CN116156677A - 一种适用于现代应急通信的异构自组网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，涉及应急通信无线自组网领域，包括：通过指挥车节点和普通单兵节点组成异构自组网络；构建主被动混合式分层路由，基于优先级的路由决策进行路径规划。在自组网络中分别建立由指挥车节点和单兵节点组成的分级分频段分功率网络结构；指挥车节点使用主动式路由算法建立全网全部节点的路由表，普通单兵节点使用被动式路由算法仅在具体业务需求时建立路由表；在报文转发路由决策时节点根据路由表路径优先选择由指挥车节点为转发节点所组成的路径。本发明保证了应急灾害现场网络的安全、畅通、健壮、抗毁自愈和组网时间，从而解决现代应急通信中MANET来自网络安全和网络拓扑灵活性的问题。

Description

一种适用于现代应急通信的异构自组网方法
技术领域
本发明涉及应急通信无线自组网技术领域，更具体的说是涉及一种适用于现代应急通信的异构自组网方法。
背景技术
不同于目前传统的互联网络，面向万物互联需求的MANET(移动自组网络)具有自组织、动态可移动的特点。随着MANET路由协议和相关通信物理层设备的飞速发展，已经逐渐建立了较为完整的MANET体系，并开始用于诸如无人机集群通信、地面传感器网络、车联网、应急通信等领域。现代社会仍然持续遭受着各种自然灾害(森林火灾、地震、洪水等)的威胁，通常对人类生活造成难以估量的巨大影响。MANET不依赖任何基础设施，不完全依赖于任何中心节点，每个节点平等的具有路由转发功能。因而在应急救援的现场指挥场景，MANET具有巨大的优势，可以帮助管理部门快速部署建立现场指挥体系，及时应对灾难从而降低灾害带来的损失。
但是，在现代应急通信应用场景中，通常需要面临来自各种突发自然灾害对MANET网络结构灵活性、稳定性、安全性和组网时间的挑战，特别是MANET网络结构也需要根据实际场景和业务需求建立由指挥车、车载普通单兵节点、单兵背负式普通单兵节点组成的多级指挥网络体系，实现各种消息报文的快速安全分发。这使得传统MANET中完全平面式或者分簇的路由方案无法保证现代应急灾害现场网络的安全、畅通、健壮、抗毁自愈等需求。
因此，面向现代应急通信，建立由不同等级不同特点的节点组成的异构网络是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，采用分级分频段分功率的异构自组网络结构、主被动混合式分层路由、基于优先级的路由决策等方法建立了现代化应急通信的自组网络架构，解决现代应急通信MANET网络来自网络灵活性、稳定性、安全性和组网时间的问题，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，包括：
通过指挥车节点和普通单兵节点组成异构自组网络；
构建主被动混合式分层路由，基于异构自组网络对指挥车节点与普通单兵节点分别使用主动和被动路由算法，各自建立路由表；
基于优先级的路由决策进行路径规划，在报文转发路由决策时节点根据路由表路径优先选择仅由指挥车节点为转发节点所组成的路径。
可选的，所述指挥车节点具备通信设备并拥有最高优先级；所述普通单兵节点具备通信设备，拥有普通优先级，所述指挥车节点通信设备功率大于所述普通单兵节点通信设备功率，所述普通单兵节点之间相互为对等关系。
可选的，所述指挥车节点和所述单兵节点被分配在不同的频段，在指挥车节点间相互通信时使用一种频段，在指挥车节点与普通单兵节点通信时，或普通单兵节点间相互通信时使用另一种频段，对指挥车节点和单兵节点形成物理信号隔断。
可选的，所述异构自组网络包括由多个指挥车节点和若干单兵节点组成的分级分频段分功率网络。
可选的，所述构建主被动混合式分层路由包括：指挥车节点使用主动式路由发现算法建立全网全部节点的路由表，并定时发起全网广播维护到全网的路由表；
普通单兵节点使用被动式路由算法仅在具体业务需求时建立路由表，定时发送Hello消息确认路由表路径的稳定连接，若某些路由路径出现断开，则删除对应路由表并在下次业务需求、业务到来时重新建立路由表。
可选的，指挥车节点和普通单兵节点在所述路由表中保存源节点到目的节点的全部路径。
可选的，所述基于优先级的路由决策进行路径规划，在路由建立成功后，当指挥车节点作为源节点向其他指挥车节点作为目的节点发送报文时，优先在所示路由表中选择由指挥车节点为转发节点所组成的路径。
可选的，所述指挥车节点具备大功率通信设备并拥有最高优先级，指挥车节点依靠大功率通信设备可以与周边更大范围的其他各种节点完成通信，可承担网络远距离中继的功能；
所述普通单兵节点，其具备较小功率的通信设备，拥有普通优先级，普通单兵节点在进行远距离通信时可以借助大功率指挥车节点进行中继转发，减少仅由普通单兵节点转发形成的多跳；
所述指挥车节点和所述普通单兵节点被分配不同的频段，在指挥车节点间相互通信时使用一种频段，在指挥车节点与其他普通单兵节点或普通单兵节点相互通信时使用另一种频段，从而对指挥车节点相互通信时与普通单兵节点进行物理信号隔断，保证安全性；
所述普通单兵节点之间相互为对等关系，可以支持普通单兵节点抗毁和网络自愈；
所述自组网络由多个指挥车节点和若干单兵节点组成，并可根据实际场景灵活自由改变节点数量、位置和拓扑结构。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，具有以下有益效果：
1、分级分频段分功率的异构自组网络结构可以使指挥车节点与普通单兵节点信号隔绝，在指挥车节点间相互进行的通信可以使用专用频段，避免了信号向下层转发，从物理层保证了报文被下层节点监听的风险，从而保证了自组网络的安全性。
2、分级分频段分功率的异构自组网络结构可以使网络的路由转发借助指挥车节点的远距离大功率设备进行中继，相比使用普通单兵节点转发，显著降低了跳数从而提高了网络带宽并降低了误码风险。
3、主被动混合式分层路由算法针对指挥车节点和普通单兵节点使用了不同的路由建立算法，指挥车节点依靠其大功率和专用频段的优势结合主动式路由算法，可以快速建立到全网全部节点的路由，保证对全网全部节点的快速通信；而普通单兵节点因为对其他普通单兵节点的通信需求相对较低，通过向邻居指挥车节点获得路由信息进行按需路由可以极大节省网路拓扑维持的开销，避免维护过多无用节点的信息，将网络资源向指挥车节点优先倾斜。
4、主被动混合式分层路由算法可以实现路由的快速建立，可以适应应急MANET网络快速灵活移动的需求，提高了网络的健壮性，从而支持网络节点抗毁和网络自愈。
5、主被动混合式分层路由算法结合分级分频段分功率的异构自组网络结构使得MANET网络可以应用于多种复杂条件下的应急通信，如使用指挥车建立链式网络，从应急灾害现场将网络延伸到边缘地带，实现逐级远程指挥和通信，其他普通单兵节点根据需求动态部署在应急现场，快速展开救援。
6、基于优先级的路由决策算法可以在节点路由表建立后，优先选择仅由指挥车节点为转发节点所形成的路径，一方面可以避免信号在下层节点转发保证通信网络安全性，另一方面可以降低跳数实现快速路由转发。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的网络拓扑结构；
图2为本发明中S级节点建立主动式全网路由的算法流程图；
图3为本发明中n级节点建立被动式按需路由的算法流程图；
图4为本发明中S级节点和n级节点进行路由维护的算法流程图；
图5为一种适用于现代应急通信的异构自组网方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，包括：
通过指挥车节点和普通单兵节点组成异构自组网络；
构建主被动混合式分层路由，指挥车节点与普通单兵节点分别使用主动和被动路由算法，各自建立路由表；
基于优先级的路由决策进行路径规划，在报文转发路由决策时节点根据路由表路径优先选择仅由指挥车节点为转发节点所组成的路径。
进一步的，如图1所示，一种网络拓扑结构，S1、S2、S3和S4为四个指挥车节点，指挥车节点相互通信时采用一种频段，如使用1.5GHz频段。其他n11至n21为普通单兵节点，指挥车节点与普通单兵节点通信或普通单兵节点间相互通信时使用另一种频段，如2.4GHz频段。下面针对图示场景将指挥车节点用S级节点表示，将普通单兵节点用n级节点表示。S级节点相比n级节点具有更远的通信距离，因此可以在网络中相互通信，作为整个应急网络的桥接点和中继点，其他n级节点根据需求动态部署在应急现场。
基于优先级的路由决策算法优先将使用S级节点进行路由转发的路径作为首选路径，如图1所示，当S1节点作为源节点请求到S4节点时，路径将优先选择S1→S2→S3→S4进行转发，这样可以保证S级节点相互通信的安全并减少跳数，当此路径失效时，网络将选择S1→n13→S2→S3→S4这一路径，保证网络的稳定性。
上述的过程是基于已经成功建立了各级节点所需的路由表，本发明使用了主被动混合式分层路由算法，进行应急MANET网络中路由表建立。
进一步的，如图2所示，一种S级节点建立主动式全网路由的算法流程：
首先S级节点开启全网路由发现并全网广播路由请求，通过向邻居节点广播路由请求(源节点ID、目的节点ID、请求ID、目的序列号)建立自己到网络其他全部节点的路由表；
中间S级和n级节点根据接收的请求ID和目的ID判断是否向邻居继续转发，若未收到过相同请求ID和目的ID，则转发路由请求，然后提取其中有效路由信息保存在自己的路由表中并令自身序列号+1；
经过多次中间节点的路由转发后，目的节点通过目的ID确认自己是本次路由请求的目的地，目的节点接收该路由请求，将路由信息保存至自己路由表中并令自身序列号+1，之后反向回最新的路由信息给源节点；
中间S级和n级节点再次接收和转发路由请求并提取其中有效路由请求保存在自己的路由表中，并令自身序列号+1；
源节点成功接收目的节点的路由回复，将路由信息保存到自己的路由表中并令自身序列号+1；
经过上面陈述的过程，S级节点到一个目的节点的路由建立完成，通过相同的方式，每个S级节点依次建立到全网全部节点的路由表。
进一步的，如图3所示，一种n级节点建立被动式按需路由的算法流程：
n级节点根据业务需求开启到指定目的节点的路由并向附近S级节点广播请求到目的节点的路径；
多个S级节点接收到来自n级节点到指定目的节点的路由请求；
多个S级节点将自己路由表中到达指定目的节点的路径回复给源n级节点；
源n级节点根据获得的多条路径按照优先级算法选择最优路径到达指定目的节点。
进一步的，如图4所示，一种S级节点和n级节点进行路由维护的算法流程：
S级节点和n级节点定时向已有的路由拓扑发送Hello包确认网络连接状态；
若发送Hello包的源节点没有在规定时间内收到目标节点的回复，则认为该路径已经断开；
对应S级节点和n级节点广播该断开信息，通知拥有该路径的节点删除该路径；
S级节点立刻重新建立路由表，n级节点在新的业务需求到来时重新建立路由表。
具体实施方式中，将指挥车节点用S级节点表示，将普通单兵节点用n级节点表示。S级节点相比n级节点具有更远的通信距离，因此可以在网络中相互通信，作为整个应急网络的桥接点和中继点，其他n级节点根据需求动态部署在应急现场。
基于优先级的路由决策算法优先将使用S级节点进行路由转发的路径作为首选路径，如图1所示，当S1节点作为源节点请求到S4节点时，路径将优先选择S1→S2→S3→S4进行转发，这样可以保证S级节点相互通信的安全并减少跳数，当此路径失效时，网络将选择S1→n13→S2→S3→S4这一路径，保证网络的稳定性。基于优先级的路由决策算法可以在节点路由表建立后，优先选择仅由指挥车节点为转发节点所形成的路径，一方面可以避免信号在下层节点转发保证通信网络安全性，另一方面可以降低跳数实现快速路由转发。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，其特征在于，包括：
通过指挥车节点和普通单兵节点组成异构自组网络；
构建主被动混合式分层路由，基于异构自组网络对指挥车节点与普通单兵节点分别使用主动和被动路由算法，各自建立路由表；
基于优先级的路由决策进行路径规划，在报文转发路由决策时节点根据路由表路径优先选择仅由指挥车节点为转发节点所组成的路径。
2.根据权利要求1所述的一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，其特征在于，所述指挥车节点具备通信设备并拥有最高优先级；所述普通单兵节点具备通信设备，拥有普通优先级，所述指挥车节点通信设备功率大于所述普通单兵节点通信设备功率，所述普通单兵节点之间相互为对等关系。
3.根据权利要求1所述的一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，其特征在于，所述指挥车节点和所述单兵节点被分配在不同的频段，在指挥车节点间相互通信时使用一种频段，在指挥车节点与普通单兵节点通信时，或普通单兵节点间相互通信时使用另一种频段，对指挥车节点和单兵节点形成物理信号隔断。
4.根据权利要求1所述的一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，其特征在于，所述异构自组网络包括由指挥车节点和单兵节点组成的分级分频段分功率网络。
5.根据权利要求1所述的一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，其特征在于，所述构建主被动混合式分层路由包括：
指挥车节点使用主动式路由发现算法建立全网全部节点的路由表，并定时发起全网广播维护到全网的路由表；
普通单兵节点使用被动式路由算法仅在具体业务需求时建立路由表，定时发送Hello消息确认路由表路径的稳定连接，若某些路由路径出现断开，则删除对应路由表并在下次业务需求、业务到来时重新建立路由表。
6.根据权利要求5所述的一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，其特征在于，指挥车节点和普通单兵节点在所述路由表中保存源节点到目的节点的全部路径。
7.根据权利要求1所述的一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，其特征在于，所述基于优先级的路由决策进行路径规划包括，在路由建立成功后，当指挥车节点作为源节点向其他指挥车节点作为目的节点发送报文时，优先在所示路由表中选择由指挥车节点为转发节点所组成的路径。
8.根据权利要求5所述的一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，其特征在于，所述被动式路由算法具体包括：
(1.1)普通单兵节点根据业务需求开启到指定目的节点的路由并向附近指挥车节点广播请求到目的节点的路径；
(1.2)多个指挥车节点接收到来自普通单兵节点到指定目的节点的路由请求；
(1.3)多个指挥车节点将自己路由表中到达指定目的节点的路径回复给源普通单兵节点；
(1.4)源普通单兵节点根据获得的多条路径按照优先级算法选择最优路径到达指定目的节点。
9.根据权利要求5所述的一种适用于现代应急通信的异构自组网方法，其特征在于，所述主动式路由发现算法包括：
(2.1)首先指挥车节点开启全网路由发现并全网广播路由请求，通过向邻居节点广播路由请求，路由请求包括源节点ID、目的节点ID、请求ID、目的序列号，建立到网络其他全部节点的路由表；
(2.2)中间指挥车节点和普通单兵节点根据接收的请求ID和目的ID判断是否向邻居继续转发，若未收到过相同请求ID和目的ID，则转发路由请求，然后提取其中有效路由信息保存在自己的路由表中并令自身序列号+1；
(2.3)经过中间节点的路由转发后，目的节点通过目的ID确认自己是本次路由请求的目的地，目的节点接收该路由请求，将路由信息保存至自己路由表中并令自身序列号+1，之后原路返回最新的路由信息给源节点；
(2.4)中间指挥车节点和普通单兵节点再次接收和转发路由请求并提取其中有效路由请求保存在自己的路由表中，并令自身序列号+1；
(2.5)源节点成功接收目的节点的路由回复，将路由信息保存到自己的路由表中并令自身序列号+1；
重复(2.1)-(2.5)，依次建立每个指挥车节点到全网全部节点的路由表。
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