CN105636148A - 一种无线多跳网络数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无线多跳网络数据传输方法，包括如下步骤：(10)节点探测：主节点或边界节点发送探测信息，近邻节点接收、应答和转发探测消息；(20)节点角色设定：将近邻节点设定为阻断节点、中继节点或边界节点；(30)受控中继区域建立：以边界节点为逻辑区域划分的边界条件，建立受控中继区域；(40)时隙复用分配：对受控中继区域内的每个可靠中继节点进行信息时段时隙复用分配；(50)数据收发：可靠中继节点在其分配到的信息时段时隙发送数据，在其未分配到信息时段时隙接收数据；(60)时隙竞争：阻断节点和未分配到信息时段时隙的节点采用载波侦听方式竞争占用预留时隙。本发明的数据传输方法，传输效率高、网络延迟小。

Description

一种无线多跳网络数据传输方法
技术领域
本发明属于多跳无线网络技数据传输技术领域，特别是一种传输效率高、网络延迟小的无线多跳网络数据传输方法。
背景技术
多跳无线通信网络组网灵活，无需固定基础设施及集中配置管理支持即可实现传输功率有限的无线节点经多跳自组互联并提供连接服务，适用于特定地理区域和特殊应用场景需求，可更灵活地拓展和延伸网络、增强网络业务处理。因此其成为无需预先架设基础设施的应急通信或战术通信领域的主要组网模式，并可作为有基础设施支持的卫星网络、蜂窝系统网络的有效拓展和补充。
多跳无线网络的应用场景多为机动通信、侦察感知和环境监测等特殊应用领域。如利用无人机或直升机等，在恶劣自然环境，如沙地、山地、林地等抛撒或设置通信节点，通过多点多跳中继，达成纵深尽可能远的通信，拓展和延伸有基础设置的通信网络覆盖范围。投掷节点大致分布在所需要拓展的狭长分布地带上，构成无需预先铺设基础设施的多跳自组织网络。节点按投掷顺序启动定时开机时间，先投掷的节点成为第一个开机入网的主节点。主节点在同步时段中发送控制消息加入时间同步选项，实现节点时间基本同步。每个节点拥有唯一的识别码。由于节点抛掷后即使受到空气阻力风力影响，存在旋转、飘移等，可能会有偏移，但大部偏向处于一个狭长区域带内，可从有基础设施网络边缘接入点直达难以抵达的腹地，建立无需基础设施的多跳边缘网络。
由于多跳无信通信网络中通信过程的节点按功能可分为源节点、中继转发节点和目标节点，其中的中继转发节点可能包括多跳。当中继转发节点采用竞争类接入方法CSMA/CA时，能适应无线移动自组网拓扑结构动态变化状况，满足节点与邻节点竞争方式占用信道，以一定程度上解决节点冲突，然而不能从根本上适应无线通信组网真实拥塞状态的变化，如所有节点均完全采用CSMA/CA方式获取信道，则不适应多节点、远距离通信条件，随着传输距离和跳数的增加，延迟将继续增大，而干扰阻塞环境下采用CSMA/CA方式,也更将增大重传次数，耗费节点能量，增加开销和重传延迟。
反之，如完全采用固定时隙、频率分配方式，则信道利用率极低。尽管现存一些基于动态TDMA的信道分配利用方法，如P-TDMA、混合时分多址访问HTDMA协议、ETDMA(增强型TDMA)等等，但由于基于P-TDMA、ETDMA的协议声明阶段和响应阶段将产生较大的协议开销，使协议性能下降，而基于HTDMA的协议需要将相邻节点的时隙安排情况保存在相邻节点列表NB中，并不断跟踪其相邻节点传输时间安排。而现有基于TDMA和CSMA的混合协议如AGENT等协议的思路，是先给每个网络节点分配一个固定的TDMA传输时间安排，节点还有机会通过CSMA竞争其它空闲时隙，由于没有考虑节点角色，无法让最佳中继转发节点最大化利用信道，因此只适用于轻流量载荷场景。以上协议并不适合要求尽量拓展和延伸通信网络纵深，同时要求节点快速回传视频、图像等大业务量、低延迟要求的组网场景。
总之，现有技术存在的问题是：无线多跳网络数据传输效率不够高、网络延迟大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线多跳网络数据传输方法，传输效率高、网络延迟小。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种无线多跳网络数据传输方法，包括如下步骤：
(10)节点探测：主节点或边界节点发送受控中继区域探测信息，其它节点接收、应答和转发探测消息，经数轮转发和应答后，使主节点或边界节点三跳内的近邻节点均获知自己离主节点或者边界节点的跳数及转发路径；
(20)节点角色设定：根据探测消息接收、应答情况，将近邻节点设定为阻断节点或中继节点，并将与阻断节点邻接的节点设定为边界节点；
(30)受控中继区域建立：以边界节点为逻辑区域划分的边界条件，建立受控中继区域，使受控中继区域内的所有节点均为可靠中继节点；
(40)时隙复用分配：对受控中继区域内的每个可靠中继节点进行信息时段时隙复用分配；
(50)数据收发：可靠中继节点在其分配到的信息时段时隙发送数据，在其未分配到信息时段时隙接收数据；
(60)时隙竞争：阻断节点和未分配到信息时段时隙的节点采用载波侦听方式竞争占用预留时隙。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、传输效率高：根据动态变化的网络拓扑构建由多个受控中继区域组成的逻辑网络，可靠中继节点在时分多址接入基础上在各自隶属的受控中继区域内的进行信道最大化的循环复用，其它节点按业务需求以载波侦听方式竞争决定信道使用权。该方法保障和提高了多跳传输路径上可靠中继节点对信道带宽利用率，提高了数据端到端投递率，增强了数据传输效率；
2、网络延迟小：通过减小非可靠中继节点对信道的占用和对有限计算资源的竞争消耗，降低了最佳转发路径上中继节点间分组的碰撞概率，减少了节点需要退避等待的延时和重发延迟。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明无线多跳网络数据中继传输方法的流程图。
图2为t时刻网络拓扑实施例图。
图3为在图2给出的网络拓扑基础上，阻断节点的判别和可靠中继节点的判别示例图。
图4为图3第一个CRR区域及其阻断节点获取的基础上，边界节点确定示例图。
图5为第一个受控中继区域的划分，以及第一个受控中继区域内节点的时隙分配示例图。
图6为以边界节点为新的源节点，获取第二个受控中继区域CRR2，以及第二个受控中继区域内节点的时隙分配示例图。
图7为以边界节点为新的源节点，获取第三个受控中继区域CRR3，以及三个受控中继区域内节点的时隙分配示例图。
图8为信道资源利用和分配原理图。
图9为按图7的网络拓扑给出受控中继区域内节点的数据发送时隙使用过程示例图。
图10为未分配节点、阻断节点基于CSMA竞争方式获取随机访问机会示例图。
图11为节点信息表示例图。
具体实施方式
如图1所示，本发明无线多跳网络数据传输方法，包括如下步骤：
(10)节点探测：主节点或边界节点发送受控中继区域探测信息，其它节点接收、应答和转发探测消息，经数轮转发和应答后，使主节点或边界节点三跳内的近邻节点均获知自己离主节点或者边界节点的跳数及转发路径；
如图2所示为t时刻网络拓扑的实施例。为简化描述，设t时刻网络中有一个最先入网的主节点0、多个接收/中继转发节点n。节点间实线表明两者间存在无线链路。需注意的是，图中链路长度并不代表节点间真实距离，仅代表链路两端节点在彼此的可靠接收范围内，可保持正常通话。部分节点受损毁或电池耗尽，或干扰屏蔽，成为不可及节点，用图中灰色节点表示。由于节点按顺序投放，并设置开机定时，因此第一个开机入网节点，即图中节点0成为主节点，发送探测消息，作为初始受控中继区域划分的发起者。其余节点暂时未分配时隙即为未初始化节点。
所述(10)节点探测步骤包括：
(11)发送探测信息：主节点或发起下一个受控中继区域划分的边界节点在同步时段的预留时间发送受控中继区域探测信息，所述探测信息包括消息类型、消息序列号、消息发送源节点ID、中间节点ID和时间戳，每经过一个周期Tw，由发送探测消息的节点将消息序列号加1；
所述(11)发送探测信息步骤包括：
(111)如果当前发起探测的节点i为主节点，则继续(112)，如发起受控中继区域探测过程的如果是边界节点，则跳转步骤(113)；
(112)初始化时所有节点，均以载波侦听方式接入信道，节点在同步时段的一个预留时间发送探测分组时，其它节点在该时段监听该探测消息，设置探测消息中的TTL初始值为3，转步骤(12)；
初始化时所有节点均以载波侦听方式接入信道。所有节点开机后已重置自身计时器和计数器，按本发明面向的网络组网场景，主节点0是第一个开机入网节点，并第一个发送探测分组。所有节点在加入网络并与主节点同步后均同样以载波侦听方式接入，主节点在同步时段的一个预留时间发送探测信息分组时，设置探测消息中的TTL初始值为3。其它节点在该时段监听该探测消息，节点1、2、3、4、17均接收到探测分组并应答主节点，转步骤(12)；
(113)边界节点通过竞争占用同步时段的预留时隙，发送探测分组，其它节点在该时隙监听该探测分组，设置探测消息中的TTL初始值为3。
边界节点是与阻断节点直接相连的节点，边界节点发起下一个受控中继区域划分。边界节点竞争占用同步时段的预留时隙，发送探测消息分组。探测分组包括消息类型、消息序列号、消息发送节点ID、中间节点ID和时间戳，每经过一个Tw周期，由发送探测消息的节点将消息序列号加1；继续；
边界节点0，1，7都已经在该测试周期内转发过探测消息，只有8，9，10作为新的探测源节点发送探测消息；
(12)应答探测消息：主节点或者边界节点i以外的其它节点接收、应答和转发探测信息数据包；
所述(12)应答探测消息步骤包括：
(121)主节点或者边界节点i以外的其它节点在同步时段的预留时间接收探测信息；
边界节点以外的其它节点12、13、14将在预设窗口期Tw内接收到8、9、10的探测信息；
(122)根据接收到的探测分组序列号，判断是否已经接收过该探测分组，若序列号大于已经接收过的探测分组序列号，则转步骤(123),否则丢弃，并返回步骤(121)；
节点1、2、3、4、17根据接收到主节点的探测消息序列号，判断接收到的探测消息序列号大于已经接收过的探测分组，继续步骤(123)；
发送探测消息的边界节点8，9，10的近邻节点12、13、14根据接收到探测消息序列号，判断探测消息序列号大于已经接收过的探测消息序列号，发送接收应答，TTL大于0，转发该探测消息，TTL减1，TTL＝2,继续步骤(123)；
(123)判断接收的探测分组的TTL值是否大于0，若是，则继续转发该探测分组并发送探测分组的应答消息，TTL减1，继续步骤(124)，否，则丢弃该分组并直接跳转(13)；
节点1、2、3、4、17分别发送探测消息的接收应答，判断TTL大于0，转发探测消息，TTL减少1，TTL＝2；节点5、6、7接收到转发的探测消息，并分别发送探测消息的接收应答消息，TTL大于0，转发探测消息，TTL减1，TTL＝1；节点8，9，10，19收到转发的探测消息，并发送应答，TTL大于0，转发探测分组，TTL减1，TTL＝0。节点12，13，14接收分组时，先判断TTL已经为0，丢弃该探测分组。
节点15、16接收到转发的探测消息，发现与已经接收过的探测分组序列号大于已经接收过的探测消息并分别发送接收应答，TTL大于0，转发探测帧，TTL减1，TTL＝1。节点18、20收到转发的探测分组，判断探测消息序列号大于已经接收过的探测消息序列号，发送应答，TTL大于0，转发探测分组，TTL减1，TTL＝0。没有其它新的节点发送应答，结束探测过程。
(124)接收到应答消息的节点判断是否收到过来自同样节点的应答消息，若是，则直接丢弃该应答消息，否，则提取应答消息中的应答节点的标识更新邻居列表，跳转(121)。
(13)重复探测：由TTL控制转发跳数，经数轮转发和应答后，TTL为0说明已经过数轮转发和应答后，主节点或边界节点i的三跳内近邻节点均获知自己离主节点或者发送探测消息的边界节点的跳数和转发路径，结束此轮节点探测。
(20)节点角色设定：根据探测消息接收、应答情况，将近邻节点设定为阻断节点或中继节点，并将与阻断节点邻接的节点设定为边界节点；
发送探测分组的边界节点的一跳两跳邻节点中的18、20为可靠中继节点，所有中继节点的节点18、20信息表的Role值置为1。建立中继节点集。没有离发送探测分组的边界节点超出3跳范围的节点，也没有其它阻断节点。
所述(20)节点角色设定步骤包括：
(21)节点自身初判，根据接收探测信息的平均信干噪比阈值，如果未达到最低阈值，认为干扰严重，判定为该链路上阻断节点，将节点j信息表的节点角色标识位Role值暂置为0；
判断节点受干扰状态，根据信干噪比阈值，节点4未达到最低接收信干噪比阈值，视为不可靠，判定节点4为阻断节点。将节点4信息表的Role值置为0，标记为阻断节点。
(22)如发送探测分组的主节点或边界节点的某一跳、两跳节点j，只存在一个近邻节点，即节点j为叶子节点，没有可以中继转发的其它下行链路，判断为非可靠中继的阻断节点，将节点j信息表的Role值暂置为0；
发送探测分组的源节点的一跳两跳邻节点中的1、17只存在一个近邻节点，即节点1、17为叶子节点，没有可以中继转发的下行链路，判断为非可靠中继的阻断节点，将节点1、17信息表的Role值置为0。
(23)如节点j为距离发送探测分组的主节点或边界节点i超出3跳范围的节点，也判定为阻断节点，将节点j信息表的Role值暂置为0；
节点12、13、14为发送探测分组的主节点或边界节点的超出3跳范围的节点，也判定为阻断节点。将节点节点12、13、14信息表的Role值置为0。
(24)如节点j并非与发送探测帧的主节点或边界节点的3跳及3跳以内的最短转发路径上节点，有更佳的替代路径，因此判定节点j不是最佳中继转发节点，也将节点j置为阻断节点，并将节点j信息表的Role值暂置为0；
节点19并非与发送探测帧的主节点或边界节点的3跳及3跳以内的最短转发路径上节点，有更佳的替代路径，因此判定节点19不是最佳中继转发节点，也将节点19置为阻断节点，并将节点19信息表的Role值置为0。
(25)第一轮阻断节点判别完毕，建立阻断节点集；
此轮阻断节点判别完毕。建立阻断节点集{4，11，17，19，12，13，14}。
(26)阻断节点外其余节点为可靠中继节点，所有中继节点的节点信息表的Role值置为1，建立中继节点集；
阻断节点外其余节点为可靠中继节点，所有中继节点的节点信息表的Role值置为1。建立中继节点集{0，1，5，8，2，6，9，3，7，10}。
断节点外其余节点18、20为可靠中继节点，所有中继节点的节点信息表的Role值置为1。建立中继节点集。
(27)将与阻断节点邻接的节点设定为边界节点。
图3所示为在图2给出的网络拓扑基础上，阻断节点的判别和可靠中继节点的判别示例图。
图4为图3第一个CRR区域及其阻断节点获取的基础上，边界节点确定示例图。
不同节点角色修改图11给出的节点信息表数据格式中相应的标识位。
所有与阻断节点邻接的节点标记为边界节点，所有网络拓扑边所有边界节点同时也是可靠中继节点，其节点信息表的Role值为1，与普通中继区别在于，边界节点的节点信息表的边界节点标识Border位也置为1，至此所有判定的阻断、可靠中继节点、边界节点都需修改节点信息表中相应节点序列号的的Border位和Role位，如图11所示。建立边界节点集合{0，1，7，8，9，10}。按节点序列号逐个提取边界节点集合中的节点，继续转步骤(113)执行。
(30)受控中继区域建立：以边界节点为逻辑区域划分的边界条件，建立受控中继区域，使受控中继区域内的所有节点均为可靠中继节点；
所述(30)受控中继区域建立步骤具体为：
以边界节点为逻辑区域划分的边界条件，建立受控中继区域，使受控中继区域内的所有节点均为可靠中继节点，第n个受控中继区域内所有节点置自身节点信息表的CRR_ID值为n。
以边界节点{0，1，7，8，9，10}为边界条件，建立第一个受控中继区域CRR1；以边界节点{8，9，10，18，20}为边界条件，建立第二个受控中继区域CRR2；以边界节点{18，20}为边界条件，建立第三个受控中继区域CRR3。所有受控中继区域内的节点均为可靠中继节点，第1个受控中继区域内所有节点置自身节点信息表的CRR_ID值为1，第2个受控中继区域内所有可靠中继节点置自身节点信息表的CRR_ID值为2。第2个受控中继区域内所有可靠中继节点置自身节点信息表的CRR_ID值为3。
(40)时隙复用分配：对受控中继区域内的每个可靠中继节点进行信息时段时隙复用分配；
图5为第一个受控中继区域的划分，以及第一个受控中继区域内节点的时隙分配示例图。
图6为以边界节点为新的源节点，获取第二个受控中继区域CRR2，以及第二个受控中继区域内节点的时隙分配示例图。
图7为以边界节点为新的源节点，获取第三个受控中继区域CRR3，以及三个受控中继区域内节点的时隙分配示例图。
所述(40)时隙复用分配步骤包括：
(41)如果Ω＝{p1,p2…pn}为最短转发路径上的距离发送探测消息的节点第l(0≤l≤2)跳的节点集合，在此第l跳节点集中的节点pi、pj彼此非近邻节点，但却具有相同的下一跳近邻节点，则转步骤(42)；
否则，如果在此第l跳节点集中的节点pi、pj互为近邻，且不存在其它相同的下一跳近邻，则转步骤(43)；
否则如果此第l跳节点集中的节点pi、pj的邻居列表中既没有相同的下一跳近邻节点，也不存在互为近邻，转步骤(44)；
(42)具有相同下一跳近邻的第l跳节点，根据不同近邻节点分别组成m个节点集合(m≥1,m∈Ν)，分别用Ωt(1≤t≤m,m∈Ν)，即Ω1,Ω2,…Ωm表示；
记录这m个点集中节点个数分别为rt(1≤t≤m,t,m∈Ν)，即r1,r2,…rm；
设置一个整型变量τ，若Ω＝Ω1∪Ω2∪…∪Ωm为真，则τ＝0，否则τ＝1；
第l跳相应的时隙被均分为m+τ个子时隙各子时隙大小为其中前m个子时隙分别分配给节点集Ω1,Ω2,…,Ωm，
并按照各节点集中的节点个数r1,r2,…rm，将子时隙分别均分成为r1,r2,…rm个子子时隙,构成子子时隙集
并按节点序号顺序先后分别分配给节点集Ωt(1≤t≤m,m∈Ν)中的节点，
其中各子子时隙集中，时隙大小分别为即分别为
而Ω中其它没有公共近邻的节点，即属于Ω/{Ω1∪Ω2∪…∪Ωm}集合中的节点,都被分配相同的第个子时隙；
(43)若此第l跳节点集中的节点pi、pj为边界节点，则互为近邻的边界节点pi、pj按节点序号获得均分的子时隙T1[0],T1[1]，子时隙长度均为T1/2；
若pi、pj为主节点或边界节点的一跳近邻，获得均分的子时隙T2[0],T2[1]，子时隙长度均为T2/2；
若pi、pj为主节点或边界节点的二跳近邻节点，获得均分子时隙分配T3[0],T3[1]，子时隙长度均为T3/2；
(44)节点pi若是主节点或边界节点，即发送探测信息的源节点，则获得分配时段的时隙T1；
节点pi若是发送探测信息的主节点或边界节点的一跳近邻，则获得分配时段的时隙T2；
节点pi若是发送探测信息的主节点或边界节点的二跳近邻节点，获得时隙分配T3。
图8为信道资源利用和分配原理图。
所有节点在各自所属的受控中继区域内进行的数据发送主时隙复用分配。
受控中继区域CRR1内，{1,2,3}为最佳转发路径上的距离发送探测消息的节点1跳节点集，{5,6,7}为2跳节点集，没有公共近邻的节点。根据步骤(54)，主节点获得分配时段的时隙T1。节点1、2、3若是主节点或边界节点的一跳近邻获得分配时段的时隙T2。节点5、6、7获得时隙分配T3。
受控中继区域CRR2内，{8,9,10}为发送探测消息的节点集，无公共近邻，也非彼此近邻，根据步骤(54)获得时隙分配T1，而{12,13,14}为最佳转发路径上的距离发送探测消息1跳节点集，在此第1跳节点的邻居列表中具有相同的下一跳近邻的节点分别构成不同的节点集合，根据步骤(52)，共有m＝2个类似节点集合{12,13}，{13,14}；记录这2个点集中节点个数分别记为2。此时满足Ω＝Ω1∪Ω2，τ＝0，则第1跳相应的时隙T1，被均分为m+τ＝2个子时隙T1[0],T1[1]，各子时隙大小为T1/2，并按照所分配的节点集中的节点个数将T1[0]、T1[1]各自均分成为2个子子时隙,按节点序号顺序先后将子子时隙T1[0][0]、T1[0][1]分别分配给节点12、13，T1[1][0]、T1[1][1]分别分配给节点13、14。
受控中继区域CRR2内，{15,16}为最佳转发路径上的距离发送探测消息2跳节点集，具有相同下一跳近邻。根据步骤(52)，类似的2跳节点相应时隙T2，被均分为子时隙T2[0]、T2[1]，各子时隙大小为T2/2，T2[0]、T2[1]分别分配给15,16。
受控中继区域CRR3内，{18,19}为发送探测消息的节点集，且互为一跳近邻节点。根据步骤(53)，节点18,19为边界节点，则互为近邻的边界节点18,19按节点序号获得均分的子时隙T1[0],T1[1]，子时隙长度均为T1/2。若18,19为主节点或边界节点的一跳近邻获得均分的子时隙T2[0],T2[1]，时隙长度均为T2/2。最终节点18获得子时隙T1[0]、T2[0]，节点19获得子时隙T1[1]、T2[1]。
(50)数据收发：可靠中继节点在其分配到的信息时段时隙发送数据，在其未分配到信息时段时隙接收数据；
图9为按图7的网络拓扑给出受控中继区域内节点的数据发送时隙使用过程示例图。
由于时隙分配1、时隙分配2、时隙分配3分别为与发送控制帧的主节点或者边界节点及其相距一跳、二跳的节点所用，其时隙分配为串行分配方式，因此设置时隙保护间隔，减少带内干扰可能。而对于有共同的转发目标节点的中继节点，为防止在共同的转发目标节点产生冲突，需要进一步对其时隙进行划分成子时隙再分配，此时为并行分配方式，无需再设置时隙保护间隔。
(60)时隙竞争：阻断节点和未分配到信息时段时隙的节点采用载波侦听方式竞争占用预留时隙。
图10为未分配节点、阻断节点基于CSMA竞争方式获取随机访问机会示例图。
所述(60)时隙竞争步骤具体为：
根据当前反馈到主节点的阻塞节点数量n，将预留时隙T0动态划分为若干子时隙再根据业务量大小决定阻断节点和未分配到信息时段时隙的节点占用的子时隙数，随机请求和确认某时隙使用状态，并尝试在某个随机选择的时间间隔内发送且仅发送一个数据分组，部分节点受损毁或电池耗尽，或干扰屏蔽，无法接收邻接节点发送分组，成为不可及节点，除非在下一个探测周期开始时，重新与其它节点建立连接，则重新确认节点角色，否则不可及节点不参与全网通信。
下面进一步讲述本发明的原理：
本发明的目的在于通过下述三个功能实现：节点角色设定和划分、受控中继区域建立、时隙复用分配和竞争占用。
节点角色主要包括阻断节点、边界节点和可靠中继节点。阻断节点的判别条件，符合以下情况之一即判定阻断节点：(1)判断受干扰状态，根据节点接收探测信息分组的平均信干噪比阈值，如果未达到最低阈值，认为干扰严重，判定为阻断节点。(2)如果节点和源节点超过三跳，由于路径包投递率将是各链路包投递率的连乘形式，认为路径丢包率下降严重，暂时判定为阻断节点。(3)如果节点非最短路径上的转发节点，即认为非最佳转发节点，将该节点作为阻断节点。当前判定为阻断节点的将暂时不再作为中间节点转发数据包。直到网络拓扑结构发生变化，需重新探测节点类型，或者由边界节点发送新的受控中继区域探测消息时候，阻断节点由当前角色重新划定为中继转发节点时，才能进行数据包转发工作。与阻断节点直接相连的节点即为边界节点。边界节点将作为新的源节点发送探测消息，以探测剩余节点角色、划分新的受控中继区域。在受控中继区域内的节点为可靠中继节点，将尝试在一个独立的媒介分配(时隙)接收消息，一旦节点接收到足够信息能成功解码分组，可靠中继节点将立刻在下一个独立的媒介分配(时隙)转发分组。
本发明的基于时分复用的多址访问协议将当前可用信道的划分成三部分：同步时段、竞争时段和分配时段。其中同步时段Tsync分为主节点同步时隙和若干个预留时隙，主节点同步时隙用于第一个入网的主节点定时发送控制帧，实现全网同步；同步时段中存在一段预留时间，被划分为多个预留时隙，专供主节点和边界节点以载波侦听方式占用，用于发送和应答受控中继区域的探测消息。竞争时段T0用于阻断节点和暂未分配节点以CSMA/CA方式决定竞争时段占用，为避免与其它中继节点在边界节点处产生冲突而影响可靠中继节点的业务，所有阻断节点和未分配节点仅可以采用载波侦听方式竞争预留时隙T0，T0将被划分成若干个子时隙。根据当前反馈到主节点的阻塞节点数量n,竞争时段T0动态划分为若干子时隙再根据业务量大小决定占用的子时隙数。而分配时段主要以时分方式分割为T1、T2、T3三个时隙，并可进一步动态划分成若干子时隙，作为受控中继区域内可靠中继节点复用分配的信息时隙。为了最大程度提高数据汇聚到主节点或者和主节点相连的中心处理平台的效率，本发明中受控中继区域内可靠中继节点自身时隙到来时，无需提前发送公告信息通知其它节点自身有数据业务，而是立刻发送数据分组。因此为T1、T2、T3三个分配时段的主时隙设置时隙保护间隔。部分节点受损毁或电池耗尽，或干扰屏蔽，无法接收邻接节点发送分组，成为不可及节点。除非在下一个探测周期开始时，重新与其它节点建立连接，则重新确认节点角色，否则不可及节点不参与全网通信。
边界节点同时也是中继节点，两者均可以进行可靠的中继转发。只有边界节点和中继节点可被分配时隙进行数据转发。而阻断节点由于被判定为非可靠节点或非最佳路径节点，因此可以接收和发送信息，但不再承担数据中继转发任务，以尽可能将有限的资源分配到可靠中继转发节点上，保证全网的通信质量和可靠性。
由于受控中继区域内节点被认为是可良好中继的节点，因此直接获得最大化的信道占用率，提高了可良好中继节点的通信效率，减少了主要数据转发路径上链路阻塞的可能。而阻断节点等被认为是非良好中继节点，仅可通过载波侦听方式确定可用时隙状态，且一次仅能发送一个数据分组，降低了对网内其他良好中继节点的干扰，此外本方法使得可靠中继节点中节点度更高的节点分配到更多的子子时隙，降低了该节点由于业务拥塞，称为瓶颈节点的可能。因此本发明可最大限度保证良好中继节点在重流量载荷下进行时延较小的抗阻塞快速数据中继传输。

Claims (8)

1.一种无线多跳网络数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)节点探测：主节点或边界节点发送受控中继区域探测信息，其它节点接收、应答和转发探测消息，经数轮转发和应答后，使主节点或边界节点三跳内的近邻节点均获知自己离主节点或者边界节点的跳数及转发路径；
(20)节点角色设定：根据探测消息接收、应答情况，将近邻节点设定为阻断节点或中继节点，并将与阻断节点邻接的节点设定为边界节点；
(30)受控中继区域建立：以边界节点为逻辑区域划分的边界条件，建立受控中继区域，使受控中继区域内的所有节点均为可靠中继节点；
(40)时隙复用分配：对受控中继区域内的每个可靠中继节点进行信息时段时隙复用分配；
(50)数据收发：可靠中继节点在其分配到的信息时段时隙发送数据，在其未分配到信息时段时隙接收数据；
(60)时隙竞争：阻断节点和未分配到信息时段时隙的节点采用载波侦听方式竞争占用预留时隙。
2.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述(10)节点探测步骤包括：
(11)发送探测信息：主节点或发起下一个受控中继区域划分的边界节点在同步时段的预留时间发送受控中继区域探测信息，所述探测信息包括消息类型、消息序列号、消息发送源节点ID、中间节点ID和时间戳，每经过一个周期Tw，由发送探测消息的节点将消息序列号加1；
(12)应答探测消息：主节点或者边界节点i以外的其它节点接收、应答和转发探测信息数据包；
(13)重复探测：由TTL控制转发跳数，经数轮转发和应答后，TTL为0说明已经过数轮转发和应答后，主节点或边界节点i的三跳内近邻节点均获知自己离主节点或者发送探测消息的边界节点的跳数和转发路径，结束此轮节点探测。
3.根据权利要求2所述的数据传输方法，其特征在于，所述(11)发送探测信息步骤包括：
(111)如果当前发起探测的节点i为主节点，则继续(112)，如发起受控中继区域探测过程的如果是边界节点，则跳转步骤(113)；
(112)初始化时所有节点，均以载波侦听方式接入信道，节点在同步时段的一个预留时间发送探测分组时，其它节点在该时段监听该探测消息，设置探测消息中的TTL初始值为3，转步骤(12)；
(113)边界节点通过竞争占用同步时段的预留时隙，发送探测分组，其它节点在该时隙监听该探测分组，设置探测消息中的TTL初始值为3。
4.根据权利要求2所述的数据传输方法，其特征在于，所述(12)应答探测消息步骤包括：
(121)主节点或者边界节点i以外的其它节点在同步时段的预留时间接收探测信息；
(122)根据接收到的探测分组序列号，判断是否已经接收过该探测分组，若序列号大于已经接收过的探测分组序列号，则转步骤(123),否则丢弃，并返回步骤(121)；
(123)判断接收的探测分组的TTL值是否大于0，若是，则继续转发该探测分组并发送探测分组的应答消息，TTL减1，继续步骤(124)，否，则丢弃该分组并直接跳转(13)；
(124)接收到应答消息的节点判断是否收到过来自同样节点的应答消息，若是，则直接丢弃该应答消息，否，则提取应答消息中的应答节点的标识更新邻居列表，跳转(121)。
5.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述(20)节点角色设定步骤包括：
(21)节点自身初判，根据接收探测信息的平均信干噪比阈值，如果未达到最低阈值，认为干扰严重，判定为该链路上阻断节点，将节点j信息表的节点角色标识位Role值暂置为0；
(22)如发送探测分组的主节点或边界节点的某一跳、两跳节点j，只存在一个近邻节点，即节点j为叶子节点，没有可以中继转发的其它下行链路，判断为非可靠中继的阻断节点，将节点j信息表的Role值暂置为0；
(23)如节点j为距离发送探测分组的主节点或边界节点i超出3跳范围的节点，也判定为阻断节点，将节点j信息表的Role值暂置为0；
(24)如节点j并非与发送探测帧的主节点或边界节点的3跳及3跳以内的最短转发路径上节点，有更佳的替代路径，因此判定节点j不是最佳中继转发节点，也将节点j置为阻断节点，并将节点j信息表的Role值暂置为0；
(25)第一轮阻断节点判别完毕，建立阻断节点集；
(26)阻断节点外其余节点为可靠中继节点，所有中继节点的节点信息表的Role值置为1，建立中继节点集；
(27)将与阻断节点邻接的节点设定为边界节点。
6.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述(30)受控中继区域建立步骤具体为：
以边界节点为逻辑区域划分的边界条件，建立受控中继区域，使受控中继区域内的所有节点均为可靠中继节点，第n个受控中继区域内所有节点置自身节点信息表的CRR_ID值为n。
7.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述(40)时隙复用分配步骤包括：
(41)如果Ω＝{p1,p2…pn}为最短转发路径上的距离发送探测消息的节点第l(0≤l≤2)跳的节点集合，在此第l跳节点集中的节点pi、pj彼此非近邻节点，但却具有相同的下一跳近邻节点，则转步骤(42)；
否则，如果在此第l跳节点集中的节点pi、pj互为近邻，且不存在其它相同的下一跳近邻，则转步骤(43)；
否则如果此第l跳节点集中的节点pi、pj的邻居列表中既没有相同的下一跳近邻节点，也不存在互为近邻，转步骤(44)；
(42)具有相同下一跳近邻的第l跳节点，根据不同近邻节点分别组成m个节点集合(m≥1,m∈Ν)，分别用Ωt(1≤t≤m,m∈Ν)，即Ω1,Ω2,…Ωm表示；
记录这m个点集中节点个数分别为rt(1≤t≤m,t,m∈Ν)，即r1,r2,…rm；
设置一个整型变量τ，若Ω＝Ω1∪Ω2∪…∪Ωm为真，则τ＝0，否则τ＝1；
第l跳相应的时隙被均分为m+τ个子时隙各子时隙大小为其中前m个子时隙分别分配给节点集Ω1,Ω2,…,Ωm，
并按照各节点集中的节点个数r1,r2,…rm，将子时隙分别均分成为r1,r2,…rm个子子时隙,构成子子时隙集
并按节点序号顺序先后分别分配给节点集Ωt(1≤t≤m,m∈Ν)中的节点，
其中各子子时隙集中，时隙大小分别为即分别为
而Ω中其它没有公共近邻的节点，即属于Ω/{Ω1∪Ω2∪…∪Ωm}集合中的节点,都被分配相同的第个子时隙；
(43)若此第l跳节点集中的节点pi、pj为边界节点，则互为近邻的边界节点pi、pj按节点序号获得均分的子时隙T1[0],T1[1]，子时隙长度均为T1/2；
若pi、pj为主节点或边界节点的一跳近邻，获得均分的子时隙T2[0],T2[1]，子时隙长度均为T2/2；
若pi、pj为主节点或边界节点的二跳近邻节点，获得均分子时隙分配T3[0],T3[1]，子时隙长度均为T3/2；
(44)节点pi若是主节点或边界节点，即发送探测信息的源节点，则获得分配时段的时隙T1；
节点pi若是发送探测信息的主节点或边界节点的一跳近邻，则获得分配时段的时隙T2；
节点pi若是发送探测信息的主节点或边界节点的二跳近邻节点，获得时隙分配T3。
8.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述(60)时隙竞争步骤具体为：
根据当前反馈到主节点的阻塞节点数量n，将预留时隙T0动态划分为若干子时隙再根据业务量大小决定阻断节点和未分配到信息时段时隙的节点占用的子时隙数，随机请求和确认某时隙使用状态，并尝试在某个随机选择的时间间隔内发送且仅发送一个数据分组，部分节点受损毁或电池耗尽，或干扰屏蔽，无法接收邻接节点发送分组，成为不可及节点，除非在下一个探测周期开始时，重新与其它节点建立连接，则重新确认节点角色，否则不可及节点不参与全网通信。
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