一種無線多跳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于多跳無線網(wǎng)絡技數(shù)據(jù)傳輸技術領域，特別是一種傳輸效率高、網(wǎng)絡延 遲小的無線多跳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方法。
【背景技術】
[0002] 多跳無線通信網(wǎng)絡組網(wǎng)靈活，無需固定基礎設施及集中配置管理支持即可實現(xiàn)傳 輸功率有限的無線節(jié)點經(jīng)多跳自組互聯(lián)并提供連接服務，適用于特定地理區(qū)域和特殊應用 場景需求，可更靈活地拓展和延伸網(wǎng)絡、增強網(wǎng)絡業(yè)務處理。因此其成為無需預先架設基礎 設施的應急通信或戰(zhàn)術通信領域的主要組網(wǎng)模式，并可作為有基礎設施支持的衛(wèi)星網(wǎng)絡、 蜂窩系統(tǒng)網(wǎng)絡的有效拓展和補充。
[0003] 多跳無線網(wǎng)絡的應用場景多為機動通信、偵察感知和環(huán)境監(jiān)測等特殊應用領域。 如利用無人機或直升機等，在惡劣自然環(huán)境，如沙地、山地、林地等拋撒或設置通信節(jié)點，通 過多點多跳中繼，達成縱深盡可能遠的通信，拓展和延伸有基礎設置的通信網(wǎng)絡覆蓋范圍。 投擲節(jié)點大致分布在所需要拓展的狹長分布地帶上，構(gòu)成無需預先鋪設基礎設施的多跳自 組織網(wǎng)絡。節(jié)點按投擲順序啟動定時開機時間，先投擲的節(jié)點成為第一個開機入網(wǎng)的主節(jié) 點。主節(jié)點在同步時段中發(fā)送控制消息加入時間同步選項，實現(xiàn)節(jié)點時間基本同步。每個節(jié) 點擁有唯一的識別碼。由于節(jié)點拋擲后即使受到空氣阻力風力影響，存在旋轉(zhuǎn)、飄移等，可 能會有偏移，但大部偏向處于一個狹長區(qū)域帶內(nèi)，可從有基礎設施網(wǎng)絡邊緣接入點直達難 W抵達的腹地，建立無需基礎設施的多跳邊緣網(wǎng)絡。
[0004] 由于多跳無信通信網(wǎng)絡中通信過程的節(jié)點按功能可分為源節(jié)點、中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和 目標節(jié)點，其中的中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點可能包括多跳。當中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點采用競爭類接入方法CSMA/ CA時，能適應無線移動自組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化狀況，滿足節(jié)點與鄰節(jié)點競爭方式占用信 道，W-定程度上解決節(jié)點沖突，然而不能從根本上適應無線通信組網(wǎng)真實擁塞狀態(tài)的變 化，如所有節(jié)點均完全采用CSMA/CA方式獲取信道，則不適應多節(jié)點、遠距離通信條件，隨著 傳輸距離和跳數(shù)的增加，延遲將繼續(xù)增大，而干擾阻塞環(huán)境下采用CSMA/CA方式，也更將增 大重傳次數(shù)，耗費節(jié)點能量，增加開銷和重傳延遲。
[0005] 反之，如完全采用固定時隙、頻率分配方式，則信道利用率極低。盡管現(xiàn)存一些基 于動態(tài)TDMA的信道分配利用方法，如P-TDMA、混合時分多址訪問HTDMA協(xié)議、ETDMA (增強型 TDMA)等等，但由于基于P-TDMA、ETDMA的協(xié)議聲明階段和響應階段將產(chǎn)生較大的協(xié)議開銷， 使協(xié)議性能下降，而基于HTDMA的協(xié)議需要將相鄰節(jié)點的時隙安排情況保存在相鄰節(jié)點列 表NB中，并不斷跟蹤其相鄰節(jié)點傳輸時間安排。而現(xiàn)有基于TDMA和CSMA的混合協(xié)議如AGENT 等協(xié)議的思路，是先給每個網(wǎng)絡節(jié)點分配一個固定的TDMA傳輸時間安排，節(jié)點還有機會通 過CSMA競爭其它空閑時隙，由于沒有考慮節(jié)點角色，無法讓最佳中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點最大化利用 信道，因此只適用于輕流量載荷場景。W上協(xié)議并不適合要求盡量拓展和延伸通信網(wǎng)絡縱 深，同時要求節(jié)點快速回傳視頻、圖像等大業(yè)務量、低延遲要求的組網(wǎng)場景。
[0006] 總之，現(xiàn)有技術存在的問題是:無線多跳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸效率不夠高、網(wǎng)絡延遲大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種無線多跳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方法，傳輸效率高、網(wǎng)絡延遲 小。
[0008] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：
[0009] -種無線多跳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方法，包括如下步驟：
[0010] (10)節(jié)點探測:主節(jié)點或邊界節(jié)點發(fā)送受控中繼區(qū)域探測信息，其它節(jié)點接收、應 答和轉(zhuǎn)發(fā)探測消息，經(jīng)數(shù)輪轉(zhuǎn)發(fā)和應答后，使主節(jié)點或邊界節(jié)點=跳內(nèi)的近鄰節(jié)點均獲知 自己離主節(jié)點或者邊界節(jié)點的跳數(shù)及轉(zhuǎn)發(fā)路徑；
[0011] (20)節(jié)點角色設定:根據(jù)探測消息接收、應答情況，將近鄰節(jié)點設定為阻斷節(jié)點或 中繼節(jié)點，并將與阻斷節(jié)點鄰接的節(jié)點設定為邊界節(jié)點；
[0012] (30)受控中繼區(qū)域建立：W邊界節(jié)點為邏輯區(qū)域劃分的邊界條件，建立受控中繼 區(qū)域，使受控中繼區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點均為可靠中繼節(jié)點；
[0013] (40)時隙復用分配:對受控中繼區(qū)域內(nèi)的每個可靠中繼節(jié)點進行信息時段時隙復 用分配；
[0014] (50)數(shù)據(jù)收發(fā):可靠中繼節(jié)點在其分配到的信息時段時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，在其未分配 到信息時段時隙接收數(shù)據(jù)；
[0015] (60)時隙競爭:阻斷節(jié)點和未分配到信息時段時隙的節(jié)點采用載波偵聽方式競爭 占用預留時隙。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為：
[0017] 1、傳輸效率高:根據(jù)動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲構(gòu)建由多個受控中繼區(qū)域組成的邏輯網(wǎng) 絡，可靠中繼節(jié)點在時分多址接入基礎上在各自隸屬的受控中繼區(qū)域內(nèi)的進行信道最大化 的循環(huán)復用，其它節(jié)點按業(yè)務需求W載波偵聽方式競爭決定信道使用權。該方法保障和提 高了多跳傳輸路徑上可靠中繼節(jié)點對信道帶寬利用率，提高了數(shù)據(jù)端到端投遞率，增強了 數(shù)據(jù)傳輸效率；
[0018] 2、網(wǎng)絡延遲小:通過減小非可靠中繼節(jié)點對信道的占用和對有限計算資源的競爭 消耗，降低了最佳轉(zhuǎn)發(fā)路徑上中繼節(jié)點間分組的碰撞概率，減少了節(jié)點需要退避等待的延 時和重發(fā)延遲。
[0019] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明無線多跳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中繼傳輸方法的流程圖。
[0021 ]圖2為t時刻網(wǎng)絡拓撲實施例圖。
[0022] 圖3為在圖2給出的網(wǎng)絡拓撲基礎上，阻斷節(jié)點的判別和可靠中繼節(jié)點的判別示例 圖。
[0023] 圖4為圖3第一個CRR區(qū)域及其阻斷節(jié)點獲取的基礎上，邊界節(jié)點確定示例圖。
[0024] 圖5為第一個受控中繼區(qū)域的劃分，W及第一個受控中繼區(qū)域內(nèi)節(jié)點的時隙分配 示例圖。
[0025] 圖6為W邊界節(jié)點為新的源節(jié)點，獲取第二個受控中繼區(qū)域CRR2, W及第二個受控 中繼區(qū)域內(nèi)節(jié)點的時隙分配示例圖。
[0026] 圖7為W邊界節(jié)點為新的源節(jié)點，獲取第S個受控中繼區(qū)域CRR3, W及S個受控中 繼區(qū)域內(nèi)節(jié)點的時隙分配示例圖。
[0027] 圖8為信道資源利用和分配原理圖。
[0028] 圖9為按圖7的網(wǎng)絡拓撲給出受控中繼區(qū)域內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送時隙使用過程示例 圖。
[0029] 圖10為未分配節(jié)點、阻斷節(jié)點基于CSMA競爭方式獲取隨機訪問機會示例圖。
[0030] 圖11為節(jié)點信息表示例圖。
【具體實施方式】
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明無線多跳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方法，包括如下步驟：
[0032] (10)節(jié)點探測:主節(jié)點或邊界節(jié)點發(fā)送受控中繼區(qū)域探測信息，其它節(jié)點接收、應 答和轉(zhuǎn)發(fā)探測消息，經(jīng)數(shù)輪轉(zhuǎn)發(fā)和應答后，使主節(jié)點或邊界節(jié)點=跳內(nèi)的近鄰節(jié)點均獲知 自己離主節(jié)點或者邊界節(jié)點的跳數(shù)及轉(zhuǎn)發(fā)路徑；
[0033] 如圖2所示為t時刻網(wǎng)絡拓撲的實施例。為簡化描述，設t時刻網(wǎng)絡中有一個最先入 網(wǎng)的主節(jié)點0、多個接收/中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點n。節(jié)點間實線表明兩者間存在無線鏈路。需注意的 是，圖中鏈路長度并不代表節(jié)點間真實距離，僅代表鏈路兩端節(jié)點在彼此的可靠接收范圍 內(nèi)，可保持正常通話。部分節(jié)點受損毀或電池耗盡，或干擾屏蔽，成為不可及節(jié)點，用圖中灰 色節(jié)點表示。由于節(jié)點按順序投放，并設置開機定時，因此第一個開機入網(wǎng)節(jié)點，即圖中節(jié) 點0成為主節(jié)點，發(fā)送探測消息，作為初始受控中繼區(qū)域劃分的發(fā)起者。其余節(jié)點暫時未分 配時隙即為未初始化節(jié)點。
[0034] 所述(10)節(jié)點探測步驟包括：
[0035] (11)發(fā)送探測信息:主節(jié)點或發(fā)起下一個受控中繼區(qū)域劃分的邊界節(jié)點在同步時 段的預留時間發(fā)送受控中繼區(qū)域探測信息，所述探測信息包括消息類型、消息序列號、消息 發(fā)送源節(jié)點ID、中間節(jié)點ID和時間戳，每經(jīng)過一個周期Tw,由發(fā)送探測消息的節(jié)點將消息序 列號加1;
[0036] 所述(11)發(fā)送探測信息步驟包括：
[0037] (111)如果當前發(fā)起探測的節(jié)點i為主節(jié)點，則繼續(xù)（112)，如發(fā)起受控中繼區(qū)域探 測過程的如果是邊界節(jié)點，則跳轉(zhuǎn)步驟(113);
[0038] (112)初始化時所有節(jié)點，均W載波偵聽方式接入信道，節(jié)點在同步時段的一個預 留時間發(fā)送探測分組時，其它節(jié)點在該時段監(jiān)聽該探測消息，設置探測消息中的nL初始值 為3,轉(zhuǎn)步驟(12);
[0039] 初始化時所有節(jié)點均W載波偵聽方式接入信道。所有節(jié)點開機后已重置自身計時 器和計數(shù)器，按本發(fā)明面向的網(wǎng)絡組網(wǎng)場景，主節(jié)點0是第一個開機入網(wǎng)節(jié)點，并第一個發(fā) 送探測分組。所有節(jié)點在加入網(wǎng)絡并與主節(jié)點同步后均同樣W載波偵聽方式接入，主節(jié)點 在同步時段的一個預留時間發(fā)送探測信息分組時，設置探測消息中的nL初始值為3。其它 節(jié)點在該時段監(jiān)聽該探測消息，節(jié)點1、2、3、4、17均接收到探測分組并應答主節(jié)點，轉(zhuǎn)步驟 (12)；
[0040] (113)邊界節(jié)點通過競爭占用同步時段的預留時隙，發(fā)送探測分組，其它節(jié)點在該 時隙監(jiān)聽該探測分組，設置探測消息中的TTL初始值為3。
[0041] 邊界節(jié)點是與阻斷節(jié)點直接相連的節(jié)點，邊界節(jié)點發(fā)起下一個受控中繼區(qū)域劃 分。邊界節(jié)點競爭占用同步時段的預留時隙，發(fā)送探測消息分組。探測分組包括消息類型、 消息序列號、消息發(fā)送節(jié)點ID、中間節(jié)點ID和時間戳，每經(jīng)過一個Tw周期，由發(fā)送探測消息 的節(jié)點將消息序列號加1;繼續(xù)；
[0042] 邊界節(jié)點0，1，7都已經(jīng)在該測試周期內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)過探測消息，只有8,9,10作為新的探 測源節(jié)點發(fā)送探測消息；