CN101420320A - 多跳无线通信网络中的网络重配方法、***与网络节点 - Google Patents

多跳无线通信网络中的网络重配方法、***与网络节点 Download PDF

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CN101420320A CNA2007101679062A CN200710167906A CN101420320A CN 101420320 A CN101420320 A CN 101420320A CN A2007101679062 A CNA2007101679062 A CN A2007101679062A CN 200710167906 A CN200710167906 A CN 200710167906A CN 101420320 A CN101420320 A CN 101420320A
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Abstract

本发明提供了一种多跳无线通信网络中的网络临时重配方法，该方法能够根据作为通信端点的网络节点之间地理距离与跳距的差异，动态地对网络拓扑结构进行临时重配，从而减少作为通信端点的网络节点之间的跳距，缩短多跳无线通信网络中的通信时延，提高无线资源的利用率，并减少网络节点的功率消耗。对于采用树形拓扑结构并严格要求低功率消耗的多跳无线通信网络而言，本发明具有更为显著的效果。同时，本发明还提供了一种能够实施所述网络临时重配的多跳无线通信网络***以及相应的网络节点。

Description

多跳无线通信网络中的网络重配方法、***与网络节点
技术领域
本发明涉及多跳无线通信(Multihop wireless communication)技术，特别涉及一种多跳无线通信网络中的网络临时重配方法以及相应的***与网络节点。
背景技术
在网络节点位置固定的多跳无线通信网络中，在各网络节点上电后，网络的拓扑结构可被确定下来并随后保持不变，除非个别网络节点的失效或信道条件的改变而导致网络的重配置。其中，基本的拓扑结构类型(如星形、网状、树形)的选择必须考虑到具体的应用需求以及其对算法设计(如对路由的算法设计、唤醒/休眠机制的算法设计等)的影响。
如果部分或全部网络节点为可移动的节点，则网络拓扑必须定期更新，以保持网络的功能性。此时，网络中包括两种网络节点：移动网络节点和固定网络节点，其中移动网络节点如无线传感网络(WSN，Wireless SensorNetwork)中的移动网关，固定网络节点比如WSN中的无线节点。针对此种情况，寻找一种既能保证网络功能又能保证高效的网络拓扑的网络重配置方法成为本领域的关键问题。
假定一个移动网络节点(如移动网关)希望与其邻近的无线节点(其位置固定)通信。若网络采用的是树形拓扑结构，则该移动网络节点与其通信对端之间的地理距离可能与二者之间的跳距(hop-distance)存在显著的差别，比如：该移动网络节点与地理上距离最近的一个无线节点进行通信，而从树形拓扑结构上看，该无线节点可能距该移动网络节点的跳距最长。这里，所谓跳距指依据网络拓扑结构的网络节点间的逻辑距离。所述的移动网络节点以下以移动网关(Mobile Gateway)为例，但是所述的移动网络节点也可以作为数据源或是一个汇点(即网络中使用数据的地点)。
图1示出了一个多跳无线通信网络中网络节点之间的地理距离和跳距的差异。如图1所示，方框表示的网络节点为移动网关，圆圈表示的网络节点为无线节点，移动网关和各无线节点构成了一个多跳无线通信网络，该网络采用树形拓扑结构。在各个无线节点中，节点101、102、103、104、105、106、107、108、109和110既可以作为数据源，也可以作为另一个无线节点的网络协调器(Coordinator)，负责中转该无线节点与移动网关之间的通信，网络协调器的一次中转又被称为一跳。在图1所示的树形拓扑结构中，节点110为与移动网关进行通信的无线节点中的根结点，无线节点101到无线节点109为根结点110下的子结点，其它未带标号的无线节点为树形拓扑结构中的叶结点。如上所述，作为网络协调器的各无线节点具备通信中转功能，能够将作为其叶结点的无线节点的数据或其上一跳无线节点的数据按照树形拓扑结构转发至其下一跳无线节点或移动网关。在各个作为网络协调器的无线节点上所标识的数字(1、2、3、4、5、6、7、8、9或10)代表该无线节点距离移动网关的跳距。比如：无线节点110距离移动网关的跳距为1，无线节点106距离移动网关的跳距为5，无线节点101距离移动网关的跳距为10。这样，当移动网关和无线节点101作为通信端点(Communication Endpoint)进行通信时，无线节点101的数据按照树形拓扑结构需要经过十跳才能到达移动网关，无线节点101是距离移动网关跳距最大的网络节点，而从图1中可见，无线节点101是距离移动网关地理距离最近的网络节点。
由此可见，移动网关和一些无线节点之间的通信将由于网络拓扑结构的要求而需要经过很多跳，并与移动网关与无线节点之间实际的地理距离存在显著差异，从而导致多跳无线通信网络中较长的数据转发时延、无线节点功率总量消耗较大以及无线资源利用率较低的缺点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多跳无线通信网络中的网络临时重配方法，该方法能够根据网络节点之间地理距离与逻辑距离的差异动态地对网络拓扑结构进行临时重配，从而缩短多跳无线通信网络中的通信时延，提高无线资源的利用率，并减少网络节点的功率消耗。
同时，本发明还提供了一种能够实施所述网络临时重配的多跳无线通信网络***以及相应的网络节点。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种多跳无线通信网络中的网络临时重配方法，其中，所述网络中包括一个第一网络节点和至少一个第二网络节点，所述第一网络节点与各第二网络节点按照所述网络的拓扑结构进行通信；该方法包括：
所述第一网络节点检测一个第二网络节点作为目标节点，其中所述目标节点与所述第一网络节点间的地理距离小于或等于一个预设的第一门限，且所述目标节点与所述第一网络节点间的逻辑距离大于或等于一个预设的第二门限；
所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与所述目标节点进行通信。
可选的，所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联包括：
所述第一网络节点向所述目标节点发起临时关联请求；
在所述目标节点接受所述临时关联请求时，所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联。
当所述至少一个第二网络节点中包括至少一个网络协调器时，所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联包括：
所述第一网络节点向所述目标节点的网络协调器发起与所述目标节点的临时关联请求；
所述网络协调器接受所述临时关联请求，并指示所述目标节点与所述第一网络节点建立临时关联。
当所述网络的拓扑结构为树形结构，并且所述目标节点为包括至少一个子结点的子树的根结点时，所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联包括：
所述第一网络节点向所述目标节点请求与该目标节点以及该目标节点的全部子结点临时关联；
在所述目标节点接受所述临时关联请求时，所述第一网络节点与所述目标节点以及该目标节点的全部子结点建立临时关联。
或者，当所述网络的拓扑结构为树形结构，并且所述目标节点为包括至少一个子结点的子树的根结点时，所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联包括：
所述第一网络节点向所述目标节点请求与该目标节点以及该目标节点的部分子结点临时关联；
在所述目标节点接受所述临时关联请求时，所述第一网络节点与所述目标节点以及该目标节点的部分子结点建立临时关联。
优选的，本发明的方法进一步包括：
所述第一网络节点与所述目标节点在建立临时关联时保存该临时重配前的网络拓扑结构信息；
当所述第一网络节点与所述目标节点间的地理距离大于所述的第一门限时，所述第一网络节点和所述目标节点根据其保存的所述信息恢复该临时重配前的网络拓扑结构。
一种多跳无线通信网络***，该***包括一个第一网络节点和至少一个第二网络节点，所述第一网络节点和各第二网络节点分别用于按照所述网络的拓扑结构与对方进行通信；并且，
所述第一网络节点还用于检测一个第二网络节点作为目标节点，其中所述目标节点与所述第一网络节点间的地理距离小于或等于一个预设的第一门限，且所述目标节点与所述第一网络节点间的逻辑距离大于或等于一个预设的第二门限；以及，
所述第一网络节点和所述目标节点分别用于与对方建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与对方进行通信。
一种多跳无线通信网络中的第一网络节点，该第一网络节点用于按照所述网络的拓扑结构与所述网络中的至少一个第二网络节点进行通信；并且，
该第一网络节点还用于检测一个第二网络节点作为目标节点，与该目标节点建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与该目标节点进行通信；其中所述目标节点与所述第一网络节点间的地理距离小于或等于一个预设的第一门限，且所述目标节点与所述第一网络节点间的逻辑距离大于或等于一个预设的第二门限。
具体的，该第一网络节点包括：
第一单元，用于检测所述目标节点；
第二单元，用于与第一单元检测到的目标无线节点建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与所述目标节点进行通信。
可选的，所述第二单元用于向所述目标节点发起临时关联请求，并在所述目标节点接受所述临时关联请求时与所述目标节点建立临时关联。
在所述至少一个第二网络节点中包括至少一个网络协调器时，所述第二单元用于向所述目标节点的网络协调器发起与所述目标节点的临时关联请求，并在所述网络协调器接受所述临时关联请求并通知所述目标节点时与所述目标节点建立临时关联。
可选的，当所述网络的拓扑结构为树形结构，并且所述目标节点为包括至少一个子结点的子树的根结点时，所述第二单元用于向所述目标节点请求与该目标节点以及该目标节点的全部子结点临时关联，并在所述目标节点接受所述临时关联请求时与所述目标节点以及该目标节点的全部子结点建立临时关联。
可选的，当所述网络的拓扑结构为树形结构，并且所述目标节点为包括至少一个子结点的子树的根结点时，所述第二单元用于向所述目标节点请求与该目标节点以及该目标节点的部分子结点临时关联，并在所述目标节点接受所述临时关联请求时与所述目标节点以及该目标节点的部分子结点建立临时关联。
一种多跳无线通信网络中的第二网络节点，该第二网络节点用于按照所述网络的拓扑结构与所述网络中的一个第一网络节点进行通信；并且，
所述第二网络节点还用于接受所述第一网络节点的临时关联请求，与所述第一网络节点建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与所述第一网络节点进行通信。
本发明可以适用于已知的各种网络拓扑结构下的多跳无线通信网络，例如采用星形拓扑结构或网状拓扑结构的多跳无线通信网络，但是对于采用树形拓扑结构并严格要求低功率消耗的多跳无线通信网络而言，本发明具有更为显著的效果。
附图说明
图1为多跳无线通信网络中网络节点之间地理距离和跳距之间的差异的示意图。
图2A和图2B为根据本发明的具体实施例中网络拓扑结构临时重配过程的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明的技术方案和技术效果再作进一步地详细说明。
本发明的主要思想在于，基于多跳无线通信网络的网络拓扑结构，由作为通信端点的移动网关根据其与通信对端的无线节点间的地理距离与逻辑距离的差异，动态地发起网络拓扑结构的临时重配，使得两端的通信端点间的地理距离与逻辑距离相匹配，从而减少通信过程中的数据转发次数，缩短多跳无线通信网络中的通信时延。
图2A和图2B为根据本发明的具体实施例中一个树形网络拓扑结构的多跳无线通信网络的网络临时重配过程示意图。图2A示出了该多跳无线通信网络进行临时重配之前的网络拓扑结构示意图。其中，方框表示的网络节点为移动网关，圆圈表示的网络节点为无线节点，移动网关和各无线节点构成了一个多跳无线通信网络，该网络采用树形拓扑结构。在各个无线节点中，节点201、202、203和204既可以作为发送数据的数据源，可以作为网络协调器，无线节点211、213、214和214’为树形网络拓扑结构中的叶结点，它们只是作为发送数据的数据源，并通过相应的网络协调器的中转与移动网关进行通信。
移动网关当前与其邻近的某一作为网络协调器的无线节点相关联，如图2A中的无线节点202，也即无线节点202为与移动网关进行通信的根结点。各无线节点上标出的数字(1、2、3或4)代表该无线节点与移动网关之间的跳距。比如：移动网关与无线节点202之间的跳距为1，与无线节点201之间的跳距为2，与无线节点213、211和204之间的跳距均为3，与无线节点214和214’之间的跳距均为4。从图2A中可见，移动网关与无线节点202、201和213之间的地理距离基本相同，但与这三个无线节点之间的跳距却各不相同，分别为一跳、两跳和三跳，显然，移动网关与无线节点之间的地理距离与跳距存在较大差异，对于无线节点201和213而言，其要经过多跳才能与移动网关通信，从而造成不必要的功率消耗，并使通信效率降低。此时，需要移动网关发起网络拓扑结构的临时重配，以便以尽量小的跳距与地理距离较近的无线节点进行通信。
在本具体实施例中，移动网关持续地或定期地检测目标节点，该目标节点为与移动网关之间地理距离较小而跳距较大的无线节点。这里，可以预先设置地理距离的第一门限和网络拓扑结构中逻辑距离(即跳距)的第二门限，当有无线节点距离移动网关的地理距离小于或等于该第一门限且逻辑距离大于或等于该第二门限时，则移动网关可以确定该无线节点为目标节点。第一门限与第二门限可以根据移动网关的覆盖范围以及具体应用的需求来进行设置。当检测到目标节点时，移动网关发起网络拓扑结构的临时重配，请求与该目标节点建立临时关联，以便能够按照该临时重配后的网络拓扑结构与所述目标节点进行通信。
在移动网关发起网络拓扑结构的临时重配时，移动网关可直接向该目标节点请求临时与其关联，也可向该目标节点当前的网络协调器请求临时关联该目标节点。如果移动网关直接向该目标节点发起临时关联请求，则当该目标节点接受所述临时关联请求时，移动网关与该目标节点建立临时关联。如果移动网关向该目标节点的网络协调器发起与该目标节点的临时关联请求，则当该网络协调器接受所述临时关联请求，并且指示该目标节点与移动网关进行关联后，移动网关与该目标节点建立临时关联。在所述网络协调器接受所述临时关联请求后，所述网络协调器也可同时向该目标节点与移动网关发送通知，则移动网关与该目标节点在接收到所述通知时建立临时关联。
在移动网关与该目标节点建立了临时关联后，该目标节点就可以成为与移动网关进行通信的一个临时根结点，当该目标节点向移动网关发送数据时，中间不必再经过网络协调器的中转，因而使得与移动网关地理距离较近的无线节点与移动网关通信时的跳距也较短，通过这样的网络临时重配降低了多跳无线通信网络中的通信时延，并且提高了无线资源的利用率。
这里，移动网关检测目标节点的方法有多种，比如可以通过检测无线节点发送的无线信号功率或按照预先配置的各网络节点的地理位置信息来进行检测，本发明对此不作限定。
当移动网关检测到的目标节点为当前网络拓扑结构下的一个子结点时，也即该目标节点自身是另一个无线节点的网络协调器，或是包括至少一个子结点的子树的根结点，如果移动网关也同时覆盖了属于该目标节点的所有子结点，为了进一步提高网络的通信效率，移动网关在发起与该目标节点的临时关联请求时，也可以同时请求与该目标节点的全部或部分子结点临时关联，则当该目标节点接受所述临时关联请求时，移动网关与该目标节点以及该目标节点的全部或部分子结点均建立临时关联。
图2B示出了图2A中的树形网络拓扑结构经过临时重配后的示意图。如图2B所示，移动网关检测到的目标节点包括无线节点201和213。移动网关直接向无线节点201请求临时关联。同时，该移动网关还向无线节点213的网络协调器无线节点203请求临时关联无线节点213)。
当无线节点201和203接受上述请求后，移动网关建立了与无线节点201和213的临时关联，而且，无线节点201和203与其网络协调器无线节点202和203原本的关联可被临时断开，从而使与移动网关地理距离较小的无线节点201和213的跳距也相应变小。如图2B所示，在网络的拓扑结构经过上述临时重配后，节点201和213的跳距均变为一跳，因而这些无线节点在与移动网关通信时将具有较小的通信时延，同时也可消耗较少的功率。
此外，移动网关和所述目标节点在建立临时关联时可保存该临时重配前的网络拓扑结构信息，当移动网关继续移动并与所述目标节点间的地理距离大于所述的第一门限时，移动网关和所述目标节点可根据其保存的所述信息恢复网络临时重配前的拓扑结构，从而保证多跳无线通信网络的正常工作。
在本具体实施例中，相应的，一个用于实施上述网络临时重配的多跳无线通信网络***可以包括一个移动网关和至少一个无线节点，所述移动网关和各无线节点分别用于按照所述网络的拓扑结构与对方进行通信。所述移动网关还用于检测一个无线节点作为目标节点，该目标节点与所述移动网关间的地理距离小于或等于预设的第一门限，且逻辑距离大于或等于预设的第二门限；并且所述移动网关用于与该目标节点建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与该目标节点进行通信。作为所述目标节点的无线节点还用于接受所述移动网关的临时关联请求，与所述移动网关建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与所述移动网关进行通信。
具体的，所述移动网关可以包括一个第一单元和一个第二单元，所述第一单元用于检测所述目标节点；所述第二单元用于与第一单元检测到的目标无线节点建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与所述目标节点进行通信。可选的，所述第二单元可以用于向所述目标节点发起临时关联请求，并在所述目标节点接受所述临时关联请求时与所述目标节点建立临时关联。或者，所述第二单元可以用于向所述目标节点的网络协调器发起与所述目标节点的临时关联请求，并在所述网络协调器接受所述临时关联请求并通知所述目标节点时与所述目标节点建立临时关联。
此外，当多跳无线通信网络的拓扑结构为树形结构，并且所述目标节点为包括至少一个子结点的子树的根结点时，所述第二单元还可以用于向所述目标节点请求与该目标节点以及该目标节点的全部或部分子结点临时关联，并在所述目标节点接受所述临时关联请求时与所述目标节点以及该目标节点的全部或部分子结点建立临时关联。
根据本发明的上述具体实施例的一个可能的应用场景为用于危险工作区域的工作安全监控***。在该***中，装配有无线模块的各个传感节点(sensor，相当于无线节点)被部署在工作区域内(如一个矿场)，这些传感节点负责收集有关潜在危险环境条件的传感数据(如气体浓度)。假定这些传感节点以电池供电，工作人员能够通过一个移动设备(相当于移动网关)收集传感节点的传感数据。如果移动设备与传感节点之间的通信有跳距限制，如设定移动设备只能与N跳范围内的传感节点通信，否则传感节点的传感数据将被丢弃，则采用根据本发明的上述具体实施例将使传感节点的跳距缩短，从而使移动设备能够与更多的传感节点通信，提高数据的采集效果。同时，采用本发明还将使移动设备和传感节点之间的通信更为高效，并节省传感节点的电池功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (14)

1、一种多跳无线通信网络中的网络临时重配方法，其中，所述网络中包括一个第一网络节点和至少一个第二网络节点，所述第一网络节点与各第二网络节点按照所述网络的拓扑结构进行通信；其特征在于，该方法包括：
所述第一网络节点检测一个第二网络节点作为目标节点，其中所述目标节点与所述第一网络节点间的地理距离小于或等于一个预设的第一门限，且所述目标节点与所述第一网络节点间的逻辑距离大于或等于一个预设的第二门限；
所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与所述目标节点进行通信。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联包括：
所述第一网络节点向所述目标节点发起临时关联请求；
在所述目标节点接受所述临时关联请求时，所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个第二网络节点中包括至少一个网络协调器；所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联包括：
所述第一网络节点向所述目标节点的网络协调器发起与所述目标节点的临时关联请求；
所述网络协调器接受所述临时关联请求，并指示所述目标节点与所述第一网络节点建立临时关联。
4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述网络的拓扑结构为树形结构，所述目标节点为包括至少一个子结点的子树的根结点；所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联包括：
所述第一网络节点向所述目标节点请求与该目标节点以及该目标节点的全部子结点临时关联；
在所述目标节点接受所述临时关联请求时，所述第一网络节点与所述目标节点以及该目标节点的全部子结点建立临时关联。
5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述网络的拓扑结构为树形结构，所述目标节点为包括至少一个子结点的子树的根结点；所述第一网络节点与所述目标节点建立临时关联包括：
所述第一网络节点向所述目标节点请求与该目标节点以及该目标节点的部分子结点临时关联；
在所述目标节点接受所述临时关联请求时，所述第一网络节点与所述目标节点以及该目标节点的部分子结点建立临时关联。
6、根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：
所述第一网络节点与所述目标节点在建立临时关联时保存该临时重配前的网络拓扑结构信息；
当所述第一网络节点与所述目标节点间的地理距离大于所述的第一门限时，所述第一网络节点和所述目标节点根据其保存的所述信息恢复该临时重配前的网络拓扑结构。
7、一种多跳无线通信网络***，该***包括一个第一网络节点和至少一个第二网络节点，所述第一网络节点和各第二网络节点分别用于按照所述网络的拓扑结构与对方进行通信，其特征在于，
所述第一网络节点还用于检测一个第二网络节点作为目标节点，其中所述目标节点与所述第一网络节点间的地理距离小于或等于一个预设的第一门限，且所述目标节点与所述第一网络节点间的逻辑距离大于或等于一个预设的第二门限；以及
所述第一网络节点和所述目标节点分别用于与对方建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与对方进行通信。
8、一种多跳无线通信网络中的第一网络节点，该第一网络节点用于按照所述网络的拓扑结构与所述网络中的至少一个第二网络节点进行通信；其特征在于，
该第一网络节点还用于检测一个第二网络节点作为目标节点，与该目标节点建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与该目标节点进行通信；其中所述目标节点与所述第一网络节点间的地理距离小于或等于一个预设的第一门限，且所述目标节点与所述第一网络节点间的逻辑距离大于或等于一个预设的第二门限。
9、根据权利要求8所述的第一网络节点，其特征在于，该第一网络节点包括
第一单元，用于检测所述目标节点；
第二单元，用于与第一单元检测到的目标无线节点建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与所述目标节点进行通信。
10、根据权利要求9所述的第一网络节点，其特征在于，
所述第二单元用于向所述目标节点发起临时关联请求，并在所述目标节点接受所述临时关联请求时与所述目标节点建立临时关联。
11、根据权利要求9所述的第一网络节点，其特征在于，所述至少一个第二网络节点中包括至少一个网络协调器；
所述第二单元用于向所述目标节点的网络协调器发起与所述目标节点的临时关联请求，并在所述网络协调器接受所述临时关联请求并通知所述目标节点时与所述目标节点建立临时关联。
12、根据权利要求10所述的第一网络节点，其特征在于，所述网络的拓扑结构为树形结构，所述目标节点为包括至少一个子结点的子树的根结点；
所述第二单元用于向所述目标节点请求与该目标节点以及该目标节点的全部子结点临时关联，并在所述目标节点接受所述临时关联请求时与所述目标节点以及该目标节点的全部子结点建立临时关联。
13、根据权利要求10所述的第一网络节点，其特征在于，所述网络的拓扑结构为树形结构，所述目标节点为包括至少一个子结点的子树的根结点；
所述第二单元用于向所述目标节点请求与该目标节点以及该目标节点的部分子结点临时关联，并在所述目标节点接受所述临时关联请求时与所述目标节点以及该目标节点的部分子结点建立临时关联。
14、一种多跳无线通信网络中的第二网络节点，该第二网络节点用于按照所述网络的拓扑结构与所述网络中的一个第一网络节点进行通信；其特征在于，
所述第二网络节点还用于接受所述第一网络节点的临时关联请求，与所述第一网络节点建立临时关联，并按照该临时重配后的网络拓扑结构与所述第一网络节点进行通信。
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