基于方向过滤机制的节点事件信息广播方法与流程

本发明涉及宽带自组网中的无线信号处理技术领域，尤其涉及一种基于方向过滤机制的节点事件信息广播方法。

背景技术：

随着信息技术快速发展，越来越多的传感器和通信设备被有效的集成在各种信息系统上。各种终端设备之间通过通信设备组网，各中终端设备上的传感器采集到的相应信息通过终端上的通信设备在网络系统实现发布。

如越来越多的传感器和通信设备集成在车辆、无人机、飞机以及道路信息系统中，交通智能化、无人化趋势日益显现。于此同时，汽车保有量迅速增加使得交通安全问题日益突出。数据表明，2012年我国有记录的涉及人员伤亡的交通事故20万起，造成约6万人死亡、22万人受伤，直接财产损失约12亿元。据分析，在上述交通事故中，70％以上是由于驾驶员反应不及时，处置不当所造成。有研究表明，如车辆节点或驾驶员能够及时了解周围交通和车辆行驶状况，并在交通事故发生前获得预警，就可以降低至少40％的交通事故。因此，为后续行驶车辆提供实时的预警信息，特别是在雨、雾、雪、夜等气象条件和山区、隧道等复杂道路环境下的车辆事故预警信息，是降低交通事故发生率的有效之举。

传统的预警信息主要通过在车辆\无人机上安装防碰撞雷达或在道路上部署大量检测设备获得，存在自身信息无法与其他车辆\无人机节点共享或信息在路网中发布时延大的问题。

随着车联网、宽带自组网概念的兴起，利用道路设施构建v2i(vehicletoinfrastructure)网络可以降低预警信息传输时延，但道路设施全路网覆盖成本高；基于宽带自组网、全球定位系统等技术的车对车、机对机网络，可以降低对基础设施的要求，但系统性能受限于定位系统精度和信号完整性，且节点信息泛滥容易造成信道拥堵，导致关键信息无法及时发布。

与上述提到的车联网、宽带自组网等交通网络相类似，在其他终端组成信息网络中，各个终端作为信息网络中的节点，同样存在节点信息泛滥容易造成信道拥堵，导致节点事件信息无法及时发布。

因此对于宽带自主网络，设计一种有效的节点事件信息广播方法是亟需的。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于方向过滤机制的节点事件信息广播方法，实现宽带自主网络中发生事件的节点的时间信息在宽带自主网络中高效实时发布。

为实现本发明的技术目的，采用以下技术方案：

基于方向过滤机制的节点事件信息广播方法，包括以下步骤：

s1.在宽带自主网络中各节点均具备阵列收发天线、无线信号处理及存储平台。初始化基于宽带自主网络中各节点的阵列收发天线、无线信号处理平台和本地存储平台。各节点按照节点编队进行运动，宽带自主网络中运动方向一致的节点属于相同的节点编队，不同节点编队之间使用不同的通信频段。对于节点编队中的任一节点，在其节点运动方向前方的其他节点均为该节点的前向节点，在其节点运行方向后方的其他节点均为该节点的后向节点。网络中的每个节点均具有唯一的id信息。

确定各种节点事件对应的事件编号、事件类型以及事件处理时效。

s2.若某节点发生节点事件，发生节点事件的节点将其id信息、事件编号、事件类型、事件发生时间以及事件处理时效写入帧信号，并将帧内轮计数标志位置1，进入s3。

s3.需要广播信息的节点(一般为发生节点事件的节点，节点事件一般是指节点的故障或者安全事故事件)作为广播源节点，广播源节点随机等待若干时隙侦听公共广播信道，如公共广播信道被占用，则将该广播信息加入发送队列，同时启动冲突避免机制，直至该该广播信息为公共广播信道空闲时节点发送队列中优先级最高的广播信息。

s4.当前广播源节点在等待设定周期长度后，如未接收到相同id信息、相同事件编号、轮计数增加的广播信息，则判断当前广播信息未能成功发送，再次进入s3步骤，如接收到轮计数增加的广播信息，则进入s5；

s5.接收到广播信息的非广播源节点对接收到的广播信息进行解帧处理，读取发送该广播信息的节点的id信息、事件编号和轮计数标志，并利用阵列收发天线的信号到达角估计算法对接收到的广播信息来自后向节点还是前向节点进行判断，如判断该广播信息来至后向节点则过滤该广播信息不进行转发，非广播源节点在当轮数为1时将本地存储器中该广播信息删除；如判断广播信息来自前向节点则通过自身的报警装置以声、光、电等多手段提示前方节点事件信息。

s6.接收到广播信息的非广播源节点采用基于信息时效性的广播机制判断该条广播信息是否失效，如失效则不进行处理，未失效则进行s7；

s7.接收到广播信息的非广播源节点接收到的事件编号如未在本地存储，则将该条广播信息在本地存储，如事件编号已在本地存在，则读取轮计数标志信息，采用基于轮计数的过滤转发机制判断是否需要进行转发，如需转发则将进行s3操作；

s8.发生节点事件的节点按设定周期重复s2～s7。

作为本发明的优选技术方案，s3中的冲突避免机制为基于随机时隙的冲突避免机制，当广播源节点侦听到信道被占用时，广播源节点随机等待若干时隙，再次发起侦听。

作为本发明的优选技术方案，s3中的冲突避免机制为基于固定时隙的冲突避免机制，当广播源节点侦听到信道被占用时，广播源节点根据节点id编号等待与id编号尾数成正比的固定时隙，再次发起侦听。

作为本发明的优选技术方案，s3中的发送队列优先级按照接收到广播信息的时间先后进行排列。

作为本发明的优选技术方案，s3中的发送队列优先级按照事件发生时间的先后顺序进行排列。

作为本发明的优选技术方案，s5中的信号到达角估计算法为基于均匀圆阵列天线的相位估计算法。

作为本发明的优选技术方案，s5中的信号到达角估计算法为基于均匀线阵列天线的相位估计算法。

均匀圆阵列天线的相位估计算法以及均匀线阵列天线的相位估计算法是本领域非常成熟的公知算法。

作为本发明的优选技术方案，s6中的基于信息时效性的广播机制为基于有限时间的判定机制，当广播信息超过指定的时间周期后，节点不再转发该信息。

作为本发明的优选技术方案，s6中的基于信息时效性的广播机制为基于有限轮计数的判定机制，当广播信息轮次超过指定的轮数限制后，节点不再转发该信息。

作为本发明的优选技术方案，s7中的基于轮计数的过滤转发机制包括：

s7.1网络中接收到广播信息的非广播源节点获取当前广播信息的轮计数标志位数据；

s7.2网络中接收到广播信息的非广播源节点读取本地存储的同一事件编号信息的轮计数标志；

s7.3将s7.1和s7.2中获取的轮计数标志信息进行比较，如当前轮计数标志大于本地存储的轮计数标志，则不转发该条广播信息，如当前轮计数标志小于或等于本地存储的轮计数标志，则更新本地存储的轮计数标志，将该条广播信息的轮计数标志加1进入后续转发流程。

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

本发明的宽带自主网络中每个节点具备阵列收发天线、无线信号处理及存储平台。本发明充分利用网络中各节点自身配备的阵列收发天线对无线信号方向的识别能力。同时网络中各节点利用冲突避免机制发送广播信息；接收到广播信息的节点采用基于阵列天线的方向性过滤机制过滤位于节点运动后方节点的信号；接收到广播信息的节点基于信息时效性的过滤机制判断是否终止当前信号转发；接收到广播信息的节点利用轮数过滤机制转发广播信息。

本发明基于方向、时效和轮数的信号过滤机制，实现节点信息在宽带自组网络中有序后向传播，降低了广播信息在网络中的拥堵情形，实现网络中发生故障或者安全事件的节点的故障或事故信息在网络中高效实时发布，为后续节点提供有效的网络态势和环境预警信息。如本发明方法应用与道路交通网络中，则可在恶劣气象条件或山路、隧道等复杂路况情形下为无人驾驶网络或驾驶员等节点提供超前的预警信息，有效降低交通事故的发生几率。

附图说明

图1所示为本发明的广播节点扩散示意图；

图2所示为本发明实施例的应用场景示意图；

图3所示为本发明实施例的事故信息扩散示意图；

图4所示为本发明实施例的广播帧格式示意图。

图5所示为本发明实施例的实施步骤示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提出了一种基于方向过滤机制的节点事件信息广播方法，在每轮广播中对下一轮广播候选节点进行过滤筛选，从而控制节点事件信息有序后传。

下面以面向宽带自主网络的交通网络为例，说明本发明的具体实现方法。

s1.交通网络中各节点均具备阵列收发天线、无线信号处理及存储平台；初始化基于宽带自主网络的交通网络中各节点的阵列收发天线、无线信号处理平台和本地存储平台。在交通网络中，各节点按照节点编队进行运动，交通网络中运动方向一致的节点属于相同的节点编队，不同节点编队之间使用不同的通信频段。对于节点编队中的任一节点，在其节点运动方向前方的其他节点均为该节点的前向节点，在其节点运行方向后方的其他节点均为该节点的后向节点。交通网络中的每个节点均具有唯一的id信息。

确定交通网络中的各种故障或者交通安全事件对应的事件编号、事件类型以及事件处理时效。

s2.若交通网络中某节点发生故障或者交通安全事件，发生故障或者交通安全事件的节点将其id信息、事件编号、事件类型、事件发生时间以及事件处理时效写入帧信号，并将帧内轮计数标志位置1，进入s3。

s3.需要广播信息的发生故障或者交通安全事件的节点作为广播源节点，广播源节点随机等待若干时隙侦听公共广播信道，如公共广播信道被占用，则将该广播信息加入发送队列，同时启动冲突避免机制，直至该该广播信息为公共广播信道空闲时节点发送队列中优先级最高的广播信息。

s4.当前广播源节点在等待设定周期长度后，如未接收到相同id信息、相同事件编号、轮计数增加的广播信息，则判断当前广播信息未能成功发送，再次进入s3步骤，如接收到轮计数增加的广播信息，则进入s5；

s5.交通网络中接收到广播信息的非广播源节点对接收到的广播信息进行解帧处理，读取发送该广播信息的节点的id信息、事件编号和轮计数标志，并利用阵列收发天线的信号到达角估计算法对接收到的广播信息来自后向节点还是前向节点进行判断，如判断该广播信息来至后向节点则过滤该广播信息不进行转发，非广播源节点在当轮数为1时将本地存储器中该广播信息删除；如判断广播信息来自前向节点则通过自身的报警装置以声、光、电等多手段提示前方事故信息。

s6.交通网络中接收到广播信息的非广播源节点采用基于信息时效性的广播机制判断该条广播信息是否失效，如失效则不进行处理，未失效则进行s7；

s7.交通网络中接收到广播信息的非广播源节点接收到的事件编号如未在本地存储，则将该条广播信息在本地存储，如事件编号已在本地存在，则读取轮计数标志信息，采用基于轮计数的过滤转发机制判断是否需要进行转发，如需转发则将进行s3操作；

s8.发生故障或者交通安全事件的节点按设定周期重复s2～s7。

图2给出了本发明的一个实施例，某交通网络中包含两个节点编队和多个节点，节点编队1使用广播信道1，频点5800mhz，节点编队2使用广播信道2，频点5875mhz；节点编队1包括10个节点，编号分别为a至j，其中节点a与节点b发生碰撞事故。

图3给出了本发明实施例的事故信息扩散示意图，以下按照广播轮次进行详细说明。

第一轮广播：当节点a和节点b出现碰撞事故时，假设节点a发出故障信息告警，按照图4所示的格式将故障信息进行组帧。

节点a在帧类型上填入0x00，表示当前帧为广播帧；节点id上填入0x00000001，为节点a的固定id编号；事件编号填入0x0001，表示为本节点第1次事件信息广播；事件类型填入0x01，表示追尾；事件时间段填入0x21092000，表示事故发生事件为21点09分20秒；广播轮次填入0x01，表示第1轮广播；时效周期填入0x04，表示向后传播4跳后停止广播；扩展区填入全0。

节点a作为广播源节点，节点a随机等待2个时隙周期后侦听公共广播信道2，假设此时公共广播信道被节点b占用，节点a按照基于随机时隙的冲突避免机制，等待5个时隙后再次侦听公共广播信道2，此时信道已经空闲，节点a在广播信道2上发送事件广播帧信号。

在第一轮广播中接收到节点a广播信号的节点有b、c、d、e四个节点，节点b、c、d、e对接收到的广播信号进行解帧，读取发送节点(即节点a)的id信息、事件编号和轮计数标志，b、c、d、e四个节点利用阵列收发天线的基于相位信道到达角估计算法，分别计算出节点a与本节点的方向信息，判断节点a位于b、c、d、e的前方，因此b、c、d、e需要对广播信号进行处理。

节点b、c、d、e通过自身的报警装置以声、光、电等多手段提示前方事故信息。

节点b、c、d、e采用基于广播轮技术的时效过滤机制判断该条广播信息是否失效，此时广播轮数为1，时效次数为4，为有效广播，节点b、c、d、e对信号进行后续处理。

节点b、c、d、e查找本地相同id的事件信息，在本地系统内均未发现该条信息则在各节点本地存储该条消息。节点b、c、d、e分别随机等待3、4、2、5个周期后侦听公共广播信道2，此时公共广播信道2被占用，b节点基于随机时隙的冲突避免机制等待8个时隙，c节点基于随机时隙的冲突避免机制等待5个时隙，d节点基于随机时隙的冲突避免机制等待4个时隙，e节点基于随机时隙的冲突避免机制等待7个时隙，各节点分别接收公共广播信道2上的信息，均未收到比该轮广播更新的时间信息，此时各节点按等待时隙再次侦听公共广播信道2；节点d在等待4个时隙后发现公共广播信道2空闲，则将节点a发出的广播帧中的广播轮数改为0x02，表示第2轮广播，节点d发送广播信息。

第二轮广播：节点d进行第二轮广播，此时接收到节点d广播信息的节点有a、b、c、e、g、f六个节点。六个节点对接收到的广播信号进行解帧，读取发送节点id信息、事件编号和轮计数标志，a、b、c、e、g、f六个节点利用阵列收发天线的基于相位信道到达角估计算法，分别计算出节点d与本节点的方向信息，节点a、b、c判断出节点d位于其后方，由于此时广播帧中广播轮数为2，节点b、c不删除广播数据；节点e、g、f判断出节点d位于其前方，因此e、g、f需要对广播信号进行处理。

节点e、g、f通过声、光、电等多手段提示前方事故信息。

节点e、g、f采用基于广播轮技术的时效过滤机制判断该条广播信息是否失效，此时广播轮数为2，时效次数为4，为有效广播，节点a接收到节点d的信号后，判断节点a广播信号发送成功，节点e、g、f对信号进行后续处理。

节点e、g、f查找本地相同id的事件信息。节点e在本地节点发现节点a发送的相同编号事件信息，且节点e中存储的轮数信息为1，因此节点e不参与下一轮广播。节点g、f在本地系统内均未发现该条信息则在各节点本地存储该条消息。节点g、f分别随机等待5和3个时隙侦听信道，此时信道空闲，f节点将节点a发出的广播帧中的广播轮数改为0x03发送第三轮广播信息。

第三轮广播：节点f进行第三轮广播，此时接收到节点f发出的广播信息的节点有d、e、g、h、i、j六个节点。六个节点对广播信号进行解帧，读取发送节点id信息、事件编号和轮计数标志，六个节点利用阵列收发天线的基于相位信道到达角估计算法，分别计算出节点f与本节点的方向信息，节点d、e判断出节点f位于其后方，由于此时广播帧中广播轮数为3，节点d、e不删除广播数据；节点g、h、i、j判断出节点d位于其前方，因此g、h、i、j需要对广播信号进行处理。

节点g、h、i、j通过声、光、电等多手段提示前方事故信息。

节点g、h、i、j采用基于广播轮技术的时效过滤机制判断该条广播信息是否失效，此时广播轮数为3，时效次数为4，为有效广播，节点d接收到节点f的信号后，判断节点d广播信号发送成功。

节点g、h、i、j查找本地相同id的事件信息。节点g在本地节点发现节点a发送的相同编号事件信息，且节点g中存储的轮数信息为2，因此节点g不参与下一轮广播。节点h、i、j在本地系统内均未发现该条信息则在各节点本地存储该条消息。节点h、i、j分别随机等待2、7、10个时隙周期侦听信道，此时信道空闲，h节点将节点a发出的广播帧中的广播轮数改为0x04发送第四轮广播信息。

第四轮广播：节点h进行第四轮广播，此时接收到节点h发出的广播信息的节点有e、f、g、j、i五个节点。五个节点对广播信号进行解帧，读取发送节点id信息、事件编号和轮计数标志，利用阵列收发天线的基于相位信道到达角估计算法，分别计算出节点h与本节点的方向信息，节点e、g、f判断出节点h位于其后方，由于此时广播帧中广播轮数为4，节点e、g、f不删除广播数据；节点i、j判断出节点h位于其前方，因此i、j需要对广播信号进行处理。

节点i、j通过声、光、电等多手段提示前方事故信息。

采用基于广播轮技术的时效过滤机制判断该条广播信息是否失效，此时广播轮数为4，时效次数为4，为无效广播，节点f接收到节点h的广播信号后，判断节点f发出的广播信号发送成功。i、j节点不再转发广播信号。

图5给出了本发明的实施步骤示意图。

利用阵列天线对无线信号方向的识别能力和基于轮计数的方向过滤机制，节点事件信息可以在宽带自主网络中快速发布，有效传播，从而为后续节点提供足够的预警信息，避免高速运动节点在低视距环境下连锁式事故发生的概率。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。