无线自组织网络中自适应核心转发网络的建立系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种无线自组织网络中自适应核心转发网络的建立系统，包括天线、无线电收发机、自组织网络控制器和上位机，所述天线和无线电收发机双向通信连接，所述无线电收发机和自组织网络控制器双向通信连接，所述自组织网络控制器和上位机双向通信连接。提出在DSP中实现完整的物理层，媒体控制层以及网络层协议。通过使用DSP对数字信号处理的灵活性，可以把整个硬件和网络协议封装在独立的自组织网络控制器内，终端用户只需连接该控制器到上位机，就可以直接进行应用开发，而无需考虑具体的组网过程。从而达到降低网络风暴发生的目的。
【专利说明】
无线自组织网络中自适应核心转发网络的建立系统
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及通信技术领域，具体地，涉及一种无线自组织网络中自适应核心 转发网络的建立系统。
【背景技术】
[0002] 无线自组织网络是一种无中心的，完全分布式的网络。不同于传统的具有主从结 构的网络，无线自组织网络中的节点与节点之间没有相互的依赖关系，任何节点都有能力 接收信息，也可以对接收到的信息进行转发。如果通信的双方节点不在点对点的直接无线 通信距离内，消息可以从源节点出发，通过中间节点进行多次转发，最终到达目的节点。这 种通信方式的使用，可以消除传统网络中对基站节点的依赖，以实现完全分布式部署的目 标。但是，多跳工作方式的基础，是在从源节点到目的节点的路径上的中间节点，都已经具 有相应的路由表，即每个节点都知道将消息转发给某个特点的邻居节点，通过该邻居节点 的转发，消息可以正确到达目的地。由于在无线多跳网络中不存在固定的中心管理单元，每 个节点在网络刚初始化的时候不具有这种路由表。无线多跳网络需要相应的路由协议来完 成路由表的建立。
[0003] 由于没有中心管理单元存在于无线多跳网络中，当一个节点需要在网络中建立一 条到达另外一个节点的多跳路径时，一般会使用广播的方式进行询问。网络中其他节点对 路由询问进行不断地转发广播，直到该询问被目的节点收取。目的节点作出相应的回应后， 从源节点到目的节点路径上所需要的其它节点可以建立正确的路由信息，源节点才开始发 送数据。广播消息的使用在路由建立，或者是询问其它节点的过程中有着重要的作用，可以 帮助无中心网络中的节点尽最大努力获取想要的信息。但是如果网络中节点数量过多，并 且每个节点都参与到转发广播的过程中时，广播的效率会变得非常低，同时也影响正常的 数据通信。值得注意的是，无线通信不同于有线通信的一个重要特点是当一个节点发送信 息时，处于该节点直接通信距离内的节点都可以收到通信的内容。图1简要演示了无线多跳 网络中各个节点对广播信息的接收和转发。
[0004] 图1中，能通过箭头相连的节点表示处于互相的直接通信距离内。处于相邻两条实 线上的对应节点处于最大直接通信距离内，相同地，在相邻两条虚线上的对应节点也处于 最大直接通信距离内。在相邻的实线和虚线上对应位置的节点处于双方通信距离以内（假 设相当于最大通信距离的一半）。如果没有适当的优化措施，所有节点都会参与到广播中 来。比如节点1开始第一次广播，节点2, 3, 4收到后进行广播转发，该转发会被节点1，11， 7，12，8，13收到。节点11，7，12，8，13再进行广播转发，此时图中除了节点1，其他 所有节点都会收到本次广播转发。
[0005] 所有的节点参与到广播中来，虽然可以确保所有的节点都收到信息，但是会导致 网络风暴的产生。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种无线自组织网络中自适应核心 转发网络的建立系统，以实现降低网络风暴发生的优点。
[0007] 为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
[0008] 一种无线自组织网络中自适应核心转发网络的建立系统，包括天线、无线电收发 机、自组织网络控制器和上位机，所述天线和无线电收发机双向通信连接，所述无线电收发 机和自组织网络控制器双向通信连接，所述自组织网络控制器和上位机双向通信连接。
[0009] 优选的，所述无线电收发机，包括射频接收电路、模数转换电路、数模转换电路和 射频发射电路，所述自组织网络控制器采用DSP芯片电路，所述射频接收电路的输出端与模 数转换电路的输入端连接，所述模数转换电路的输出端与DSP芯片电路的输入端连接，所述 DSP芯片电路的输出端与数模转换电路的输入端连接，所述数模转换电路的输出端与射频 发射电路的输入端连接。
[0010] 本实用新型的技术方案具有以下有益效果：
[0011] 本实用新型的技术方案，通过对无线自组织网络中的节点进行自我判断，从而停 止非核心节点执行转发功能，从而使得信息只要在核心转发网内不断地被转发，就可以保 证网络中所有节点都收到消息。从而达到降低网络风暴发生的目的。本实用新型技术方案 提出在DSP中实现完整的物理层，媒体控制层以及网络层协议。通过使用DSP对数字信号处 理的灵活性，可以把整个硬件和网络协议封装在独立的自组织网络控制器内，终端用户只 需连接该控制器到上位机，就可以直接进行应用开发，而无需考虑具体的组网过程。同时 DSP可以被配置成适用于多种无线电调制模式，比如FSK，ASK等。当无线信号进入自组织网 络控制器后，在控制器内部完成解调，信道解码，帧内容分析，网络协议栈执行等过程。从而 简单的完成无线自组织网络中核心转发网的建立。
[0012] 下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0013] 图1为现有的无线多跳网络中的广播和转发的结构原理框图；
[0014] 图2为采用本实用新型技术方案构造的无线多跳网络的结构原理框图；
[0015] 图3为本实用新型技术方案中第一轮广播后无线多跳网络的结构原理示意图；
[0016] 图4为本实用新型实施例所述的核心转发节点判定流程图；
[0017] 图5为无线自组织网络中自适应核心转发网络的建立系统的原理框图；
[0018] 图6为在可编程DSP模块中实现核心转发网节点的判定算法和相关网络协议的原 理框图。
【具体实施方式】
[0019] 以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优 选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0020] 如图5所示，一种无线自组织网络中自适应核心转发网络的建立系统，包括天线、 无线电收发机、自组织网络控制器和上位机，所述天线和无线电收发机双向通信连接，所述 无线电收发机和自组织网络控制器双向通信连接，所述自组织网络控制器和上位机双向通 信连接。
[0021] 如图6所示，无线电收发机，包括射频接收电路、模数转换电路、数模转换电路和射 频发射电路，所述自组织网络控制器采用DSP芯片电路，所述射频接收电路的输出端与模数 转换电路的输入端连接，所述模数转换电路的输出端与DSP芯片电路的输入端连接，所述 DSP芯片电路的输出端与数模转换电路的输入端连接，所述数模转换电路的输出端与射频 发射电路的输入端连接。
[0022] 本实用新型技术方案思考点味：如果在网络中挑选出某些特定节点，并要求只有 这些节点参与到广播过程中，那么不需要所有节点都进行转发广播，同样可以达到全网广 播的目的。
[0023] 如图2所示的简化过后的全网广播结构。灰色节点7, 8，16，17将不参与广播转 发的过程。因为灰色节点处于其它仍在广播的节点有效覆盖范围内，通过网络中其它节点 的广播转发，灰色节点仍旧可以收到信息，同时由于它们停止执行转发功能，使得网络风暴 的机会大大降低。由其他节点连接起来构成的网络，可以被称为核心转发网。网络信息只要 在核心转发网内被转发，就可以保证网络中所有节点都收到消息。如果灰色节点需要和其 他节点通信，可以把路由请求递交给最近的核心转发网成员节点，利用核心转发网将请求 传递到目的节点，建立起相应的路由表项。
[0024]核心转发网的建立需要节点之间有一定的交互过程。为了更新网络的拓扑信息， 会使用周期性的信息在网络中广播，各个节点通过分析收到的信息来做出判断。当收到的 信息越完整，判断会越准确，也就可以产生核心转发网的建立。核心转发网的建立是基于一 个原则：不参与转发广播的节点，其所有的邻居节点都可以通过其某个邻居节点获得广播 信息。一个节点如果能够判断出在自己的邻居节点中，存在一个或者几个邻居节点，使得所 有其他邻居节点，包括其自身，都可以收到广播信息，那么这个节点就不需要参与到广播转 发过程中。
[0025]本实用新型采用的技术方案是：
[0026] 无线自组织网络中自适应核心转发网络的建立方法，包括以下步骤：
[0027] 步骤1:在无线自组织网络中，使用无线自组织网络中X个节点周期性主动发起全 网广播，下文将X个节点简称为发起节点，其中，广播消息中包含两部分信息，一部分是广播 消息的发起者信息即发起节点信息，另一部分是当前发送广播消息的节点在最近一段时间 内侦听到的邻居节点信息；
[0028] 步骤2:当无线自组织网络的除发起节点外的其他一个节点收到上述广播信息后， 根据该广播消息已经传播的次数，确定当前节点到发起节点之间的最短距离，然后将当前 节点的邻居信息放入到广播消息中的邻居节点地址中；
[0029] 步骤3:对广播消息中的邻居节点地址进行分析，具体为:将邻居节点信息与当前 节点的邻居信息做比较，如，当前节点所有邻居都能被其中一个或者多个邻居节点通过一 次无线通信覆盖到，当前节点就会判断在不影响全网广播的前提下，自己不需要参与到广 播消息的转发，如，不能确保广播消息能经由当前节点的某些邻居节点到达当前节点的全 部邻居节点，当前节点就把自身设为核心转发节点；
[0030] 步骤4:依据步骤1到步骤3中的步骤，经过多次全网广播后，完成无线自组织网络 中每个节点的设定，从而实现自适应核心转发网络的建立。
[0031] 具体为在无线自组织网络中，使用一个或者有限个节点周期性主动发起全网广 播。广播消息中包含两部分信息，一部分是广播消息的发起者信息，另一部分是当前发送广 播消息的节点在最近一段时间内侦听到的邻居节点的信息。当一个节点收到广播信息后， 首先记录广播消息的发起者并进行分析，根据该消息已经传播的次数，确定当前节点到消 息的发起者之间的最短距离。然后将消息的发送者(转发者)放入消息中的邻居节点地址进 行分析。分析过程同时需要当前节点的邻居信息做比较。如果当前节点所有的邻居都可以 被某一个或者几个邻居节点覆盖到，当前节点就会判断自己不需要再进行广播消息的转 发。如果有一个或者多个邻居节点不能确保广播消息可以经由其它邻居节点到达，当前节 点就把自身设为核心转发节点。分析结束后，如果需要对广播消息转发，当前节点需要1)保 留广播消息的发起者信息，2)将最近一段时间内当前节点侦听到的邻居节点信息地址更新 进广播消息，覆盖该消息原本携带的前一个发送者的相关内容，然后行转发。每个节点的邻 居信息可以通过记录收到过的广播消息的发起者(转发者)地址来建立。
[0032] 本方案中采用的数据包格式如表1:
[0033]
[0034]表1、数据包格式表。
[0035]发起者地址:2字节，表示该广播消息的发起者地址；
[0036] 发送者地址:2字节，表示该广播消息的发送者或者是转发者的地址；
[0037] 目的地址:2字节，表示该消息的目的地址，通常为0XFFFF，表示这是广播消息；
[0038] 数据包长度:2字节，表示该数据包的总长度；
[0039] 数据包类型：1字节，表示该数据包类型；
[0040] 发送者类型：1字节，表示该广播消息的发送者或是转发者类型，包括普通转发者， 核心转发者，临时核心转发者，和非转发者；
[0041] 跳数:1字节，表示该数据包已经经过的转发次数；
[0042] 序列号:2字节，表示该数据包的ID;
[0043]发送者邻居节点数量:2字节，表示当前消息中包含多少个消息发送者或者是转发 者的邻居。
[0044]网络中的节点对于是否加入核心转发网的判断的过程依赖于邻居节点和广播消 息的内容，因此需要经过多次全网广播后才能完成。以图3为例，假设节点1是广播消息的发 起者，并且开始第一轮的全网广播。在本次广播中，由于还没有选择出核心转发网的成员节 点，所有节点都将自己标记为普通转发者。同时因为邻居列表也没有建立起来，所以最开始 的时候节点1的广播消息中邻居节点信息长度为〇,相应的邻居节点地址内容也为空。节点1 将消息内容中的跳数设为1，同时对当前消息设定一个序列号。序列号在当前以及之后所有 的从节点1发出的广播消息中是以递增的方式存在，目的是让消息接收者判断消息的唯一 性，防止重复接收后的重复处理。
[0045] 图3中，节点2，3, 4可以直接收到节点1的广播消息，因此节点2,3,4在自身的路 由表中建立路由项，标记到达节点1的距离为1跳，同时将节点1作为邻居节点放入邻居表 中。接下来以节点2为例，由于节点2已经有了节点1作为邻居节点，因此节点2将节点1的信 息放入广播消息中，然后对消息内容中的跳数加1，再将消息进行转发广播。
[0046] 节点2转发的广播消息将被节点7和节点11获取。通过同样的处理，节点11和节点7 可以计算出到达节点1的距离为2。节点11和节点7进行转发广播之前，分别对消息内容中的 跳数加1，并且都将邻居节点信息替换为2。
[0047 ]节点11将再次收到广播消息。通过比较发起者地址和消息序列号，节点11确定该 消息已经被接收过。因此只对该消息进行分析，不进行转发。分析的结果，可以得知节点7是 节点11的邻居，节点7到达节点1的距离为2,节点7有和节点11 一样的邻居节点2。节点11将 信息记录到邻居列表中，然后抛弃该消息。
[0048]广播转发持续进行，直到所有节点都收到广播消息。同时由于节点广播过程有先 后次序，为了确保邻居节点的信息收集完整，整个广播过程需要反复进行，进行的次数由节 点数量决定。
[0049 ]当邻居节点信息收集完整后，每个节点都应该建立了邻居节点信息表。以节点7和 节点12为例，表2和表3展示了这两个节点的邻居节点信息。
[0053]表3、节点12的邻居节点信息表。
[0054]节点7的分析过程为：
[0055] 1、邻居节点2到广播发起者节点1的距离为1，小于节点7到节点1的距离，因此节点 2的广播到达性由到达节点1距离更短的节点负责（当前情况下就是节点1)，因此节点7不考 虑节点2的情况
[0056] 2、邻居节点3的情况和节点2的情况一致，因此节点7不考虑节点3的情况
[0057] 3、邻居节点11到节点1的距离是2,和节点7到节点1的距离一致，因此节点11的广 播到达性应该由到节点1距离更近的节点负责，节点7不需要考虑节点11
[0058] 4、邻居节点16到节点1的距离为3，大于节点7到节点1的距离。进一步分析节点16 的邻居节点，其中节点20和21不是节点7的邻居，所以不考虑这两个节点的有效性。节点7就 是当前节点，也不进行考虑。节点11和12到达节点1的距离都为2,和节点7相同，由于节点11 和12是否会选择成为核心转发网的成员目前还不确定，因此暂时节点7将自己设定为临时 核心转发节点。临时核心转发者仍旧会转发广播消息，直到进一步的信息获取。
[0059] 5、邻居节点12到节点1的距离为2,和节点7到节点1的距离相同，因此节点7不考 虑节点12。
[0060]当前分析完成后，节点7可以产生如下表所示的结果：
[0062]表4、节点7初步分析结果表。
[0063]在之后的广播消息转发过程中，节点7的转发类型为"临时核心转发者"。
[0064]节点12的分析过程：
[0065] 1、邻居节点3到节点1的距离小于节点12到节点1的距离，因此节点12不考虑该邻 居节点
[0066] 2、邻居节点7到节点1的距离等于节点12到节点1的距离，因此节点12不考虑该邻 居节点
[0067] 3、邻居节点8到节点1的距离等于节点12到节点1的距离，因此节点12不考虑该邻 居节点
[0068] 4、邻居节点16到节点1的距离为3,大于节点12到节点1的距离。进一步分析节点16 的邻居节点，其中节点11不为节点12的邻居节点，不对其进行考虑。节点7到节点1的距离和 节点12到节点1的距离相同，当前无法确定节点7是否会成为核心转发网节点。节点12为自 身节点，暂时不考虑。节点20不是节点12的邻居节点，不对其进行考虑。节点21到节点1的距 离为3,大于节点12到节点1的距离，需要注意的是，节点16到节点1的距离也为3,如果节点 16需要由节点21来负责转发，其距离将会变成4,有可能产生循环路由，因此节点16需要由 节点12负责转发。因此，节点12将自身设定为核心转发者。
[0069] 5、邻居节点21到达节点1的距离为3,大于节点12到达节点1的距离。进一步分析节 点21的邻居节点，其中节点12为自身，暂时不考虑。节点16和17都是节点12的邻居节点，且 到达节点1的距离都为3,大于节点12到达节点1的距离。如果节点12不成为核心转发节点， 而由节点16或者17负责转发，那么节点21到达节点1的距离会变成4,导致循环路由，因此节 点12将自身设为核心转发点。
[0070] 6、邻居节点17到达节点1的距离为3,大于节点12到达节点1的距离。进一步分析节 点17的邻居节点，其中节点12为自身节点，暂时不考虑。节点22和13不是节点12的邻居节 点，不考虑。节点8到节点1的距离小于节点12到节点1的距离，但是无法确定节点8是否会成 为核心转发点。节点21到节点1的距离为3,如果由节点21负责节点17的转发，节点17到节点 1的距离将为4，导致路由循环，因此节点12将自身设为核心转发节点。
[0071] 分析结束后，节点12设定为核心转发者。该信息将会被包括到之后节点12转发的 广播信息中。
[0072] 到目前为止，节点7设定自身为临时核心转发者，节点12设定自身为核心转发者。 当下一次全网广播进行后，节点7将会得到节点12的身份信息，并判断出节点12会负责广播 转发，由此节点7的邻居节点16可以被保证广播信息的到达性。因此节点7设定自身为非转 发者，不再对广播消息进行转发。直到以下两种情况之一产生：
[0073] 1、某个节点发起全网广播请求，主动要求更新核心转发网的组成。
[0074] 2、节点7发现有新的节点加入网络，该节点不存在于本节点原有的邻居列表中。
[0075]网络中节点判断自身是否设定为核心转发网节点的流程图如图4所示。
[0076]当一个节点收到广播消息后：
[0077] 1、记录下广播消息的发送或者转发者地址信息，跳数，以及该发送或者转发者的 类型，用以完善邻居表的信息
[0078] 2、如果当前数据包类型是请求更新核心转发网，或者这个广播消息的发送者以前 没有存在于当前节点的邻居列表中，进入核心转发节点判定过程。否则如果当前节点是非 转发者，结束。如果当前节点不是非转发者，准备转发广播。
[0079] 3、进入分析邻居节点广播到达性过程
[0080] 4、邻居节点列表中，如果有节点到达广播发起者的距离小于或者等于当前节点到 达广播发起者的距离，则不考虑这些邻居节点。
[0081] 5、是否还有剩余节点。如果没有剩余节点，则当前节点不需要作为核心转发节点。 如果有剩余节点，进入下一步。
[0082] 6、根据之前的判断，剩余邻居节点到达广播发起者的距离大于当前节点到达广播 发起者的距离。如果每个剩余邻居节点的邻居节点也是当前节点的邻居，并且该邻居被标 记为核心转发节点，则这个剩余邻居节点可以通过核心转发节点接收广播消息。当前节点 无需再考虑该邻居节点。当前节点可以设定为非转发节点。
[0083] 7、如果还有邻居节点不满足步骤6的要求，检查如果通过当前节点的某个邻居节 点到达该不满足要求的邻居节点，是否会增加邻居节点到达广播发起者的距离。如果会增 加距离，则当前节点必须设置为核心转发节点，以防止出现循环路由的情况。如果不会增 加，则当前节点设置为暂时核心转发节点，等待进一步的信息。
[0084] 8、如果当前节点设置为核心转发节点，或者暂时核心转发节点，检查当前广播消 息的发起者信息和消息序列号，如果已经处理过，则不做处理，等待下次广播更新时候发 送，以避免重复处理。如果未处理过，则将当前节点信息和当前节点邻居信息替换广播消息 内的信息，并作转发。过程结束。
[0085]本实用新型提出的广播消息的处理方式和常规的处理方式的不同点在于，节点需 要对广播消息的内容进行处理并在有需要的时候做出替换，而常规的处理方式只需要修改 数据包内容中的跳数信息，然后完整转发出去。因此本实用新型提出的方法在网络层处理 数据时需要专门的处理流程。为了将网络层协议的处理功能和用户应用层区别开来以方便 用户专注于应用开发，本实用新型提出在数字信号处理模块(DSP)中实现完整的物理层，媒 体控制层以及网络层协议。通过使用DSP对数字信号处理的灵活性，可以把整个硬件和网络 协议封装在独立的自组织网络控制器内，终端用户只需连接该控制器到上位机，就可以直 接进行应用开发，而无需考虑具体的组网过程。同时DSP可以被配置成适用于多种无线电调 制模式，比如FSK，ASK等。当无线信号进入自组织网络控制器后，在控制器内部完成解调，信 道解码，帧内容分析，网络协议栈执行等过程。同样的，当用户数据从上位机下发后，根据数 据的目的地址，自组织网络控制器完成组帧，编码，调制等功能，将数据包发往目的地。如图 5所示，展示了自组织网络控制器，无线电收发机，和上位机的连接。如图6所示，展示了自组 织网络控制器内部的工作流程。
[0086]最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本 实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员 来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征 进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种无线自组织网络中自适应核心转发网络的建立系统，其特征在于，包括天线、无 线电收发机、自组织网络控制器和上位机，所述天线和无线电收发机双向通信连接，所述无 线电收发机和自组织网络控制器双向通信连接，所述自组织网络控制器和上位机双向通信 连接。2. 根据权利要求1所述的无线自组织网络中自适应核心转发网络的建立系统，其特征 在于，所述无线电收发机，包括射频接收电路、模数转换电路、数模转换电路和射频发射电 路，所述自组织网络控制器采用DSP芯片电路，所述射频接收电路的输出端与模数转换电路 的输入端连接，所述模数转换电路的输出端与DSP芯片电路的输入端连接，所述DSP芯片电 路的输出端与数模转换电路的输入端连接，所述数模转换电路的输出端与射频发射电路的 输入端连接。
【文档编号】H04W40/02GK205545958SQ201620233898
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】姚方, 施寅博
【申请人】无锡士康通讯技术有限公司