在无基础设施移动环境下以内容为中心的通信系统

摘要

本发明涉及一种在无基础设施移动环境下以内容为中心的通信系统，包括：移动端，具有能提供语音、视频、发送图片的功能的APP软件，同时采用NDN架构，定义三种数据包，设置PIT表以及缓存CS；并采用优化的转发策略控制数据包的泛洪，减少请求的响应时间；MSP430单片机，用于实现整体通信系统的MAC层协议部分，采用了传统的CSMA/CA的信道竞争模式，并且设计了帧结构；蓝牙模块，用来连接手机端内置蓝牙完成数据从手机端到MSP430单片机的传输；Lora模块，完成不同距离不同功耗的窄带数据传输。与现有技术相比，本发明采用未来网络媒体架构NDN，真正实现了NDN以内容取代IP地址通信的方式，更适应于网络中多媒体内容的分享。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种在无基础设施移动环境下以内容为中心的通信系统。

背景技术

随着无线网络的发展和移动设备的普及化，人们对信息交互的需求也逐渐提升。如今，人们对无线通讯的要求，已不再只是满足于端到端通信的基础标准。微博分享、微信朋友圈等新兴网络媒体产业的兴起，使得更多的人期望在无线网络环境下，也能够实时对内容进行分享。然而在无线资源条件下，由于带宽较窄、通信链路不稳定、网络移动性能较差等问题致使对于多媒体内容的传输，不能像在有线网络中那样快速稳定。因此，如何提升无线网络的性能来保障以内容分享为目的的通信服务质量，在近年来成为了新的热议话题。

IP网络架构的设计瓶颈使得人们开始关注对新的网络架构的开发，也正是在这样的情况下，命名数据网络(Named Data Networking，简称NDN)这一新型的网络架构逐渐走入了人们的视线。NDN是利用对于数据的直接命名来进行请求与内容的匹配的，每个NDN的数据包中都含有对于数据内容进行定义的数据标签。当网络中的任意节点收到该数据包时，都会根据着针对内容的标签进行接收接口记录、转发接口记录等操作，然后通过特定的路由转发协议将数据包进行转发。如果该节点中恰巧含有符合兴趣内容的数据包，那么该数据包会根据节点中记录的接口记录将数据包逆向返回给用户。

NDN在无线网络中的应用主要可以分成两种：(1)在现有的网络架构上设置NDNoverlay，这种方法仍然没有摆脱现有的IP网络架构，不能充分利用NDN以内容替代IP寻址的特点；(2)直接在MAC层上设计NDN层，这种方式一般应用于传感器网络、车联网等adhoc网络，然后没有对MAC层作出适应于NDN网络特点的修改。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在无基础设施移动环境下以内容为中心的通信系统，提供了在探险、航行、旅游等无基础通信设施的应用场景中的远距离通信的功能，同时采用未来网络媒体架构NDN，真正实现了NDN以内容取代IP地址通信的方式，更适应于网络中多媒体内容的分享。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种在无基础设施移动环境下以内容为中心的通信系统，包括：

移动端，具有能提供语音、视频、发送图片的功能的APP软件，同时采用NDN架构，定义三种数据包，设置PIT表以及缓存CS；并采用优化的转发策略控制数据包的泛洪，减少请求的响应时间；

MSP430单片机，用于实现整体通信系统的MAC层协议部分，采用了传统的CSMA/CA的信道竞争模式，并且设计了帧结构以满足快速组网退网、发送SOS信号的功能；

蓝牙模块，用来连接手机端内置蓝牙完成数据从手机端到MSP430单片机的传输；

Lora模块，通过自定义的物理层协议以及两种不同的调制模式完成不同距离不同功耗的窄带数据传输。

所述的移动端的数据包包括三种类型，分别为：

(1)兴趣包Interest Packet，每当一个用户请求一个内容时，会产生一个相应的兴趣包，该兴趣包包含其请求内容的名称，并向周围用户广播该兴趣包；

(2)数据包，当内容拥有者接收到兴趣包后，返回相应的数据包；

(3)拓扑维护包：每个用户周期性的维护邻居用户信息，包括GPS信息、邻居用户信息以及PIT表信息。

所述的缓存CS的缓存策略分为两个部分：(1)是否缓存收到的数据包；(2)当缓存空间存满后，采用LCE-LFU的缓存策略，即缓存所有收到的数据包，如果缓存空间已满，则替代最不频繁使用的内容，同时考虑兴趣包和数据包的到达频率来表示不同内容的请求频率。

所述的PIT表用来记录接收用户接收到但不能满足的兴趣包的信息，考虑到在无线环境下，用户具有移动性，接收用户周围原本请求该内容的发送用户可能已经离开接收用户的传输范围，因此，PIT表中的每条记录在设定时间后就会被认为过时并被删除。

所述的转发策略控制数据包的泛洪具体包括：

(1)基于一跳邻节点信息的下一跳转发兴趣包节点的选取优化问题：

其中表示没有处理过相同请求的邻居节点集合，表示处理过相同请求的邻居节点集合，表示节点i的覆盖面积，表示选中的下一跳转发节点的集合，是的子集；ρ∈(0,1]是预先设定的阈值用来控制兴趣包的数量；表示选中的转发节点和已转发过节点覆盖的范围并集；上述公式表达意思是在未处理过相同请求的邻居节点集合中选取最少的转发节点覆盖最大的范围；被选中的节点继续转发兴趣包，未被选中的节点则不转发兴趣包；

(2)基于两跳邻节点信息的下一跳转发兴趣包节点的选取优化问题：

其中表示没有处理过相同请求的邻居节点集合，表示处理过相同请求的邻居节点集合，表示节点i的邻节点集合，表示选中的下一跳转发节点的集合，是的子集；ρ∈(0,1]是预先设定的阈值用来控制兴趣包的数量；表示选中的转发节点和已转发过节点覆盖的节点集合的并集；上述公式表达意思是在未处理过相同请求的邻居节点集合中选取最少的转发节点覆盖最多的邻居节点。

所述的MSP430单片机的帧结构由两部分构成：MAC头和MAC承载，MAC头由一个固定字节组成，包括MAC信息类型、保留和版本号，设置不同的MAC信息类型可以快速的组网、退网、发送SOS信号；

MAC承载由帧头和负载组成，帧头由四个字节的网络ID，一个字节的目的地址ID，一个字节的转发地址ID，一个地址的源地址ID和一个字节的控制信息组成；

网络ID：组网时由各个用户的MAC地址决定，唯一标示一个网络；

目的地址ID：组网时由各个用户协商决定，代表网络中用户的唯一标示，0xFF保留为广播；

转发地址ID:用来表明多跳需要转发的节点；

源地址ID:发送信息的用户ID。

所述的蓝牙模块位蓝牙4.0，由于蓝牙4.0一次可发送的包的大小为20bytes，而MSP430单片机一次可以处理的数据包大小为54bytes，定义了针对移动端和MSP430单片机之间的接口协议以实现包的分割与重组。

与现有技术相比，本发明充分利用无线网络中广播这一特性，设计了支持快速组网、发送SOS消息以及支持单播广播的MAC层协议，并直接在此基础上设计了NDN层，充分考略无线网络的移动性，提出了对转发策略的优化问题来解决广播带来的泛洪问题，同时对缓存策略作出修改，同时考虑数据包和兴趣包的到达频率；另外由于蓝牙4.0一次可发送的包的大小为20bytes，而MSP430一次可以处理的数据包大小为54bytes，我们定义了针对APP和MSP430之间的接口协议以实现包的分割与重组。

附图说明

图1为本发明通信系统框架图；

图2为MSP430的帧结构示意图；

图3为透传数据包的结构示意图；

图4为非透传命令的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种在无基础设施移动环境下以内容为中心的通信系统，包括：

移动端：设计一款能提供语音、视频、发送图片等多种功能的APP。同时采用NDN架构，定义两种数据包：兴趣包和数据包，设置PIT表以及缓存CS。同时采用优化的转发策略控制两种数据包的泛洪，减少请求的响应时间。

蓝牙4.0：由于手机无法直接和MSP430相连，使用蓝牙4.0在手机端和MSP430之间传输数据。手机端在APP中调用相应模块开启蓝牙并搜索周边可配对蓝牙设备，选择相应设备配对后可进行数据发送与接收。由于蓝牙4.0一次可发送的包的大小为20bytes，而MSP430一次可以处理的数据包大小为54bytes，我们定义了针对APP和MSP430之间的接口协议以实现包的分割与重组。

MSP430：实现整体通信系统的MAC层协议部分。采用了传统的CSMA/CA的信道竞争模式，并且设计了帧结构以满足快速组网退网、发送SOS信号等功能。

Lora模块：采用SX1276芯片，SX1276/77/78收发器主要采用〖Lora〗^TM远程调制解调器，用于超长距离扩频通信，抗干扰性强，能够最大限度降低电流消耗。

移动端APP除了提供语音、视频、发送图片等功能，最重要的是在我们的通信系统中实现了NDN层，包括以下几个方面：

数据包类型：整个网络中一共存在三种类型的数据包：(1)兴趣包InterestPacket,每当一个用户请求一个内容的时候，会产生一个相应的兴趣包，包含其请求内容的名称，并向周围用户广播该兴趣包；(2)数据包，当内容拥有者接收到兴趣包后，返回相应的数据包；(3)拓扑维护包：每个用户周期性的维护邻居用户的信息包括GPS信息、邻居用户信息以及PIT表信息等。

内容缓存CS：缓存策略分为两个部分：(1)是否缓存收到的数据包；(2)当缓存空间存满后，如何替代已缓存的内容。在本系统中，我们采用LCE-LFU的缓存策略，即缓存所有收到的数据包，如果缓存空间已满，则替代最不频繁使用的内容，同时考虑兴趣包和数据包的到达频率来表示不同内容的请求频率

未满足兴趣PIT表：PIT表是用来记录接收用户接收到但不能满足的兴趣包的信息，考虑到在无线环境下，用户具有移动性，接收用户周围原本请求该内容的发送用户可能已经离开接收用户的传输范围，因此，PIT表中的每条记录在一定时间后就会被认为过时并被删除。

转发策略FIB：在本系统中，所有的用户采用广播模式发送各类数据包，如果不加以控制，会带来严重的数据包泛洪问题，同时产生网络拥塞，浪费带宽，为了尽可能快的满足兴趣包并且减少数据包的泛洪，我们提出了两个需要解决的优化问题：

(1)基于一跳邻节点信息的下一跳转发兴趣包节点的选取优化问题：

其中表示没有处理过相同请求的邻居节点集合，表示处理过相同请求的邻居节点集合，表示节点i的覆盖面积，表示选中的下一跳转发节点的集合，是的子集。ρ∈(0,1]是预先设定的阈值用来控制兴趣包的数量。表示选中的转发节点和已转发过节点覆盖的范围并集。该算法的主要思想是在未处理过相同请求的邻居节点集合中选取最少的转发节点覆盖最大的范围；被选中的节点继续转发兴趣包，未被选中的节点则不转发兴趣包；

(2)基于两跳邻节点信息的下一跳转发兴趣包节点的选取优化问题：

其中表示没有处理过相同请求的邻居节点集合，表示处理过相同请求的邻居节点集合，表示节点i的邻节点集合，表示选中的下一跳转发节点的集合，是的子集。ρ∈(0,1]是预先设定的阈值用来控制兴趣包的数量。表示选中的转发节点和已转发过节点覆盖的节点集合的并集。该算法的主要思想是在未处理过相同请求的邻居节点集合中选取最少的转发节点覆盖最多的邻居节点。

MSP430：实现整体通信系统的MAC层协议部分。采用了传统的CSMA/CA的信道竞争模式，并且设计了帧结构以满足快速组网退网、发送SOS信号等功能。具体的帧结构设计如图2所示：

MAC层帧结构由两部分构成：MAC头和MAC承载。MAC头由一个固定字节组成，包括MAC信息类型，保留和版本号。设置不同的MAC信息类型可以快速的组网、退网、发送SOS信号等。MAC承载由帧头和负载组成。帧头由四个字节的网络ID，一个字节的目的地址ID，一个字节的转发地址ID，一个地址的源地址ID和一个字节的控制信息组成。网络ID：组网时由各个用户的MAC地址决定，唯一标示一个网络；目的地址ID：组网时由各个用户协商决定，代表网络中用户的唯一标示，0xFF保留为广播；转发地址ID:用来表明多跳需要转发的节点；源地址ID:发送信息的用户ID。

接口协议：由于蓝牙4.0一次可发送的包的大小为20bytes，而MSP430一次可以处理的数据包大小为54bytes，我们定义了针对APP和MSP430之间的接口协议以实现包的分割与重组。

对于透传数据包，如图3所示：总共60字节，其中payload长度为54字节。一整个包拥有一个序列号，用以标示整个包的序列，用以重传或者确认。每个控制头中的包序列号用来重组负载。当payload不足54字节时，依然需要凑满三个20字节的包，因此，需要将不足54字节的payload在其后补0构成54字节进行封包。

对于非透传命令，如图4所示：每个整包以20字节为单位进行拆分。控制头以及序列号和透传命令中相同。拆分包的数量根据命令长度决定。当最后一个20字节包不足20字节时，在Crc校验码校验后面补0。通过命令，手机端和MSP430可以相互交换组网、硬件设备信息、进入休眠以及调制模式等信息。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。