CN102202424B - 一种基于IPv6的透明型WSN/TD-SCDMA网关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IPv6协议的连接WSN网络与TD-SCDMA网络的透明型网关设备，该网关包括ARM9控制单元，主要涉及OSI七层模型的IP层和MAC层，用于完成协议转换、网络互连、路由转发等，采用透明型协议转换；WSN子网接入单元，主要涉及网络层以及IEEE802.15.4c的MAC层和PHY层，用于WSN子网的组网入网、并且汇聚子网数据，通过串口发送至ARM9控制单元，并在MAC层采用跳信道技术，使用下一时隙信道决定机制和设定信道优劣值P_n来提高WSN设备的抗干扰性和屏蔽被干扰的信道；TD-SCDMA接入利用modem接入TD-SCDMA网络。本发明解决了WSN和TD-SCDMA公用通信网络的融合问题，并实现了基于IPv6的WSN网络与基于IPv6的有线网络的连接与信息传输。

Description

一种基于IPv6的透明型WSN/TD-SCDMA网关

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术，具体涉及一种基于IPv6 (下一代互联网协议）的传感器网络网关设备。

背景技术

网关（Gateway）是一种充当接入或交换的计算机系统或设备，是连接不同网络的软件和硬件的结合产品。在采用不同的体系结构或协议的网络之间进行互通时，网关充当了翻译器的角色，提供网络兼容功能。

无线传感器网络（WSN）是由许多在空间上分布的传感器节点组成的一种网络，这些传感器节点能够协作地监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物），进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给终端用户。及时获取感知区域内的信息并进行处理、转发等操作是无线传感器网络应用中的关键问题之一。一般情况下，在工业控制领域，无线传感器与WSN网关的通信方式主要有两种，第一种，主要采用RS-485总线，现场总线或工业以太网分别与传感器组网连接，需要施工布线，工期比较长，特别是后期维护费用比较高；第二种，主要采用MCU（微处理器单元）+GPRS（通用分组无线服务技术）+WSN的现场控制系统，由于单片机速度和整体性的限制，并且GPRS的传输速度不是很快。

虽然，近来有人提出了基于IPv6（下一代互联网协议）与TD-SCDMA（时分同步码分多址）网络互连的网关，但是没有将IPv6技术和TD-SCDMA技术结合起来，而一般是采用应用程序（socket）达到远程连接的目的，依赖于具体的应用；无线传感器网络多是基于IEEE802.15.4标准的，没有对新型的IEEE802.15.4c标准提供支持；而且只考虑了当网络采用IEEE802.15.4标准时的通信干扰问题, 没有考虑当工业现场采用IEEE 802.15.4c标准时，网络的通信干扰问题，这就降低了整个系统的抗干扰能力。

在这种背景下，我们设计了一种基于IPv6协议的透明型WSN与TD-SCDMA接入网关，无线传感器网络底层兼容IEEE802.15.4和IEEE802.15.4c标准，介质访问控制（MAC）层(MAC:2)采用跳信道技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于IPv6（下一代互联网协议）的连接无线传感器网络（WSN）与TD-SCDMA无线网络的融合网关。

本发明采取的技术方案如下：

一种基于IPv6的WSN/TDSCDMA透明型网关设备，包括：ARM（精简指令集处理器）9控制单元(1)、电源管理单元(2)、WSN子网接入单元(3)、TD-SCDMA（时分同步码分多址）接入单元(4)、串口通信单元(5)、以太网控制单元(6)、通用串行总线（USB）扩展单元(7)、JTAG（国际标准测试协议）接口电路(8)、随机存储器（RAM）单元(9)、FLASH存储器（闪存）单元(10)。

所述WSN子网接入单元实现WSN子网协调器功能，定义网络协议模型中物理（PHY）层、介质访问控制（MAC）层、网络层，实现网关与WSN网络之间的数据交互。MAC层（MAC:2，32）根据信道丢包率设定信道优劣值P_n，采用下一时隙信道决定机制提高WSN设备的抗干扰性和屏蔽被干扰的信道。

所述ARM9控制单元1主要定义了网络（IP）层（11）和介质访问控制子层（MAC:1,12），采用串行线路网际协议（SLIP）（12-2）、点对点协议PPP（12-1）、VPN（虚拟专用网络）（12-3）等主要功能模块，完成协议转换、网络互连、路由转发等功能，ARM9控制单元采用网络层直接转发的透明型协议转换，实现网关与具体应用数据的相互独立；

所述TD-SCDMA接入单元实现网关和TD-SCDMA公共通信网络之间的数据交互，利用TD-SCDMA 调制解调器(modem)将WSN数据发送到TD-SCDMA网络中，实现与TD-SCDMA网络的互连。

所述协议转换具体为：ARM9控制单元利用SLIP协议将与WSN子网接入单元连接的串口模拟为网口SL0；利用PPP协议驱动TD-SCDMA模块拨号，形成PPP0网络接口，其性能类似于以太网接口；利用VPN技术建立起横贯基于IPv6的WSN网络和TD-SCDMA网络以及基于IPv6以太网的专用通信链路。当ARM9控制单元接收到SLIP接口发送的数据后，解析SLIP帧头，并进一步解析以太网帧头，将解析后的数据交付给IP层，判断是否是IPv6格式的数据包，如果是，则将该数据包从PPP0口转发出去，发送到TD-SCDMA接入单元。

相比传统的无线传感器网络接入网关，本发明具有以下优点： 

本发明将无线传感器网络、TD-SCDMA通信技术、嵌入式技术、IPv6结合起来。在网关设备上集成了多种通信接口，使得无线传感器网络部署方式更加灵活且成本较低；本发明采用网络层直接转发的透明型协议转换，能够实现网关与具体应用数据的相互独立；透明型网关还能防止网络的人为割裂，通过IPv6彻底实现端到端传输；本发明WSN子网通信单元同时兼容IEEE802.15.4和IEEE802.15.4c标准的，并且在MAC层(MAC:2)采用跳信道技术，针对IEEE802.15.4c标准使用下一时隙信道决定机制和设定信道优劣值P_n来提高WSN设备的抗干扰性和屏蔽被干扰的信道。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1 是本发明网关硬件框图；

图2 是本发明网关协议模型图示；

图3 是本发明网关ARM9控制单元协议转换处理流程；

图4 是本网关WSN子网接入单元（协调器）协议转换处理流程；

图5 是是本网关WSN子网（工作频率780MHZ）接入单元（协调器）跳信道处理流程；

图6 是本发明WSN子网（工作频率780MHZ）接入单元（协调器）信道评估处理流程图；

图7 是本发明WSN子网（工作频率780MHZ）接入单元（协调器）下一时隙信道决定处理流程图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的实施方式进行详细的描述。

如图1所示为本发明WSN(无线传感器网络) /TD-SCDMA（时分同步码分多址）网关原理结构框图，包括ARM（精简指令集处理器）控制单元（1）、电源管理单元(2)、WSN子网通信单元(3)、TD-SCDMA接入单元(4)、串口通信单元(5)、以太网控制单元(6)、通用串行总线（USB）扩展单元(7)、JTAG（国际标准测试协议）电路(8)、RAM（随机）存储器单元(9)、FLASH存储器（闪存）单元(10)。

ARM控制单元可采用SANSUNG公司ARM9芯片S3C2440A， 它是一款基于ARM920T内核的32位处理器，工作主频高达400MHZ，其内部支持3 通道UART（通用异步接收/发送装置），2通道USB1.1规范的主机（Host）接口，1通道USB1.1规范的从设备（Device）接口以及两个SPI通信接口等等这些丰富的资源满足网关系统的构建， TD-SCDMA接入单元采用华为ET128-2模块与TD-SCDMA网络通信；无线传感器网络（WSN）接入端兼容IEEE802.15.4和IEEE802.15.4c标准，在WSN网络中充当协调器角色，实现与WSN子网通信。 

如图2所示为本发明网关协议模型图示，主要包括以下功能单元：

（1）ARM9控制单元1定义了网络（IP）层（11）和介质访问控制（MAC）层（MAC:1,12），包含了SLIP（12-2）(串行线路网际协议)、PPP（12-1）(点对点协议)、VPN（12-3）（虚拟专用网络技术）主要功能模块，ARM9控制单元利用SLIP协议将与WSN子网接入单元连接的串口模拟为网口SL0；利用PPP协议驱动TD-SCDMA模块拨号，形成PPP0网络接口；利用VPN技术建立横贯基于IPv6的WSN网络和TD-SCDMA网络以及基于IPv6以太网的专用通信链路。ARM9控制单元具体的协议转换过程如图3所示。当ARM9控制单元接收到SLIP接口（SL0）发送的数据后， 首先判断数据是不是SLIP格式数据，如果不是，则丢弃该数据包，如果是，则解析SLIP帧头，进一步解析Ethernet（以太网）帧头，将解析后的数据向上交付给IP层；IP层判断该数据包是不是标准的IPv6格式的数据包，如果不是，则丢弃该数据包，如果是，则将该IPv6数据包从PPP0接口（利用modem采用PPP协议拨号形成的网络接口）转发出去，发送到TD-SCDMA接入单元4。上述协议转换过程中，ARM9控制单元将标准的IPv6数据报文从网络层直接转发，能够实现网关与具体应用数据的相互独立；透明型网关还能防止网络的人为割裂，通过IPv6彻底实现端到端传输。

 （2）WSN子网接入单元(3)在WSN中充当了协调器的角色，定义了网络层（适配层和IP层统称为网络层,31)，以及IEEE802.15.4或者IEEE802.15.4c标准的MAC层（MAC:2；32）和物理层(PHY；33)，完成WSN子网的组网入网、汇聚子网数据，经过协议转换后，将经过协议转换的子网数据发送至主处理器单元，实现子网端数据接入网关的ARM9控制单元的功能。WSN子网接入单元具体的协议转换过程如图4所示。当协调器单元的射频（RF）单元收到数据后，首先解析IEEE802.15.4/IEEE802.15.4c的MAC帧头；然后解析适配层帧头，判断此数据包是不是分片的数据包，如果是的话，进行报文重组，将数据包转化为标准的IPv6报文，如果数据包是不分片的数据包，则进一步判断该数据包是不是压缩的数据包，如果是的话，则进行报文解压缩，转化为标准的IPv6数据报文；下一步，为标准的IPv6数据包装载Ethernet（以太网）帧头，转化为标准的以太网数据报文；然后转载 SLIP帧头，将数据包转化为SLIP协议格式；最后，将SLIP格式的数据包从串口发送到网关的ARM9控制单元1。

（3）TD-SCDMA接入单元4利用TD-SCDMA 调制解调器(modem；41)将ARM9控制单元1转发的WSN数据发送到TD-SCDMA网络中，实现与TD-SCDMA网络的互连。

上述WSN子网接入单元担任了WSN子网协调器的功能，通过跳信道抑制相邻网络的干扰。在无线传感器网络中，当相邻的网络采用的频段相同时，就会互相干扰通信。为了提高无线传感器网络设备的抗干扰能力，WSN子网采用跳信道技术。

工业应用2.4GHZ（基于IEEE802.15.4标准）的频谱较宽（2.4-2.4835G），可以划分为16个信道，针对2.4G的跳信道技术已经比较成熟，可以采用跳信道序列的方式进行跳信道。工业应用780MHZ（基于IEEE802.15.4c标准）的频谱较窄（779-787MHZ），可以划分为4个信道，当采用划分为16个信道的跳信道序列的方式跳信道时，不灵活。本发明针对780MHZ频段，设计了一种下一时隙信道决定机制，通过设定信道优劣值P_n（n）来提高WSN设备的抗干扰性和屏蔽被干扰的信道。下面将具体介绍这种针对780MHZ频段的跳信道方法。

如图5所示为本网关WSN子网（工作频率780MHZ）接入单元（在子网中作为协调器）的跳信道处理流程。协调器每一个通信时隙都进行一次信道决定。协调器首先扫描临接网络的信道使用情况，随机选择没有被邻接网络使用的信道作为本地初始时隙信道；然后将邻接网络信道使用情况和本地初始时隙信道信息装入信标帧载荷中作为载荷的一部分进行广播；接下来进行数据发送的相关处理，如果数据发送达到最大次数仍旧未发送成功的话就丢弃该数据帧进行信道评估。下一时隙，休眠结束时，决定下一时隙使用的信道，并将下一时隙跳信道信息装入信标帧作为载荷一部分进行广播，一直重复下去。

WSN网络中，发送方的情况类似于协调器启动后的跳信道处理过程，接收方接收到信标帧后，解析信标帧中的跳信道信息，并根据最新的跳信道信息更新自己的跳信道信息。下面图6和图7将分别介绍信道评估处理的过程和下一时隙信道决定方法。

图6是本网关WSN子网（工作频率为779-787MHZ 通称780MHZ）接入单元（在子网中作为协调器）的信道评估处理流程图。WSN子网的协调器和路由器每个时隙都进行信道评估，然后根据信道丢包率设定信道优劣值P_n，可具体采用以下方式设定。P_n的n代表信道值（将分为四个信道，n取值范围为0,1,2,3代表0#-3#信道，），如可采取如下设定取值，当n信道的丢包率小于2%时，P_n值设置为最大为1；当n信道的丢包率大于2%小于5%时，P_n值为0.5；当n信道的丢包率大于5%时，P_n值最小为0。也可根据实际需求进行相应的设定；然后将信道优劣值P_n值上报至各父节点。父节点根据上报信息将更新自己的P_n值。协调器和路由器的计算单元可以根据一定周期内发送数据包的总数与丢失数据包的数量计算丢包率。

丢包率 = 丢包数/发包总数

发包总数：在一定周期内本设备所发送的数据包总数

丢包数：在一定周期内本设备发送数据包却未收到对方确认的次数，即本设备发送了数据包，但是目的设备没有收到。

如图7是本网关WSN子网接入单元（WSN子网协调器角色，工作频率为780MHZ）的下一时隙信道决定处理流程图。WSN子网的协调器和路由器休眠结束后，首先进行下一时隙信道决定。下一时隙信道决定的处理过程为：首先查看是否所有的信道（4个信道）都经过信道评估或者间接评估（指子路由器上一时隙上报P_n值），即P₀、P₂、P₂、P₃是否存在，如果P_n值不全存在的话，则对没有评估或间接评估的信道进行信道评估，根据信道丢包率确定每个信道的P_n，由此选择下一时隙信道，确定P_n值后比较4个信道的P_n与（|n-N|+1）的乘积（P_n*（|n-N|+1））的大小（N表示当前时隙信道），并列出P_n*（|n-N|+1）的最大值，找出使其为最大的n值为下一时隙的信道值，；如果P_n*（|n-N|+1）的最大值不只一个，则进一步比较（|n-N|+1）的值，选取使其最大的n值为下一时隙的信道值。

例如：当前时隙的工作信道为2#信道，则N=2，若P₀值为0，若P₁值为0.5， P₂值为0.5，若P₃值为1，则P₀*（|0-2|+1）=0，P₁*（|1-2|+1）=1，P₂*（|2-2|+1）=0.5，P₃*（|3-2|+1）=2，通过比较，下一时隙选择3#信道进行通信。

P_n的值是衡量n信道受干扰状况的直接反应，以信道的丢包率作为设定依据，如果信道丢包率小，则说明信道所受的干扰较小，信道可靠度越高，P_n的值越大；相反，如果信道丢包率较大，则说明信道所受的干扰较大，信道可靠性较低，P_n的值越小，如果P_n的值为0，则P_n与（|n-N|+1）相乘的结果为0，是P_n*（|n-N|+1）的最小值，相当于信道黑名单的功能，屏蔽了受干扰程度严重的坏信道；如当前信道N受到干扰时，与N信道频率差距越大的信道受干扰的可能性越小。此方法适用于频带较窄，信道较少的应用场合，当信道数量较多时，在下一时隙信道决定中花费的时间和能量较高，可能超过网络的承载范围。

Claims (3)

1.一种基于IPv6的WSN/TD-SCDMA透明型网关，包括：ARM9控制单元、电源管理单元、无线传感器WSN子网接入单元、TD-SCDMA接入单元、串口通信单元、以太网控制单元、USB扩展单元、JTAG电路、RAM存储器单元、FLASH存储器单元，其特征在于，所述ARM9控制单元定义网络协议模型中MAC层和IP层，完成数据从WSN网络发送到TD-SCDMA网络过程中的协议转换、网络互连、路由转发，将标准的IPv6数据报文从网络层直接转发，控制WSN子网接入单元、TD-SCDMA接入单元、串口通信单元、以太网控制单元、RAM存储器单元、FLASH存储器单元之间的数据交互；所述WSN子网接入单元基于IEEE802.15.4c标准，定义网络协议模型中PHY层、MAC层、网络层，实现网关与WSN网络之间的数据交互，WSN子网接入单元作为WSN子网协调器，WSN子网协调器和路由器每个时隙都进行信道评估，将780MHZ频段划分为4个信道，当n信道的丢包率小于2%时，信道优劣值P_n值设置为1；当n信道的丢包率大于2%小于5%时，P_n值为0.5；当n信道的丢包率大于5%时，P_n值为0；WSN子网的协调器和路由器休眠结束后，首先决定下一时隙信道，计算每个信道的P_n与（|n-N|+1）的乘积，取其最大值对应的信道为下一时隙的信道，如有多个最大值，则计算|n-N|+1的值，找出使其最大的n值对应的信道为下一时隙的信道，其中，n取值范围为0,1,2,3代表0#-3#信道，N为当前时隙的信道；所述TD-SCDMA接入单元实现网关和TD-SCDMA公共通信网络之间的数据交互。

2.如权利要求1所述的基于IPv6的WSN/TD-SCDMA透明型网关，其特征在于，所述协议转换具体为，ARM9控制单元对接收到的数据解析slip帧头，并进一步解析以太网帧头，将解析后的数据交付给IP层，判断是否是IPv6格式的数据包，如果是，则将该数据包从PPP0口转发出去，发送到TD-SCDMA接入单元。

3.如权利要求1所述的基于IPv6的WSN/TD-SCDMA透明型网关，其特征在于，ARM9控制单元控制网络层和MAC层，通过串行线路网际协议SLIP、点对点协议PPP0、虚拟专用网络VPN完成协议转换、网络互连、路由转发；WSN子网接入单元控制网络适配层，以及IEEE802.15.4/IEEE802.15.4c的MAC层和物理层，用于汇聚子网数据，经过协议转换后，发送至ARM9控制单元，实现子网端数据接入；TD-SCDMA接入单元利用TD-SCDMA调制解调器将WSN子网接入单元所转发的WSN数据发送到TD-SCDMA网络中，实现与TD-SCDMA网络的互连。

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