CN102264116A - 一种基于分布式时分多址无线自组网的节点入网方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于分布式时分多址无线自组网的节点入网方法。节点入网方法的步骤是：1、新节点在无线自组网内发送“入网请求消息”；2、现有节点评估自身的网络负载情况，判断是否向新节点发送“入网允许消息”；3、新节点接收到“入网允许消息”后，记录到达该消息的源地址的路由信息；4、新节点分析接收到的“入网允许消息”，选择可接受的微时隙，并发送“时隙接受消息”予以确认；5、网络中收到“时隙接受消息”的节点判断是否释放自己的富余时隙，并增加到达新节点的路由信息；6、入网过程结束。本发明提高了网络资源利用率、降低新节点入网时延以及降低部分短距离报文的发送时延。

Description

一种基于分布式时分多址无线自组网的节点入网方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术，具体地说是一种基于分布式时分多址无线自组网中节点入网操作方法。

背景技术

随着同步处理系统(CPS)技术的发展和应用，无线自组网的终端同步已经不成问题，并且由于分布式时分多址(TDMA)技术具有数据碰撞率低，公平性好，网络资源利用率高等优点，使其对无线自组网越来越具有吸引力，特别针对网络拓扑结构动态变化以及超负荷的数据发送具有较好的适用性。

基于分布式时分多址无线自组网在实际应用中经常会遇到由于实际任务的需要而引发的节点入网问题。节点入网过程具体包括两个步骤：时隙预约和路由表的建立。节点入网技术需要解决的核心是如何降低入网时延以及减少入网时占用的网络资源问题。

有关时隙预约方面的工作有的是针对固定的循环周期开展研究的，一般是将每个循环周期划分为多个业务时隙和竞争时隙，业务

时隙和竞争时隙按有无导言标识区分。新节点捕获到竞争时隙后，监听竞争时隙中的“忙”标识序列了解循环周期中的时隙使用情况，再利用握手机制预约循环周期中的空闲时隙。这种预约时隙的方法由于握手机制的引入，大大增加入网时延。

此外，还有的研究建立在可变循环周期基础上，将一个完整的循环周期分成三个子时隙，分别是请求时隙、应答时隙和报文时隙。其中请求时隙用于各个节点发送请求信息，请求时隙的微时隙个数与网内节点数目一致。若有新节点入网，则增加请求时隙的微时隙个数；应答时隙用于控制中心统计网内各节点的发送请求信息，再按照动态分配算法制定时隙分配表并发送至各网内节点，网内节点则在此时隙内接收该时隙分配表；报文时隙用于网内各节点根据收到的时隙分配表来发送和接收报文，报文时隙中的微时隙个数不固定。这种做法使得在整个循环周期内只有报文时隙真正用来实现网络节点间的数据通信，控制信息占用资源太多，使得网络资源利用率低；而且整个时隙的分配完全依靠控制中心决定，一旦该控制中心遭到毁坏，将导致整个网络瘫痪。虽然基于分布式时分多址无线自组网内的每个节点在最初入网的时候需要由控制中心为其提供频率信息、加密参数、波形参数以及时隙分配情况等基本信息，但在之后的运行中不依赖于控制中心，所以上述研究工作不适合基于分布式时分多址的无线自组网。

有关路由表建立方面的研究通常分为两大类，一类为表驱动路由协议；一类为按需驱动路由协议。表驱动路由协议采用周期性广播路由信息的方法实现网内节点路由表的建立与维护工作。虽然网络节点发送数据的时延较小，但是周期性广播的路由信息会占用大量网络资源，降低其利用率。按需驱动路由协议只在有报文需要发送时才会创建或维护路由信息，虽然这样做节约了一定的网络资源，但网络节点发送报文时会有较大的时延。

以上众多研究中，还没有看到将节点入网过程中的预约时隙以及路由表的建立二者相结合的先例。从提高网络资源利用率角度出发，将预约时隙和路由表的建立二者结合可以节省建立路由表时发送终端链路控制/自动增益控制(TLC/AGC)序列、同步头序列以及报文头等信息所需占用的网络资源；从降低节点入网时延角度出发，将预约时隙和路由表的建立二者结合相当于将路由表建立过程提前进行，且提前的时间量最大可达一个循环周期的长度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低新节点入网时延以及降低部分短距离报文的发送时延的无线自组网的节点入网操作方法

本发明的目的是这样实现的：

一种基于分布式时分多址无线自组网的节点入网方法包括以下步骤：

(1)新节点在无线自组网内发送“入网请求消息”；

(2)现有节点评估自身的网络负载情况，判断是否向新节点发送“入网允许消息”；

(3)新节点接收到“入网允许消息”后，记录到达该消息的源地址的路由信息；

(4)新节点分析接收到的“入网允许消息”，选择可接受的微时隙，并发送“时隙接受消息”予以确认；

(5)网络中收到“时隙接受消息”的节点判断是否释放自己的富余时隙，并增加到达新节点的路由信息；

(6)入网过程结束。

所述的新节点具备与网内现有节点联系上的知道频率信息、加密参数、波形参数以及时隙分配情况，所述的新节点选用最近的应急时隙发送“入网请求消息”，所述的最近应急时隙是距离当前时间小于高优先级的报文最大发送时延的应急时隙；所述的发送“入网请求消息”在之后的一个循环周期内未收到任何响应，则随机选取另一个应急时隙再次发送“入网请求消息”，所述的发送“入网请求消息”最多重复3次，如果发送“入网请求消息”3次后都没有收到任何响应，则表明新节点入网失败。

所述的发送“入网允许消息”是条件是在网内现有节点有富余时隙；所述的发送“入网允许消息”的发送持续时间不超过5个循环周期。

所述的新节点接收到“入网允许消息”后，将消息的源地址记为路由信息中的目的地址，将新节点地址设为该条路由信息中的源地址，并且跳数设置为1。

所述的选择可接受的微时隙是根据任务类型选择接受的时隙，如果发送报文数据量大于应急时隙可发送数据量时就选择多个连续的微时隙，如果报文为高优先级报文则选择多个分散的微时隙，并且每个时隙不得少于3个微时隙；所述的选择可接受的微时隙由新节点选中后，现有节点不得继续使用；所述的发送“时隙接受消息”选用最近的应急时隙；所述的发送“时隙接受消息”后的一个循环周期内，仍能收到“入网允许消息”，则随机选择另一个不同的应急时隙再次发送“时隙接受消息”，如果不能收到“入网允许消息”，新节点入网成功。

所述的增加到达新节点的路由信息是当网内现有节点若与新节点相邻，更新路由表后，则将“时隙接受消息”的源地址更改为收到该“时隙接受消息”的节点地址并转发；否则更新路由表后将“时隙接受消息”删除。

本发明的优点在于：

网络中当有新节点入网时，收到新节点入网申请的网内现有节点可以自主决定是否释放时隙给新节点；并且在预约时隙过程中同时实现新节点路由表的建立以及网中现有节点路由表的更新，其中新节点只建立到邻近节点的路由信息，网络中仅与新节点距离2跳的现有节点更新其路由信息，这样既能节省网络资源、降低入网时延并且还可以降低部分短距离报文的发送时延。

附图说明

图1为信道时隙结构图；

图2为网络循环周期中应急时隙的分配情况；

图3为“入网请求消息”的数据格式；

图4为“入网允许消息”的数据格式；

图5为“时隙接受消息”的数据格式；

图6为节点入网过程中新节点工作流程图；

图7为节点入网过程中网内现有节点工作流程图；

图8为分布式时分多址无线自组网的节点入网过程总体流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细的描述：

结合图1。每个时隙由多个微时隙组成。101是每个时隙开始的保护时间，目的是防止由自同步时间误差引起的碰撞。102是TLC/AGC序列和同步头序列，TLC/AGC序列主要便于电台发射的电平控制和电台接收的自动增益控制，同步头序列实现信号的捕获、参数估计等功能。保护时间与TLC/AGC序列以及同步头序列合起来占用1个微时隙。103是报文的报文头部分，占用一个微时隙。104是报文的数据部分，数据部分根据情况的不同会占用1个或多个微时隙。在加密的情况下，在数据部分的第一个微时隙中，会用第一个消息字存放密钥同步信息。

结合图2。在初始条件下，按照网络规模预期设定网络循环周期的长度，并将网络循环周期按照网络负荷情况划分为业务时隙和应急时隙，每个业务时隙包含3-4个微时隙，每个应急时隙包含3个微时隙。所有应急时隙不是连续摆放的，而是每隔一个高优先级报文最大发送时延插入一个应急时隙，这样做可以基本上保证当某个网络节点在有高优先级报文需要发送，并且自身的业务时隙不能满足时延性能要求时，能够抢占最近的应急时隙发送，从而降低其发送时延。

为了充分提高信道的利用率、缩短网内现有节点发送和响应报文的时延，不论初始状态下网络中包含的节点是多少个，总将所有业务时隙全部分配给网内现有节点，即没有一个业务时隙会被闲置，从而达到充分利用信道的目的。

“入网请求消息”、“入网允许消息”以及“时隙接受消息”的数据格式中每个组成部分所占用的二进制位由网络规模以及网络周期的长度决定。以最大容纳44个节点的网络规模、网络周期长度为150个微时隙为例，“入网请求消息”、“入网允许消息”以及“时隙接受消息”的数据格式分别如图3-图5所示。其中，格式上方的数字代表二进制位，一共32位，即四个字节。每个组成部分对应的范围表示其占用二进位的数目，以及在该消息中的位置。

结合图3。消息源IP地址表示新节点IP地址，占用32位；申请微时隙的数量表示新节点向网络申请的微时隙数量，占用4位；消息类型表示该类消息为“入网请求消息”，占用4位。

结合图4。消息源IP地址表示可以给新节点释放微时隙的网内节点地址，占用32位；新节点IP地址表示可以接受该微时隙的新节点地址，占用32位；起始微时隙位置1表示第1个时隙的起始位置，占用8位；微时隙数1表示第1个时隙中包含的微时隙的个数，占用4位；起始微时隙位置2表示第2个时隙的起始位置，占用8位；微时隙数2表示第2个时隙中包含的微时隙的个数，占用4位；消息类型表示该类消息为“入网允许消息”，占用4位。

结合图5。消息源IP地址表示发送该消息的网络节点地址，占用32位；新节点IP地址表示新入网节点地址，占用32位；网络节点IP地址1表示接受的时隙1原属节点地址，占用32位；网络节点IP地址2表示接受的时隙2原属节点地址，占用32位；起始微时隙位置1表示第1个时隙的起始位置，占用8位；微时隙数1表示第1个时隙中包含的微时隙的个数，占用4位；起始微时隙位置2表示第2个时隙的起始位置，占用8位；微时隙数2表示第2个时隙中包含的微时隙的个数，占用4位；消息类型表示该类消息为“时隙接受消息”，占用4位。

结合图6。新节点已知每个应急时隙的起始时间。在步骤601中，初始状态将发送“入网请求消息”的次数置0。在步骤602中，新节点选择最近的应急时隙，在步骤603中，发送“入网请求消息”，并将发送次数加1。如果新节点在发送“入网请求消息”后的一个循环周期内未接收到任何网内现有节点发送的“入网允许消息”，在步骤604中，则随机选择另一个应急时隙，然后再返回步骤603。如果新节点接收到不同网内节点发送的多个“入网允许消息”，在步骤605中，新节点每收到一个“入网允许消息”，会保存该“入网允许消息”并记录到达该消息源地址的路由信息，新节点自收到第一个“入网允许消息”一个循环周期后，开始分析所有接收到的“入网允许消息”中微时隙的数量及位置，按照自身工作的需要选择合适的微时隙，然后进行步骤606选择最近的应急时隙向网内现有节点发送“时隙接受消息”予以确认。新节点在发送“时隙接受消息”后的一个循环周期内，若发现仍有节点在发送“入网允许消息”，在步骤607中则随机选择另一个应急时隙，再返回到步骤606发送“时隙接受消息”，直至“入网允许消息”的发送全部停止，于是便可以使用已选的微时隙参与到网络中，即步骤608，新节点入网成功。如果新节点发送“入网请求消息”3次后仍未收到“入网允许消息”，在步骤609中表明入网失败，新节点暂停入网。

结合图7。在步骤701中，网内现有节点在接收到“入网请求消息”后，可以根据自身的网络负荷情况，判断可释放的微时隙数量是否小于3个。如果小于3个，即步骤702，不响应“入网请求消息”；如果不是，在步骤703中则发送“入网允许消息”给新节点。“入网允许消息”会持续发送，但持续时间最多不超过5个循环周期，直至收到新节点发送的“时隙接受消息”为止。网内各个发送“入网允许消息”的节点，在接收到“时隙接受消息”后，停止发送“入网允许消息”。没有被新节点选中的微时隙，原节点可以继续使用；被新节点选中的微时隙，在步骤704中，原节点应释放相应时隙，不得再继续使用。收到“时隙接受消息”的节点还会判断该消息的源地址是否为新节点地址。如果“时隙接受消息”的源地址为新节点地址，说明收到“时隙接受消息”的节点与新节点相邻，在步骤705中，增加到新节点的路由信息，并且设置跳数为1，接着将“时隙接受消息”的源地址更改为收到“时隙接受消息”的节点地址再转发出去。如果接收到的“时隙接受消息”的源地址不是新节点地址，则首先查找路由表中是否有到新节点的路由信息，如果路由表中存在到新节点并且跳数为1的路由信息，说明收到“时隙接受消息”的节点是新节点的邻近节点，在步骤706中，无需更新路由表，并进行步骤708，删除该“时隙接受消息”。如果没有到新节点的路由信息，在步骤707中，路由表中存在“时隙接受消息”源地址的路由信息，则增加到新节点的路由信息，该路由信息的跳数为查到的路由信息跳数加1，并进行步骤708，删除该“时隙接受消息”；路由表中不存在“时隙接受消息”源地址的路由信息，进行步骤708，直接删除该“时隙接受消息”。

结合图8。在步骤801中，新节点选择最近的应急时隙发送“入网请求消息”。在步骤802中，网内现有节点接收到该“入网请求消息”后，自主评估自身网络负载情况。在步骤803中，判断自身的富余时隙是否小于3个微时隙，如果小于3个，则不响应“入网请求消息”；如果不是，在步骤804中，发送“入网允许消息”给新节点。在步骤805中，新节点收到“入网允许消息”后，会记录该消息并建立到达该消息源地址的路由信息，然后在步骤806中分析接收到的“入网允许消息”，选择可接受的微时隙后发送“时隙接受消息”予以确认。网内现有节点接收到“时隙接受消息”后，在步骤807中，会判断是否释放自己的富余时隙，如果新节点接受的时隙不是自己的富余时隙，则继续使用原时隙；如果不是，在步骤808中释放相应时隙，同时不得再继续使用原时隙。在步骤809中，网内节点还会根据“时隙接受消息”信息以及自身路由表信息判断是否需要更新路由表，如果需要，就增加到达新节点的路由信息；如果不需要，则不更新路由表。

Claims (6)

1.一种基于分布式时分多址无线自组网的节点入网方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)新节点在无线自组网内发送“入网请求消息”；

(2)现有节点评估自身的网络负载情况，判断是否向新节点发送“入网允许消息”；

(3)新节点接收到“入网允许消息”后，记录到达该消息的源地址的路由信息；

(4)新节点分析接收到的“入网允许消息”，选择可接受的微时隙，并发送“时隙接受消息”予以确认；

(5)网络中收到“时隙接受消息”的节点判断是否释放自己的富余时隙，并增加到达新节点的路由信息；

(6)入网过程结束。

2.根据权利要求1所述的基于分布式时分多址无线自组网的节点入网操作方法，其特征是：所述的新节点具备与网内现有节点联系上的知道频率信息、加密参数、波形参数以及时隙分配情况，所述的新节点选用最近的应急时隙发送“入网请求消息”，所述的最近应急时隙是距离当前时间小于高优先级的报文最大发送时延的应急时隙；所述的发送“入网请求消息”在之后的一个循环周期内未收到任何响应，则随机选取另一个应急时隙再次发送“入网请求消息”，所述的发送“入网请求消息”最多重复3次，如果发送“入网请求消息”3次后都没有收到任何响应，则表明新节点入网失败。

3.根据权利要求1所述的基于分布式时分多址无线自组网的节点入网操作方法，其特征是：所述的发送“入网允许消息”是条件是在网内现有节点有富余时隙；所述的发送“入网允许消息”的发送持续时间不超过5个循环周期。

4.根据权利要求1所述的基于分布式时分多址无线自组网的节点入网操作方法，其特征是：所述的新节点接收到“入网允许消息”后，将消息的源地址记为路由信息中的目的地址，将新节点地址设为该条路由信息中的源地址，并且跳数设置为1。

5.根据权利要求1所述的基于分布式时分多址无线自组网的节点入网操作方法，其特征是：所述的选择可接受的微时隙是根据任务类型选择接受的时隙，如果发送报文数据量大于应急时隙可发送数据量时就选择多个连续的微时隙，如果报文为高优先级报文则选择多个分散的微时隙，并且每个时隙不得少于3个微时隙；所述的选择可接受的微时隙由新节点选中后，现有节点不得继续使用；所述的发送“时隙接受消息”选用最近的应急时隙；所述的发送“时隙接受消息”后的一个循环周期内，仍能收到“入网允许消息”，则随机选择另一个不同的应急时隙再次发送“时隙接受消息”，如果不能收到“入网允许消息”，新节点入网成功。

6.根据权利要求1所述的基于分布式时分多址无线自组网的节点入网操作方法，其特征是：所述的增加到达新节点的路由信息是当网内现有节点若与新节点相邻，更新路由表后，则将“时隙接受消息”的源地址更改为收到该“时隙接受消息”的节点地址并转发；否则更新路由表后将“时隙接受消息”删除。

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