一种基于无信标转发技术的轻量化快速组网机制实现方法

1.本发明属于网络协议技术领域，具体涉及一种基于无信标转发技术的轻量化快速组网机制实现方法。


背景技术：

2.在无线通信领域，无信标转发技术是一种以低开销和快速组网为显著特征的路由协议，广泛应用于高动态信息采集环境，如无人机网络、智能交通系统以及移动物联网等。该技术通过消除定期的信标广播，减轻了网络开销和能耗，提升了系统的可扩展性。
3.尽管无信标转发技术具有以上优点，但在实际运用中，由于其数据转发交互过程的复杂性，该技术往往会导致较大的网络开销。尤其在高度动态的网络环境下，节点的频繁移动可能会引发频繁的路由更新，这将进一步加重网络负载。另外，由于路由更新和数据转发需经过多个中继节点，传输延迟往往较长，这可能会对实时数据采集和处理产生负面影响。
4.此外，当前的无信标转发技术面临的另一个主要挑战是网络初始组建和新节点接入过程。在这两个过程中，需要对网络拓扑结构进行大量计算和更新，这将对网络开销和复杂性产生显著影响。
5.因此，对于高动态网络的数据采集场景，存在对一种能有效降低网络开销，减少传输延迟，并提高网络稳定性和可扩展性的快速组网机制的迫切需求。这种机制应该能充分考虑网络初始组建过程和新节点接入过程。然而，现行的技术并未提供一个完全满足这些需求的解决方案。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于无信标转发技术的轻量化快速组网机制实现方法，设计了一种轻量化快速组网机制，能够有效简化网络组建与新节点入网流程，减小组网与入网的复杂度与网络开销，提高无信标转发的通信效率，实现更为轻量化的组网与入网功能。
7.本发明的技术方案为：一种基于无信标转发技术的轻量化快速组网机制实现方法，具体步骤如下：
8.s1、地面站发起并完成第一次网络组建；
9.s2、未加入的移动节点字形申请加入网络，完成组网。
10.进一步地，所述步骤s1具体如下：
11.以地面站为源节点进行快速组网，在初始状态下，完成首次通信网络的建立。
12.地面站首先开始广播网络组建报文，报文包括地面站的ip和地理位置，移动节点第一次收到报文后，首先读取其中信息并记录，然后广播转发该网络组建报文；每个移动节点只在第一次收到网络组建报文后对其进行广播转发以避免广播风暴。
13.广播转发网络组建报文后，移动节点设置一个随机长度在0-1ms的入网时延，在时
延倒计时结束后生成信息回复报文发向地面站，信息回复报文包括移动节点的ip和地理位置信息。
14.地面站收到移动节点的信息回复报文后，根据组建网络的预估规模设置组网结束时延，在时延结前，若继续收到新移动节点的信息回复报文，则重置继续进行组网操作，并重置入网结束时延；若时延结束后，认为收到新的信息回复报文，则视为所有节点已经入网，第一次网络组建结束，组网完成。
15.进一步地，所述步骤s2具体如下：
16.以移动节点为源节点进行快速入网，步骤s1中网络组建完成后，当有新的移动节点想要加入网络时，需要进行节点接入。
17.未入网的移动节点作为入网任务的发起节点时，节点接入网络需要向地面站提出申请，告知地面站自己的位置和ip，同时获得地面站的入网许可，并获得地面站的位置和ip。
18.中继节点收到申请信息后，直接将请求入网报文向地面站进行转发，直至地面站收到该入网请求报文。地面站收到请求入网报文后，记录请求入网节点的ip和位置，并向请求入网节点发送信息回复报文。收到回复报文的中继节点再次进行转发，直至未入网的移动节点收到回复报文。未入网的移动节点收到信息回复报文后记录地面站信息，节点接入成功，完成入网。
19.进一步地，所述步骤s1、s2中，所述报文包括一种适配于轻量化组网入网方法的报文交互规则，具体如下：
20.基于网络组建规则与节点接入规则，包括三种不同类型的报文：网络组建报文、信息回复报文、请求入网报文。
21.三种类型的报文分别对应三种类型的通信需求：地面站的网络组建需求，目的站或节点的信息确认与回复需求，未入网移动节点的请求入网需求。
22.其中，网络组建报文和请求入网报文作为发起节点所使用的报文，只需携带源节点的ip和地址信息；而信息回复报文作为接收方的应答报文，需要同时携带源节点与目的节点的ip和地址信息，与前两者在结构上存在一定差异。
23.所述报文结构中每一字段的含义具体如下：
24.version：协议版本字段，用于适配与此轻量化快速组网协议相匹配的可选值分别为：0，基础版本lcp协议；1，交互方式自适应lcp协议；2，转发区域自适应lcp协议。组网入网阶段均使用基础版本lcp。
25.packet type：指示不同的数据包类型，网络组建报文为0，信息回复报文为1，请求入网报文为2。
26.ip与location：网络组建报文中，ip与location为地面站的信息；信息回复报文中，第一对ip与location为接收此消息节点的信息，第二对ip与location为发送此消息节点的信息；请求入网报文中，ip与location为未入网的移动节点信息。
27.本发明的有益效果是：本发明的方法设计了一种基于无信标转发技术的轻量化快速组网机制，通过地面站发起并完成第一次网络组建，然后未加入的移动节点字形申请加入网络，完成组网。本发明的方法针对高动态信息采集场景的特点，基于地理位置的无信标转发组网协议和一种适配于轻量化组网入网方法的报文交互规则，设计了轻量化快速组网
机制，相较于实现相同功能的aodv协议与boss协议，在组网时间等方面有显著的提升，减小了组网与入网的复杂度与网络开销，实现了更为轻量化的组网与入网功能。
附图说明
28.图1为本发明的一种基于无信标转发技术的轻量化快速组网机制实现方法的流程图。
29.图2为本发明实施例中以地面站为源节点的快速网络组建流程图。
30.图3为本发明实施例中快速网络组建机制示意图。
31.图4为本发明实施例中以移动节点为源节点的快速入网流程图。
32.图5为本发明实施例中交互报文结构示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例中进一步说明本发明的方法。
34.如图1所示，本发明的一种基于无信标转发技术的轻量化快速组网机制实现方法流程图，具体步骤如下：
35.s1、地面站发起并完成第一次网络组建；
36.s2、未加入的移动节点字形申请加入网络，完成组网。
37.在本实施例中，所述步骤s1具体如下：
38.如图2所示，以地面站为源节点进行快速组网，在初始状态下，完成首次通信网络的建立。
39.如图3所示，本实施例中地面站s作为网络组建任务的发起节点，而移动节点0，1，2，3，4，5承担接收与回复任务。地面站s首先开始广播网络组建报文，报文包括地面站的ip和地理位置，移动节点第一次收到报文后，首先读取其中信息并记录，然后广播转发该网络组建报文；为了避免广播风暴，每个移动节点只在第一次收到网络组建报文后对其进行广播转发。
40.广播转发网络组建报文后，移动节点设置一个随机长度在0-1ms的入网时延，在时延倒计时结束后生成信息回复报文发向地面站，信息回复报文包括移动节点的ip和地理位置信息。
41.其中，设置时延的目的是为了减少组网时的信道争用，尽可能避免回复信息失败与重复传输。
42.地面站收到移动节点的信息回复报文后，根据组建网络的预估规模设置组网结束时延，在时延结前，若继续收到新移动节点的信息回复报文，则重置继续进行组网操作，并重置入网结束时延；若时延结束后，认为收到新的信息回复报文，则视为所有节点已经入网，第一次网络组建结束，组网完成。
43.对于地面站而言，由于移动节点的地理位置会附带于lcp报文头部，随着数据消息发送给地面站，因此地面站本地存储的节点位置表中会不断更新节点位置，保证下行网络的持续畅通。
44.对于移动节点而言，如果地面站位置是固定的，那么仅需要网络组建时地面站的一次报文广播即可一直维持有效的地面站位置。如果地面站存在移动的情况，则会在移动
的过程中周期性广播网络组建报文，以保证移动节点存储地面站的准确位置
45.在本实施例中，所述步骤s2具体如下：
46.以移动节点为源节点进行快速入网，步骤s1中网络组建完成后，当有新的移动节点想要加入网络时，需要进行节点接入，接入过程如图4所示。
47.未入网的移动节点作为入网任务的发起节点时，节点接入网络需要向地面站提出申请，告知地面站自己的位置和ip，同时获得地面站的入网许可，并获得地面站的位置和ip。
48.中继节点收到申请信息后，直接将请求入网报文向地面站进行转发，直至地面站收到该入网请求报文。地面站收到请求入网报文后，记录请求入网节点的ip和位置，并向请求入网节点发送信息回复报文。收到回复报文的中继节点再次进行转发，直至未入网的移动节点收到回复报文。未入网的移动节点收到信息回复报文后记录地面站信息，节点接入成功，完成入网。
49.在本实施例中，所述步骤s1、s2中，所述报文包括一种适配于轻量化组网入网方法的报文交互规则，具体如下：
50.根据网络组建规则与节点接入规则，需要三种不同类型的报文，才能支持轻量化快速组网机制正常工作，具体包括：网络组建报文、信息回复报文、请求入网报文。三种类型的报文分别对应三种类型的通信需求：地面站的网络组建需求，目的站或节点的信息确认与回复需求，未入网移动节点的请求入网需求。
51.如图5所示，根据报文的不同类型与作用，其结构与内容也有所区别。
52.其中，网络组建报文和请求入网报文作为发起节点所使用的报文，只需携带源节点的ip和地址信息；而信息回复报文作为接收方的应答报文，需要同时携带源节点与目的节点的ip和地址信息，与前两者在结构上存在一定差异。
53.所述报文结构中每一字段的含义具体如下：
54.version：协议版本字段，用于适配与此轻量化快速组网协议相匹配的可选值分别为：0，基础版本lcp协议；1，交互方式自适应lcp协议；2，转发区域自适应lcp协议。组网入网阶段均使用基础版本lcp。
55.packet type：指示不同的数据包类型，网络组建报文为0，信息回复报文为1，请求入网报文为2。
56.ip与location：网络组建报文中，ip与location为地面站的信息；信息回复报文中，第一对ip与location为接收此消息节点的信息，第二对ip与location为发送此消息节点的信息；请求入网报文中，ip与location为未入网的移动节点信息。
57.综上，本发明的方法针对高动态信息采集场景的特点，基于地理位置的无信标转发组网协议和一种适配于轻量化组网入网方法的报文交互规则，设计了轻量化快速组网机制，减少了组网与入网流程与开销，进而减少组网时间，以达到实现快速组网与入网的目的，经仿真实验验证，相较于实现相同功能的aodv协议与boss协议，本发明的方法所提出的轻量化快速组网机制在组网时间等方面有显著的提升。
58.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各
种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。