下一代無線網絡的通信實現方法
【專利摘要】本發明提供了一種下一代無線網絡的通信實現方法，所述無線網絡包括三類節點：坐標節點，已配置節點和新節點；所述無線網絡中包含四個坐標節點，分為稱為東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點和北坐標節點，東坐標節點位于所述無線網絡東邊的邊界處，南坐標節點位于所述無線網絡南邊的邊界處，西坐標節點位于所述無線網絡西邊的邊界處，北坐標節點位于所述無線網絡北邊的邊界處；已配置節點為已經配置地址的節點，新節點為沒有配置地址的節點；當無線網絡發生分裂和合并時能夠確保網絡地址的唯一性和通信正確性。所述下一代無線網絡中的每個節點通過本發明所提供的通信實現方法，可擁有具有唯一性的地址，彼此之間實現正確的通信。
【專利說明】下一代無線網絡的通信實現方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種通信實現方法，尤其涉及的是一種下一代無線網絡的通信實現方 法。
【背景技術】
[0002] 下-代無線網絡中的節點之間通信通過中間節點的轉發和路由來實現，因此，每 個節點必須配有具有唯一性的地址來實現通信，因此，實現下一代無線網絡需要解決的關 鍵技術之一就是地址自動配置問題。
[0003] 目前的地址配置分為有狀態地址配置和無狀態地址配置兩種形式，有狀態地址配 置方案采用服務器/客戶端的通信方式分配地址，即節點向服務器提出申請地址的請求， 然后由服務器統一為無線網絡內的節點分配地址。由于下一代無線網絡沒有任何基礎設 施，例如服務器，因此，有狀態地址配置方案無法應用到下一代無線網絡中。在無狀態地址 配置方案中，每個被分配的地址都需要在整個無線網絡中進行重復地址檢測以確保它的唯 一性，導致了大量的控制包開銷，消耗了大量的無線網絡資源，因此也不適用于下一代無線 網絡使用。
[0004] 因此針對下一代無線網絡需要建立一種低開銷的地址自動配置方案來實現移動 通信。
【發明內容】
[0005] 發明目的：本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種下一代 無線網絡的通信實現方法。
[0006] 技術方案：本發明公開了一種下一代無線網絡的通信實現方法，所述無線網絡包 括三類節點：坐標節點，已配置節點和新節點；所述無線網絡中包含四個坐標節點，分為稱 為東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點和北坐標節點，東坐標節點位于所述無線網絡東邊 的邊界處，南坐標節點位于所述無線網絡南邊的邊界處，西坐標節點位于所述無線網絡西 邊的邊界處，北坐標節點位于所述無線網絡北邊的邊界處；已配置節點為已經配置地址的 節點，新節點為沒有配置地址的節點；
[0007] 無線網絡啟動后，所有節點均為新節點，并選舉出東坐標節點，南坐標節點，西坐 標節點和北坐標節點；選舉出的東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點和北坐標節點分別廣 播信標消息；無線網絡中的新節點根據接收到的坐標節點的信標消息確定自己的四元組坐 標，四元組坐標包括到達東坐標節點的跳數，到達南坐標節點的跳數，到達西坐標節點的跳 數以及到達北坐標節點的跳數；其中，東坐標節點到達東坐標節點的跳數為0,南坐標節點 到達南坐標節點的跳數為0,西坐標節點到達西坐標節點的跳數為〇,北坐標節點到達北坐 標節點的跳數為〇 ;坐標節點廣播的信標消息的負載為自己的四元組坐標，無線網絡中的 新節點通過判斷坐標節點廣播的信標消息的負載判斷該消息來源于哪個坐標節點，從而計 算出相應的坐標值；
[0008] 每個新節點用硬件ID作為臨時地址，例如MAC地址或者初始ID ;在一個新節點獲 取地址之前，由其臨時地址唯一標識；
[0009] 無線網絡中的每個新節點定期在一跳范圍內廣播信標消息，消息源地址為其臨時 地址；一個節點通過現有技術（例如AoA算法）接收鄰居節點的信標消息獲取與該鄰居節 點的相對角度；
[0010] 新節點X根據下述方法判斷自己是否為坐標節點：
[0011] 1)如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（270°，360° ]或者 (0°，90° ]，那么新節點X則將自己標記為西坐標節點；
[0012] 2)如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（180°，360° ]，那么新 節點X則將自己標記為北坐標節點；
[0013] 3)如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（90°，270° ]，那么新 節點X則將自己標記為東坐標節點；
[0014] 4)如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（0°，180° ]，那么新節 點X則將自己標記為南坐標節點；
[0015] 如果上述坐標節點產生過程產生多于4個的坐標節點，那么采用下述算法確定無 線網絡內最終4個坐標節點：每個節點將自己標記為坐標節點后，在無線網絡內廣播一個 信標消息，當一個西坐標節點收到另外一個西坐標節點廣播的信標消息后，對比自己的臨 時地址與接收到的信標消息的源地址，如果自己的臨時地址更大，則將自己重新標記為新 節點，最終地址最小的西坐標節點成為無線網絡中唯一的西坐標節點；當一個東坐標節點 收到另外一個東坐標節點廣播的信標消息后，對比自己的臨時地址與接收到的信標消息的 源地址，如果自己的臨時地址更大，則將自己重新標記為新節點，最終只有地址最小的東坐 標節點成為無線網絡中唯一的東坐標節點；當一個南坐標節點收到另外一個南坐標節點廣 播的信標消息后，對比自己的臨時地址與接收到的信標消息的源地址，如果自己的臨時地 址更大，則將自己重新標記為新節點，最終只有地址最小的南坐標節點成為無線網絡中唯 一的南坐標節點；當一個北坐標節點收到另外一個北坐標節點廣播的信標消息后，對比自 己的臨時地址與接收到的信標消息的源地址，如果自己的臨時地址更大，則將自己重新標 記為新節點，最終只有地址最小的北坐標節點成為無線網絡中唯一的北坐標節點；
[0016] -個節點的地址由四部分組成，第一部分為i比特的無線網絡ID，一個無線網絡 中所有節點的無線網絡ID都相同，它唯一標識一個無線網絡；第二部分為四元組坐標，四 元組坐標中的每個元素由j比特表示；第三部分為k比特的節點ID，用于區分一個無線網 絡中具有相同四元組坐標的節點；第四部分為m比特的新節點ID,用于在地址初始化之后 分配給新加入的新節點，i、j、k、m為正整數。這些變量可以根據實際應用進行動態調整
[0017] 本發明所述方法中，無線網絡啟動后，進行無線網絡初始化；所有節點均為新節 點，無線網絡首先產生東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點和北坐標節點，其中，西坐標節 點的初始四元組坐標為（1，1，〇, 1)，東坐標節點的初始四元組坐標為（〇, 1，1，1)，北坐標節 點的初始四元組坐標為（1，1，1，〇)，南坐標節點的初始四元組坐標為（1，0，1，1)，然后，每 個坐標節點在無線網絡內廣播信標消息，信標消息負載為初始四元組坐標以及跳數；其中， 西坐標節點隨機產生一個無線網絡ID，其廣播的信標消息負載還包括該無線網絡ID ;信標 消息負載中的跳數初始值為0,信標消息被轉發一次，跳數遞增1 ;
[0018]無線網絡中的新節點收到坐標節點廣播的信標消息后，根據信標消息中的四元組 坐標來判斷是東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點還是北坐標節點，然后選擇到達東坐標 節點的最小跳數，到達南坐標節點的最小跳數，到達西坐標節點的最小跳數，到達北坐標節 點的最小跳數來建立自己的四元組坐標；當新節點收到西坐標節點廣播的信標消息后，記 錄下負載中的無線網絡ID，并與建立的四元組坐標構建地址，其中，節點ID和新節點ID為 〇 ;
[0019] 新節點獲取地址后，如果地址的節點ID為q，新節點在一跳范圍內廣播信標消息， 信標消息負載為空，信標消息源地址為自己配置的地址，新節點將自己標記為已配置節點； 新節點的鄰居新節點收到新節點廣播的信標消息后，如果鄰居新節點的四元組坐標等于新 節點的四元組坐標，那么鄰居新節點執行賦值操作，q = q+Ι，然后鄰居新節點將自己的節 點ID設置為q，廣播信標消息，并將自己標記為已配置節點；新節點的所有鄰居新節點重復 上述配置過程，直到新節點所有鄰居新節點都轉換為已配置節點為止；
[0020] -個無線網絡內具有相同四元組坐標的節點ID均不同。
[0021] 上述過程可以確保每個已配置節點地址在無線網絡中的地址唯一性，因此確保了 節點之間通信的正確性。
[0022] 本發明所述方法中，無線網絡初始化結束后，已配置節點在一跳范圍內廣播信標 消息，信標消息負載為可分配新節點ID的長度；
[0023]新節點X加入無線網絡后，開始偵聽鄰居已配置節點的信標消息，然后選擇從可 分配新節點ID長度最大的鄰居己配置節點X2獲取地址，假設已配置節點X2的新節點ID 區間為[L，U]，L和U為正整數且L〈U，新節點X從已配置節點X2獲取地址的過程為：
[0024] 步驟101 :開始；
[0025] 步驟102 :新節點X向已配置節點X2發送地址請求消息，地址請求消息源地址為 新節點X的臨時地址；
[0026] 步驟103 :已配置節點X2收到地址請求消息后，選擇一段新節點ID空間[L1，U]， L<L1<U且L1為正整數，然后向新節點XI返回地址響應消息，消息負載為地址L1和U，然后 將自己的新節點ID空間更新為地址空間[L，L1-1];
[0027] 步驟104 :新節點X收到地址響應消息后，將地址L1作為自己的新節點ID，然后與 已配置節點X2的無線網絡ID，四元組坐標和節點ID相結合形成地址，將自己標記為已配置 節點，同時將地址空間[L+l，L1]作為自己的新節點ID空間；
[0028] 步驟105 :結束。
[0029] 通過上述過程，新節點可以通過鄰居節點獲取具有唯一性的地址，從而進行正確 性。
[0030] 本發明所述方法中，當已配置節點X的新節點ID長度為0時，其新節點ID空間記 做[0,0]，并發起地址回收過程：
[0031] 步驟201:開始；
[0032] 步驟202 :已配置節點X廣播地址回收消息；
[0033] 步驟203 :無線網絡中與己配置節點X具有相同無線網絡ID,四元組坐標和節點 ID的節點收到地址回收消息后，向己配置節點X返回地址確認消息，地址確認消息負載為 自己的新節點ID范圍；
[0034] 步驟204 :在規定時間后，已配置節點X整理所收到的地址確認消息，選擇一段最 長的連續沒有被占用的新節點ID空間作為自己的新節點ID空間；
[0035] 步驟205:結束；
[0036] 步驟204中，規定時間設定為a · d · t，其中d為無線網絡直徑，t為一跳傳輸延 遲，α為調節參數。取值范圍一般為大于2的數值。
[0037] 上述過程實現了地址配置空間的回收，從而確保具有足夠的地址空間進行分配， 增加了地址配置成功率。
[0038] 本發明所述方法中，如果下述情況之一發生，則一個已配置節點X判定自己脫離 了原來的無線網絡：
[0039] 第一種情況：已配置節點X在規定時間內沒有收到任何節點廣播的信標消息，其 中規定時間設定為α ·(!·〖，其中d為無線網絡直徑，t為一跳傳輸延遲，α為調節參數。 α -般為大于2的數值。
[0040] 第二種情況：已配置節點收到的所有信標消息均來自新節點；
[0041] 第三種情況：已配置節點X收到的所有信標消息的無線網絡ID與自己的無線網絡 ID都不同；
[0042] 在第一種情況下，已配置節點X保留原來的地址，并轉換為新節點；
[0043] 在第二種情況下，已配置節點X保留原來的地址，并執行下述步驟：
[0044] 步驟301:開始；
[0045]步驟302 :已配置節點X產生一個新的無線網絡ID，并廣播一個地址更新消息，地 址更新消息負載為新產生的無線網絡ID和自己原來的無線網絡ID ;
[0046]步驟303 :無線網絡中的新節點收到該地址更新消息后，判斷自己原來地址的無 線網絡ID與已配置節點X原來地址的無線網絡ID是否相同，如果是，則進行步驟304,否則 進行步驟305 ;
[0047]步驟304 :無線網絡中的新節點將原來地址的無線網絡ID更新為地址更新消息中 新產生的無線網絡ID，地址其他部分保持不變，并將更新后的地址作為自己的地址并轉換 為已配置節點，進行步驟306;
[0048]步驟3〇5 :無線網絡中的新節點放棄原來的地址，并根據步驟101到步驟105重新 獲取地址并轉換為已配置節點；
[0049] 步驟306:結束；
[0050]在第三種情況下，已配置節點X檢測到自己脫離原來的無線網絡后，將自己標記 為新節點，然后在新的無線網絡執行步驟101到步驟105獲取地址。
[0051]上述過程中，節點脫離了原來的網絡后，會重新獲取具有唯一性的地址，然后進行 正確的通信。
[0052]本發明所述方法中，如果下述情況之一發生，則已配置節點X判定自己的無線網 絡與其他無線網絡發生了合并：
[0053]第一種情況：已配置節點X收到了一條信標消息，該信標消息的源地址無線網絡 ID與自己的無線網絡ID相同，同時已配置節點X也收到了一條信標信息，該信標消息的源 地址無線網絡ID與自己的無線網絡ID不同；
[0054]第二種情況：已配置節點X的地址與另外一個已配置節點的地址相同；
[0055] 在第一種情況下，假設已配置節點X位于無線網絡MANET1中，己配置節點Y位于 無線網絡MANET 2中，無線網絡ΜΑΝΕΤ1中的節點數量小于無線網絡MANET2中的節點數量； 當已配置節點X收到已配置節點Y的信標消息并檢測到自己的無線網絡ID與已配置節點 Y的無線網絡ID不同時，已配置節點X發起下述合并操作：
[0056] 步驟401:開始；
[0057]步驟402 :已配置節點X向已配置節點Y發送一條合并消息；
[0058] 步驟4〇3 :已配置節點Y在無線網絡內廣播合并消息，無線網絡MANET2中的已配 置節點收到該合并消息后，向已配置節點Y返回一個合并確認消息，無線網絡MANET1中的 已配置節點收到已配置節點Y的合并消息后，丟棄該合并消息；
[0059] 步驟404 :已配置節點Y查看所有合并確認消息，計算出無線網絡MANET2中節點 總數量以及無線網絡MANET2中的所有已配置節點的四元組坐標的第一個元素到達東坐標 節點的跳數的最大值E max，第二個元素到達南坐標節點的跳數的最大值S_，第三個元素到 達西坐標節點的跳數最大值W max，第四個元素到達北坐標節點的跳數的最大值Ν_，，然后向 己配置節點X返回一個合并初始化消息，合并初始化消息負載為無線網絡ΜΑΝΕΤ2的節點總 數量以及到達東坐標節點的跳數的最大值Ε_，到達南坐標節點的跳數的最大值S max，到達 西坐標節點的跳數的最大值W_和到達北坐標節點的跳數的最大值Ν_。；
[0060] 步驟405 :已配置節點X收到合并初始化消息后，由于無線網絡ΜΑΝΕΤ2中的節點 數量比無線網絡MANET1的節點數量多，已配置節點X在無線網絡中廣播合并地址消息，合 并地址消息負載為無線網絡ΜΑΝΕΤ2的無線網絡ID，以及到達東坐標節點的跳數的最大值 Ε·，到達南坐標節點的跳數的最大值S_，到達西坐標節點的跳數的最大值界_和到達北坐 標節點的跳數的最大值~_;
[0061] 步驟406 :無線網絡MANET1中的已配置節點XI收到已配置節點X的合并地址消 息后，將自己地址中的無線網絡ID更新為無線網絡MANET2的無線網絡ID，假設已配置節 點XI到達東坐標節點的跳數為E xl，到達南坐標節點的跳數為Sxl，到達西坐標節點的跳數為 WX1，到達北坐標節點的跳數為Ν?1，已配置節點XI執行以下賦值操作：EX1 = Eu+E^+l，、= Sxi+Smax+1, ffxl = Wxl+wmax+l, Nxl = Nxl+Nmax+1 ；
[0062] 步驟407 :已配置節點XI判斷跳數Exl，Sxl, Wxl和Nxl的值是否都小于或者等于 2j_l，如果是，進行步驟408,否則進行步驟409 ;
[0063] 步驟408 :已配置節點XI將自己標記為新節點，并執行步驟101到步驟105重新 獲取地址，執行步驟410 ;
[0064]步驟4〇9 :已配置節點XI將地址中的四元組坐標更新為執行步驟406后的四元組 坐標，從而獲得了無線網絡合并后新的地址；
[0065] 步驟410:結束；
[0066]通過上述過程，兩個網絡合并之后仍能確保每個節點的唯一性，從而確保了通信 的正確性。
[0067]在第二種情況下,假設無線網絡ID的長度為i比特，有X個無線網絡，每個無線網 絡產生一個無線網絡ID，那么這些無線網絡的無線網絡ID沖突的概率p如公式（1)所示：
[0068] -if H ri)
[0069] 根據公式⑴，兩個無線網絡產生相同無線網絡ID的概率趨于0 ;
[0070] 由于分裂出去的無線網絡重新產生無線網絡ID，因此即使無線網絡分裂后再合 并，它們的無線網絡ID也不同。如果已配置節點X的地址檢測到與另外一個已配置節點的 地址相同，那么已配置節點X廣播初始化消息，當無線網絡內節點收到初始化消息后，將自 己轉變為新節點,通過無線網絡初始化重新進行地址配置。
[0071] 有益效果：本發明提供了一種下一代無線網絡的通信實現方法，在本發明中，當無 線網絡發生分裂和合并時能夠確保網絡地址的唯一性和通信正確性。所述下一代無線網絡 中的每個節點通過本發明所提供的通信實現方法，可擁有具有唯一性的地址，彼此之間實 現正確的通信。本發明可應用于交通路況檢控及農業工程化等諸多領域，具有廣泛的應用 前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0072] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做更進一步的具體說明，本發明的上述和 /或其他方面的優點將會變得更加清楚。
[0073] 圖1為本發明所述的下一代無線網絡拓撲結構示意圖。
[0074] 圖2為本發明所述節點地址結構示意圖。
[0075]圖3為本發明所述新節點從已配置節點獲取地址的流程示意圖。
[0076] 圖4為本發明所述地址回收流程示意圖。
[0077] 圖5為本發明所述網絡分裂流程示意圖。
[0078] 圖6為本發明所述網絡合并流程示意圖。
【具體實施方式】：
[0079] 本發明提供了一種下一代無線網絡的通信實現方法，在本發明中，當無線網絡發 生分裂和合并時能夠確保網絡地址的唯一性和通信正確性。所述下一代無線網絡中的每個 節點通過本發明所提供的通信實現方法，可擁有具有唯一性的地址，彼此之間實現正確的 通信。本發明可應用于交通路況檢控及農業工程化等諸多領域，具有廣泛的應用前景。
[0080] 圖1為本發明所述的下一代無線網絡拓撲結構示意圖。所述無線網絡1包括三 類節點：坐標節點2,已配置節點3和新節點4 ;所述無線網絡1中包含四個坐標節點2,分 為稱為東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點和北坐標節點，東坐標節點位于所述無線網絡 1東邊的邊界處，南坐標節點位于所述無線網絡1南邊的邊界處，西坐標節點位于所述無線 網絡1西邊的邊界處，北坐標節點位于所述無線網絡1北邊的邊界處；已配置節點3為已經 配置地址的節點，新節點4為沒有配置地址的節點。
[0081] 圖2為本發明所述節點地址結構示意圖。無線網絡啟動后，所有節點均為新節點， 并選舉出東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點和北坐標節點；選舉出的東坐標節點，南坐 標節點，西坐標節點和北坐標節點分別廣播信標消息；無線網絡中的新節點根據接收到的 坐標節點的信標消息確定自己的四元組坐標，四元組坐標包括到達東坐標節點的跳數，到 達南坐標節點的跳數，到達西坐標節點的跳數以及到達北坐標節點的跳數；其中，東坐標節 點到達東坐標節點的跳數為0,南坐標節點到達南坐標節點的跳數為0,西坐標節點到達西 坐標節點的跳數為0,北坐標節點到達北坐標節點的跳數為〇 ;坐標節點廣播的信標消息的 負載為自己的四元組坐標，無線網絡中的新節點通過判斷坐標節點廣播的信標消息的負載 判斷該消息來源于哪個坐標節點，從而計算出相應的坐標值；
[0082] 每個新節點用硬件ID作為臨時地址，例如MAC地址或者初始ID ;在一個新節點獲 取地址之前，由其臨時地址唯一標識；
[0083] 無線網絡中的每個新節點定期在一跳范圍內廣播信標消息，消息源地址為其臨時 地址；一個節點通過現有技術（例如AoA算法）接收鄰居節點的信標消息獲取與該鄰居節 點的相對角度；
[0084] 新節點X根據下述方法判斷自己是否為坐標節點：
[0085] 1)如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（270°，360° ]或者 (0°，90° ]，那么新節點X則將自己標記為西坐標節點；
[0086] 2)如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（180°，360° ]，那么新 節點X則將自己標記為北坐標節點；
[0087] 3)如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（90°，270° ]，那么新 節點X則將自己標記為東坐標節點；
[0088] 4)如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（0°，180° ]，那么新節 點X則將自己標記為南坐標節點；
[0089] 如果上述坐標節點產生過程產生多于4個的坐標節點，那么采用下述算法確定無 線網絡內最終4個坐標節點：每個節點將自己標記為坐標節點后，在無線網絡內廣播一個 信標消息，當一個西坐標節點收到另外一個西坐標節點廣播的信標消息后，對比自己的臨 時地址與接收到的信標消息的源地址，如果自己的臨時地址更大，則將自己重新標記為新 節點，最終地址最小的西坐標節點成為無線網絡中唯一的西坐標節點；當一個東坐標節點 收到另外一個東坐標節點廣播的信標消息后，對比自己的臨時地址與接收到的信標消息的 源地址，如果自己的臨時地址更大，則將自己重新標記為新節點，最終只有地址最小的東坐 標節點成為無線網絡中唯一的東坐標節點；當一個南坐標節點收到另外一個南坐標節點廣 播的信標消息后，對比自己的臨時地址與接收到的信標消息的源地址，如果自己的臨時地 址更大，則將自己重新標記為新節點，最終只有地址最小的南坐標節點成為無線網絡中唯 一的南坐標節點；當一個北坐標節點收到另外一個北坐標節點廣播的信標消息后，對比自 己的臨時地址與接收到的信標消息的源地址，如果自己的臨時地址更大，則將自己重新標 記為新節點，最終只有地址最小的北坐標節點成為無線網絡中唯一的北坐標節點；
[0090] 一個節點的地址由四部分組成，第一部分為i比特的無線網絡ID，一個無線網絡 中所有節點的無線網絡ID都相同，它唯一標識一個無線網絡；第二部分為四元組坐標，四 元組坐標中的每個元素由j比特表示；第三部分為k比特的節點ID，用于區分一個無線網 絡中具有相同四元組坐標的節點；第四部分為m比特的新節點ID，用于在地址初始化之后 分配給新加入的新節點，i、j、k、m為正整數。這些變量可以根據實際應用進行動態調整；
[0091] 無線網絡啟動后，進行無線網絡初始化；所有節點均為新節點，無線網絡首先產生 東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點和北坐標節點，其中，西坐標節點的初始四元組坐標 為（1,1，0, 1)，東坐標節點的初始四元組坐標為（0, 1，1，1)，北坐標節點的初始四元組坐標 為（1,1，1，0)，南坐標節點的初始四元組坐標為（1，〇，1，1)，然后，每個坐標節點在無線網 絡內廣播信標消息，信標消息負載為初始四元組坐標以及跳數；其中，西坐標節點隨機產生 一個無線網絡ID，其廣播的信標消息負載還包括該無線網絡ID ;信標消息負載中的跳數初 始值為〇,信標消息被轉發一次，跳數遞增1 ;
[0092] 無線網絡中的新節點收到坐標節點廣播的信標消息后，根據信標消息中的四元組 坐標來判斷是東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點還是北坐標節點，然后選擇到達東坐標 節點的最小跳數，到達南坐標節點的最小跳數，到達西坐標節點的最小跳數，到達北坐標節 點的最小跳數來建立自己的四元組坐標；當新節點收到西坐標節點廣播的信標消息后，記 錄下負載中的無線網絡ID，并與建立的四元組坐標構建地址，其中，節點ID和新節點ID為 〇 ；
[0093] 新節點獲取地址后，如果地址的節點ID為q，新節點在一跳范圍內廣播信標消息， 信標消息負載為空，信標消息源地址為自己配置的地址，新節點將自己標記為已配置節點； 新節點的鄰居新節點收到新節點廣播的信標消息后，如果鄰居新節點的四元組坐標等于新 節點的四元組坐標，那么鄰居新節點執行賦值操作，q = q+Ι，然后鄰居新節點將自己的節 點ID設置為q，廣播信標消息，并將自己標記為已配置節點；新節點的所有鄰居新節點重復 上述配置過程，直到新節點所有鄰居新節點都轉換為已配置節點為止；
[0094] 一個無線網絡內具有相同四元組坐標的節點ID均不同。
[0095] 上述過程可以確保每個已配置節點地址在無線網絡中的地址唯一性，因此確保了 節點之間通信的正確性。
[0096] 圖3為本發明所述新節點從已配置節點獲取地址的流程示意圖。無線網絡初始 化結束后，已配置節點在一跳范圍內廣播信標消息，信標消息負載為可分配新節點ID的長 度；
[0097] 新節點X加入無線網絡后，開始偵聽鄰居已配置節點的信標消息，然后選擇從可 分配新節點ID長度最大的鄰居已配置節點X2獲取地址，假設已配置節點X2的新節點ID 區間為[L，U]，L和U為正整數且L〈U，新節點X從已配置節點X2獲取地址的過程為：
[0098] 步驟101 :開始；
[0099] 步驟102 :新節點X向己配置節點X2發送地址請求消息，地址請求消息源地址為 新節點X的臨時地址；
[0100] 步驟103 :已配置節點X2收到地址請求消息后，選擇一段新節點ID空間[L1，U]， L<L1<U且L1為正整數，然后向新節點XI返回地址響應消息，消息負載為地址L1和U，然后 將自己的新節點ID空間更新為地址空間[L，L1-1];
[0101] 步驟104 :新節點X收到地址響應消息后，將地址L1作為自己的新節點ID，然后與 已配置節點X2的無線網絡ID，四元組坐標和節點ID相結合形成地址，將自己標記為已配置 節點，同時將地址空間[L+l，L1]作為自己的新節點ID空間；
[0102] 步驟105 :結束。
[0103] 通過上述過程，新節點可以通過鄰居節點獲取具有唯一性的地址，從而進行正確 性。
[0104] 圖4為本發明所述地址回收流程示意圖。當已配置節點X的新節點ID長度為0 時，其新節點ID空間記做[0, 0]，并發起地址回收過程：
[0105] 步驟201:開始；
[0106] 步驟202 :已配置節點X廣播地址回收消息；
[0107] 步驟203 :無線網絡中與已配置節點X具有相同無線網絡ID，四元組坐標和節點 ID的節點收到地址回收消息后，向己配置節點X返回地址確認消息，地址確認消息負載為 自己的新節點ID范圍；
[0108] 步驟204 :在規定時間后，已配置節點X整理所收到的地址確認消息，選擇一段最 長的連續沒有被占用的新節點ID空間作為自己的新節點ID空間；
[0109] 步驟205:結束；
[0110] 步驟2〇4中，規定時間設定為a .cl.t，其中d為無線網絡直徑，t為一跳傳輸延 遲，α為調節參數。取值范圍一般為大于2的數值。
[0111] 上述過程實現了地址配置空間的回收,從而確保具有足夠的地址空間進行分配， 增加了地址配置成功率。
[0112] 圖5為本發明所述網絡分裂流程示意圖。如果下述情況之一發生，則一個已配置 節點X判定自己脫離了原來的無線網絡：
[0113] 第一種情況：已配置節點X在規定時間內沒有收到任何節點廣播的信標消息，其 中規定時間設定為α ·?!·?，其中d為無線網絡直徑，t為一跳傳輸延遲，α為調節參數。 α -般為大于2的數值。
[0114]第二種情況：已配置節點收到的所有信標消息均來自新節點；
[0115]第三種情況：已配置節點X收到的所有信標消息的無線網絡ID與自己的無線網絡 ID都不同；
[0116]在第一種情況下，已配置節點X保留原來的地址，并轉換為新節點；
[0117]在第二種情況下，已配置節點X保留原來的地址，并執行下述步驟：
[0118] 步驟301:開始；
[0119]步驟302 :已配置節點X產生一個新的無線網絡ID，并廣播一個地址更新消息，地 址更新消息負載為新產生的無線網絡ID和自己原來的無線網絡ID ;
[0120]步驟303 :無線網絡中的新節點收到該地址更新消息后，判斷自己原來地址的無 線網絡ID與已配置節點X原來地址的無線網絡ID是否相同，如果是，則進行步驟3〇4,否則 進行步驟305 ;
[0121]步驟304 :無線網絡中的新節點將原來地址的無線網絡ID更新為地址更新消息中 新產生的無線網絡ID，地址其他部分保持不變，并將更新后的地址作為自己的地址并轉換 為已配置節點，進行步驟306 ;
[0122]步驟305 :無線網絡中的新節點放棄原來的地址，并根據步驟1〇1到步驟1〇5重新 獲取地址并轉換為已配置節點；
[0123] 步驟306:結束；
[0124]在第三種情況下，已配置節點X檢測到自己脫離原來的無線網絡后，將自己標記 為新節點，然后在新的無線網絡執行步驟101到步驟105獲取地址。
[0125]上述過程中，節點脫離了原來的網絡后，會重新獲取具有唯一性的地址，然后進行 正確的通信。
[0126]圖6為本發明所述網絡合并流程示意圖。如果下述情況之一發生，則已配置節點 X判定自己的無線網絡與其他無線網絡發生了合并：
[0127]第一種情況：已配置節點X收到了一條信標消息，該信標消息的源地址無線網絡 ID與自己的無線網絡ID相同，同時已配置節點X也收到了一條信標信息，該信標消息的源 地址無線網絡ID與自己的無線網絡ID不同；
[0128] 第二種情況：已配置節點X的地址與另外一個已配置節點的地址相同；
[0129] 在第一種情況下，假設已配置節點X位于無線網絡MANET1中，已配置節點Y位于 無線網絡MANET2中，無線網絡MANET1中的節點數量小于無線網絡MANET2中的節點數量； 當已配置節點X收到已配置節點Y的信標消息并檢測到自己的無線網絡ID與已配置節點 Y的無線網絡ID不同時，已配置節點X發起下述合并操作：
[0130] 步驟401:開始；
[0131] 步驟402 :已配置節點X向已配置節點Y發送一條合并消息；
[0132] 步驟403 :已配置節點Y在無線網絡內廣播合并消息，無線網絡MANET2中的已配 置節點收到該合并消息后，向已配置節點Y返回一個合并確認消息，無線網絡MANET1中的 己配置節點收到已配置節點Y的合并消息后，丟棄該合并消息；
[0133] 步驟404 :已配置節點Y查看所有合并確認消息，計算出無線網絡MANET2中節點 總數量以及無線網絡MANET2中的所有已配置節點的四元組坐標的第一個元素到達東坐標 節點的跳數的最大值E max，第二個元素到達南坐標節點的跳數的最大值Snax，第三個元素到 達西坐標節點的跳數最大值W max，第四個元素到達北坐標節點的跳數的最大值Ν_，，然后向 己配置節點X返回一個合并初始化消息，合并初始化消息負載為無線網絡ΜΑΝΕΤ2的節點總 數量以及到達東坐標節點的跳數的最大值Ε_，到達南坐標節點的跳數的最大值S max，到達 西坐標節點的跳數的最大值W_和到達北坐標節點的跳數的最大值Nnax。；
[0134] 步驟405 :已配置節點X收到合并初始化消息后，由于無線網絡MANET2中的節點 數量比無線網絡MANET1的節點數量多，已配置節點X在無線網絡中廣播合并地址消息，合 并地址消息負載為無線網絡MANET 2的無線網絡ID，以及到達東坐標節點的跳數的最大值 Ε_，到達南坐標節點的跳數的最大值S_，到達西坐標節點的跳數的最大值L和到達北坐 標節點的跳數的最大值N_;
[0135] 步驟406 :無線網絡MANET1中的已配置節點XI收到已配置節點X的合并地址消 息后，將自己地址中的無線網絡ID更新為無線網絡MANET2的無線網絡ID，假設已配置節 點XI到達東坐標節點的跳數為E xl，到達南坐標節點的跳數為Sxl，到達西坐標節點的跳數為 Wxl，到達北坐標節點的跳數為Ν?1，已配置節點XI執行以下賦值操作：EX1 = Exl+E_+l，Sxl = Sxi+Smax+1, ffxl = wxl+ffmax+l, Nxl = Nxl+Nmax+1 ；
[0136]步驟4〇7 :已配置節點Π 判斷跳數Exl，Sxl，Wxl和Nxl的值是否都小于或者等于 2j_l，如果是，進行步驟408,否則進行步驟409 ;
[0137]步驟408 :已配置節點XI將自己標記為新節點，并執行步驟101到步驟105重新 獲取地址，執行步驟410 ;
[0138]步驟409 :已配置節點XI將地址中的四元組坐標更新為執行步驟406后的四元組 坐標，從而獲得了無線網絡合并后新的地址；
[0139] 步驟410:結束；
[0140]通過上述過程，兩個網絡合并之后仍能確保每個節點的唯一性，從而確保了通信 的正確性。
[0141]在第二種情況下，假設無線網絡ID的長度為i比特，有X個無線網絡，每個無線網 絡產生一個無線網絡ID，那么這些無線網絡的無線網絡ID沖突的概率P如公式（1)所示：
[0142]
【權利要求】
1. 一種下一代無線網絡的通信實現方法，其特征在于，所述無線網絡包括三類節點： 坐標節點，已配置節點和新節點；所述無線網絡中包含四個坐標節點，分為稱為東坐標節 點，南坐標節點，西坐標節點和北坐標節點，東坐標節點位于所述無線網絡東邊的邊界處， 南坐標節點位于所述無線網絡南邊的邊界處，西坐標節點位于所述無線網絡西邊的邊界 處，北坐標節點位于所述無線網絡北邊的邊界處；已配置節點為已經配置地址的節點，新節 點為沒有配置地址的節點； 無線網絡啟動后，所有節點均為新節點，并選舉出東坐標節點，南坐標節點，西坐標節 點和北坐標節點；選舉出的東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點和北坐標節點分別廣播信 標消息；無線網絡中的新節點根據接收到的坐標節點的信標消息確定自己的四元組坐標， 四元組坐標包括到達東坐標節點的跳數，到達南坐標節點的跳數，到達西坐標節點的跳數 以及到達北坐標節點的跳數；其中，東坐標節點到達東坐標節點的跳數為0，南坐標節點到 達南坐標節點的跳數為0,西坐標節點到達西坐標節點的跳數為0,北坐標節點到達北坐標 節點的跳數為0 ;坐標節點廣播的信標消息的負載為自己的四元組坐標，無線網絡中的新 節點通過判斷坐標節點廣播的信標消息的負載判斷該消息來源于哪個坐標節點，從而計算 出相應的坐標值； 每個新節點用硬件ID作為臨時地址；在一個新節點獲取地址之前，由其臨時地址唯一 標識； 無線網絡中的每個新節點定期在一跳范圍內廣播信標消息，消息源地址為其臨時地 址；一個節點通過接收鄰居節點的信標消息獲取與該鄰居節點的相對角度； 新節點X根據下述方法判斷自己是否為坐標節點： 1) 如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（270 °，360° ]或者 (0°，90° ]，那么新節點X則將自己標記為西坐標節點； 2) 如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（180°，360° ]，那么新節點 X則將自己標記為北坐標節點； 3) 如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（90°，270° ]，那么新節點 X則將自己標記為東坐標節點； 4) 如果新節點X與其所有鄰居節點的相對角度都在區間（0°，180° ]，那么新節點X 則將自己標記為南坐標節點； 如果上述坐標節點產生過程產生多于4個的坐標節點，那么采用下述算法確定無線網 絡內最終4個坐標節點：每個節點將自己標記為坐標節點后，在無線網絡內廣播一個信標 消息，當一個西坐標節點收到另外一個西坐標節點廣播的信標消息后，對比自己的臨時地 址與接收到的信標消息的源地址，如果自己的臨時地址更大，則將自己重新標記為新節點， 最終地址最小的西坐標節點成為無線網絡中唯一的西坐標節點；當一個東坐標節點收到 另外一個東坐標節點廣播的信標消息后，對比自己的臨時地址與接收到的信標消息的源地 址，如果自己的臨時地址更大，則將自己重新標記為新節點，最終只有地址最小的東坐標節 點成為無線網絡中唯一的東坐標節點；當一個南坐標節點收到另外一個南坐標節點廣播的 信標消息后，對比自己的臨時地址與接收到的信標消息的源地址，如果自己的臨時地址更 大，則將自己重新標記為新節點，最終只有地址最小的南坐標節點成為無線網絡中唯一的 南坐標節點；當一個北坐標節點收到另外一個北坐標節點廣播的信標消息后，對比自己的 臨時地址與接收到的信標消息的源地址，如果自己的臨時地址更大，則將自己重新標記為 新節點，最終只有地址最小的北坐標節點成為無線網絡中唯一的北坐標節點； 一個節點的地址由四部分組成，第一部分為i比特的無線網絡ID，一個無線網絡中所 有節點的無線網絡ID都相同，它唯一標識一個無線網絡；第二部分為四元組坐標，四元組 坐標中的每個元素由j比特表示；第三部分為k比特的節點ID，用于區分一個無線網絡中 具有相同四元組坐標的節點；第四部分為m比特的新節點ID，用于在地址初始化之后分配 給新加入的新節點，i、j、k、m為正整數。
2. 根據權利要求1所述的下一代無線網絡的通信實現方法，其特征在于，無線網絡啟 動后，進行無線網絡初始化；所有節點均為新節點，無線網絡首先產生東坐標節點，南坐標 節點，西坐標節點和北坐標節點，其中，西坐標節點的初始四元組坐標為（1，1，〇, 1)，東坐標 節點的初始四元組坐標為（〇, 1，1，1)，北坐標節點的初始四元組坐標為（1，1，1，〇)，南坐標 節點的初始四元組坐標為（1，〇, 1，1)，然后，每個坐標節點在無線網絡內廣播信標消息，信 標消息負載為初始四元組坐標以及跳數；其中，西坐標節點隨機產生一個無線網絡ID，其 廣播的信標消息負載還包括該無線網絡ID ;信標消息負載中的跳數初始值為0,信標消息 被轉發一次，跳數遞增1 ; 無線網絡中的新節點收到坐標節點廣播的信標消息后，根據信標消息中的四元組坐標 來判斷是東坐標節點，南坐標節點，西坐標節點還是北坐標節點，然后選擇到達東坐標節點 的最小跳數，到達南坐標節點的最小跳數，到達西坐標節點的最小跳數，到達北坐標節點的 最小跳數來建立自己的四元組坐標；當新節點收到西坐標節點廣播的信標消息后，記錄下 負載中的無線網絡ID，并與建立的四元組坐標構建地址，其中，節點ID和新節點ID為0 ; 新節點獲取地址后，如果地址的節點ID為q，新節點在一跳范圍內廣播信標消息，信標 消息負載為空，信標消息源地址為自己配置的地址，新節點將自己標記為已配置節點；新節 點的鄰居新節點收到新節點廣播的信標消息后，如果鄰居新節點的四元組坐標等于新節點 的四元組坐標，那么鄰居新節點執行賦值操作，q = q+Ι，然后鄰居新節點將自己的節點ID 設置為q，廣播信標消息，并將自己標記為已配置節點；新節點的所有鄰居新節點重復上述 配置過程，直到新節點所有鄰居新節點都轉換為已配置節點為止； 一個無線網絡內具有相同四元組坐標的節點ID均不同。
3. 根據權利要求2所述的下一代無線網絡的通信實現方法，其特征在于，無線網絡初 始化結束后，已配置節點在一跳范圍內廣播信標消息，信標消息負載為可分配新節點ID的 長度； 新節點X加入無線網絡后，開始偵聽鄰居已配置節點的信標消息，然后選擇從可分配 新節點ID長度最大的鄰居已配置節點X2獲取地址，假設已配置節點X2的新節點ID區間 為[L，U]，L和U為正整數且L〈U，新節點X從已配置節點X2獲取地址的過程為： 步驟101 :開始； 步驟102 :新節點X向已配置節點X2發送地址請求消息，地址請求消息源地址為新節 點X的臨時地址； 步驟103 :已配置節點X2收到地址請求消息后，選擇一段新節點ID空間[L1，U]， L〈L1〈U且L1為正整數，然后向新節點XI返回地址響應消息，消息負載為地址L1和U，然后 將自己的新節點ID空間更新為地址空間[L，L1-1]; 步驟104 :新節點X收到地址響應消息后，將地址L1作為自己的新節點ID，然后與已配 置節點X2的無線網絡ID，四元組坐標和節點ID相結合形成地址，將自己標記為已配置節 點，同時將地址空間[L+l，L1]作為自己的新節點ID空間； 步驟105 :結束。
4. 根據權利要求3所述的下一代無線網絡的通信實現方法，其特征在于，當已配置節 點X的新節點ID長度為0時，其新節點ID空間記做[0, 0]，并發起地址回收過程： 步驟201 :開始； 步驟202 :已配置節點X廣播地址回收消息； 步驟203 :無線網絡中與已配置節點X具有相同無線網絡ID，四元組坐標和節點ID的 節點收到地址回收消息后，向已配置節點X返回地址確認消息，地址確認消息負載為自己 的新節點ID范圍； 步驟204 :在規定時間后，已配置節點X整理所收到的地址確認消息，選擇一段最長的 連續沒有被占用的新節點ID空間作為自己的新節點ID空間； 步驟205 :結束； 步驟204中，規定時間設定為α ·(! ·?，其中d為無線網絡直徑，t為一跳傳輸延遲，α 為調節參數。
5. 根據權利要求1所述的下一代無線網絡的通信實現方法，其特征在于，如果下述情 況之一發生，則一個已配置節點X判定自己脫離了原來的無線網絡： 第一種情況：已配置節點X在規定時間內沒有收到任何節點廣播的信標消息； 第二種情況：已配置節點收到的所有信標消息均來自新節點； 第三種情況：已配置節點X收到的所有信標消息的無線網絡ID與自己的無線網絡ID 都不同； 在第一種情況下，已配置節點X保留原來的地址，并轉換為新節點； 在第二種情況下，已配置節點X保留原來的地址，并執行下述步驟： 步驟301 :開始； 步驟302 :已配置節點X產生一個新的無線網絡ID，并廣播一個地址更新消息，地址更 新消息負載為新產生的無線網絡ID和自己原來的無線網絡ID ; 步驟303 :無線網絡中的新節點收到該地址更新消息后，判斷自己原來地址的無線網 絡ID與已配置節點X原來地址的無線網絡ID是否相同，如果是，則進行步驟304,否則進行 步驟305 ; 步驟304 :無線網絡中的新節點將原來地址的無線網絡ID更新為地址更新消息中新產 生的無線網絡ID，地址其他部分保持不變，并將更新后的地址作為自己的地址并轉換為已 配置節點，進行步驟306 ; 步驟305 :無線網絡中的新節點放棄原來的地址，并根據步驟101到步驟105重新獲取 地址并轉換為已配置節點； 步驟306 :結束； 在第三種情況下，已配置節點X檢測到自己脫離原來的無線網絡后，將自己標記為新 節點，然后在新的無線網絡執行步驟101到步驟105獲取地址。
6. 根據權利要求4所述的下一代無線網絡的通信實現方法，其特征在于，如果下述情 況之一發生，則已配置節點X判定自己的無線網絡與其他無線網絡發生了合并： 第一種情況：已配置節點X收到了一條信標消息，該信標消息的源地址無線網絡ID與 自己的無線網絡ID相同，同時已配置節點X也收到了一條信標信息，該信標消息的源地址 無線網絡ID與自己的無線網絡ID不同； 第二種情況：已配置節點X的地址與另外一個已配置節點的地址相同； 在第一種情況下，假設已配置節點X位于無線網絡MANET1中，已配置節點Y位于無線 網絡MANET2中，無線網絡MANET1中的節點數量小于無線網絡MANET2中的節點數量；當已 配置節點X收到已配置節點Y的信標消息并檢測到自己的無線網絡ID與已配置節點Y的 無線網絡ID不同時，已配置節點X發起下述合并操作： 步驟401 :開始； 步驟402 :已配置節點X向已配置節點Y發送一條合并消息； 步驟403 :已配置節點Y在無線網絡內廣播合并消息，無線網絡MANET2中的已配置節 點收到該合并消息后，向已配置節點Y返回一個合并確認消息，無線網絡MANET1中的已配 置節點收到已配置節點Y的合并消息后，丟棄該合并消息； 步驟404 :已配置節點Y查看所有合并確認消息，計算出無線網絡MANET2中節點總數 量以及無線網絡MANET2中的所有已配置節點的四元組坐標的第一個元素到達東坐標節點 的跳數的最大值Emax，第二個元素到達南坐標節點的跳數的最大值S max，第三個元素到達西 坐標節點的跳數最大值Wmax，第四個元素到達北坐標節點的跳數的最大值N max，，然后向已配 置節點X返回一個合并初始化消息，合并初始化消息負載為無線網絡MANET2的節點總數量 以及到達東坐標節點的跳數的最大值E max，到達南坐標節點的跳數的最大值Smax，到達西坐 標節點的跳數的最大值Wmax和到達北坐標節點的跳數的最大值N max。； 步驟405 :已配置節點X收到合并初始化消息后，已配置節點X在無線網絡中廣播合并 地址消息，合并地址消息負載為無線網絡MANET2的無線網絡ID，以及到達東坐標節點的跳 數的最大值Emax，到達南坐標節點的跳數的最大值S max，到達西坐標節點的跳數的最大值Wmax 和到達北坐標節點的跳數的最大值Nmax ; 步驟406 :無線網絡MANET1中的已配置節點XI收到已配置節點X的合并地址消息后， 將自己地址中的無線網絡ID更新為無線網絡MANET2的無線網絡ID，假設已配置節點XI 到達東坐標節點的跳數為Exl，到達南坐標節點的跳數為Sxl，到達西坐標節點的跳數為W xl， 到達北坐標節點的跳數為Nxl，已配置節點XI執行以下賦值操作：Exl = Exl+Emax+1，Sxl = Sxi+Smax+1, ffxl = wxl+ffmax+l, Nxl = Nxl+Nmax+1 ； 步驟407 :已配置節點XI判斷跳數Exl，Sxl，Wxl和Nxl的值是否都小于或者等于f-1，如 果是，進行步驟408,否則進行步驟409 ; 步驟408 :已配置節點XI將自己標記為新節點，并執行步驟101到步驟105重新獲取 地址，執行步驟410 ; 步驟409 :已配置節點XI將地址中的四元組坐標更新為執行步驟406后的四元組坐 標，從而獲得了無線網絡合并后新的地址； 步驟410 :結束； 在第二種情況下，假設無線網絡ID的長度為i比特，有X個無線網絡，每個無線網絡產 生一個無線網絡ID，那么這些無線網絡的無線網絡ID沖突的概率p如公式（1)所示： r卜?-丄 p = ]-e ' 2 (1) i 根據公式（1)，兩個無線網絡產生相同無線網絡ID的概率趨于0 ; 如果已配置節點X的地址檢測到與另外一個已配置節點的地址相同，那么已配置節點 X廣播初始化消息，當無線網絡內節點收到初始化消息后，將自己轉變為新節點，通過無線 網絡初始化重新進行地址配置。
【文檔編號】H04L29/12GK104270479SQ201410557822
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】王曉喃, 孫琪 申請人:常熟理工學院