基于主从节点通信网络的分层组网方法

本发明涉及一种基于主从节点通信网络的分层组网方法。

一个包含单个主节点、多个从节点及通信介质的通信网络被称为主从节点通信网络，其目前常用的通信方式如下：

1、记录汇总部署在通信网络中的所有从节点通信地址；

2、将通信网络中所有从节点的通信地址输入主节点；

3、主节点主动对从节点发起点对点通信，通信成功则记录通信路径，否则增加中继继续尝试通信。

上述通信方式的不足在于：1、必须正确记录所有从节点的通信地址，若通信地址记录错误或者漏记，则造成通信失败；2、通信网络本身不具备更新功能，不能主动发现新加入或更换的通信从节点，不具备智能；3、通信路径形成费时，必须遍历每个从节点后才能形成唯一的通信路径；4、若通信路径失效，则需要重新发现路径，通信效率较差。

本发明的目的是提供一种可靠且易于实现的基于主从节点通信网络的分层组网方法。

本发明提供的这种基于主从节点通信网络的分层组网方法，主节点和各个从节点均能监听通信网络中的消息，分析周围发送入网请求的其他从节点，并记录为自己的邻居节点；该方法包括如下步骤：

步骤1，主节点发送呼叫i级从节点入网广播命令，并主动延时时间Di等待从节点申请入网；其中i为初始值是0的非负整数；

步骤2，所有接收到呼叫i级从节点入网广播命令的从节点，首先各自等待时间Tdi，当等待时间Tdi结束后，已入网的从节点在接下来的等待时间Tdi内自动随机选择一个时间点转发所述广播命令；未入网的从节点则在接下来的入网申请时间ti内，自动随机选择一个入网时间点携带自身地址主动向通信网络发送请求入网命令；

步骤3，主节点延时时间Di等待结束后，主节点依次与在所述延时时间内、主节点能够监听到且已发送申请入网的从节点进行点对点的入网确认，并给该从节点分配为0级节点，收到入网确认的从节点进行确认应答；

步骤4，主节点与已入网的i-1级从节点进行点对点通信，分别获取其所记录保存的邻居节点信息；若其邻居节点未入网，则主节点对该邻居节点进行入网确认，并给该邻居节点分配为i级节点，收到入网确认的从节点进行确认应答；

步骤5，主节点与已入网的i级从节点进行点对点通信，分别获取其所记录保存的邻居节点信息；若其邻居节点未入网，则主节点对该邻居节点进行入网确认，并给该邻居节点分配为i级节点，收到入网确认的从节点进行确认应答；

步骤6，重复步骤1至步骤5，通过i级节点发现i+1级节点，直至所有从节点的邻居节点均入网成功，表明组网完成。

所述等待时间Tdi和所述入网申请时间ti在组网之前能设定或修改；所述入网申请时间ti在所述等待时间Tdi结束后才开始计时。

所述主节点每次发送所述广播命令等待的所述延时时间Di不小于当前i级别该广播命令中所述等待时间Tdi的（i+1）倍和所述入网申请时间ti之和；所述延时时间Di随所述等待时间Tdi的变化而变化。

所述邻居节点是通信过程中，如果A节点的发送信息能被B节点监听到，则A节点称为B节点的邻居节点。

所述主节点是一次通信过程的发起方和结束方，具备获取从节点的邻居节点信息的功能；基于邻居节点信息，主节点能收敛、优化通信路径，自动形成多条有效通信路径。

所述从节点是一次通信过程的响应方；从节点受所述主节点控制。

所述i级从节点是与主节点通信需要i个中继节点的从节点；其中i为初始值是0的非负整数。

所述呼叫i级从节点入网广播命令包括序列号、等待时间Tdi、入网申请时间ti、转发次数；其中i为初始值是0的非负整数。

所述主节点发送的本次所述广播命令的序列号与其上一次发送的所述广播命令的序列号不同。

所述呼叫i级从节点入网广播命令的转发次数的初始值与i相等；所述广播命令每转发一次，所述转发次数减1，当其值减为0时停止转发。

所述从节点收到主节点的入网确认命令后，除非入网信息丢失，否则不再主动发送入网请求。

所述步骤2中已入网的从节点本身的级别比本次所述广播命令中呼叫入网的级别小，则自动转发所述广播命令；否则不进行所述广播命令的转发。

所述从节点收到相同的呼叫i级从节点入网广播命令，则丢弃该命令不予处理。

所述相同的呼叫i级从节点入网广播命令是序列号相同的所述广播命令。

所述邻居节点信息包括邻居节点的地址信息。

与现有技术方案相比，本发明有如下优势： 

1、通信网络部署时，不需要记录从节点通信地址，由主节点和从节点相互配合主动完成组网，保证网络中通信地址的准确可靠。组网完成后，主节点可随时反馈通信网络信息，保证通信网络信息的准确、有效、可靠。 

2、通信网络中新增通信节点或更换通信节点，本发明均能主动发现，不需要人工干预，大幅提升了通信网络的智能化。

3、分层组网过程中，由于节点具有监听功能，会形成大量的互为邻居的节点，换句话说，形成了大量的备用通信路径，因此一条或几条通信路径中断对最终通信效果影响较小。

4、主节点获取了大量的邻居节点信息，该信息有助于网络优化，利于通信网络的收敛，减少通信中继级数，提高通信效率；此外，该信息有助于形成主干通信网络（通信可靠性非常好的网络）；通信时，选择主干网络有利于提升通信成功率。

图1是本发明的通信网络示意图。

图2是本发明的一种三级网络的组网时序图。

图3是本发明具体实施的一种网络拓扑图。

一个包含单个主节点、多个从节点及通信介质的通信网络被称为主从节点通信网络。

如图1所示，从宏观上看，根据通信过程中是否需要中继及需要中继节点的数量，主从节点通信网络可以划分为多层，将在通信过程中需要同一数量中继节点的从节点归类为某级节点，将所有同级的从节点划分为一层。例如0级节点为能够与主节点直接通信的从节点，其需要中继节点的数量为0个，将所有0级节点划分为第0层；1 级节点为与主节点通信必须通过另一个节点进行中继才能完成的从节点，其需要的中继节点数量为1个，将所有1级节点划分为第1层；……，以此类推。由此实现通信网络的分层。

而从理论上来说，通信时仅有该节点所在层的邻近两个上述网络层能够接收到信息，其余层是无法接收到信息的。

本发明利用了此特性，采用主节点“逐级按层”召测从节点入网的方式，最终完成整个通信网络的组建。

本发明是在现场通讯成功率不能达到客户需求的情况下提出，为的是减少人工干预网络，提升通信网络智能化程度，提高通信成功率，加快工程推进进度。

下面结合附图2、图3以及具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明优选在载波通信领域的主从节点通信网络中应用。

实施例：主节点对未知数量的从节点进行组网。各从节点的邻居节点均入网确认了表明组网的完成。

设现有单个主节点和若干从节点，这些节点均能监听通信网络中的消息，均能分析并记录自己周围发送入网请求的其他从节点的信息；主节点还具备获取从节点的邻居节点信息的功能。

步骤1，主节点BB发送序列号为0、等待时间为Td0、入网申请时间为t0、转发次数为0、呼叫0级从节点入网的广播命令，并主动延时D0时间等待从节点申请入网。

步骤2，从节点C1、从节点C2和从节点C3均收到该条入网广播命令，发现序列号与上次的序列号不一致，则三个从节点分别更新序列号为0，然后各自等待Td0时间。由于这三个从节点均未收到主节点的入网确认，因此在接下来的t0时间段内，从节点C1随机选择一个时间点携带自身地址向通信网络发送请求入网命令，从节点C2随机选择一个时间点携带自身地址向通信网络发送请求入网命令，从节点C3随机选择一个时间点携带自身地址向通信网络发送请求入网命令。

步骤3，在D0时间内，主节点BB监听到从节点C2发送的入网申请，主节点BB监听到从节点C1发送的入网申请，主节点BB监听到从节点C3发送的入网申请。

步骤4，主节点BB在等待时间D0结束后，主节点BB向从节点C2发出入网确认，并给从节点C2分配为0级节点，从节点C2进行确认应答；主节点BB再向从节点C1发出入网确认，并给从节点C1分配为0级节点，从节点C1进行确认应答；然后主节点BB再向从节点C3发出入网确认，并给从节点C3分配为0级节点，从节点C3进行确认应答。

步骤5，主节点BB与从节点C2点对点通信获取从节点C2的邻居节点，从节点C2的邻居节点为从节点C1和从节点C3，没有未入网从节点；主节点BB与从节点C1点对点通信获取从节点C1的邻居节点，从节点C1的邻居节点为从节点C2，没有未入网从节点；主节点BB与从节点C3点对点通信获取从节点C3的邻居节点，从节点C3的邻居节点为从节点C2，没有未入网从节点。

步骤6，主节点BB发送序列号为1、等待时间为Td1、入网申请时间为t1、转发次数为1、呼叫1级从节点入网的广播命令，并主动延时D1时间等待从节点申请入网。

步骤7，从节点C1、从节点C2和从节点C3均收到该条入网广播命令，发现序列号与上次不一致，则分别更新序列号为1，然后各自等待Td1时间。由于这三个从节点均已收到主节点的入网确认，且本次呼叫入网从节点的级别比自身级别大，因此在接下来的Td1时间段内，从节点C1随机选择一个时间点将广播入网命令转发次数减1后转发，从节点C2随机选择一个时间点将广播入网命令转发次数减1后转发，从节点C3随机选择一个时间点将广播入网命令转发次数减1后转发。

如果已入网的从节点本身的级别比本次所述广播命令中呼叫入网的级别小，则自动转发所述广播命令；否则不进行所述广播命令的转发。比如从节点本身为2级节点，但是这次的广播命令是呼叫1级从节点入网，那么这个2级节点是不进行该条广播命令的转发的。

步骤8，从节点C4、从节点C5分别接收到入网广播命令，发现序列号与上次不一致，则分别更新序列号为1，然后各自等待Td1时间。由于这两个从节点均未收到主节点的入网确认，因此在接下来的t1时间段内，从节点C4随机选择一个时间点携带自身地址向通信网络发送请求入网命令，从节点C5随机选择一个时间点携带自身地址向通信网络发送请求入网命令。

步骤9，主节点BB与从节点C2点对点通信获取从节点C2的邻居节点，从节点C2的邻居节点为从节点C1、从节点C3、从节点C4、从节点C5，有未入网从节点C4和从节点C5。主节点BB则以从节点C2为中继分别对从节点C4和从节点C5进行入网确认，并给从节点C4和从节点C5分配为1级，从节点C4和从节点C5分别进行确认应答。主节点BB与从节点C1点对点通信获取从节点C1的邻居节点，从节点C1的邻居节点为从节点C2和从节点C4，没有未入网从节点。主节点BB与从节点C3点对点通信获取从节点C3的邻居节点，从节点C3的邻居节点为从节点C2和从节点C5，没有未入网从节点。

步骤10，主节点BB以从节点C2为中继与从节点C4点对点通信获取从节点C4的邻居节点，从节点C4的邻居节点为从节点C1和从节点C2，没有未入网从节点；主节点BB以从节点C2为中继与从节点C5点对点通信获取从节点C5的邻居节点，从节点C5的邻居节点为从节点C2和从节点C3，没有未入网从节点。

步骤11，主节点BB发送序列号为2、等待时间为Td2、入网申请时间为t2、转发次数为2、呼叫2级从节点入网的广播命令，并主动延时D2时间等待从节点申请入网。

步骤12，从节点C1、从节点C2和从节点C3均收到该条入网广播命令，发现序列号与上次不一致，则分别更新序列号为2，然后各自等待Td2时间。由于这三个从节点均已收到主节点的入网确认，且本次呼叫入网从节点的级别比自身级别大，因此在接下来的Td2时间段内，从节点C1随机选择一个时间点将广播入网命令转发次数减1后转发，从节点C2随机选择一个时间点将广播入网命令转发次数减1后转发，从节点C3随机选择一个时间点将广播入网命令转发次数减1后转发。

步骤13，从节点C4、从节点C5分别接收到从节点C1、从节点C2、从节点C3转发的入网广播命令，发现序列号与上次不一致，则分别更新序列号为2，然后各自等待Td2时间。由于这两个从节点均已收到主节点的入网确认，且本次呼叫入网从节点的级别比自身级别大，因此在接下来的Td2时间段内，从节点C4随机选择一个时间点将广播入网命令转发次数减1后转发，从节点C5随机选择一个时间点将广播入网命令转发次数减1后转发。

步骤14，从节点C1、从节点C2、从节点C3分别接收到从节点C4、从节点C5转发的入网广播命令，发现序列号与上次一致，则丢弃报文不予处理。

步骤15，从节点C6接收到从节点C5转发的入网广播命令，发现序列号与上次不一致，则更新序列号为2，然后等待Td2时间。由于从节点C6未收到主节点的入网确认，因此在接下来的t2时间段内，从节点C6随机选择一个时间点携带自身地址向通信网络发送请求入网命令。

步骤16，主节点BB以从节点C2为中继与从节点C4点对点通信获取从节点C4的邻居节点，从节点C4的邻居节点为从节点C1和从节点C2，没有未入网从节点；主节点BB以从节点C2为中继与从节点C5点对点通信获取从节点C5的邻居节点，从节点C5的邻居节点为从节点C2、从节点C3和从节点C6，有未入网从节点C6。主节点BB则以从节点C2、从节点C5为中继对从节点C6进行入网确认，并给从节点C6分配为2级，从节点C6进行确认应答。

步骤17，主节点BB以从节点C2、从节点C5为中继与从节点C6点对点通信获取从节点C6的邻居节点，从节点C6的邻居节点为从节点C5，没有未入网节点。

至此，如图3所示的3级网络组网完成。

所有节点都只监听网络中的信息，听到则保存为自己的邻居节点，并不对听到的信息进行转发。

在进行入网确认时，主节点会给从节点进行级别分配，比如说分配为0级节点(从节点会记录自己所属的级别)。例如，主节点在呼叫1级节点入网时，实际上将广播命令发送到通信网络，所有已入网的0级节点检测到是呼叫1级节点入网，则已入网从节点自动转发。因此如果从节点没有自己所属的级别信息，该从节点就无法转发该广播命令。主节点以此方式通过0级节点来发现1级节点，通过0级节点和1级节点来发现2级节点，以此类推。通过这种方式，主节点快速高效的完成组网，实现对网络的收敛与优化。

根据如图2所示时序，本发明采用下列公式可以计算理想情况下的组网完成时间。              

            （1）

                            （2）

式中，Ti表示第i层网络组网完成所需要的时间， Tdi表示报文中指定的等待时间（第i-1层所有节点转发组网报文所需时间），ti表示第i层网络申请入网的时间跨段。Ts为完成组网整个过程所需要的时间，n为整个网络的宏观拓扑层数，t为一个通讯周期所用时间，Ci表示网络第i层的从节点数量。

本发明是在一种理想情况且若干假设成立的前提下，采用式（1）和式（2）计算组网完成时间，体现本发明的组网效率的。

本发明采用的几个假设如下：

1、每个从节点仅收到入网确认一次，且仅从该从节点获取二次其邻居节点。

2、通信数据无论多少，其一次通信过程时间为固定值。

3、没有通讯失败的情况。

对于一个4级的网络，假设当前状态下，能与主节点直接通信的从节点数量为512个，需要1个中继节点才能与主节点通信的从节点有256个，需要2个中继节点才能与主节点通信的从节点有128个，需要3个中继节点才能与主节点通信的从节点有64个，则有C0=512，C1=256，C2=128，C3=64；n=4-1=3。若Tdi为5分钟，ti为5分钟，t为1秒（假设一个通讯周期为1秒），则

（1）；

；

；

；

（2）

由此得出本发明对上述网络的组网完成时间约为149分钟。