[发明专利]一种面向多元生态观测的网络自组织方法

权利要求书

1.一种面向多元生态观测的网络自组织方法，其特征在于，包括：

步骤1：设计多接口定向天线的节点模型；

步骤2：设计发现相邻节点的消息包、一跳邻居信息表以及两跳邻居信息表；

步骤3：发现相邻邻居的三次探测；

步骤4：设计时分复用方式结合定向天线后的时隙分配方法；

步骤5：设计控制消息；

步骤6：设计信道分配算法；

步骤3中所述探测发现相邻邻居的三次探测过程如下：

步骤3.1：节点A广播hello消息，在一跳范围内广播，节点B接收，如果B未收到hello，不做出回应；如果B成功收到A的hello包，查询自己的一跳邻居表；根据邻居表是否存储A来决定是否丢弃该hello包；若不存在，则更新A的邻居存活时间和设置A为自己的非对称邻居，并且链路为非对称；

步骤3.2：结点B收到hello包后，会给A回复AS-ack包，AS-ack包的结构为：

AS-ack(Reserved，Htime，As-ackMessageSize，NodeId，Local Interface Address，TxAntennaID，NeighborTable)；

其中NeighborTable为一跳邻居信息表的信息；如果A未收到AS-ack包，过程结束；

若A收到B的AS-ack包，将B存储到自己的一跳邻居表，并且邻居状态和链路状态均为对称的，然后根据B的一跳邻居表来跟新自己两跳邻居表即对于节点i的一跳邻居节点j而言，i的一跳邻居节点就是j的两跳邻居节点；

步骤3.3：如果步骤3.2过程成功，则节点A会给B回复AS-ack包，AS-ack包存储着A的一跳邻居等信息，若B未收到AS-ack包，过程结束；若B成功收到A的AS-ack包，将A更新为自己的一跳对称邻居并且链路为对称的；然后根据A的一跳邻居表更新自己的两跳邻居表；

经过步骤3.1至步骤3.3的一次循环，节点A和B都能知道对方能可靠的相互通信，双方链路均为对称链路且均为对称邻居，这里我们只关心对称链路和对称邻居信息，另外A和B都知道了自己的一跳邻居和两跳邻居信息；

步骤4中所述设计时分复用方式结合定向天线后的时隙分配方法为：

将时隙均分为很多小时隙，让每个节点每根天线在相应的时隙发送和接收hello包，这里是根据节点ID号来划分，第1个时隙P(Id1，m(1，2,3……m)，n1(a))处于发送hello包状态,即第1个节点上面的所有接口上面的第一根天线发送hello包，P(Id(2,3,4，……N),m(1，2,3……m)，n(a+π))处于接收hello包状态，每个时隙都会完成步骤3的3.1到3.3的一次循环；

第二个时隙第1个节点上面的所有接口上面的第二根天线发送hello包，其余节点与第一个节点工作的天线角度相差180度的天线处于接收hello包状态，一个接口上面有n根天线，这样一个节点需要n个时隙完成邻居发现，N个节点需要n*N个时隙完成邻居发现；

步骤5中设计的控制消息在当前节点向周围一跳节点广播控制消息时，不需要所有的一跳对称邻居进行转发，只需要挑选部分节点，这些节点称为CTT节点，通过CTT节点可以严格到达所有的两跳对称邻居节点；CTT节点构成的集合为CTT集合；

所述CTT集合选取的具体过程为：

步骤5.1：定义节点i的CTT集合为S，其一跳对称邻居节点的集合为D1(i)，其两跳对称邻居节点的集合为D2(i)，如果节点i的一跳对称邻居节点为j，则定义节点i覆盖节点j，定义节点i在某个集合中的一跳对称邻居节点数为节点i在某个集合中的覆盖数；

步骤5.2：初始化S为空，根据节点i的一跳对称邻居表和两跳对称邻居表，得到D1(i)和D2(i)，被选为CTT的节点必须和本节点是对称邻居；

步骤5.3：根据D1(i)中所有的节点，分别获取它们在D2(i)中所能覆盖的节点个数；

步骤5.4：对于D1(i)中的任一节点，如果该节点存在唯一的一跳对称邻居节点，则将此节点加入S的集合中；

步骤5.5：如果D2(i)中还存在未被S中任一节点所覆盖的节点，则对于D1(i)中未被加入S的节点，将其在D2(i)中具有最大覆盖数的一个节点加入S的集合中；

步骤5.6：跳转到步骤5.5直到D2(i)中不存在未被S中任一节点所覆盖的节点；

为判断哪些节点转发控制消息，需要维护一张CTTSelector表，此表包含节点的CTTSelector，当CTTSelector接收到控制消息，转发控制消息，否则不转发，CTTSelector格式为CTTSelector(CS_addr,CS_seq_num,CS_time),各个变量的含义为：

CS_addr：被选为CTT节点的地址；

CS_seq_num：CTTSelector集的序列号；用于区分CTTSelector集的新旧；

CS_time：该CTTSelector集条目的保持时间，如果过期，则删除该条目；

完成了CTT节点的选取后，接着设计控制消息，这里称为CT消息，CT消息生命期最多两跳，CT消息结构为CtMessage(MessageSeqNo，ANSN，HopCount，Originator Address,Reserved,CTTSelectorAddress)，这些字段的含义为：

MessageSeqNo：CT分组序列号，用来识别是否为重复接收到的CT分组；可以根据当前接收到消息的序列号与自己存储的最新一条消息的序列号对比选择是接受还是丢弃该条消息；这样既避免了消息的重复接收、重复处理，也使得节点不需要按顺序传输控制消息；

ANSN：CTTSelector序列号；与CTTSelector表相对应，当CTTSelector集合有变化时，ANSN随之更新；

HopCount：跳数；CT转发的最大跳数，当为“0”时，不再转发，这里设置为2；

Originator Address：生成CT分组的节点地址；

Reserved：保留字段；必须为全“0”；

CTTSelectorAddress：转发CT节点的地址；

步骤6设计信道分配算法利用定向天线的优势和多接口多信道的优势实现时隙的双重复用，采用图论思想，将网络中的拓扑抽象成图，将信道资源的调度问题转换为图的着色问题，让网络中的所有链路都能分到一个双向时隙；

步骤6所述的信道分配算法具体步骤如下：

步骤6.1：定义当前拓扑结构为二元组GV,E,G是一个无向图，节点i的度为节点i的一跳对称邻居表中的成员个数；链路的着色情况用矩阵[A]表示，节点i和节点j之间的链路所着的色号r用矩阵[A]中的元素c_i,j＝r表示；网络中的链路所占用时隙的情况用时隙矩阵[B]表示，矩阵中的元素d_i,j＝e1表示第e1个时隙分给节点i发送，节点j接收；d_j,i＝e2表示第e2个时隙分给节点j发送，节点i接收；

步骤6.2：初始化G，[A],[B]为空，根据拓扑结构图构造图G，V(P(Idn，mi，nj)，P(Ida，mb，nc))，代表在拓扑表中第n个节点的第i个接口上面的第j号天线和第a个节点的第b个接口上面的第c号天线在拓扑结构中有连接；E(n，a)＝1表示n号节点和a号节点的链路为对称的，即网络中有邻居关系的两个节点之间的链路，图G＝{(V1，E1)，(V2，E2)，……(Vn,En)}，n为拓扑图中链路的条数；

步骤6.3：根据G中所有的节点，统计每个节点的度，然后按照节点的度从大到小排序；

步骤6.4：给步骤6.3中未着色度最大的节点开始着色，着色号从1开始，依次加1，将同一接口下的多条链路着不同颜色，不同接口下的多条链路可以复用同一颜色，但都需要不同于自己的一跳邻居的着色，另外节点的某些链路在之前节点着色时已被着过色的不再重复着色；

步骤6.5：跳转到步骤6.4直到图G中所有链路已被着色；

步骤6.6：根据链路的着色号确定矩阵A，确定着色元素c_i,j，其大小为对应链路的着色号；

步骤6.7：由矩阵[A]确定矩阵[B]，根据着色矩阵中的元素c_i,j＝r求得d_i,j＝2r-1,d_j,i＝2r；节点i占用时隙号为2r-1的时隙发送，节点j占用2r-1的时隙接收,同理，节点j占用时隙号为2r的时隙发送，节点i占用2r的时隙接收。