多跳移动无线自组织网络拓扑快速发现方法与流程

本发明涉及无线网络技术，特别是一种多跳移动无线自组织网络拓扑快速发现方法。

背景技术：

无线移动自组织网没有中心控制，具有分布式特点，网络拓扑的快速变化导致节点状态信息(位置信息、邻居节点信息)也随着变化。快速获得网络节点的拓扑状态信息，可以有效提升移动自组织网的网络性能。实现快速网络拓扑发现与路由收敛，是移动自组织网在快速移动过程中需要解决的主要问题。

传统的无线移动自组织网络拓扑控制机制利用网络层路由协议实现，如基于表驱动的路由协议，利用HELLO消息和TC(Topology Control)消息，实现全网拓扑的发现。通过设置HELLO消息和TC消息的发送间隔(如HELLO消息间隔1s，TC消息间隔3s)，虽然减少了信道上的路由开销，但网络拓扑发现时间过长(30s-1min)，不能适应快速变化的移动自组织网络。如果减少HELLO消息和TC消息发送间隔时间(如HELLO消息间隔0.1s，TC消息间隔0.3s)，可以加快网络拓扑收敛，但给整个信道上带来了较大的路由开销，在无线信道上并不适用。而传统的按需路由协议，如AODV、DSR等，由于在没有获得网络拓扑信息(即目的节点的位置信息及网络拓扑情况未知)的前提下，查找路由，也给整个网络的信道传输带来的较大开销，不能适用于网络拓扑快速变化的移动自组织网络。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种多跳移动无线自组织网络拓扑快速发现方法。

本发明采用的技术方案如下：一种多跳移动无线自组织网络拓扑快速发现方法，具体包括以下过程：步骤1、全网结构中的节点A广播自己的状态信息；步骤2、所有的1跳邻居节点接受状态信息，解析并转发给2跳邻居节点；步骤3、利用多径接收方法，所述2跳邻居节点同时会接受多个1跳邻居节点并发的节点A的状态信息并解析，将解析出的节点A的状态信息并发给下一跳邻居节点；步骤4、以此类推，利用多径接收方法，N跳邻居节点同时会接受多个N-1跳邻居节点并发的节点A的状态信息并解析，所述N为大于1的自然数，将解析出的节点A的状态信息并发给下一跳邻居节点直至扩散到全网，所述节点A的状态信息扩散到全网的过程中采用TDMA(时分多址)机制为节点配置信道资源。

进一步的，所述N-1邻居节点接受到N跳邻居节点回传的信息，将回传的信息删除不再转发。

进一步的，所述节点A的状态信息扩散到全网的过程中TMDA机制的方式具体为：(1)设置MAC协议的帧结构，采用TDMA机制，子网内的TDMA时元包括M个子网内时帧，所述M为大于1小于等于32的自然数；(2)将全网中M个节点划为一个子网，每个子网内时帧对应相应的子网内节点ID号，所述相应的节点为时帧的主节点；(3)每个子网内时帧的第1个时隙为主节点状态信息广播时隙，第2个时隙、第4个时隙、第6个时隙、第8个时隙、第10个时隙、第12个时隙和第14个时隙为邻居节点接受发送处理保护时间，第3个时隙、第5个时隙、第7个时隙、第9个时隙、第11个时隙和第13个时隙分别为主节点1跳邻居节点、2跳邻居节点、3跳邻居节点、4跳邻居节点、5跳邻居节点、6跳邻居节点和7跳邻居节点转发时隙，将主节点状态信息转发给下一跳邻居节点，下一跳邻居节点在当前时隙内多径接受，主节点状态信息转发至全网；(4)全网节点ID号从1-M号的节点都按照(3)过程中的方法实现相应节点状态信息的转发扩散。

进一步的，所述A节点状态信息格式依次为类型、节点ID号、位置信息、1跳邻居节点和预留；所述类型采用MAC协议的信令类型，所述节点ID号采用子网号和节点编号组成，所述位置信息通过GPS得到，需全网共享，所述1跳邻居节点信息全网共享，用于建立全网拓扑，所述预留用于协议扩展。

进一步的，所述子网内的TDMA时元包括32个子网内时帧。

进一步的，所述时隙长度为2ms，1个时元960ms后，全网节点状态信息完成扩散。

进一步的，上述多跳移动无线自组织网络拓扑快速发现方法还包括以下过程：(1)将全网划分为子网1、子网2、子网3和子网4，所述子网1的节点携带子网1中的所有节点状态信息进行并发，与子网1毗邻的子网2中的1跳邻居节点利用多径接收方法解析子网1的所有节点状态信息，并将所有节点状态信息转发给2跳邻居节点；(2)所述2跳邻居节点与1跳邻居节点一起参与子网1，将子网1中的所有节点状态信息转发给下一跳邻居节点；(3)依次类推，直至子网1中的所有节点状态信息转发给子网2中所有的邻居节点，实现子网间状态信息扩散，所述子网间状态信息扩散的过程中通过TDMA机制为节点配置信道资源。

进一步的，所述子网间状态信息扩散的过程中的TDMA机制的方式具体为：(1)设置MAC协议的帧结构，采用TDMA机制，子网间的TDMA时元包括32个时帧；(2)每个时帧对应相应的子网内节点ID号，所述相应的节点为时帧的主节点；(3)每个时帧分为所述子网内时帧和子网间时帧，所述子网间时帧工作在公共信道上。

进一步的，时元的1-8号时帧中的子网间时帧用于子网1的子网间状态信息扩散，将子网1的信息扩散到全网，以此类推，所述时元的9-16号时帧用于子网2的子网间状态信息扩散，所述时元的17-24号时帧用于子网3的子网间状态信息扩散，所述时元的25-32号时帧用于子网4的子网间状态信息扩散。

进一步的，所述子网间状态信息格式依次为类型、子网ID号、子网内节点信息和预留，所述类型为MAC协议的信令类型，所述子网ID号由该子网发起并发，所述子网内节点信息包含节点ID号和位置信息，所述预留用于协议扩散。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明利用链路层信息扩散方法，巧妙地利用多径接收原理和链路层TDMA机制，实现了全网节点的快速发现及网络拓扑信息的快速收敛，收敛时间控制在秒级(协议设计理论时间1s)。采用本方案具有以下效果：(1)适用于移动自组织网络，解决网络拓扑结构变化带来的状态信息共享实时性问题。(2)将网络层路由机制用于发现网络拓扑的功能利用链路层协议实现，有效提高网络拓扑收敛性能。(3)网络拓扑快速发现的方法基于多径接收机制，利用抗多径接收机制，实现同一时刻同一内容、不同节点发出信息的正确解析。(4)结合TDMA机制，设计MAC协议，解决不同节点状态信息并发带来的冲突问题，并保证网络拓扑的快速发现。

附图说明

图1是本发明利用多径接受机制实现链路层信息扩散的原理图。

图2是本发明A节点状态信息链路层全网扩散方法示意图。

图3是本发明A节点状态信息链路层全网扩散方法示意图。

图4是本发明A节点状态信息链路层全网扩散方法示意图。

图5是本发明A节点状态信息链路层全网扩散方法示意图。

图6是本发明实现子网内网络拓扑快速发现的MAC帧结构。

图7是本发明节点A状态信息格式定义示意图。

图8是本发明子网间的状态信息扩散方法示意图。

图9是本发明子网间的状态信息扩散方法示意图。

图10是本发明子网间拓扑发现MAC时帧结构示意图。

图11是本发明子网间信息扩散时隙分配规则示意图。

图12是本发明子网间状态信息格式定义示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示为利用抗多径方法实现链路层信息扩散，无线信道的广播式全向传输，多径接受不可避免，只要源节点1、源节点2和源节点3传输的是相同信息，即使有轻微的时间差，传输的路径不同、距离不同，在接收端的目的节点都可以利用多径接受方式实现信息的正确解析。节点信息全网扩散利用了相同信息同时刻发送的多径接收原理，实现链路层信息扩散。如图2所述，以节点A状态信息扩散为例，一种多跳移动无线自组织网络拓扑快速发现方法，具体包括以下过程：步骤1、全网结构中的节点A广播自己的状态信息；步骤2、所有的1跳邻居节点接受状态信息，解析并转发给2跳邻居节点；步骤3、利用多径接收方法，所述2跳邻居节点同时会接受多个1跳邻居节点并发的节点A的状态信息并解析，将解析出的节点A的状态信息并发给下一跳邻居节点；步骤4、以此类推，利用多径接收方法，N跳邻居节点同时会接受多个N-1跳邻居节点并发的节点A的状态信息并解析，所述N为大于1的自然数，图2中示出了3跳邻居扩散，即3跳邻居节点同时会接受多个2跳邻居节点并发的节点A的状态信息并解析，将解析出的节点A的状态信息并发给4跳邻居节点直至扩散到全网，例如有7跳邻居节点，需要将节点A的状态信息最终并发给7跳邻居节点，所述节点A的状态信息扩散到全网的过程中采用TDMA(时分多址)机制为节点配置信道资源。利用同样的过程，如图3-5所示，节点B、节点C和节点D的状态信息并发扩散至全网的过程。

所述N-1邻居节点接受到N跳邻居节点回传的信息，将回传的信息删除不再转发。由于N-1邻居节点已经转发过回传的信息，将其删除可以防止网络中信息泛洪。

采用节点状态信息全网扩散方法需结合MAC协议实现，每个节点涉及广播本节点的状态信息(位置信息、邻居节点信息等)，接收到状态信息的邻居节点拷贝该信息，并实施转发等处理过程，上述处理过程需要TDMA机制为节点配置信道资源，避免多个节点占用信道导致的冲突。如图6所示为TDMA时元包括32个时帧的实施例，所述节点A的状态信息扩散到全网的过程中TMDA机制的方式具体为：(1)设置MAC协议的帧结构，采用TDMA机制，子网间的TDMA时元包括32个子网内时帧；(2)将全网中32个节点划为一个子网，每个子网内时帧对应相应的子网内节点ID号，所述相应的节点为时帧的主节点；例如，ID＝1的节点对应1号时帧，ID＝1的节点为1号时帧的主节点；ID＝2的节点对应2号时帧，ID＝2的节点为2号时帧的主节点；(3)图6中示出了1号时帧，1号时帧的第1个时隙为主节点状态信息广播时隙，第2个时隙、第4个时隙、第6个时隙、第8个时隙、第10个时隙、第12个时隙和第14个时隙为邻居节点接受发送处理保护时间，第3个时隙、第5个时隙、第7个时隙、第9个时隙、第11个时隙和第13个时隙分别为主节点1跳邻居节点、2跳邻居节点、3跳邻居节点、4跳邻居节点、5跳邻居节点和6跳邻居节点转发时隙，将主节点状态信息转发给下一跳邻居节点，下一跳邻居节点在当前时隙内多径接受，本实施例中全网的最大跳数邻居节点为7跳邻居节点，主节点状态信息转发至全网；(4)全网节点ID号从1-32号的节点都按照(3)过程中的方法实现相应节点状态信息的转发扩散。

如图7所示，所述节点状态信息格式依次为类型、节点ID号、位置信息、1跳邻居节点和预留；所述类型采用MAC协议的信令类型，所述节点ID号采用子网号和节点编号组成，所述位置信息通过GPS得到，需全网共享，所述1跳邻居节点信息全网共享，用于建立全网拓扑，所述预留用于协议扩展。

所述每一个时隙长度为2ms，TDMA时元具有32个时帧，每个时帧有15个时隙，第14时隙后面的预留也是一个时隙，1个时元就是960ms后，全网节点状态信息在960ms完成扩散。

所述多跳移动无线自组织网络拓扑快速发现方法还包括以下过程：(1)将全网划分为子网1、子网2、子网3和子网4，如图8所示，所述子网1的节点携带子网1中的所有节点状态信息进行并发，与子网1毗邻的子网2中的1跳邻居节点利用多径接收方法解析子网1的所有节点状态信息，并将所有节点状态信息转发给2跳邻居节点；(2)如图9所示，所述2跳邻居节点与1跳邻居节点一起参与子网1，将子网1中的所有节点状态信息转发给下一跳邻居节点；(3)依次类推，直至子网1中的所有节点状态信息转发给子网2中所有的邻居节点，实现子网间状态信息扩散，其它子网通过同样的方法也能和毗邻的子网进行子网间状态信息的传播，所述子网间状态信息扩散的过程中通过TDMA机制为节点配置信道资源。

如图10所示，所述子网间状态信息扩散的过程中的TDMA机制的方式具体为：(1)设置MAC协议的帧结构，采用TDMA机制，子网间的TDMA时元包括32个时帧；(2)每个时帧对应相应的子网内节点ID号，所述相应的节点为时帧的主节点；(3)每个时帧分为所述子网内时帧和子网间时帧，所述子网内时帧及其时隙与节点A的状态信息扩散到全网的过程中TMDA机制相同，子网内所述子网间时帧工作在公共信道上。

子网间的时帧分配规则如图11所示，时元的1-8号时帧中的子网间时帧用于子网1的子网间状态信息扩散，将子网1的信息扩散到全网，以此类推，所述时元的9-16号时帧用于子网2的子网间状态信息扩散，所述时元的17-24号时帧用于子网3的子网间状态信息扩散，所述时元的25-32号时帧用于子网4的子网间状态信息扩散，时帧将对应子网所有节点状态信息进行并发，同时其它子网接收到并发信息的1跳邻居节点、2跳邻居节点以及后续的多跳邻居节点参与该子网的状态信息的并发，实现128个节点的全网信息共享。按照图11的规则，子网间信息扩散时隙分配，可以在子网间1个时元中对所有4个子网的节点状态信息进行扩散，在1s内就可以将128个节点的状态信息扩散到全网，形成全网拓扑。

所述子网间状态信息格式依次为类型、子网ID号、子网内节点信息和预留，所述类型为MAC协议的信令类型，本实施例只定义与方法和协议相关的信令类型，所述子网ID号由该子网发起并发，所述子网内节点信息包含节点ID号和位置信息，最大支持子网32个节点状态信息，所述预留用于协议扩散。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。