CN111447657A - 一种邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现方法 - Google Patents

一种邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现方法，以邻居发现作为拓扑发现的基础功能，通过命令触发的方式进行调用，调度逻辑清晰，响应速度快；采用广度优先调度方式，网络碰撞只发生在邻居发现过程中，低冲突概率的邻居发现机制决定了网络拓扑发现的低冲突概率特性；基于邻居表自建多跳路由，不受其他路由功能限制，不受载波侦听冲突避免机制影响；采用拓扑发现列表的排列方式进行拓扑发现调度，使得拓扑发现过程与拓扑发现列表更新过程低耦合，易于实现拓扑发现调度方式的多算法扩展。

Description

一种邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现 方法
技术领域
本申请涉及无线网络拓扑发现方法，具体涉及一种邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现方法。
背景技术
室内定位的应用场景十分广泛。例如在火灾救援，城市反恐这类紧急应用中，能即时的获取到高精度的人员位置信息是至关重要甚至生死攸关的。这需要能够随机播撒节点，并同时进行定位，没有时间进行锚点位置的手动标注。而在商场导览、博物馆内基于位置的语音讲解、仓储物流和工业4.0这类应用中，需要在大范围内布置节点，如果对每个或每组节点逐一设置位置，安装节点的工作将变得繁重无比。因此需要有一种方法自动的将节点的拓扑位置信息获取出来。
许多研究团队利用Wi-Fi、ZigBee、蓝牙和UFH实现室内定位，然而，这些技术都不能解决室内环境中的多径效应问题。基于距离测量技术(如UWB测量，超声波测距技术等)的定位方法，可提供了高精度的定位服务，但在比较复杂的室内环境中，受多径效应的影响，高精度的定位依赖于锚点的部署，而这很大程度上提高了定位系统的部署维护成本，也提高了施工人员的技术门槛。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现方法，包含多个网络节点，构成多跳传输网络，指定一个节点为调度节点，由调度节点发起拓扑发现过程；拓扑发现过程的具体步骤如下：
a)调度节点发起邻居发现过程，获得邻居信息表，邻居信息与调度节点进行双向可靠的信息传输；
b)调度节点将邻居信息表中的邻居信息加入到拓扑发现列表中，标记所有邻居信息为“未调度”；
c)如果拓扑发现列表中无标记为“未调度”的邻居，跳转至步骤g)；
d)找到拓扑发现列表中第一个标记为“未调度”的邻居Ni，通过邻居信息表构成的单跳或多跳路由，对该邻居Ni发起调度，发送命令帧命令该邻居Ni发起邻居发现过程；
e)邻居Ni发起邻居发现过程，获得邻居信息表，并将邻居信息表通过网络拓扑结果按原路由返回至调度节点；
f)调度节点在收到节点邻居Ni返回的邻居信息表后，将该邻居Ni标记为“已调度”节点，将该邻居Ni的邻居信息中“未调度”的节点更新至拓扑发现列表中，转步骤c)；
g)拓扑发现过程结束。
进一步地，步骤d)中按照距离调度节点最短跳数进行节点排列，采用广度优先算法对拓扑发现列表进行更新，
进一步地，步骤d)中，当邻居Ni接收到命令帧时，确认命令帧的目标是自己，则执行邻居发现过程后向调度节点A发送网络拓扑结果，其中包含结束标记，调度节点A接收到结束标记后，继续选择下一个目标发送命令帧。
进一步地，调度节点按层遍历网络，每个访问节点的路由表中到调度节点的跳数记录了该访问节点存在的确切层。
进一步地，调度节点接收到邻居节点发送的网络拓扑结果时，根据网络拓扑结果更新路由表、网络拓扑表和拓扑发现列表。
本发明的有益效果
1.本发明可高度可靠地获得全网拓扑信息；
2.每个网络节点在接收到NTC和NTR时都知道重定向帧的最短路径，有利于路由设计与优化；
3.建立了网络有向拓扑，易于同无线测量技术(如UWB)相结合进行拓扑中相邻节点的测距，进而实现网络定位算法。
附图说明
图1为拓扑发现简单场景示意图；
图2为三节点场景的命令和结果流程图；
图3为调度节点拓扑发现过程触发流程图；
图4为网络节点拓扑发现NTC处理流程图；
图5为网络节点拓扑发现NTR处理流程图；
图6为广度优先的层次扩散过程图；
具体实施方式
本发明的无线网络拓扑发现方法中包含多个网络节点，可构成多跳传输网络，其中指定一个节点为调度节点，由调度节点发起拓扑发现过程；
参考图3-图5，拓扑发现过程的具体流程如下：
a)调度节点发起邻居发现过程，在完成邻居发现后，获得邻居信息表，这些邻居信息可与调度节点进行双向可靠的信息传输；
b)调度节点将邻居信息表中的邻居信息加入到拓扑发现列表中，标记所有邻居信息为“未调度”；
c)如果拓扑发现列表中无标记为“未调度”的邻居，跳转至g)；
d)找到拓扑发现列表中第一个标记为“未调度”的邻居Ni，通过邻居表构成的单跳或多跳路由，对该邻居发起调度，发送命令帧(NTC:Network Topology Command)指令命令该邻居发起邻居发现过程；
e)Ni节点发起邻居发现过程，获得邻居信息表，并将邻居信息通过NTR(NetworkTopology Result)按原路由返回至调度节点；
f)调度节点在收到节点Ni返回的邻居信息表后，将该节点标记为“已调度”节点，将该节点的邻居信息中“未调度”的节点更新至拓扑发现列表中，转c)；
g)拓扑发现过程结束。
网络拓扑发现过程中节点的邻居表结构如表1所示，节点路由表RT结构如表2所示；网络拓扑表采用邻居关系对的存储方式，网络拓扑表NTL结构如表3所示；拓扑发现列表NTTL(Network Topology Target List)表结构如表4所示，本发明按照距离调度节点最短跳数进行排列，采用广度优先算法对NTTL进行更新。
表1邻居表结构
Figure BDA0002437830060000031
表2节点路由表RT结构
字段 字段解释
DST 2字节目的节点ID
NextHop 2字节下一跳节点ID
HopCounter 1字节跳数
表3网络拓扑表NTL结构
Figure BDA0002437830060000032
Figure BDA0002437830060000041
表4拓扑发现列表NTTL表结构
Figure BDA0002437830060000042
以一个最简单的场景为例，如图1所示，节点A不能直接与节点C通信，但节点B可以直接与节点A和节点C通信，这里节点A是调度节点。
调度节点A发起拓扑发现过程，在邻居发现过程结束后，调度节点A根据邻居发现的结果更新NTTL和RT。具体来说，调度节点A将节点B插入到NTTL的后面。然后调度节点A从NTTL中选择一个目标，并向该节点发送一个命令帧(NTC:Network Topology Command)。
如图2-5所示，当节点B接收到NTC时，它会检查帧的目标。如果是自己，节点B将执行邻居发现过程。在本实施例中，节点B将执行邻居发现，对这些节点进行范围搜索，然后更新路由表RT。然后节点B向调度节点A发送网络拓扑结果NTR(Network Topology Result)，其中包含一个结束标记(NTREM)。当调度节点A接收到网络拓扑结果NTR时，参考表2-4，它会根据网络拓扑结果NTR更新它的RT、NTL、NTTL。接收到结束标记(NTREM)后，调度节点A将选择下一个目标发送命令帧NTC。下一个目标是节点C，调度节点A将命令帧NTC发送到节点C。节点C收到命令帧NTC后，发起邻居发现过程，将邻居信息返回给调度节点。
对于调度节点，它总是知道到每个节点跳数最少的路径。每个加入网络的节点在接收到NTC和NTR时都知道重定向帧的最短路径。这也意味着对于调度节点，该网络总是收敛的。
如图6所示，因为本发明使用广度优先算法，这意味着调度节点按层遍历这个网络，每个访问节点的路由表中到调度节点的跳数记录了它存在的确切层。
下面具体描述:因为本发明使用广度优先算法，所以节点是按级别访问的。
本发明定义Lpost是一组节点或顶点，它们可以与Lcurr中的一些节点通信，但不能与Lprior中的任何节点通信。从图5中还可以清楚地看出，层数等于最短路径的跳数。例如，在图6中，L3是Lpost，L2是Lcurr,，L1是Lprior。调度节点是节点s。
令D(x，y)计算从x到y的跳数，δ(x，y)计算从x到y的最小跳数。假设节点u是第一个D(s，u)＞δ(s，u)的节点，设y的上一跳是x，y最短路径的上一跳是y。因为本文遍历是按层次遍历，x和y永远不可能是
Lpost节点,然而他们可能是Lcurr节点和Lprior(u在Lprior)节点。此外
x，y必须是u的邻居否则它们永远无法和u通信。
如果x，y∈Lprior，因为u是第一个D≠δ的节点，则有D(s，x)＝δ(s，x)＝D(s，y)＝δ(s，y)。可以推出D(s，u)＝D(s，x)+1＝D(s，y)+1＝δ(s，u)。这违反了本文开始的假设。因此，可看出x，y都是u节点最短路径的直接前驱。
如果y∈Lprior，x∈Lcurr，因为x无论如何都会在Lprior内有直接前驱，所以D(s，x)＝δ(s，x)＝D(s，y)+1＝δ(s，y)+1。虽然x到调度节点路径上的每一个节点都会接收到NTR，但是调度节点已经接到从y传回的NTR(y已经被调度节点在Lprior访问过)，调度节点将不会采用从x节点传回的数据。因此在遍历Lprior节点之后，调度节点总是知道与下一层节点通信的最短路径，而每个加入网络的节点都知道在接收帧时如何重定向帧。
综上所述，本发明以邻居发现作为拓扑发现的基础功能，通过命令触发的方式进行调用，调度逻辑清晰，响应速度快；不采用广播方式，而是采用广度优先调度方式，网络碰撞只发生在邻居发现过程中，低冲突概率的邻居发现机制决定了网络拓扑发现的低冲突概率特性；打破了拓扑发现先分散后汇聚的模式束缚，时延明确，可靠性高；基于邻居表自建多跳路由，不受其他路由功能限制，不受载波侦听冲突避免机制影响；采用拓扑发现列表的排列方式进行拓扑发现调度，使得拓扑发现过程与拓扑发现列表更新过程低耦合，易于实现拓扑发现调度方式的多算法扩展。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现方法，其特征在于，包含多个网络节点，构成多跳传输网络，指定一个节点为调度节点，由调度节点发起拓扑发现过程；拓扑发现过程的具体步骤如下：
a)调度节点发起邻居发现过程，获得邻居信息表，邻居信息与调度节点进行双向可靠的信息传输；
b)调度节点将邻居信息表中的邻居信息加入到拓扑发现列表中，标记所有邻居信息为“未调度”；
c)如果拓扑发现列表中无标记为“未调度”的邻居，跳转至步骤g)；
d)找到拓扑发现列表中第一个标记为“未调度”的邻居Ni，通过邻居信息表构成的单跳或多跳路由，对该邻居Ni发起调度，发送命令帧命令该邻居Ni发起邻居发现过程；
e)邻居Ni发起邻居发现过程，获得邻居信息表，并将邻居信息表通过网络拓扑结果按原路由返回至调度节点；
f)调度节点在收到节点邻居Ni返回的邻居信息表后，将该邻居Ni标记为“已调度”节点，将该邻居Ni的邻居信息中“未调度”的节点更新至拓扑发现列表中，转步骤c)；
g)拓扑发现过程结束。
2.根据权利要求1所述的邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现方法，其特征在于，步骤d)中按照距离调度节点最短跳数进行节点排列，采用广度优先算法对拓扑发现列表进行更新。
3.根据权利要求1所述的邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现方法，其特征在于，步骤d)中，当邻居Ni接收到命令帧时，确认命令帧的目标是自己，则执行邻居发现过程后向调度节点A发送网络拓扑结果，其中包含结束标记，调度节点A接收到结束标记后，继续选择下一个目标发送命令帧。
4.根据权利要求1所述的邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现方法，其特征在于，调度节点按层遍历网络，每个访问节点的路由表中到调度节点的跳数记录了该访问节点存在的确切层。
5.根据权利要求3所述的邻居发现与广度优先算法相结合的无线网络拓扑发现方法，其特征在于，调度节点接收到邻居节点发送的网络拓扑结果时，根据网络拓扑结果更新路由表、网络拓扑表和拓扑发现列表。
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