間狀態信息擴散，將子網1的信息擴散到全網，以此類推，所述時元的9-16號時幀用于子網2的子網間狀態信息擴散，所述時元的17-24號時幀用于子網3的子網間狀態信息擴散，所述時元的25-32號時幀用于子網4的子網間狀態信息擴散，時幀將對應子網所有節點狀態信息進行并發，同時其它子網接收到并發信息的1跳鄰居節點、2跳鄰居節點以及后續的多跳鄰居節點參與該子網的狀態信息的并發，實現128個節點的全網信息共享。按照圖11的規則，子網間信息擴散時隙分配，可以在子網間1個時元中對所有4個子網的節點狀態信息進行擴散，在1s內就可以將128個節點的狀態信息擴散到全網，形成全網拓撲。

所述子網間狀態信息格式依次為類型、子網ID號、子網內節點信息和預留，所述類型為MAC協議的信令類型，本實施例只定義與方法和協議相關的信令類型，所述子網ID號由該子網發起并發，所述子網內節點信息包含節點ID號和位置信息，最大支持子網32個節點狀態信息，所述預留用于協議擴散。

本發明并不局限于前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。如果本領域技術人員，在不脫離本發明的精神所做的非實質性改變或改進，都應該屬于本發明權利要求保護的范圍。