CN108124292A - 一种无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法，包括：在网节点周期性广播MSH‑NCFG消息；新节点在启动之后，持续进行入网扫描，若能够收到MSH‑NCFG消息，则建立物理邻居列表，记录邻居节点信息，并在扫描完成后，从各邻居节点中选择多个预选赞助节点及预选接入中继节点，然后向物理邻居列表中的各邻居节点广播携带各预选赞助节点信息的MSH‑NENT消息；在网节点收到MSH‑NCFG消息之后，解析消息中嵌入的MSH‑NENT数据包，如果存在MSH‑NENT数据包，则判断本节点是否被该新节点选择为预选赞助节点或预选接入中继节点，并分别根据判断结果决定是否向新节点回复同意赞助消息或转发该MSH‑NENT消息；新节点等待接收来自预选赞助节点的MSH‑NCFG消息，决定是否完成入网过程。

Description

一种无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域。更具体地，涉及一种无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法。
背景技术
网络构建是无线多跳协作网络的首要功能。网络构建从节点与节点之间建立联系开始，先实现节点之间的同步，然后逐步实现整个网络的同步。
无线多跳协作网络的网络构建过程通过节点之间进行MSH-NCFG消息(网络配置消息)和MSH-NENT消息(网络接入消息)这两种管理消息的交互完成，其中MSH-NCFG消息由已接入网络的在网节点发送，MSH-NENT消息由未接入网络的新节点发送。在两种消息交互过程中，新节点和相关在网节点(称为赞助节点)的合理的状态转换是完成整个网络构建过程的保障。
现有的无线多跳协作网络的接入网络机制分为在网节点周期性发送消息和新节点扫描入网两个主要环节：
一.在网节点周期性发送消息：
在网节点在加入到网络之后，将周期性发送MSH-NCFG消息，通告其他邻居在网节点其存在，并同时向可能存在的未入网节点发送
二.新节点扫描入网：
新节点在启动之后将进行入网扫描，若能够收到MSH-NCFG消息，则通过记录在网邻居节点信息并按一定的规则排序，选择最优的在网邻居节点作为预选赞助节点，然后发送MSH-NENT消息申请入网。
在现有的无线多跳协作网络的接入网络机制中，新节点和赞助节点之间的消息的交互需要节点间的链路是对称的，即新节点和赞助节点能够互相收到来自对方直接发送的消息。如果由于节点之间的链路存在不对称现象，即某一方向的链路因不稳定而发生中断，形成单向链路，使消息无法正确发送，则接入网络的过程将宣告失败，新节点需要重新发送MSH-NENT消息申请入网，导致节点入网速度降低。加上新节点只能从多个候选赞助节点之后选定一个赞助节点发送赞助请求，且新节点在选择赞助节点时的选择条件只考虑了距基站跳数这个单一判决因素，加上在网节点只对接收到的MSH-NENT进行回复处理，导致新节点入网效率较低。
因此，需要提供一种无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法，通过由新节点自主选择协助其完成接入网络操作的接入中继节点，提高新节点的入网成功概率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法，以解决现有的无线多跳协作网络的入网机制在存在单向链路且链路不稳定的情况下，新节点入网成功率低且时延高的问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1.在网节点周期性广播MSH-NCFG消息，所述MSH-NCFG消息根据步骤S4嵌入MSH-NENT消息；
S2.新节点进行入网扫描及预选操作，具体为：
S2.1.启动新节点，持续入网扫描，根据所述MSH-NCFG消息，对所述在网节点进行粗同步，将所述在网节点作为邻居节点建立物理邻居列表，记录邻居节点信息；
S2.2.新节点根据所述物理邻居列表，从邻居节点中选择至少一个预选赞助节点和至少一个预选接入中继节点；
S2.3.新节点向所述物理邻居列表中的邻居节点广播携带预选赞助节点信息的MSH-NENT消息；
S3.在网节点处理MSH-NCFG消息，具体为：
在网节点解析MSH-NCFG消息，如果MSH-NCFG消息中存在嵌入的MSH-NENT消息，则执行步骤S4；
S4.在网节点处理MSH-NENT消息，具体为：
S4.1.在网节点根据步骤S2、S3所述的MSH-NENT消息判断，如果本节点被所述新节点选择为预选赞助节点，则向新节点回复携带NEO嵌入包的MSH-NCFG消息；如果没有被所述新节点选择为预选赞助节点，则执行步骤S4.2；
S4.2.在网节点根据步骤S2、S3所述的MSH-NENT消息判断，如果本节点被所述新节点选择为预选接入中继节点且需要转发所述MSH-NENT消息，则周期性广播嵌入MSH-NENT消息的MSH-NCFG消息；如果没有被所述新节点选择为预选接入中继节点或不需要转发所述MSH-NENT消息，则丢弃所述MSH-NENT消息；
S5.新节点根据所述携带NEO嵌入包的MSH-NCFG消息，记录发出携带NEO嵌入包的MSH-NCFG消息的预选赞助节点的节点号并排序，根据排序选择预选赞助节点，完成入网过程。
优选的，步骤S2.1所述邻居节点信息包括：邻居节点ID、邻居节点所在网络的网络号、从邻居节点到新节点的下行链路的信噪比、从邻居节点接收MSH-NCFG的个数、邻居节点距离基站的跳数、邻居节点当前下挂的子节点数和是否从邻居节点节点接收到携带NEO嵌入包的MSH-NCFG消息。
优选的，步骤S2.2所述物理邻居列表根据根据所述邻居节点信息排序。
优选的，步骤S2.3所述携带预选赞助节点信息的MSH-NENT消息包括帧头(FRT)、类型字(CMD)、通用MAC头部(CMH)、Mesh网络头部(MeshH)、前导、CRC校验结果和帧尾(FRT)；所述前导包括NENT消息类型标识，预选赞助节点单元(包括预选赞助节点个数以及预选赞助节点的节点ID号)、预选接入中继节点单元(包括预选接入中继节点个数以及预选接入中继节点的节点ID号)、前导的CRC校验结果。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案中新节点可以同时完成向多个预选赞助节点申请入网赞助，以及同时完成向多个预选中继节点申请转发申请入网消息。只要收到任意一个预选赞助节点的赞助回复，就能够通过此预选赞助节点入网，减小了由于链路不稳或单向链路而导致的新节点入网失败的概率，降低了新节点的入网时延，增加了新节点入网效率，进而提高了无线多跳协作网络的组网性能。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法的流程图。
图2示出MSH-NENT消息格式的示意图。
图3示出MSH-NCFG消息格式的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的无线多跳协作网络的新节点入网方法，包括如下步骤：
S1.在网节点周期性广播MSH-NCFG消息，该MSH-NCFG消息可能嵌入有MSH-NENT消息。
S2.新节点进行入网扫描及预选操作，具体为：
S2.1.启动新节点，持续进行入网扫描，如果没有收到MSH-NCFG消息持续进行入网扫描；如果收到MSH-NCFG消息，首先进行粗同步，然后根据接收到的MSH-NCFG消息，将在网节点作为邻居节点，建立物理邻居列表，记录邻居节点信息；
S2.2.新节点在扫描完成后，根据上述建立的物理邻居列表，从各邻居节点中选择至少一个预选赞助节点及预选接入中继节点；
S2.3.新节点向物理邻居列表中的各邻居节点广播携带各预选赞助节点信息的MSH-NENT消息。
S3.在网节点收到MSH-NCFG消息的处理，具体为：
在网节点收到MSH-NCFG消息之后，解析消息中嵌入的MSH-NENT数据包，如果存在MSH-NENT数据包，则执行步骤S4。
S4.在网节点收到MSH-NENT消息的处理，具体为：
在本步骤中，在网节点对步骤S2直接收到的MSH-NENT消息或对步骤S3从MSH-NCFG消息中解析出来的MSH-NENT消息均作相同处理。
S4.1.预选赞助节点判断：收到MSH-NENT消息的在网节点，根据MSH-NENT消息判断本节点是否被该新节点选择为预选赞助节点，如果本节点是预选赞助节点，则同意赞助消息，向新节点回复携带NEO嵌入包的MSH-NCFG消息；如果没有，则执行步骤S4.2；
S4.2.预选接入中继节点判断：收到MSH-NENT消息的在网节点，根据MSH-NENT消息判断本节点是否被该新节点选择为预选接入中继节点且是否需要转发该MSH-NENT消息，如果是且需要，则周期性广播嵌入MSH-NENT消息的MSH-NCFG消息；如果不是或不需要，则丢弃该MSH-NENT消息；
S5.新节点等待接收来自预选赞助节点的MSH-NCFG消息，决定是否完成入网过程。
收到同意赞助的携带NEO嵌入包的MSH-NCFG消息的新节点，记录回复同意赞助的赞助节点的节点号。在同意赞助的携带接收NEO嵌入包的MSH-NCFG消息时限结束后，新节点从回复同意赞助的赞助节点中选择一个作为本节点的赞助节点，然后将本节点的状态转换为已入网，完成入网过程。
其中，S2的具体过程为：
S2.1.新节点在启动之后，持续进行入网扫描。当在入网扫描过程中收到的MSH-NCFG消息时，新节点首先进行粗同步，即把接收的MSH-NCFG消息中携带的时间值赋值给本地维护的时间值；然后新节点建立自己的物理邻居列表，将收到的MSH-NCFG消息对应的在网节点作为新节点的邻居节点加入新节点自己的物理邻居列表。
物理邻居列表中记录了邻居节点ID、邻居节点所在网络的网络号、邻居节点距离基站的跳数、邻居节点当前下挂的子节点数、从邻居节点接收MSH-NCFG的个数、从邻居节点到新节点的下行链路的信噪比，以及是否从该节点接收到同意赞助消息等基本信息，这些信息用于新节点从邻居节点中选择合适的预选赞助节点。
S2.2.新节点在扫描完成后，根据上述建立的物理邻居列表，从各邻居节点中选择多个预选赞助节点及预选接入中继节点。扫描完成的指标是从第一次收到MSH-NCFG消息开始，经过若干个完整的调度周期，具体所需经过的调度周期数可按照实际需要决定。
在选择预选赞助节点及预选接入中继节点之前，新节点根据不同优先级的多个选择因素，将物理邻居列表中的各邻居节点按不同优先级的多个选择因素进行排序。下面将分别说明各选择因素的优先级原因：
(1).邻居节点所在网络的网络号。
新节点首先选择网络号以确定要加入的网络，再选择此网络中的在网节点帮助自己完成入网。邻居节点所在网络的网络号的选择按最小网络号原则选择。
这是因为现有无线多跳协作网络的组网机制中，网络融合机制采用的是两个网络中网络号的较大的网络融到到网络号较小的网络中，因此在同时存在多张网络且能互通时，都会融合到网络号最小的网络中去，所以按最小网络号原则选择要加入的网络是合理的。
(2).从邻居节点到新节点的下行链路的信噪比。
从邻居节点到新节点的下行链路的信噪比能够准确反映该下行链路的信道优劣情况，是判断新节点和邻居节点之间绝对信道条件较好的指标。信噪比值由物理层在接收任意一个消息时进行测量和提供。新节点在接收消息并解析的时候，将该信噪比值与物理邻居列表中对应的邻居节点列表项中的记录的平均信噪比值进行更新计算，得到更新后的平均信噪比值。
在选择预选赞助节点和预选接入中继节点时，只有平均信噪比值不低于门限值时，新节点才会认为该在网节点有赞助能力或接入中继能力。
(3).从邻居节点接收MSH-NCFG的个数。
从邻居节点接收MSH-NCFG的个数能够相对客观地反映该下行链路的信道优劣情况，是判断新节点和邻居节点之间相对信道条件较好的指标。在网邻居节点在发送的MSH-NCFG消息中会携带该邻居节点所在网络的网络号、该邻居节点距基站跳数和该邻居节点的子节点数，新节点收到MSH-NCFG消息后会更新这些消息并将从该邻居节点正确接收的MSH-NCFG个数加1。
如果在信道平均信噪比值相同的情况下，能够收到更多的来自某一邻居节点的MSH-NCFG，说明从该邻居节点到新节点的下行链路具有更高的消息正确接收概率。
(4).邻居节点距离基站的跳数。
邻居节点距基站的跳数会影响到同步的精确度，因此在上述条件相同的情况下，应该考虑更靠近基站的邻居节点进行入网。
(5).邻居节点当前下挂的子节点数。
邻居节点当前下挂的子节点数则有助于均衡负载。
最终，新节点选择的预选赞助节点应为网络号较小、收到的NCFG个数较多、信噪比较大、距基站跳数较少、子节点数也较少的邻居节点。
S2.3.新节点向物理邻居列表中的各邻居节点广播携带各预选赞助节点信息的MSH-NENT消息。具体的MSH-NENT消息格式如图2所示。新节点需要在MSH-NENT中按顺序填入帧头(FRT)、类型字(CMD)、通用MAC头部(CMH)、Mesh网络头部(MeshH)、前导、CRC校验结果，以及帧尾(FRT)。
前导内容按顺序包括：NENT消息类型标识，预选赞助节点单元(包括预选赞助节点个数以及预选赞助节点的节点ID号)、预选接入中继节点单元(包括预选接入中继节点个数以及预选接入中继节点的节点ID号)、前导的CRC校验结果。
S4的具体过程为：
S4.1.预选赞助节点判断：收到MSH-NENT消息的在网节点，根据MSH-NENT消息判断本节点是否被该新节点选择为预选赞助节点，如本节点是预选赞助节点则向新节点回复同意赞助消息。具体方法为：在自己的MSH-NCFG消息中携带同意赞助的NEO嵌入包(同意赞助消息)并向新节点回复携带同意赞助消息的MSH-NCFG消息。NEO嵌入包嵌入在图3的EmbList单元中。
S4.2.预选接入中继节点判断：收到MSH-NENT消息的在网节点，根据MSH-NENT消息判断本节点是否被该新节点选择为预选接入中继节点，如本节点是预选接入中继节点，则判断是否需要转发该MSH-NENT消息。
预选接入中继节点判断是否需要转发该MSH-NENT消息的具体方法为：首先从上一次发送MSH-NCFG消息开始，到生成下一次MSH-NCFG消息期间，对所有直接收到的与从MSH-NCFG消息解析得到的MSH-NENT消息进行处理
首先对直接收到的MSH-NENT消息进行预处理，即将消息前导中的预选接入中继节点单元删去。然后检查所有已经作预处理的MSH-NENT消息前导中的预选赞助节点单元，判断是否存在本节点的一跳邻居。如果有则继续判断嵌入该已经作预处理的MSH-NENT消息是否会使MSH-NCFG消息长度超出消息长度上限，如果允许嵌入则将该MSH-NENT消息嵌入到MSH-NCFG消息的中继NENT列表(Relay NENT List)中。在不存在本节点一跳邻居时，或无法继续嵌入时，则丢弃并不转发该MSH-NENT消息。
S5的具体过程为：
收到同意赞助消息NEO的新节点，将在回复NEO嵌入包的赞助节点的节点对应的物理邻居列表中邻居列表项中记录已从该节点接收到同意赞助消息。
在接收嵌入同意赞助消息的MSH-NCFG消息时限结束后，新节点从标记为已从该节点接收到同意赞助消息的赞助节点中，选择排序最为靠前的一个节点作为本节点的赞助节点。新节点选择了最终的赞助节点并与其进行精同步后，设置MSH-NCFG消息的发送时间，并在后续发送的MSH-NCFG消息中携带本节点的最终选择的赞助节点(即标记该赞助节点为父节点)，完成入网过程。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1.在网节点周期性广播MSH-NCFG消息，所述MSH-NCFG消息根据步骤S4嵌入MSH-NENT消息；
S2.新节点进行入网扫描及预选操作，具体为：
S2.1.启动新节点，持续入网扫描，根据所述MSH-NCFG消息，对所述在网节点进行粗同步，将所述在网节点作为邻居节点建立物理邻居列表，记录邻居节点信息；
S2.2.新节点根据所述物理邻居列表，从邻居节点中选择至少一个预选赞助节点和至少一个预选接入中继节点；
S2.3.新节点广播携带预选赞助节点信息的MSH-NENT消息；
S3.在网节点处理MSH-NCFG消息，具体为：
在网节点解析MSH-NCFG消息，如果MSH-NCFG消息中存在嵌入的MSH-NENT消息，则执行步骤S4；
S4.在网节点处理MSH-NENT消息，具体为：
S4.1.在网节点根据步骤S2、S3所述的MSH-NENT消息判断，如果本节点被所述新节点选择为预选赞助节点，则向新节点回复携带NEO嵌入包的MSH-NCFG消息；如果没有被所述新节点选择为预选赞助节点，则执行步骤S4.2；
S4.2.在网节点根据步骤S2、S3所述的MSH-NENT消息判断，如果本节点被所述新节点选择为预选接入中继节点且需要转发所述MSH-NENT消息，则周期性广播嵌入MSH-NENT消息的MSH-NCFG消息；如果没有被所述新节点选择为预选接入中继节点或不需要转发所述MSH-NENT消息，则丢弃所述MSH-NENT消息；
S5.新节点根据所述携带NEO嵌入包的MSH-NCFG消息，记录发出携带NEO嵌入包的MSH-NCFG消息的预选赞助节点的节点号并排序，根据排序选择预选赞助节点，完成入网过程。
2.根据权利要求1所述的无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法，其特征在于，步骤S2.1所述邻居节点信息包括：邻居节点ID、邻居节点所在网络的网络号、从邻居节点到新节点的下行链路的信噪比、从邻居节点接收MSH-NCFG的个数、邻居节点距离基站的跳数、邻居节点当前下挂的子节点数和是否从邻居节点节点接收到携带NEO嵌入包的MSH-NCFG消息。
3.根据权利要求2所述的无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法，其特征在于，步骤S2.2所述物理邻居列表根据根据所述邻居节点信息排序。
4.根据权利要求1所述的无线多跳协作网络的协作中继网络接入方法，其特征在于，步骤S2.3所述携带预选赞助节点信息的MSH-NENT消息包括帧头(FRT)、类型字(CMD)、通用MAC头部(CMH)、Mesh网络头部(MeshH)、前导、CRC校验结果和帧尾(FRT)；所述前导包括NENT消息类型标识，预选赞助节点单元(包括预选赞助节点个数以及预选赞助节点的节点ID号)、预选接入中继节点单元(包括预选接入中继节点个数以及预选接入中继节点的节点ID号)、前导的CRC校验结果。
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