CN112737903B - 一种多主组网通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种多主组网通信方法,利用合理的算法,让多主组网的每个节点以不同的步长和速率按照一定的规则变化,动态分配发送时间,极大的降低了冲突几率,提升了各节点的数据在总线上正常发送几率,防止数据长期被堵塞,提升了通信波特率和周期时间,增加了通信节点数目,扩展应用范围,保障了较高通信波特率和较快通信周期下多节点组网通信的可靠运行,满足实时控制需求。

Description

一种多主组网通信方法
技术领域
本发明涉及组网通信技术领域,尤其涉及一种多主组网上周期性发送的数据的方法。
背景技术
传统的多节点多主组网存在通信波特率不高、通信周期较慢、通信节点较少、应用范围受限的问题,且存在某些节点长期被仲裁阻塞,导致数据一直丢失,可能引发意外的风险,若想在总线负载大,即通信节点多、通信波特率高、通信周期快的情况下让通信能够有效的运行,防止由于大范围的重发导致总线的阻塞,一般选择取消冲突后的重发机制,但采取此类机制会导致多节点在同一帧数据长度内发送数据时,后发的多个节点总是会面临裁决而无法成功发送,导致通信失败。
参见图1,现有技术中,多节点多主组网用500kBit/s的传输速度传输扩展帧一帧为127Bit的数据,需耗时0.25ms,节点1在t1时刻开始发送数据,将在0.25ms后的te时刻结束发送,期间总线将被占用,如果节点2和节点3在节点1这帧数据发送时间段(tx=0.25ms)内发出发送请求,将被仲裁掉,导致发送失败,如果节点2和节点3总是固定在节点1发送数据帧的时间段内发出发送请求,则节点2和节点3发送请求将总是被仲裁掉,导致通信一直失败。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术的不足,提供了一种关于多节点多主组网通信冲突解决方法的发明,通过预先设计的防冲突算法,让每个节点以不同的步长和速率按照一定的规则变化,动态分配发送时间,有效降低了某些节点数据因为冲突而被仲裁掉的风险,从而帮助多主组网较好地避免了数据一直丢失的情况发生,保障了多节点通信的可靠运行。
为了解决以上问题,根据本发明的第一个方面,提供了一种多主组网通信方法,所述多主组网具有总线和n个节点,n是大于等于2的自然数,通信周期长度为p,时间间隙为t,波特率为k,所传输的一帧数据大小为c,所述多主组网通信方法对每个所述节点N配置设定对应的发送时刻序列,所述发送时刻序列由每个所述节点N在各所述通信周期中的发送时间点组成,所述发送时间点为动态发送时间点,至少两个所述节点的所述发送时刻序列不同,在各所述通信周期中,每个所述节点N在所述发送时刻序列中对应的所述发送时间点发送数据。
优选的,所述发送时刻序列是一个有限范围序列,当所述发送时刻序列中的数值序列达到范围边界时,顺序重复所述数值序列。
优选的,所述发送时刻序列是一个有限范围序列,当所述发送时刻序列中的数值序列达到范围边界时,逆序重复所述数值序列。
优选的,所述发送时刻序列是固定数值序列的循环或通过算法计算得到的数值序列。
优选的,所述多主组网通信方法对每个所述节点N设定对应的通信周期变化值RN,RN>0,对每个所述节点N所对应的所述通信周期变化值RN设定对应的变化周期TN,TN>=p,所述通信周期变化值RN按所述变化周期TN进行周期性变化,所述通信周期变化值RN随所述变化周期TN变化生成所述发送时刻序列。
优选的,所述多主组网通信方法包括如下步骤:
S1:对每个所述节点N设计对应的时间数值组合SZM[num],所述时间数值组合SZM[num]是所述通信周期的所有有效时刻的数值的组合;
S2:对每个所述节点N设定对应的通信周期步进值AN,AN>0;
S3:在每个通信周期中对每个所述节点N的动态数据发送时间点进行动态分配,所述动态分配包括如下步骤:
S31:设定通信周期累加和SumAN作为所述通信周期变化值RN
S32:对所述通信周期累加和SumAN取整得到累加和取整值int(SumAN),
S33:以所述累加和取整值int(SumAN)作为取值序号提取所述时间数值组合SZM[num]中对应序号位置的有效时刻数值,作为所述节点N在通信周期中的动态数据发送时间点timeN
S34:所述通信周期中,从零计时开始经过timeN时,所述节点N发送数据;
其中,设定所述变化周期TN=p,在第一个所述通信周期中,所述通信周期累加和SumAN的值为所述通信周期步进值AN,每经过一个所述通信周期,所述通信周期累加和SumAN累加一个所述通信周期步进值AN
优选的,所述步骤S1中,设定所述时间数值组合SZM[num]中的第一个数值为时间偏差分配参数BM
优选的,所述步骤S2中,不同所述节点N的所述通信周期步进值AN不同。
优选的,所述步骤S1中,不同所述节点N的所述时间数值组合SZM[num]中,所述通信周期的所有有效时刻的数值的位列顺序不同。
优选的,所述步骤S2包括如下步骤:
S21:设定步长偏差x,x>c/k;
S22:设定所述时间偏差△iN的值为x/BM
S23:设定所述通信周期步进值AN的值为1+△iN、1-△iN或1。
优选的,所述步骤S1中,至少两个不同所述节点N的所述时间数值组合SZM[num]中,所述通信周期的所有有效时刻的数值的位列顺序相同。
优选的,所述步骤S2包括如下步骤:
S21:设定步长偏差x,x>c/k;
S22:设定所述时间偏差△iN的值为x/BM
S23:设定所述通信周期步进值AN的值为1+△iN、1-△iN或1,
其中,不同所述节点N所对应的所述通信周期步进值不同。
优选的,在所述步骤S1前还设有节点优先权分配步骤,所述节点优先权分配步骤对所述n个节点进行优先权排序,
在所述步骤S34中,当同一通信周期中存在至少2个所述节点的所述数据发送时间点相同时,优先级最高的所述节点拥有发送权,其它所述节点取消发送。
优选的,当所述累加和取整值int(sumAN)大于所述时间数值组合SZM[num]中的有效时刻数值个数时,获取所述时间数值组合SZM[num]中的最大有效时刻数值,作为所述节点N在所述通信周期的数据发送时间点timeN,并且所述通信周期累加和SumAN在原值上减去所述最大有效时刻数值作为新的所述通信周期累加和SumAN
根据本发明的第二个方面,提供了一种多主组网,具有总线和n个节点,通信周期长度为p,时间间隙为t,波特率为k,所传输的一帧数据大小为c,采用上述多主组网通信方法进行通信。
与现有技术相比,本发明利用合理的算法,让每个节点以不同的步长和速率按照一定的规则变化,动态分配发送时间,极大的降低了冲突几率,提升了各节点的数据在总线上正常发送几率,防止数据长期被堵塞,提升了通信波特率和周期时间,增加了通信节点数目,扩展应用范围,保障了较高通信波特率和较快通信周期下多节点组网通信的可靠运行,满足实时控制需求。
附图说明
本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是,附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中,相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1是现有技术中多节点多主组网通信冲突示意图;
图2是根据本发明一实施例的一种多主组网示意图;
图3是根据本发明一实施例的一种多主组网通信方法示意图;
图4是根据本发明一实施例的一种多主组网通信方法动态分配过程示意图;
图5是根据本发明一实施例的一种多主组网通信方法通信周期步进值设定过程示意图;
图6是根据本发明一实施例的一种多主组网通信节点传输时序示意图;以及
图7是根据本发明一实施例的一种多主组网通信节点传输解决示意图。
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点,其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施,且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图,本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
参见图2,作为本发明的第一个方面,提供了一种多主组网通信方法,多主组网可以为CAN组网或CANFD组网,也可以为其它类型的组网,多主组网具有总线和n个节点,其中,n为自然数,通信周期长度为p,时间间隙为t,波特率为k,所传输的一帧数据大小为c,多主组网通信方法对每个节点N配置设定对应的发送时刻序列,发送时刻序列由每个节点N在各通信周期中的发送时间点组成,发送时间点为动态发送时间点,至少两个节点的发送时刻序列不同,在各通信周期中,每个节点N在发送时刻序列中对应的发送时间点发送数据。在一个优选的实施例中,发送时刻序列中为一个由至少三个数值构成的序列,n个节点所对应的各发送时刻序列中,有至少一个发送时刻序列中存在至少3个互不相同的数值。
进一步的,发送时刻序列是一个有限范围序列,即发送时刻序列中的数值都为有限范围数值,当发送时刻序列中的数值序列达到范围边界时,顺序重复数值序列,或逆序重复数值序列,即发送时刻序列中某一数值到达范围边界值时,后续序列为顺序重复前序数值序列或逆序重复前序数值序列。
进一步的,发送时刻序列是固定数值序列的循环或通过算法计算得到的数值序列,算法可以使随机立即数算法,也可为其它算法。
进一步的,多主组网通信方法对每个节点N设定对应的通信周期变化值RN,RN>0,对每个节点N所对应的通信周期变化值RN设定对应的变化周期TN,TN>=p,即变化周期TN长度大于或等于一个通信周期的长度,通信周期变化值RN按变化周期TN进行周期性变化,通信周期变化值RN随变化周期TN变化生成发送时刻序列。
进一步的,如图3所示,多主组网通信方法包括如下步骤:
S1:对每个节点N设计对应的时间数值组合SZM[num],时间数值组合SZM[num]是通信周期的所有有效时刻的数值的组合;
S2:对每个节点N设定对应的通信周期步进值AN,AN>0;
S3:在每个通信周期中对每个节点N的动态数据发送时间点进行动态分配,如图4所示,动态分配包括如下步骤:
S31:对每个节点N设定对应的通信周期累加和SumAN作为所述通信周期变化值RN
S32:对通信周期累加和SumAN取整得到累加和取整值int(SumAN),
S33:以累加和取整值int(SumAN)作为取值序号提取时间数值组合SZM[num]中对应序号位置的有效时刻数值,作为节点N在通信周期中的动态数据发送时间点timeN
S34:通信周期中,从零计时开始经过timeN时,节点N发送数据;
其中,设定所述变化周期TN=p,即变化周期长度与通信周期长度相同,在第一个通信周期中,通信周期累加和SumAN的值为通信周期步进值AN,每经过一个通信周期,通信周期累加和SumAN累加一个通信周期步进值AN
进一步的,步骤S1中,可将时间数值组合SZM[num]中的第一个数值设定为时间偏差分配参数BM
进一步的,步骤S2中,不同节点N的通信周期步进值AN不同。
在一个优选的实施例中,步骤S1中,对不同节点N设定不同的时间数值组合SZM[num],不同的时间数值组合SZM[num]中,通信周期的所有有效时刻的数值的位列顺序各不相同。
在另一个优选的实施例中,步骤S1中,可对不同的节点N设定相同的时间数值组合SZM[num],较佳的是,一个相同的时间数值组合SZM[num]对应于至多两个不同节点N,其中,相同的时间数值组合SZM[num]指时间数值组合SZM[num]中的通信周期的所有有效时刻的数值的位列顺序相同。
对于上述两个优选的实施例,进一步的,如图5所示,步骤S2包括如下步骤:
S21:设定步长偏差x,x>c/k,即步长偏差大于一帧数据按照波特率k传输的耗时;
S22:设定时间偏差△iN的值为x/BM
S23:设定通信周期步进值AN的值为1+△iN、1-△iN或1,
其中,不同节点N若对应相同的时间数值组合SZM[num],这些节点所对应的通信周期步进值应不同,例如,对应相同时间数值组合的两个不同的节点可分别设定1+△iN和1-△iN作为其通信周期步进值,对应相同时间数值组合的三个不同的节点可分别设定1+△iN、1-△iN和1作为其通信周期步进值。
例如,参见图6,多主组网的通信周期p为20ms,时间间隙为1ms,波特率为500kBit/s,所传输的一帧数据大小为127Bit,据此设计2组不同的时间数值组合对应于节点1、节点2、节点3和节点4,该2组时间数值组合分别为:
SZ1[20]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19}和
SZ2[20]={3,6,9,12,15,18,19,16,13,10,7,4,1,2,5,8,11,14,17}。
一帧数据按波特率k传输的耗时为0.25ms,因此设定步长偏差x为0.33ms,以时间数值组合SZ1[20]和SZ2[20]中的第一个数值作为时间偏差分配参数B1和B2,其值分别为1和3,所以对应的时间偏差△i1和△i2分别为0.33和0.11。
时间数值组合SZ1[20]所对应的节点1和节点2分别以1+△i1和1-△i1作为其通信周期步进值A1和A2的值,分别为0.67和1.33。时间数值组合SZ2[20]所对应的节点3和节点4分别以1+△i2和1-△i2作为其通信周期步进值A3和A4的值,分别为0.89和1.11。
第一个通信周期中,节点1的通信周期累加和SumA1为0.67,累加和取整值int(SumA1)为0,节点2的通信周期累加和SumA2为1.33,累加和取整值int(SumA2)为1,时间数值组合SZ1[20]中0序位和1序位的时间数值分别为1和2,节点3的通信周期累加和SumA3为0.89,累加和取整值int(SumA3)为0,节点4的通信周期累加和SumA4为1.11,累加和取整值int(SumA4)为1,时间数值组合SZ2[20]中0序位和1序位的时间数值分别为3和6,因此第一个通信周期中,节点1和节点2的数据发送时间点分别为第1ms和第2ms,节点3和节点4的数据发送时间点分别为第3ms和第6ms。
进入第二个通信周期,节点1的通信周期累加和SumA1为1.34,累加和取整值int(SumA1)为1,节点2的通信周期累加和SumA2为2.66,累加和取整值int(SumA2)为2,时间数值组合SZ1[20]中1序位和2序位的时间数值分别为2和3,节点3的通信周期累加和SumA3为1.78,累加和取整值int(SumA3)为1,节点4的通信周期累加和SumA4为2.22,累加和取整值int(SumA4)为2,时间数值组合SZ2[20]中1序位和2序位的时间数值分别为6和9,因此第二个通信周期中,节点1和节点2的数据发送时间点分别为第2ms和第3ms,节点3和节点4的数据发送时间点分别为第6ms和第9ms。
以500kBit/s的波特率传输一帧为127Bit的数据需耗时0.25ms,则节点1、节点2、节点3和节点4在发送数据时能够避免互相发生冲突,保障了通信的可靠运行。
进一步的,在步骤S1前还设有节点优先权分配步骤,节点优先权分配步骤可根据预先设置的节点优先权规则对n个节点进行优先权排序,在步骤S34中,当同一通信周期中存在至少2个节点的数据发送时间点相同时,优先级最高的节点拥有发送权,其它节点取消发送。
例如,为上述多主组网中的节点5和节点6设定对应的时间数值组合SZ3[20]:
SZ3[20]={2,4,6,8,10,12,14,16,18,19,17,15,13,11,9,7,5,3,1}。
如图7所示,时间数值组合SZ3[20]的时间偏差分配参数B3为2,所对应的时间偏差△i3为0.165,节点5和节点6分别以0.835和1.165作为其通信周期步进值A5和A6的值。第一个通信周期中,节点5的通信周期累加和SumA5为0.835,累加和取整值int(SumA5)为0,节点6的通信周期累加和SumA6为1.165,累加和取整值int(SumA6)为1,时间数值组合SZ3[20]中0序位和1序位的时间数值分别为2和4,因此第一个通信周期中,节点5和节点6的数据发送时间点分别为第2ms和第4ms。
节点5和和节点2在该通信周期中存在发送时间冲突,若节点2被分配有较高的优先权,则节点2在第2ms发送数据,节点5在该通信周期中取消发送。进入第二个通信周期后,再次对各节点的数据发送时间进行动态分配,节点5的通信周期累加和SumA5为1.67,累加和取整值int(SumA5)为1,该通信周期中,节点5的数据发送时间点为第4ms,与其它节点不产生冲突,可顺利发送数据。
本发明的方法采用数据发送时间点动态分配法,在每个通信周期中都进行一次分配,避免了某一节点在固定分配机制中数据始终无法发送的情况,即使在某一通信周期中发生冲突,在之后的通信周期中,通过再次分配,可使该节点重新获取有效的数据发送时间点,使该节点能够在该通信周期中成功发送数据,有效提升了各节点的数据在组网中正常发送的几率,减少了数据长期被堵塞的风险。
进一步的,当累加和取整值int(sumAN)大于时间数值组合SZM[num]中的有效时刻数值个数时,获取时间数值组合SZM[num]中的最大有效时刻数值,作为节点N在通信周期的数据发送时间点timeN,通信周期累加和SumAN在原值上减去最大有效时刻数值作为新的通信周期累加和SumAN
例如,上述多主组网中,进入第二十九个通信周期,节点1的通信周期累加和SumA1为19.34,累加和取整值int(SumA1)为19,超过了时间数值组合SZ1[20]的最大序位(即18序位),因此取时间数值组合SZ1[20]中的最大序位即18序位的值19,节点1的数据发送时间点分别为第19ms,同时,节点1的通信周期累加和SumA1在原值基础上减去18后做为新的通信周期累加和SumA1,即以节点1的通信周期累加和SumA1为1.34作为第三十个通信周期的累加基础进行累加。
优选的,设计时间数值组合SZM[num]时,可采用一定的设计规则,例如以时间数值组合SZM[num]的第一个数值作为该组合的时间间隔值,组合中的时间数值按照该时间间隔值先递增再递减,重复进行,以确保所有有效时刻都被包含在组合中,其中,每次递增时,时间数值递增至准大值,准大值为组合中还未出现的数值中的最大值,若加上时间间隔值后的数值大于通讯周期最大有效时刻值,则直接取准大值,每次递减时,时间数值递减至准小值,准小值减去时间间隔值后的数值应小于等于零,从准小值减到0再从0开始累加使总差值等于时间间隔值,取累加后得到的值作为准小值后序的数值,并从该数值开始再次进行递增。
例如,上述针对多主组网节点所设计的时间数值组合SZ1[20]的时间间隔值为1,即SZ1[20]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19};时间数值组合SZ2[20]的时间间隔值为3,即SZ2[20]={3,6,9,12,15,18,19,16,13,10,7,4,1,2,5,8,11,14,17},其中数值18加上时间间隔值3后为21,大于最大有效时刻值19,直接取准大值19,再开始递减至准小值1,当准小值1减至0,差值为1,0累加到2,差值为2,总差值等于时间间隔值,从数值2再开始递增。
本发明在第二方面,提供了一种多主组网,具有总线和n个节点,其中,n为自然数,通信周期长度为p,时间间隙为t,波特率为k,所传输的一帧数据大小为c,采用上述多主组网通信方式进行通信。
这里采用的术语和表述方式只是用于描述,本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征,应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换,例如不同规格的元器件的替换,也可能存在。相应的,权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样,需要指出的是,虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述,但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明,在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换,因此,只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种多主组网通信方法,所述多主组网具有总线和n个节点,通信周期长度为p,时间间隙为t,波特率为k,所传输的一帧数据大小为c,所述多主组网通信方法对每个所述节点N配置设定对应的发送时刻序列,所述发送时刻序列由每个所述节点N在各所述通信周期中的发送时间点组成,所述发送时间点为动态发送时间点,至少两个所述节点的所述发送时刻序列不同,在各所述通信周期中,每个所述节点N在所述发送时刻序列中对应的所述发送时间点发送数据,所述发送时刻序列是固定数值序列的循环或通过算法计算得到的数值序列,所述多主组网通信方法对每个所述节点N设定对应的通信周期变化值RN,RN>0,对每个所述节点N所对应的所述通信周期变化值RN设定对应的变化周期TN,TN>=p,所述通信周期变化值RN按所述变化周期TN进行周期性变化,所述通信周期变化值RN随所述变化周期TN变化生成所述发送时刻序列,所述多主组网通信方法包括如下步骤:
S1:对每个所述节点N设计对应的时间数值组合SZM[num],所述时间数值组合SZM[num]是所述通信周期的所有有效时刻的数值的组合;
S2:对每个所述节点N设定对应的通信周期步进值AN,AN>0;
S3:在每个通信周期中对每个所述节点N的动态数据发送时间点进行动态分配,所述动态分配包括如下步骤:
S31:设定通信周期累加和SumAN作为所述通信周期变化值RN
S32:对所述通信周期累加和SumAN取整得到累加和取整值int(SumAN),
S33:以所述累加和取整值int(SumAN)作为取值序号提取所述时间数值组合SZM[num]中对应序号位置的有效时刻数值,作为所述节点N在通信周期中的动态数据发送时间点timeN
S34:所述通信周期中,从零计时开始经过timeN时,所述节点N发送数据;
其中,设定所述变化周期TN=p,在第一个所述通信周期中,所述通信周期累加和SumAN的值为所述通信周期步进值AN,每经过一个所述通信周期,所述通信周期累加和SumAN累加一个所述通信周期步进值AN
2.如权利要求1所述的多主组网通信方法,其特征在于,所述发送时刻序列是一个有限范围序列,当所述发送时刻序列中的数值序列达到范围边界时,顺序重复所述数值序列。
3.如权利要求1所述的多主组网通信方法,其特征在于,所述发送时刻序列是一个有限范围序列,当所述发送时刻序列中的数值序列达到范围边界时,逆序重复所述数值序列。
4.如权利要求1所述的多主组网通信方法,其特征在于,所述步骤S1中,设定所述时间数值组合SZM[num]中的第一个数值为时间偏差分配参数BM
5.如权利要求1所述的多主组网通信方法,其特征在于,所述步骤S2中,不同所述节点N的所述通信周期步进值AN不同。
6.如权利要求1所述的多主组网通信方法,其特征在于,所述步骤S1中,不同所述节点N的所述时间数值组合SZM[num]中,所述通信周期的所有有效时刻的数值的位列顺序不同。
7.如权利要求6所述的多主组网通信方法,其特征在于,所述步骤S2包括如下步骤:
S21:设定步长偏差x,x>c/k;
S22:设定时间偏差△iN的值为x/BM
S23:设定所述通信周期步进值AN的值为1+△iN、1-△iN或1。
8.如权利要求1所述的多主组网通信方法,其特征在于,所述步骤S1中,至少两个不同所述节点N的所述时间数值组合SZM[num]中,所述通信周期的所有有效时刻的数值的位列顺序相同。
9.如权利要求8所述的多主组网通信方法,其特征在于,所述步骤S2包括如下步骤:
S21:设定步长偏差x,x>c/k;
S22:设定时间偏差△iN的值为x/BM
S23:设定所述通信周期步进值AN的值为1+△iN、1-△iN或1,
其中,不同所述节点N所对应的所述通信周期步进值不同。
10.如权利要求1所述的多主组网通信方法,其特征在于,在所述步骤S1前还设有节点优先权分配步骤,所述节点优先权分配步骤对所述n个节点进行优先权排序,
在所述步骤S34中,当同一通信周期中存在至少2个所述节点的所述数据发送时间点相同时,优先级最高的所述节点拥有发送权,其它所述节点取消发送。
11.如权利要求1所述的多主组网通信方法,其特征在于,当所述累加和取整值int(sumAN)大于所述时间数值组合SZM[num]中的有效时刻数值个数时,获取所述时间数值组合SZM[num]中的最大有效时刻数值,作为所述节点N在所述通信周期的数据发送时间点timeN,并且所述通信周期累加和SumAN在原值上减去所述最大有效时刻数值作为新的所述通信周期累加和SumAN
12.一种多主组网,具有总线和n个节点,通信周期长度为p,时间间隙为t,波特率为k,所传输的一帧数据大小为c,所述多主组网采用如权利要求1到11中任意一项所述的多主组网通信方法进行通信。
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