CN116567772A - 一种基于多模场域网的邻居关系建立、维护、更新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多模场域网的邻居关系建立、维护、更新方法，涉及通信网络技术领域，解决了多模场域网中通过泛洪式广播的方式建立邻居关系，能耗较高的技术问题。该建立方法包括：多模场域网各网络节点之间持续进行数据交互；源节点获得目的节点的位置信息，源节点根据源节点、目的节点的位置信息自适应调整广播角度；将源节点的时隙分为交替运行的睡眠时隙、活跃时隙，在睡眠时隙结束前源节点发送信标，然后进入接收模式；当源节点接收到目的节点发送的信标后，立即返回ACK信标，完成网络节点的双向发现；源节点与目的节点进行数据传输，建立邻居关系。本发明通过自适应调整广播角度进行组网，加速节点快速双向发现，降低了广播能耗。
Description
技术领域
本发明涉及通信网络技术领域，尤其涉及一种基于多模场域网的邻居关系建立、维护、更新方法。
背景技术
多模感知互联网MuCoFAN(Multi-mode&deep-Coverage Field Area Network，也称为多模场域网)是以电力线和无线为传输介质，融合高速电力线载波、微功率无线、低功耗无线等通信模式，可扩展接入zigbee、蓝牙、WiFi、LoRa等多种协议设备，实现深度覆盖的本地异构通信网络，支撑多样化的设备连接和服务需求。MuCoFAN的潜力巨大，但在组网以及网络运行开销方面还有很大的提升空间。
在MuCoFAN中，快速高效的邻居节点发现是一个重要的问题，目前的MuCoFAN中主要采用全向天线辅助，节点通过泛洪式广播的方式进行邻居节点发现。在组网阶段，未知邻居节点信息的前提下，采用泛洪式广播的方法进行邻居发现是必要的，但是在网络运行一段时间后，通过节点间的数据交互，邻居节点的信息已知，此时采用泛洪式广播的方式会造成一定的能源消耗，如何利用已知的节点信息有针对的向邻居节点发送信息是一个亟待解决的问题。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
现有多模场域网中，通过泛洪式广播的方式进行邻居节点发现，建立邻居关系，整个网络能耗较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多模场域网的邻居关系建立、维护、更新方法，以解决现有技术中存在的现有多模场域网中，通过泛洪式广播的方式进行邻居节点发现，建立邻居关系，整个网络能耗较高的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法，包括以下步骤：S10：多模场域网完成组网并保持运行状态，各网络节点之间持续进行数据交互；S20：源节点通过定期的交互数据包，获得目的节点的位置信息，所述源节点根据所述源节点、目的节点的位置信息自适应调整广播角度；S30：将所述源节点的时隙分为交替运行的睡眠时隙、活跃时隙，在睡眠时隙结束前所述源节点打开射频并发送信标，然后进入接收模式；S40：当所述源节点接收到所述目的节点发送的信标后，立即向所述目的节点返回ACK信标，完成网络节点的双向发现；S50：源节点与目的节点进行数据传输，根据丢包率将源节点中保存的邻居节点信息进行排序，组建路由，建立邻居关系。
优选的，所述S20步骤中，获取所述目的节点的位置信息时，所述源节点、目的节点之间的距离计算公式为：
其中，Pt为所述源节点发射的信号强度，d0为近地参考距离，PL(d0)为多模场域网下的路径损耗，Pr(d)为目的节点处收到的信号强度，n为路径损耗指数。
优选的，所述S20步骤中，所述源节点自适应调整的广播角度为：
其中，Ne表示期望的广播节点的数量，Nn表示处于前向区域节点总数，β为所述源节点、目的节点之间的连线与所述源节点、邻居节点之间连线的夹角。
优选的，β值的计算公式为：
其中，dS-Y为源节点、邻居节点之间的距离，dS-D为源节点、目的节点之间的距离，dY-D为邻居节点、目的节点之间的距离。
优选的，所述S30步骤中，所述源节点在睡眠时隙发送的信标存储在缓存区，当需要发送ACK信标时，所述源节点从缓存区提取该信标并修改类型。
优选的，S50步骤中，所述丢包率包括上行丢包率和下行丢包率，计算公式分别如下：
其中，PLRUP表示上行丢包率，LastUpSndCnt表示在上个路由周期的上行发送同步信标帧个数，LastUpRcvCnt表示在上个路由周期的上行接收同步信标帧个数；PLRDown表示下行丢包率，LastDownSndCnt表示在上个路由周期的下行发送同步信标帧个数，LastDownRcvCnt表示在上个路由周期的下行接收同步信标帧个数。
一种基于多模场域网的邻居关系维护方法，对以上任一项所述的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法得到的邻居关系进行维护，包括以下步骤：S100：如果父节点未收到子节点的数据包，统计邻居节点的MAC地址以及从邻居收到的最新数据包的时间标识；S200：判断未收到数据包的时间间隙是否超过节点的睡眠时隙的时间，如是，执行S300，否则执行S500；S300：对未收到数据包的网络节点设置不同的故障恢复时间；S400：在故障恢复时间结束后，父节点向子节点发送数据包，判断子节点是否收到数据包，若是，执行S500，否则执行S600；S500：在父节点的邻居列表中保留该节点信息；S600：删除邻居列表中的该节点信息。
优选的，所述故障恢复时间的计算公式为：
T(Bi)＝T±kBi，
Bi＝∑i∈N(n(i)/n)，
其中，T为时间常量，k为重要性系数，为一个常数，Bi为网络节点i的介数，n表示网络中全部的最短路径数量，n(i)表示经过节点i的最短路径数量。
一种基于多模场域网的邻居关系更新方法，对以上任一项所述的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法得到的邻居关系进行更新，包括以下步骤：S1000：对多模场域网内的各网络节点设置定时器，并设定相同初始值；S2000：各网络节点的定时器通过递减步长从初始值开始递减，若网络节点的定时器递减为0，对该网络节点的情况进行判断；S3000：设定更新网络节点的触发条件，当网络节点不满足通信需求、存在更优的父节点、负载超过设定的阈值中任意一个条件成立，则触发父节点的邻居关系更新。
优选的，所述S2000步骤中，所述网络节点根据重要性、通信频次设置不同的递减步长，网络节点的重要性、通信频次越高，则递减步长越大。
实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：
本方法在组网过程中，通过自适应调整广播角度进行组网，加速节点快速双向发现，降低了广播能耗，同时，基于ACK的信标分离机制，提升了节点的双向发现效率，降低了信标冲突概率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：
图1是本发明实施例一的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法流程图；
图2是本发明实施例一中自适应广播不同广播方式的按需广播率仿真效果图；
图3是本发明实施例一中自适应广播节省广播率的仿真效果图；
图4是本发明实施例二的一种基于多模场域网的邻居关系维护方法流程图；
图5是本发明实施例三的一种基于多模场域网的邻居关系更新方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
实施例一：
如图1所示，本发明提供了一种基于多模场域网的邻居关系建立方法，包括以下步骤：S10：多模场域网完成组网并保持运行状态，各网络节点之间持续进行数据交互；S20：源节点通过定期的交互数据包，获得目的节点的位置信息，源节点根据源节点、目的节点的位置信息自适应调整广播角度；S30：将源节点的时隙分为交替运行的睡眠时隙、活跃时隙，在睡眠时隙结束前源节点打开射频并发送信标，然后进入接收模式；S40：当源节点接收到目的节点发送的信标后，立即向目的节点返回ACK信标，完成网络节点的双向发现，通过基于ACK的信标分离机制，提升了节点的双向发现效率，降低了信标冲突概率。S50：源节点与目的节点进行数据传输，根据丢包率将源节点中保存的邻居节点信息进行排序，组建路由，建立邻居关系。源节点与目的节点之间可能通过多个节点进行连接，此处邻居节点是指路径中的父节点的邻居节点，后文不再赘述。本方法在组网过程中，通过自适应调整广播角度进行组网，加速节点快速双向发现，降低了广播能耗，同时，基于ACK的信标分离机制，提升了节点的双向发现效率，降低了信标冲突概率。如图2所示，对比现有泛洪式广播方式，采用自适应广播的方式节点的广播率更大，如图3所示，随着邻居节点个数的增加，节省的广播率呈上升趋势。
作为可选的实施方式，S20步骤中，获取目的节点的位置信息时，源节点、目的节点之间的距离计算公式为：其中，Pt为源节点发射的信号强度，d0为近地参考距离，PL(d0)为多模场域网下的路径损耗，Pr(d)为目的节点处收到的信号强度，n为路径损耗指数。该公式通过以下步骤得出：(1)考虑对数正态阴影路径损耗模型，该模型适用于复杂环境下的多模感知网络，路径损耗表达式为：/>其中d是节点之间的距离，d0是近地参考距离，n为路径损耗指数，Xδ是阴影效应造成的均值为0，方差为δ的具有高斯分布的随机变量；(2)假设源节点发射的信号强度为Pt，单跳邻居节点收到的信号强度为Pr(d)＝Pt-PL(d)，对于在距离源节点d0处参考节点收到的信号强度表示为Pr(d0)＝Pt-PL(d0)；(3)假设参考距离为lm，则可以得到：Pr(d)＝Pr(d0)-10nlg(d)+Xδ，由于Xδ～N(0，σ2)，从而得到节点间的距离为：/>
作为可选的实施方式，S20步骤中，源节点自适应调整的广播角度为：
其中，Ne表示期望的广播节点的数量，Nn表示处于前向区域节点总数(基于位置信息设计前向区域，即处于前向区域的邻居节点均可作为中间转发节点，辅助源节点到目的节点的路由建立，进而缩源小节点数据包的广播范围，因此此处引入前向区域节点总数)，β为源节点、目的节点之间的连线与源节点、邻居节点之间连线的夹角。
作为可选的实施方式，β值的计算公式为：
其中，dS-Y为源节点、邻居节点之间的距离，dS-D为源节点、目的节点之间的距离，dY-D为邻居节点、目的节点之间的距离。上述计算公式根据源节点、邻居节点、目的节点三点形成的三角形的余弦定理得到。
作为可选的实施方式，S30步骤中，源节点在睡眠时隙发送的信标存储在缓存区，当需要发送ACK信标时，源节点从缓存区提取该信标并修改类型。从而提高了源节点发送ACK信标的效率。
作为可选的实施方式，S50步骤中，丢包率包括上行丢包率和下行丢包率，计算公式分别如下：
其中，PLRUP表示上行丢包率，LastUpSndCnt表示在上个路由周期的上行发送同步信标帧个数，LastUpRcvCnt表示在上个路由周期的上行接收同步信标帧个数；PLRDown表示下行丢包率，LastDownSndCnt表示在上个路由周期的下行发送同步信标帧个数，LastDownRcvCnt表示在上个路由周期的下行接收同步信标帧个数。发送的数据包数量与接收到的数据包数量的差值为丢失的数据包数量，与发送的数据包数量的比值即为丢包率。通过计算节点间的丢包率可以衡量邻居节点之间的通信成功率，节点间通信成功率进行评估可用于选择稳定的邻居关系，将丢包率低的邻居关系去掉既可以节约存储空间，也可以提高系统的稳定性。
实施例仅是一个特例，并不表明本发明就这样一种实现方式。
实施例二：
一种基于多模场域网的邻居关系维护方法，对实施例一中的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法得到的邻居关系进行维护，如图4所示，包括以下步骤。S100：如果父节点未收到子节点的数据包，统计邻居节点的MAC地址以及从邻居收到的最新数据包的时间标识。S200：判断未收到数据包的时间间隙是否超过节点的睡眠时隙的时间，如是，执行S300，否则执行S500；设定这个判定条件可以避免对故障节点产生误判。S300：对未收到数据包的网络节点设置不同的故障恢复时间，通过设定故障恢复时间可以避免误判部分可以自主恢复的故障节点。S400：在故障恢复时间结束后，父节点向子节点发送数据包，若子节点收到数据包，表明该节点的故障已经恢复，执行S500，否则删除邻居列表中的该节点信息，从而可以优化存储空间。S500：在父节点的邻居列表中保留该节点信息。通过本方法进行邻居关系维护，实现了高效的邻居节点信息维护并实时维护邻居信息表，同时，删除故障节点信息以节省内存空间。本方法为基于稳定性的邻居关系选择接存储空间优化算法，实现了存储空间的优化。
作为可选的实施方式，故障恢复时间的计算公式为：
T(Bi)＝T±kBi，
Bi＝∑i∈N(n(i)/n)，
其中，T为时间常量，k为重要性系数，为一个常数，可根据网络运行的经验设定，Bi为网络节点i的介数，即网络中所有最短路径中经过该节点的路径数目占最短路径总数的比例，它反映了节点在整个网络中的作用和影响力，是一个重要的全局几何量。n表示网络中全部的最短路径数量，n(i)表示经过节点i的最短路径数量。根据节点重要性设置故障恢复时间，可以在保证系统正常运行的前提下节约存储空间，故障恢复时间考虑到了网络节点的介数Bi，也可根据网络运行经验设定重要性系数k，从而更能确保对多模场域网的邻居关系的维护效果。
实施例三：
一种基于多模场域网的邻居关系更新方法，对实施例一中的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法得到的邻居关系进行更新，如图5所示，包括以下步骤。S1000：对多模场域网内的各网络节点设置定时器，并设定相同初始值；使用定时器的方法对节点的更新周期按需制定，能够避免集中更新带来的瞬时大负载，也可以使负载较大的节点和通信频次较高的节点获得较高的路由更新几率，形成最优的传输路径，网络也可以实时感知网络状态的突变。S2000：各网络节点的定时器通过递减步长从初始值开始递减，若网络节点的定时器递减为0，对该网络节点的情况进行判断，即定时器递减为0时开始对该节点是否更新进行判断。S3000：设定更新网络节点的触发条件，当网络节点不满足通信需求、存在更优的父节点、负载超过设定的阈值中任意一个条件成立，则触发父节点的邻居关系更新，当出现这三个条件时，对父节点的邻居关系更新可以确保实现更好的网络传输质量。为了满足节点的通信需求，保证节点负载不超过节点最大的负载能力，在经过一个路由周期，需要对节点的邻居关系进行刷新，本方法对实施例一的邻居关系更新，邻居关系更新方法依据场域网中各节点重要性以及数据传输的频次，对各节点路由采用了分散更新的方法。
作为可选的实施方式，S2000步骤中，网络节点根据重要性、通信频次设置不同的递减步长，网络节点的重要性、通信频次越高，则递减步长越大。网络节点的重要性可根据节点介数确定相应的阈值，通信频次的阈值可根据经验设置，从而越重要的节点、通信频次越高的节点越容易得到更新，能迅速的产生邻居节点的更新，便于建立最优的传输路径，最大化满足通信的需求，整个多模场域网的邻居关系也越健壮。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于多模场域网的邻居关系建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：多模场域网完成组网并保持运行状态，各网络节点之间持续进行数据交互；
S20：源节点通过定期的交互数据包，获得目的节点的位置信息，所述源节点根据所述源节点、目的节点的位置信息自适应调整广播角度；
S30：将所述源节点的时隙分为交替运行的睡眠时隙、活跃时隙，在睡眠时隙结束前所述源节点打开射频并发送信标，然后进入接收模式；
S40：当所述源节点接收到所述目的节点发送的信标后，立即向所述目的节点返回ACK信标，完成网络节点的双向发现；
S50：源节点与目的节点进行数据传输，根据丢包率将源节点中保存的邻居节点信息进行排序，组建路由，建立邻居关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法，其特征在于，所述S20步骤中，获取所述目的节点的位置信息时，所述源节点、目的节点之间的距离计算公式为：
其中，Pt为所述源节点发射的信号强度，d0为近地参考距离，PL(d0)为多模场域网下的路径损耗，Pr(d)为目的节点处收到的信号强度，n为路径损耗指数。
3.根据权利要求1所述的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法，其特征在于，所述S20步骤中，所述源节点自适应调整的广播角度为：
其中，Ne表示期望的广播节点的数量，Nn表示处于前向区域节点总数，β为所述源节点、目的节点之间的连线与所述源节点、邻居节点之间连线的夹角。
4.根据权利要求3所述的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法，其特征在于，β值的计算公式为：
其中，dS-Y为源节点、邻居节点之间的距离，dS-D为源节点、目的节点之间的距离，dY-D为邻居节点、目的节点之间的距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法，其特征在于，所述S30步骤中，所述源节点在睡眠时隙发送的信标存储在缓存区，当需要发送ACK信标时，所述源节点从缓存区提取该信标并修改类型。
6.根据权利要求1所述的一种基于多模场域网的邻居关系维护方法，其特征在于，S50步骤中，所述丢包率包括上行丢包率和下行丢包率，计算公式分别如下：
其中，PLRUP表示上行丢包率，LastUpSndCnt表示在上个路由周期的上行发送同步信标帧个数，LastUpRcvCnt表示在上个路由周期的上行接收同步信标帧个数；PLRDown表示下行丢包率，LastDownSndCnt表示在上个路由周期的下行发送同步信标帧个数，LastDownRcvCnt表示在上个路由周期的下行接收同步信标帧个数。
7.一种基于多模场域网的邻居关系维护方法，其特征在于，对权利要求1-6中任一项所述的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法得到的邻居关系进行维护，包括以下步骤：
S100：如果父节点未收到子节点的数据包，统计邻居节点的MAC地址以及从邻居收到的最新数据包的时间标识；
S200：判断未收到数据包的时间间隙是否超过节点的睡眠时隙的时间，如是，执行S300，否则执行S500；
S300：对未收到数据包的网络节点设置不同的故障恢复时间；
S400：在故障恢复时间结束后，父节点向子节点发送数据包，判断子节点是否收到数据包，若是，执行S500，否则执行S600；
S500：在父节点的邻居列表中保留该节点信息；
S600：删除邻居列表中的该节点信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于多模场域网的邻居关系维护方法，其特征在于，所述故障恢复时间的计算公式为：
T(Bi)＝T±kBi，
Bi＝∑i∈N(n(i)/n)，
其中，T为时间常量，k为重要性系数，为一个常数，Bi为网络节点i的介数，n表示网络中全部的最短路径数量，n(i)表示经过节点i的最短路径数量。
9.一种基于多模场域网的邻居关系更新方法，其特征在于，对权利要求1-6中任一项所述的一种基于多模场域网的邻居关系建立方法得到的邻居关系进行更新，包括以下步骤：
S 1000：对多模场域网内的各网络节点设置定时器，并设定相同初始值；
S2000：各网络节点的定时器通过递减步长从初始值开始递减，若网络节点的定时器递减为0，对该网络节点的情况进行判断；
S3000：设定更新网络节点的触发条件，当网络节点不满足通信需求、存在更优的父节点、负载超过设定的阈值中任意一个条件成立，则触发父节点的邻居关系更新。
10.根据权利要求9所述的一种基于多模场域网的邻居关系更新方法，其特征在于，所述S2000步骤中，所述网络节点根据重要性、通信频次设置不同的递减步长，网络节点的重要性、通信频次越高，则递减步长越大。
Priority Applications (1)
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2023
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| CN116847474B (zh) * | 2023-09-01 | 2024-01-26 | 北京智芯微电子科技有限公司 | 基于csma协议的数据传输方法、装置、通信设备及电力系统 |
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