一种基于时间脉冲源的混合路由协议的实现方法与流程

1.本发明属于通信技术领域，尤其是涉及一种基于时间脉冲源的混合路由协议的实现方法。


背景技术：

2.无线自组织网络即manet(mobile ad hoc network)，是一种不同于传统无线通信网络的技术。传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统、民用领域中也具有广阔的应用，如发生地震、水灾后的营救等。
3.无线自组网根据路由的发现策略，分为主动式路由和按需路由。主动路由实时的维护全网中的路径，为网络中的数据包提供尽可能多的路由信息。同时大量的控制开销使得主动路由协议在自组网络中占用太多的传输带宽资源，无法适用于大规模组网场景。
4.按需路由协议中，业务数据的产生会激发相应路由的寻路过程。并且在数据传输过程中，路由的维护也是按需进行的，即业务数据的停止也会引起路由维护的终止，不会产生过多的控制开销。但是随着自组网按需距离矢量（aodv）路由协议、动态源路由（dsr）协议等按需路由协议的普及和研究，暴露的问题也越发明显，即按需的机制会在很大程度上增大数据包端到端的传输延时，并且引起较大的时延波动。
5.如何平衡网络路由开销、延时开销，为系统提供大容量、低延时、高动态的自组网路由协议是本发明主要解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明旨在提出一种基于时间脉冲源的混合路由协议的实现方法，克服主动式、按需式路由协议的不足，更好的解决了主动式路由协议泛洪的抑制问题，同时避免了按需式路由协议端到端的延时问题，更好的解决了大规模移动自组网，网络扑拓结构快速变化、网络节点规模大的问题。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于时间脉冲源的混合路由协议的实现方法，包括：路径树建立阶段：包括脉冲节点和非脉冲节点，脉冲节点在上电后向各个非脉冲节点周期性发送脉冲消息，各个非脉冲节点在接收到脉冲消息后建立一条自当前非脉冲节点到脉冲节点的单向路径树；路径请求阶段：非脉冲节点有数据请求时，此时有数据请求的非脉冲节点成为源节点，源节点通过单向路径树向脉冲节点回复带目的地址的脉冲回复消息，脉冲节点在接收到脉冲回复消息后进行路径寻址，同时建立脉冲节点到源节点的反向路径树；目的节点收到带目的地址的脉冲消息，沿路径树向脉冲节点单播脉冲回复消息到脉冲节点，同时建
立脉冲节点与目的节点之间的反向路径树；数据传输及优化传输阶段：目的节点到脉冲节点的路径树上的节点收到脉冲回复消息后，判断是否存在到达源节点的路径，如果存在则将脉冲回复消息转发给脉冲节点和源节点，通知源节点存在路由路径；源节点收消息后，建立源节点到目的节点的路由路径，再有数据请求时，直接沿着路由路径发送数据到目的节点，如果不存在路由路径则继续按照源节点
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脉冲节点
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目的节点的路径树进行数据传播；目的节点到脉冲节点的路径树周围1跳内的节点，收到目的节点回复的脉冲回复消息时，判断是否有到源节点1跳可达的路径，如果存在，单播回复快速响应消息给源节点，通知源节点存在路由路径；源节点收快速响应消息后，建立源节点到目的节点的路由路径，再有数据请求时，直接沿着路由路径发送数据到目的节点，如果不存在路由路径则继续按照源节点
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脉冲节点
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目的节点的路径树进行数据传播；数据传输及优化传输阶段如果不存在路由路径，传播路线为：源节点
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脉冲节点
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目的节点；如果存在一条路由路径则按照路由路径传播，如果存在多条路由路径则通过源节点判断选取出多条路由路径中的最短路径，即为最优路径；进一步的，获得到达目的节点最优路径的方法为：首先定义目的节点
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脉冲节点之间的路径树为树上节点，不在树上的脉冲节点为非树上节点，脉冲回复消息在沿树上节点传播时，路径树周围1跳的节点也会收到脉冲回复消息，路径树周围1跳内的节点收到脉冲回复消息后判断是否存在1跳可达源节点的路径，如果存在，单播回复快速响应消息给源节点，通知源节点存在最短路径，源节点收到存在快速响应消息后，再有数据请求时，直接沿着该路由路径发送数据到目的节点。
8.进一步的，当存在多条路由路径时，通过源节点判断选取出多条路由路径中的最短路径，即为最优路径。
9.进一步的，各个非脉冲节点以脉冲节点作为路由控制包、数据包的同步基准，路由协议以脉冲周期为最小通信单元，在一个脉冲周期内按照时间比例分为上电、脉冲传播、脉冲回复、数据传输四个阶段；上电阶段用于避免各个非脉冲节点之间的时间误差，非脉冲节点可以提前开启接收，等待接收脉冲消息；在脉冲传播阶段，脉冲节点广播脉冲消息，同时非脉冲节点接收脉冲消息并建立到脉冲节点的单向路径树；在脉冲回复阶段，有路由请求的节点在接收到脉冲消息后，沿路径树单播脉冲回复消息，向脉冲节点请求路径；在数据传输阶段，源节点向路径树上发送数据，经过路径树的传播将数据传播到目的节点。
10.进一步的，节点上电后根据预设值判断是否成为脉冲节点；预设值为多个等级，最高等级的节点会在第一时间发送脉冲消息；如果节点收不到脉冲消息，会根据自己的等级在规定的时间发送脉冲消息成为脉冲节点。
11.进一步的，路径树建立阶段包括以下步骤：a1、脉冲节点按照固定的周期发送脉冲消息，脉冲消息包括时间信息，用于各个非脉冲节点进行时间同步；
a2、非脉冲节点根据上一次接收到的脉冲间隔判断下一次进入上电阶段的时间，在规定的时间进入接收状态，其他的时间处于非活跃状态，此时节点可以进入休眠状态以节省电量；如果节点是第一次开机，需要判断自身是否是脉冲节点，如果为非脉冲节点直接进入上电阶段，等待脉冲消息；a3、非脉冲节点收到脉冲消息后，根据脉冲消息的序号、链路度量进行判断，当脉冲序号最新或脉冲序号与脉冲节点序号相同但是链路度量小时，进行路径树路径保存同时转发脉冲，该过程需要在脉冲传播阶段规定的时间内完成，同时要确保脉冲消息到达网络内的每个节点；a4、经过上述过程，非脉冲节点建立出一条到脉冲节点的单向路径树。
12.进一步的，路径请求与数据传输及优化传输包括以下方法：b1、源节点有数据请求时，判断是否存在可用路径，有则在数据传输阶段发送数据到脉冲节点，此时如果有路由路径则将数据通过路由路径上的路由节点发送至目的节点，如果没有进入步骤b2；b2、源节点判断当前是否处于脉冲回复阶段，如果处于则向脉冲节点回复带目的地址的脉冲回复消息，以请求路径，并在数据传输阶段沿着路径树将数据发送到脉冲节点，如果不在进入步骤b3；b3、源节点判断当前是否处于数据传输阶段，如果是则直接沿着路径树将数据发送到脉冲节点；如果不在脉冲回复阶段，当节点进入脉冲回复阶段后向脉冲节点回复带目的地址的脉冲回复消息，请求路径，并在数据传输阶段沿着路径树将数据发送到脉冲节点；b4、源节点到脉冲节点的路径上的路径树上节点会转发脉冲回复消息或者数据消息，将相应的消息单播给路径树上的其他节点，直到消息到达目的节点；b5、源节点到脉冲节点的路径树上周围1跳内的节点，收到源节点脉冲回复消息时,在路由表中建立到源节点的路由路径；b6、脉冲节点收到带目的地址的脉冲回复消息，或者收到数据消息都会在下一个脉冲周期发送带目的地址的脉冲消息，进行路径寻址；b7、所有非脉冲节点节收到带目的地址的脉冲消息，完成“建立路径树”中的过程，实现路径树的重建；b8、目的节点收到带目的地址的脉冲消息，在脉冲回复阶段沿着路径树向脉冲节点单播脉冲回复消息，建立目的节点到脉冲节点的双向路径；b9、目的节点到脉冲节点的路径树周围1跳内的节点，收到脉冲回复消息时，判断是否有到源节点1跳可达的路径，如果存在，单播回复快速响应消息给源节点，通知源节点存在最短路径；b10、源节点收到快速响应消息后或者其他节点转发的目的节点的脉冲消息后，再有数据请求时，直接沿着最短路径发送数据到目的节点，如果没收到快速响应消息，则继续按照源节点
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脉冲节点
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目的节点的路径进行数据传播。
13.相对于现有技术，本发明所述的一种基于时间脉冲源的混合路由协议的实现方法具有以下有益效果：（1）本发明更好的解决了由于主动路由协议与被动路由协议泛洪导致的开销大的
问题，不适用于大规模节点的情况，解决了被动路由协议端到端延时大问题，本方案更适合网络扑拓结构快速变化、网络节点规模大的情况；（2）本发明提出的路由协议采用基于脉冲节点的同步机制，以脉冲周期为单元，把一个脉冲单元划分为四个阶段，每个阶段在固定的时间内进行，路由协议控制的开销只与前三个阶段分配的时间有关，与路由节点数无关，该方法增加了路由协议的延展性，解决了大规模组网问题；（3）本发明提出的路由协议采用基于时间脉冲源的混合路由协议的实现方法，主动维护路径树，按需生成源节点到目的节点的路径，在源节点没有路径的情况下，也可以直接沿着路径树方向提前发送数据，避免了按需路由协议端到端延时大的问题；（4）本发明提出的路由协议，在路由路径发现过程中，最大化的应用了路径发现消息，在不增加路由开销的情况下，可以查找到最优路由路径，避免了采用传统路径树方式无法查找到最短路径的问题；（5）本发明提出的路由协议，采用优先级的方式配置脉冲节点，简化了节点选取过程，避免了节点选取的路由开销，缩短了路由组网时间。
附图说明
14.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明路由协议阶段划分示意图；图2是本发明路由协议一个脉冲周期后建立的路径树示意图；图3是本发明路由协议源节点有数据请求发送脉冲回复消息后建立的路径树示意图；图4是本发明路由协议目的节点发送脉冲回复后建立的路径树示意图；图5是本发明的源节点路径请求处理流程示意图；图6是本发明的目的节点实现路径建立流程的处理过程、以及建立最短路径的流程示意图。
具体实施方式
15.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
16.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
17.本方案中，各个非脉冲节点以脉冲节点作为路由控制包、数据包的同步基准，路由协议以脉冲周期为最小通信单元，在一个脉冲周期内按照时间比例分为上电、脉冲传播、脉冲回复、数据传输四个阶段，具体的实现方法如下：步骤x1：整个系统以脉冲节点作为路由控制包、数据包的同步基准，路由协议以脉冲周期为最小通信单元，在一个脉冲周期内按照时间比例分为上电、脉冲传播、脉冲回复、数据四个阶段。
18.步骤x2：上电阶段主要是为避免不同节点的时间误差，节点可以提前开启接收，等待接收脉冲消息。
19.步骤x3：脉冲传播阶段表示脉冲节点广播脉冲消息、其他节点接收脉冲消息建立到脉冲节点的路径树。
20.步骤x4：脉冲回复阶段表示有路由请求的节点，在接收到脉冲消息后，沿路径树单播脉冲回复消息，向脉冲节点请求路径。
21.步骤x5：数据传输阶段表示源节点向路径树上发送数据，经过路径树的传播将数据传播到目的节点。
22.步骤x6：上述四个阶段的触发条件均以收到脉冲节点的脉冲消息开始计时，每个节点在本阶段规定时间内进行相应阶段，协议从时间上将路由控制消息与数据进行了严格的划分。
23.基于时间脉冲源的混合路由协议的实现方法：（1）脉冲节点的选取：节点上电后根据预设值判断是否成为脉冲节点；预设值为多个等级，最高等级的节点会在第一时间发送脉冲消息；如果节点收不到脉冲消息，会根据自己的等级在规定的时间发送脉冲消息成为脉冲节点。
24.（2）建立路径树：步骤y1： 脉冲节点按照固定的周期发送脉冲消息，脉冲消息包括时间信息，用于各个节点进行时间同步。
25.步骤y2：非脉冲节点根据上一次接收到的脉冲间隔判断下一次进入上电阶段的时间，在特点的时间进入接收状态；其他的时间处于非活跃状态，此时节点可以进入休眠状态以节省电量；如果节点是第一次开机，需要判断是否是脉冲节点，如果为非脉冲节点直接进入上电阶段，等待脉冲消息。
26.步骤y3：节点收到脉冲消息后，根据脉冲消息的序号、链路度量进行判断，当脉冲序号最新或脉冲序号与源脉冲序号相同但是链路度量小时，进行路径树路径保存同时转发脉冲。该过程需要在脉冲传播阶段规定的时间内完成，同时要确保脉冲消息到达网络内的每个节点。
27.步骤y4：经过上述过程，非脉冲节点会建立一条到脉冲节点的单向路径树。
28.（3）路径请求与数据传输及优化传输：步骤z1：源节点有数据请求时，判断是否存在可用路径，有则在数据传输阶段发送数据到路由节点或者目的节点；如果没有进入步骤b3。
29.步骤z2： 源节点判断是否在脉冲回复阶段，如果在则向脉冲节点回复带目的地址的脉冲回复消息，请求路径，并在数据传输阶段沿着路径树将数据发送数据到目的脉冲节点，如果不在进入步骤c3。
30.步骤z3： 源节点判断是否在数据传输阶段，如果是则直接沿着路径树将数据发送到脉冲节点，如果不在脉冲回复阶段，当节点进入脉冲回复阶段后向脉冲节点回复带目的地址的脉冲回复消息，请求路径，并在数据传输阶段沿着路径树将数据发送到目的节点。
31.步骤z4：路径树上的节点会转发脉冲回复消息或者数据消息，将相应的消息单播给树上的其他节点，直到消息到达脉冲节点。
32.步骤z5：脉冲到带目的地址的脉冲消息，或者收到数据消息都会在下一个脉冲周
期发送带目的地址的脉冲消息，进行路径寻址。
33.步骤z6： 所有非脉冲节点接收到带目的地址的脉冲消息，完成“建立路径树”中的过程，实现路径树的重建；步骤z7：目的节点收到带目的地址的脉冲消息，在脉冲回复阶段沿着路径树向源节点单播脉冲回复消息到源节点建立双向路径。
34.步骤z8：路径树上面的节点收到脉冲回复消息，判断是否存在到达源节点的路径，如果存在则将脉冲回复消息单播给源节点同时也转发给源节点。
35.步骤z9：路径树周围1跳内的节点，收到脉冲回复消息时，判断是否有到源节点1跳可达的路径，如果存在，单播回复快速响应消息给源节点，通知源节点存在最短路径。
36.步骤z10：源节点收到快速响应消息后，再有数据请求时，直接沿着最短路径发送数据到目的节点；如果没收到快速响应消息，则参见步骤a3进行下一轮数据发送过程。
37.下面结合附图对一种基于时间脉冲节点的混合路由协议的设计方法的实施过程做进一步的描述：图1是基于脉冲节点路由协议的脉冲周期单元内各个阶段的详细划分。
38.其中前三个阶段是路由协议控制命令占用的带宽时间，最后一个阶段是数据传输阶段（包括：数据接收、数据发送）占用的带宽时间。比如：一个脉冲周期为1秒，前三个阶段占用100毫秒、第四个阶段占用900毫秒为例。那么路由协议占用整个带宽资源的10%，这个开销是固定的，与网络中的节点数无关。
39.图2是脉冲节点发送脉冲消息后，网络中的各个节点建立的路径树示意图。
40.步骤v1：脉冲节点周期性发送脉冲消息；步骤v2：网络中的各个节点，在接收到脉冲消息后均可以建立唯一的到达脉冲节点的单向最优路径树；步骤v3：网络上的节点可以按照脉冲周期，周期性的重建路径树，确保路径树实时的可用性。
41.经过上述过程后网络中节点会建立到达脉冲节点的路径树，比如节点5到达脉冲节点的路径是5
‑4‑
1；节点7到达脉冲节点的路径是7
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1。
42.图3是源节点有数据请求后，单播脉冲回复消息后形成的反向路径示意图。
43.步骤u1：源节点按照第一箭头7
‑6‑
1路径树单播脉冲回复消息给脉冲节点；步骤u2：源节点与路径树上面的节点均会建立了一条第三箭头所示方向的路径，比如路径树节点6、1会建立6
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7、1
‑6‑
7的到达源节点的反向路径；步骤u3：路径树上面1跳的节点，利用接收到的脉冲回复消息，会建立起第二箭头所示的路径，此过程不增加网络路由开销，比如路径树周围1跳节点8、5会分别建立8
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7、5
‑6‑
7的到达源节点的反向路径。
44.图4是目的节点接收到脉冲消息后，回复脉冲回复消息后形成的反向路径示意图。
45.步骤t1：目的节点按照第一箭头11
‑
10
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1路径树单播脉冲回复消息给脉冲节点；步骤t2：目的节点与路径树上面的节点均会建立了一条第三箭头所示方向的路径，比如路径树上面节点10、9、1会建立10
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11、9
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10
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11、1
‑9‑
10
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11的到达目的节点的反向路径；步骤t3：路径树外1跳的节点，利用接收到的脉冲回复消息，会建立起第二箭头所
示的路径，此过程不增加网络路由开销，比如节点8会建立8
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11的反向路径；步骤t4：节点8存在到达目的节点的最短路径，会单播快速回复消息给源节点，此时建立起第四箭头7
‑8‑
11所示的最短路径。
46.图5、6是源节点有数据请求时建立到达目的节点路径以及实现数据优化传输的流程图。在图5与图6中详细介绍了源节点、脉冲节点、路径树上节点、路径树周围1跳节点、目的节点的处理过程。
47.图5是本发明的源节点路径请求处理流程示意图，具体方案如下：源节点有数据请求时，判断是否在脉冲回复阶段；如果在，则沿路径树单播带目的地址的脉冲回复消息；路径树上的节点收到带目的地址的脉冲回复消息，建立到达源节点的反向路径，并转发消息，直到脉冲节点收到带目的地址的脉冲回复消息，此时脉冲节点建立到达源节点的反向路径，并在下一个脉冲周期发送带目的地址的脉冲消息；路径树周围一跳节点收到带目的地址的脉冲回复消息，建立到达源节点的反向路径。
48.如果不在，判断是否在数据传输阶段，如果在，则沿路径树单播数据到脉冲节点，如果不在，则等待到达数据传输阶段发送数据。
49.图6是本发明的目的节点实现路径建立流程的处理过程、以及建立最短路径的流程示意图，具体方案如下：目的节点收到带目的地址的脉冲消息，判断是否在脉冲回复阶段；如果在，则沿路径树单播带目的地址的脉冲回复消息；路径树上的节点收到带目的地址的脉冲回复消息，建立到达目的节点的反向路径，并转发消息，直到脉冲节点收到带目的地址的脉冲回复消息，此时脉冲节点建立到达目的节点的反向路径；路径树周围一跳节点收到带目的地址的脉冲回复消息，建立到达目的节点的反向路径，然后判断是否存在最短路径，如果存在，回复快速响应消息给源节点，源节点收到快速响应消息后建立到达目的节点的最短路径，如果不存在，则不做任何处理，结束判断最短路径流程。
50.如果不在，则等待到达脉冲回复阶段；本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
51.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
52.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
53.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。