CN101867920B

CN101867920B - 分级式无线传感器网络组网方法

Info

Publication number: CN101867920B
Application number: CN 201010301404
Authority: CN
Inventors: 王薪宇; 贾灵; 蔡盛贵; 孙昭德; 郑淑军; 顾航
Original assignee: LIERDA SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Lierda Science & Technology Group Co., Ltd.
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: CN101867920A

Abstract

本发明公开了一种分级式无线传感器网络组网方法，旨在提供一种具有较强收敛性，能够自由组合的分级式无线传感器网络组网方法。它包括若干个节点和一个服务器，整个网络分为4级，每个节点进入网络以后与原网络组合成Mesh网络，并请求分配IP地址，通信时若目标节点在同一网络采用ID地址，在不同网络内采用IP地址，极大提高路由的快速收敛性能，能够自由组合形成网络。本发明适用于各类无线传感器网络。

Description

分级式无线传感器网络组网方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的组网方法，尤其是涉及一种采用两套地址的分级式无线传感器网络组网方法。

背景技术

无线传感器网络是随着微机电系统、低功耗高集成度电子器件及无线通信技术的快速发展，低成本、低功耗、微体积、多功能的无线传感器节点设备的出现而形成的区别于传统意义网络的新型网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。

在理想的无线传感器网络中，一组功能有限的传感器节点协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。由于传感器网络节点的微型化，每隔节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。传感器网络的节点数量和密度很高，可能达到每平方米几十个节点的密度。

为无线传感器网络提出的体系结构由：星型结构、网状结构、星网混合结构和分层结构。星状网拓扑结构式一个单跳系统；网状拓扑结构式多跳系统；后来提出的星网混合结构力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点；分层网络结构主要考虑了网络中设备的种类和能力，将网络分为不同的通信层次服务于不同的通信目标。

无线Mesh网络(无线网状网络)也称为“多跳(multi-hop)”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。

与传统的交换式网络相比，无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求，但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。在无线Mesh网络里，如果要添加新的设备，只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。

中国专利局于2006年11月15日公开了公开号为CN1863109A的专利文献，名称为支持IP协议的无线传感器网络系统。其设置有普通的无线传感器节点，以及计算能力和功率较强的中心机诶单；所述网络系统设置为多层分级网络结构，其下层由普通无线传感器节点构成多个簇，其中心节点负责协调簇内各传感器节点、对信息进行汇聚并向网关传送信息；上层由能对普通节点的信息进行处理并相互通信的中心节点构成，上层网络用于连接距离较远的低层簇；中心节点通过网络的网关与外部网络互连，将处理后的传感器信息交付骨干网并传递给远程用户，网关上运行IPv4或IPv6协议或IPv4/IPv6双协议。此方案的不足之处在于不能够脱离上级中心节点工作，必须要在网关上运行IP协议，网络收敛性不够强，数据包路由不够快速。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的不能够脱离上级节点工作，必须要在网关上运行IP协议，网络收敛性不够强的问题，提供一种可以脱离上级节点工作，具有很强的收敛性，组网管理方便的分级式无线传感器网络的组网方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种分级式无线传感器网络组网方法，包括多个节点，每一节点具有长度为6字节的ID地址，ID地址为节点固有，且全局唯一，整个网络最多分为4个级别，从最底层开始分别是3级、2级、1级和0级，包括以下步骤：

(a)节点上电以后，与同一级网络上的节点自组成Mesh网络，同时向上级节点发送IP请求，当有IP回应时，获得分配到的IP地址，同时如果所述节点处于0级或1级或2级网络还将获得IP分配权；若没有IP回应，则使用ID地址通信；

(b)节点接收到下级节点发送的IP请求时，若自身具有IP地址，回应IP请求，根据自身的IP分配权分配未使用的IP地址给下级节点，同时如果自身为0级网络或者1级网络还将赋予下级节点IP分配权；若自身没有IP时，确认自身为0级网络节点，给下级节点分配1级网络IP地址，并赋予下级节点IP分配权。

(c)当节点通信时，若节点只具有ID地址，则利用ID地址发送数据；若节点具有IP地址，则检查数据包目标IP地址是否具有本网络的网络号，若具有本网络的网络号则直接利用ID地址发送数据，反之将数据包发送到上级节点上；

(d)节点接收到下级节点发送过来的数据包，若数据包的目标节点不是自身，则根据步骤(c)将其发送出去。

作为优选，0级网络上的节点具有IP地址第二个字节的分配权，1级网络上的节点具有IP地址第三个字节的分配权，2级网络上的节点具有IP地址第四个字节的分配权。

作为优选，0级网络的网络号为IP地址的第一个字节，1级网络的网络号为IP地址的第二个字节，2级网络的网络号为IP地址的第三个字节，3级网络的网络号为IP地址的第四个字节。

作为优选，节点间通信采用RTS-CTS-DADT-ACK的数据传输流程。

作为优选，所述ID地址中保留00.00.00.00.00.00不做分配，同时保留ff.ff.ff.ff.ff.ff作为广播ID地址。

作为优选，所述0级网络节点的IP地址由一个主服务器来分配，主服务器保留IP地址00.00.00.00。

作为优选，所述数据包必定包含目标节点ID地址。

作为优选，每个IP地址用四个字节来表示，由小数点分开的每个字节的数值范围是0~255。

作为优选，当发送IP请求以后，若收到1个以上IP回应，以最先收到的IP回应为准，忽略后到达的IP回应。

作为优选，若节点的下级节点数量达到255个，则忽略后收到的IP请求。

本发明采用了一种分级的方法对网络的拓扑结构进行管理，每个级别之间、同级别的不同网络之间都相互可以独立运行但又可以实现互相通信。即可实现较大网络的自组建，又可满足实现小网络的自组管理。而使用两套网络节点地址则极大地方便了网络的分级处理，便于进行本网络通信、跨级通信和跨网通信等过程。这种方案能将网络的覆盖范围大大增加。

分级式的网络结构也为路由算法的设计带来了很多方便。在路由设计中，可以根据IP地址迅速找到某一个特定节点属于哪一级网络中的哪一个小网络。再利用ID地址快速将数据经该小网络路由发送到目的节点。极大提高路由的快速收敛性能。

附图说明

图1是本发明的一种网络结构示意图；

图2是本发明的一种申请IP地址的流程图；

图3是本发明的一种分配IP地址的流程图；

图4是本发明的一种发送数据包的流程图；

图5是本发明的一种网络协议栈的划分示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本分级网络中，把网络分为4个级别，从底层网络开始分别是3级、2级、1级和0级网络。每一级网络上的网络节点能够自组网形成自组Mesh网络，每个网络的最大节点数将可以达到255个。上级网络的节点将作为下层网络的路由节点，并且是1个上级节点负责一个下级网络，为下层网络提供跨级或跨网通信服务。当某个网络中的节点要将数据发送到另一个网络中的一个节点，那么该节点将把数据发送给负责本网络的上级节点，然后本节点可以不用关心以后的数据发送过程，上级节点会将数据发送给目的节点所在网络的路由节点，该路由节点再将数据发送给目的节点。该过程如图1中节点A发数据给节点B的过程所示，数据传输流是A朇朌朆。因此底层不同网络中的节点之间要进行通信需要通过上级网络节点实现。

在该网络结构形式中，使用两套网络地址来实现整个网络的组建和通信，他们分别是ID地址和IP地址。其中ID地址为6个字节，用于节点与节点所在网络内的节点之间进行通信；IP地址为4个字节，用于进行统计网络进行跨网络通信和对上级网络节点进行通信。

组网中使用的是IP地址，这是将不同的小网络自组成大网络的关键。该机制类似于TCP/IP协议中的IP通信过程。本发明将IP地址分为4个级别的网络号。在最高级(也就是0级)网络中，拥有了最高一级IP地址的分配使用权，也就是拥有IP地址最高一个字节的分配使用权，这也是为什么一个小网络中只有255个节点的原因。具体的网络IP地址划分如下表所示。

一个小网络中节点IP的获取是需要通过上级网络中负责该网络的节点来分配的。当节点上电时，会向上层发送一个IP请求数据包，以申请一个可用的IP地址。负责该网络的节点在收到该IP请求数据包之后会发回一个应答，告诉该节点分配给它的IP地址信息。而当出现没有IP请求应答的情况时，节点就会认为整个网络中不存在我这个小网络的路由节点或者只有本网络存在。那么节点将只用ID地址通信，自组成小Mesh网络，不需要再组成大网了。该过程处理过程就如图2和图3所示。0级网络的IP地址有服务器来分配。当没有服务器的情况下，0级网络将不具有IP地址，但是仍然可以给下级网络分配IP地址，此情况下0级网络的节点将不具有路由功能，只具有IP分配管理的功能。

该分级式网络结构中，每一级中的各个网络内通信将使用6字节的ID地址，节点在需要发起通信时将制定的ID地址或者广播地址发送数据完成通信过程，考虑到无线通信信道的使用比较复杂的情况，在网络协议的物理接口中使用了RTS-CTS-DATA-ACK的过程，尽可能降低数据冲突发生的可能。

节点在需要发送数据之前先是利用IP地址判断目的节点是否是属于本小网络内的节点，如果是，那么就利用ID地址将数据发送到指定ID的节点去。假如说该IP地址不是本网络内的节点，那么就将数据发送到负责本网络上级网络中的节点去，让它代为转发。其它级别的网络处理方式相同。一个节点处理发送数据包的过程如图4中所示。

无线传感器网络协议栈划分为4层：应用层、网络层、数据链路层、和媒介接口层。如图5所示。

应用层：具体的无线传感器网络数据应用处理层，该层具有面向特定应用的而设计。

网络层：该层将用于大型网络的组建，网络的IP地址将由该层拥有和使用，节点向上级网络节点发送数据以及跨网络通信都需要用IP地址，该过程的实现就在该层。在通信时，节点的网络层根据IP地址的情况选择合适的ID地址，网络层将为数据链路层提供一个目的节点的ID地址，或者路由机制的下一跳节点的ID地址。而接收数据时，该层还需要处理上级IP地址、同级IP地址以及下一级IP地址的数据

数据链路层：该层的协议将用于底层数据的传送，主要作用是区分各个通信节点，然后负责各个节点之间的自由通信。区分各通信节点也就是给每个通信节点预先分配一个唯一全局的ID，而让各个终端之间自由通信的意思是保证不同ID终端之间数据的传输。网络协议将ID的使用权交给了该层。通信时，数据链路层将为媒介访问层提供一个本节点可达的ID地址。

媒介访问层：该层面向不同的传输介质，特别是不同类型的无线射频处理芯片。对于无线传感器网络而言，该层还设计包含了一种无线信道的接入机制，以合理分配、利用有限的无线信道资源。该无线网络协议栈中，采用了一种RTS-CTS-DATA-ACK的数据传输流程中的信道接入过程，其方法也就是：在发送数据前发送RTS帧请求发送，接收方发送CTS帧确认接收，传送完数据后回复ACK结束通信。该机制能很好地解决信道竞争过程中的数据冲突问题，降低数据丢包的可能，尤其是隐藏节点和暴露节点带来的一系列问题。在数据链路层完成通信ID地址选择之后，告诉媒介访问层一个ID地址，然后媒介访问层就通过上述的信道接入先竞争信道，在成功获得信道使用权之后就可以发送数据了。

在网络的协议栈中，数据链路层主要负责在点初始化中将各个数据节点赋予一个唯一的标号，然后让节点以该标号对数据包进行过滤。本方案中正是以6字节的ID来对所有节点设备进行唯一标号，保留ID为00.00.00.00.00.00和ff.ff.ff.ff.ff.ff两个ID。通信时，以ff.ff.ff.ff.ff.ff表示广播，所有节点设备接收到该ID数据包后都应接听和处理。保留ID外的其它ID作为特定节点设备的ID。

Claims

1.一种分级式无线传感器网络组网方法，包括多个节点，每一节点具有长度为6字节的ID地址，ID地址为节点固有，且全局唯一，整个网络最多分为4个级别，从最底层开始分别是3级、2级、1级和0级，其特征在于包括以下步骤：

（a）节点上电以后，与同一级网络上的节点自组成Mesh网络，同时向上级节点发送IP请求，当有IP回应时，获得分配到的IP地址，同时如果所述节点处于0级或1级或2级网络还将获得IP分配权；若没有IP回应，则使用ID地址通信；

（b）节点接收到下级节点发送的IP请求时，若自身具有IP地址，回应IP请求，根据自身的IP分配权分配未使用的IP地址给下级节点，同时如果自身为0级网络或者1级网络还将赋予下级节点IP分配权；若自身没有IP时，确认自身为0级网络节点，给下级节点分配1级网络IP地址，并赋予下级节点IP分配权；

（c）当节点通信时，若节点只具有ID地址，则利用ID地址发送数据；若节点具有IP地址，则检查数据包目标IP地址是否具有本网络的网络号，若具有本网络的网络号则直接利用ID地址发送数据，反之将数据包发送到上级节点上；

（d）节点接收到下级节点发送过来的数据包，若数据包的目标节点不是自身，则根据步骤（c）将其发送出去；

0级网络的IP地址由服务器来分配，当没有服务器的情况下，0级网络将不具有IP地址，但是仍然可以给下级网络分配IP地址。

2.根据权利要求1所述的分级式无线传感器网络组网方法，特征在于，0级网络上的节点具有IP地址第二个字节的分配权，1级网络上的节点具有IP地址第三个字节的分配权，2级网络上的节点具有IP地址第四个字节的分配权。

3.根据权利要求1或2所述的分级式无线传感器网络组网方法，其特征在于，0级网络的网络号为IP地址的第一个字节，1级网络的网络号为IP地址的第二个字节，2级网络的网络号为IP地址的第三个字节，3级网络的网络号为IP地址的第四个字节。

4.根据权利要求1所述的分级式无线传感器网络组网方法，其特征在于，节点间通信采用RTS-CTS-DATA-ACK的数据传输流程。

5.根据权利要求1所述的分级式无线传感器网络组网方法，其特征在于，所述ID地址中保留00.00.00.00.00.00不做分配，同时保留ff.ff.ff.ff.ff.ff作为广播ID地址。

6.根据权利要求1所述的分级式无线传感器网络组网方法，其特征在于，所述0级网络节点的IP地址由一个主服务器来分配，主服务器保留IP地址00.00.00.00。

7.根据权利要求1所述的分级式无线传感器网络组网方法，其特征在于，所述数据包必定包含目标节点ID地址。

8.根据权利要求1所述的分级式无线传感器网络组网方法，其特征在于，每个IP地址用四个字节来表示，由小数点分开的每个字节的数值范围是0~255。

9.根据权利要求1所述的分级式无线传感器网络组网方法，其特征在于，当发送IP请求以后，若收到1个以上IP回应，以最先收到的IP回应为准，忽略后到达的IP回应。

10.根据权利要求1所述的分级式无线传感器网络组网方法，其特征在于，若节点的下级节点数量达到255个，则忽略后收到的IP请求。