CN102448075A - 一种传感器网络节点移动性管理的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种传感器网络节点进行移动性管理的方法及其系统，传感器网络所对应的网络网关检测到传感器节点发生移动时，向网络侧的控制设备进行位置更新请求，控制设备更新该传感器节点对应于接入网络中网络网关信息之后，向网络网关进行位置更新确认，网络网关根据控制设备的确认消息进行本地位置更新，更新该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、对应于接入网络中的可寻址信息之间的映射关系。本发明技术方案针对传感器网络及其节点的技术限制，由网络侧对传感器网络节点进行移动位置更新，扩展性好，易于实现。

Description

一种传感器网络节点移动性管理的方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种传感器网络节点进行移动性管理的方法及其系统。 

背景技术

传感器网络是集无线技术、嵌入式技术和传感器网络技术于一体的综合智能信息系统，可用于公共安全、生态环保、应急指挥、智能交通、反恐、智能家居等诸多领域。例如，智能化家居中的传感器/控制器网络、工业现场各种参数收集、控制器的统一联网调控等，都可以通过传感器网络实现。 

对于传感器网络节点的移动性管理方面，不论传感器节点平常是通过有线媒体或者无线媒体连接到网络，当传感器节点移动时，不论移动设备实际上在何处，其他通信设备都能够通过同一个IP地址来访问该设备。 

以6LoWPAN(基于IPv6的低功耗无线个域网)网络下的传感器节点移动性管理为例，目前仍然主要使用MIPv6(移动IPv6)方式以及HMIPv6(层次化移动IPV6)方式： 

在MIPv6方式下，6LoWPAN网络下的传感器节点具有一个家乡代理HA和一个家乡IPv6地址，当该传感器节点从一个6LoWPAN网络移动进入另外一个6LoWPAN网络，它可获得一个新的IPv6地址，我们称为转交地址CoA，之后，该传感器节点发送一个绑定更新消息到自己的家乡代理HA，通过该消息告诉其新的IPv6地址，即转交地址CoA，家乡代理HA回应一个绑定确认消息，如此，该传感器节点与其通信节点CN之间的所有数据包都需要通过家乡代理HA，该传感器节点与家乡代理HA之间的通信是以通信隧道方式进行。 

在HMIPv6方式下：HMIPv6是移动MIPv6的增强版本，它是为了减少信号流量、提高移动连接速度而提出的，分层移动IPv6在移动IPv6基础上增加了一个层，它将本地移动与全球移动分开，全球移动是由移动IPv6协议管理的，而本地 移动则由本地管理。HMIPv6引入了一个新的节点-移动锚点(MAP)，作为本地实体来管理移动切换，移动锚点代替移动IPv4的外部代理，可以在路由器的层次结构中的任一地方，而与外部代理不同的是，移动锚点不需要驻留在每个子网，移动锚点能够帮助降低切换有关的遗留，因为本地移动锚点的更新速度比远程主机代理快，使用移动IPv6，移动节点在每次更新位置时，会向与它有联系的通信节点发送位置更新信息，或者间歇性的发送。这涉及到很多信号传输和处理，并且需要大量的资源。此外，虽然移动节点在本地移动时不需要更新外部主机，但是这些更新在本地和全球移动中都进行。通过分离全球和本地移动，分层移动IPv6能够合理地处理任何一种情况， 

每个6LoWPAN下的传感器节点能在特定的域内(移动锚节点域)移动而无需更新它的家乡代理HA或通信节点CN，它分派到两个转交地址：链路转交地址(LCoA)、以及区域转交地址(RCoA)，它发送一个本地绑定更新消息给移动锚节点，移动锚节点回应一个绑定确认消息，传感器节点和目标通信节点发送的所有数据包通过隧道被传至移动锚节点。 

对于6LoWPAN网络传感器节点，上述方案存在如下缺点： 

1)，对传感器节点在移动性管理方面的信令处理要求较高，由于6LoWPAN传感器节点常处于开机状态以及能力限制，它不可能具有一般主机的多功能性、以支持相关移动性信令处理。 

2)，MIPv6和HMIPv6通过移动性管理协议实现，主机需要修改传统的TCP、IP协议栈结构，传感器节点需要修改自身的协议栈结构以支持MIPv6和HMIPv6，实用性不足。 

3)，在MIPv6下，所有的移动6LoWPAN传感器节点与其通信节点CN之间的数据包都需要通过家乡代理HA以通信隧道的方式传送给它，这对传感器节点设计来说，开销大、效率低。 

4)，MIPv6和HMIPv6都需要进行重复地址检测(DAD)操作，该操作将导致大约1秒左右时间的切换时延，这对一些突发应用来说是难以接受的。 

发明内容

本发明旨在提供一种面向传感器网络节点的移动性管理技术方案，当传感 器节点对应的接入网络网关发生变化时，由网络侧对其进行移动位置更新。 

根据本发明的一个方面，这里提供一种网络网关中辅助对传感器节点进行移动性管理的方法，它判断所接入的传感器节点是否发生移动；在所述传感器节点移动时，请求网络侧的控制设备对该传感器节点所对应的网络网关进行位置更新；并根据控制设备的确认消息进行本地位置更新，更新该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、接入网络中的可寻址信息之间的映射关系。 

根据本发明的另外一个方面，这里提供一种控制设备中用于对传感器节点进行移动性管理的方法，它接收来自网络网关对传感器节点的位置更新请求；对所述传感器节点进行本地位置更新，更新该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、接入网络中网络网关之间的映射关系；并向网络网关进行位置更新确认。 

根据本发明的另外一个方面，这里提供一种用于传感器节点移动性管理的网络系统，所述网络系统包括将传感器网络与接入网络进行互联的网络网关、以及用于与若干网络网关相连的控制设备，其中，网络网关在传感器节点发生移动时，向网络侧的控制设备进行位置更新，根据控制设备的确认消息进行本地位置更新，更新该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、对应于接入网络中的可寻址信息之间的映射关系；控制设备接收来自网络网关对传感器节点的位置更新请求；对所述传感器节点进行本地位置更新，维护该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、接入网络中网络网关之间的映射关系，并向网络网关进行位置更新确认。 

本发明技术优势： 

由于该技术方案是基于网络侧实现对传感器节点进行移动管理，不要求传感器节点实现相关移动性管理信令，适合于传感器设备的功耗和能量要求；传感器节点不需要修改自身的协议栈结构以支持移动性管理，因此，该技术方案具有一定的可扩展性，较现有的实现方式更为有效和经济；传感器节点及其目标通信节点之间的数据包可实现直接通信，无需要经过家乡代理(HA)进行隧道封装及转发；本技术方案在传感器网络中，传感器节点不需要进行IPv6重复地址检测，其移动切换时延较其他现有方式更低。 

附图说明

通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显，附图中相同的元件具有相同的标识，其中： 

图1为本发明所提供的传感器网络节点移动性管理系统结构图例； 

图2为本发明所提供的传感器节点区域内移动性操作相关信令消息流程图例； 

图3为本发明所提供的传感器节点区域间移动性操作相关信令消息流程图例； 

图4为本发明所提供的一种位置更新消息实施例； 

图5为本发明所提供的一种位置更新确认消息实施例。 

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。 

图1是本发明所提供的传感器网络节点移动性管理系统结构图例，它包括：它包括：传感器网络11A、11B、11C，网络网关(GW)12、13、14，传感器网络控制设备(UC)15、25，服务器30，通信节点(CN)40，其中：传感器网络11A、11B、11C分别由若干传感器节点构成的，可以是基于6LoWPAN或Zigbee协议等短距离、低速率、低功耗无线个域网标准类型组织构建；网络网关12、13、14将完成传感器网络协议标准到相应接入网络协议标准之间的数据协议转换，它可将所连接的传感器网络11A、11B、11C分别接入到不同类型接入网络，例如固定接入网络、WiMax无线接入网络等；UC 15、UC 25将分别负责不同区域1、2内的传感器节点的移动性管理，甚至该域内所有传感器节点数据通信的出入。服务器30将记录维护着全局内所有传感器节点信息，例如：传感器标识符、传感器扩展唯一标识符、传感器所对应接入网络网关的地址、其对应通信节点的地址、相应传感器网络控制设备的地址等信息。 

根据本发明所提供的实施例之一，我们假设传感器网络11A中的一个传感器节点10可以在传感器网络11A、11B之间进行域内移动，而保持与其通信节点CN之间的通信、以及其位置信息的在网络端的及时更新处理。例如：图例中传感器节点10从原来的网络网关12下的传感器网络11A移动到新的网络网关13下的传感器网络11B，该传感器节点在接收到网络网关13的Beacon帧之后，发 送附着请求消息给网络网关13，网络网关13在确定该传感器节点发生位置移动后，请求网络侧的UC 15对该传感器节点所对应的网络网关进行位置更新，即从原来的网络网关12更新为网络网关13；之后，网络网关13根据UC 15的确认消息进行本地位置更新，更新该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、接入网络中的可寻址信息之间的映射关系。 

下面我们结合图2对传感器网络11下的一个传感器节点10从域1下的网络网关12移动到同域下网络网关13所进行的区域内移动性操作相关信令消息流程进行说明。 

步骤S201，网络网关13负责将本网关所连接的传感器网络下的传感器节点到不同类型接入网络，它周期性发送Beacon帧，包括该网络网关的扩展唯一标识符GW_EUI和该网络网关在全局网络中具有唯一性的PAN_ID(个人区域网)，Beacon帧可以是一个标准的IEEE802.15.4帧格式，传感器节点10从网络网关12移动到同域下网络网关13，它接收到网络网关13发出的Beacon帧，发送一个附着请求消息给网络网关13，该附着请求消息将携带传感器节点10自身的传感器标识符SN_ID、传感器扩展唯一标识符SN_EUI等信息，网络网关13在收到附着请求消息后，回应一个附着响应消息，之后，网络网关13可通过进一步发起对该传感器节点10的认证过程以判断该传感器节点的合法性(图例中未示意出)。 

步骤S204，网络网关13可根据前述传感器节点的附着请求消息中的SN_ID，SN_EUI等信息、以及该网络网关保存的相关历史纪录来判断该传感器节点10是否为发生移动。 

步骤S205，如果确定该传感器节点10发生移动，网络网关13将发送一个位置更新请求消息给域1内的UC 15，结合图例4所提供的位置更新消息例，在所述请求消息的移动选项中包含该传感器节点相关信息，例如SN_ID、SN_EUI，以及本网络网关13的相关信息，例如网络地址GW_IPv6等信息，此外，该请求消息中将进一步包含一个用于标识传感器节点移动性的标识位，我们命名为“S”以区别于其他类型的移动位置更新；“S”标识位设置为“1”表示该传感器节点发生移动，请求进行传感器节点移动位置更新处理。 

步骤S207，UC 15负责域1内所有传感器节点的移动性管理，它在收到前 述位置更新请求时，根据其中是否携带“S”标识位及其值是否为“1”，以及更新请求中的SN_ID信息，可判断该传感器节点为本区域1内的传感器节点(对于域间移动性处理将在图例3中进行说明)，UC 15根据位置更新消息对该传感器节点进行位置更新操作。即：更新该传感器节点的所对应的网络网关地址GW_IPv6，如此，UC 15可将发往该传感器节点10的数据包转发到新的网络网关13。 

步骤S208，UC 15向网络网关13发送位置更新确认消息，结合图例5所提供的位置更新确认消息实施例，该确认消息的移动选项中将包含该移动传感器节点10对应于接入网络中的网络地址信息SN_IPv6，同时，该确认消息中同样将进一步包含一个用于标识传感器节点移动性的标识位“S”以区别于其他类型的移动位置更新；“S”标识位设置为“1”表示对传感器节点的移动性位置更新确认。 

进一步地，UC 15可将该移动传感器节点的对应目标通信设备，即对应图例通信节点CN 40的网络参数信息，例如扩展唯一标识符CN_EUI，网络地址CN_IPv6等，也通过前述位置更新确认消息提供给网络网关13。 

步骤S209，网络网关13根据前述位置更新确认消息中的信息对该传感器节点10进行本地位置更新操作，即：建立前述SN_ID、SN_EUI与SN_IPv6之间的映射关系，该方式下，所有传感器节点10与其通信节点CN 40之间的数据包将通过UC 15进行转发。 

进一步地，如果前述位置更新确认消息中包括移动传感器节点10的对应通信节点CN 40的网络参数信息CN_EUI，CN_IPv6等，网络网关13将进一步建立传感器节点10与其目标通信节点CN 40之间的映射关系，该方式下，传感器节点10与其通信节点CN 40之间的数据包可由网络网关13直接进行数据转发。 

根据本发明所提供的实施例之二，我们假设传感器网络11A中的一个传感器节点10可以在传感器网络11B、11C之间进行跨域移动，而保持与其通信节点CN之间的通信、以及其位置信息的在网络端的及时更新处理。图例中传感器节点10从原来的网络网关13下的传感器网络11B移动到新的网络网关14下的传感器网络11C，该传感器节点在接收到网络网关14的Beacon帧之后，发送附着 请求消息给网络网关14，网络网关14在确定该传感器节点发生位置移动之后，请求网络侧的UC 25对该传感器节点所对应的网络网关进行位置更新，即从原来的网络网关13更新为网络网关14；由于该传感器节点是跨域移动，UC 25可从服务器30获得该传感器节点的相关网络参数及其相应目标通信节点CN 40参数并进行本地位置更新，之后，网络网关14将根据UC 25的确认消息进行本地位置更新，更该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、对应于接入网络中的可寻址信息之间的映射关系。 

下面我们结合图3对传感器节点11从域1下的网络网关13移动到域2下的网络网关14所进行的区域间传感器节点移动性操作相关信令消息流程进行说明。 

步骤S301，网络网关13、14负责将传感器网络下的传感器节点接入电信网络，它周期性发送Beacon帧，包括该网络网关的GW_EUI和该网络网关在全局网络中具有唯一性的PAN_ID(个人区域网)，Beacon帧可以是一个标准的IEEE802.15.4帧格式；传感器节点10从域1下的网络网关13移动到域2下网络网关14，在接收到来自网络网关14的Beacon帧，它发送一个附着请求消息给网络网关14，该附着请求消息将携带传感器节点10自身的SN_ID，SN_EUI等信息；网络网关14在收到附着请求消息后，回应一个附着响应消息。之后，网络网关14可进一步发起对该传感器节点10的认证过程以判断该节点的合法性(图例中未示意出)。 

步骤S304，网络网关14可根据述传感器节点10的SN_ID，SN_EUI等信息以及该网关保存的相关历史纪录判断该传感器节点是否为发生移动。 

步骤S305，如果该传感器节点为移动性节点，网络网关14发送一个位置更新请求消息给域内的UC 25，结合图例4所提供的位置更新消息例，在所述请求消息的移动选项中包含该传感器节点相关信息，例如SN_ID，SN_EUI，以及本网络网关14的相关信息，例如网络地址GW_IPv6等信息，该请求消息中将进一步包含一个用于标识传感器节点移动性的标识位，我们命名为“S”、设置为“1”表示该传感器节点发生移动，请求进行移动性更新处理。 

步骤S306，UC 25负责传感器节点的移动性管理，它在收到前述位置更新请求时，根据其中是否携带携带“S”标识位及其值是否为“1”以及移动选项 中的传感器节点的SN_ID，SN_EUI信息，UC 25检查保存有该传感器节点的相关历史纪录，判断该传感器节点非本域2内的传感器节点，它进一步向服务器30下载该传感器节点10的相关属性，例如：SN_IPv6、CN_EUI、CN_IPv6等。 

步骤S307，UC 25根据所获得的传感器节点的相关属性对该传感器节点进行本地位置更新操作，即：更新该传感器节点的所对应的网络网关地址GW_IPv6，如此，UC 25可将来自CN 40的数据包转发到新的网络网关14；更新该传感器节点所对应的目标通信节点CN40参数CN_EUI、CN_IPv6，如此，UC可将来自该传感器节点的数据包转发到正确的CN。 

步骤S308，UC 25向网络网关14发送位置更新确认消息；结合图例5所提供的位置更新消息例，的移动选项中将包含该移动传感器节点于接入网络侧的相关网络参数信息SN_IPv6，同时，该确认消息中将进一步包含一个用于标识传感器节点移动性的标识位“S”、设置为“1”表示对移动性更新处理确认。 

进一步地，UC 25可将该移动传感器节点的对应通信节点CN 40的网络参数信息CN_EUI，CN_IPv6等，也通过前述位置更新确认消息提供给网络网关14。 

步骤S309，网络网关14根据前述位置更新确认消息中的信息对该传感器节点进行本地位置更新操作，即：建立前述SN_ID、SN_EUI与SN_IPv6之间的映射关系，该方式下，所有传感器节点10与其通信节点CN之间的数据包将通过UC 25进行转发。 

进一步地，如果前述位置更新确认消息中包括移动传感器节点的对应通信节点CN的网络参数信息CN_EUI，CN_IPv6等，网络网关14将进一步建立传感器节点10与其目标通信节点CN 40之间的映射关系，该方式下，传感器节点10与其目标通信节点CN 40之间的数据包可由网络网关14直接进行数据转发。 

步骤S310，UC 25向服务器30进行位置更新请求，更新该传感器节点所对应的网络网关地址GW_IPv6、UC 25的网络地址UC_IPv6，以维护着全局内所有传感器节点的相关信息的准确性。 

步骤S311，服务器30在完成其本地位置更新操作后向UC 25进行位置更新确认； 

本领域技术人员可以理解，为支持跨域移动性管理，服务器30记录维护着全局内所有传感器节点信息，除步骤S310、S311所示例外，当传感器节点10 的其它相关网络参数发生变化时，例如：通信节点CN变化，也需要向服务器30进行相关更新操作，以维护着全局内所有传感器节点的相关信息的准确性，其相应更新操作根据实际情况可由UC或网络网关发起。 

步骤S312，UC25向该传感器节点10的通信节点CN 40进行位置更新操作，UC 25可将传感器节点10所对应的控制设备地址UC_IPv6作为目标设备地址发送给通信节点CN 40，通知它发往该传感器节点10的所有数据将首先发送给UC 25。 

在前述步骤S312的位置更新操作中，UC 25可将传感器节点10所对应的网络网关14地址GW_IPv6作为目标设备地址发送给通信节点CN 40，告诉它发往该传感器节点10的所有数据将直接发送给网络网关14。 

步骤S313，通信节点CN 40在完成其本地位置更新操作后向UC 25进行位置更新确认。 

尽管上述说明为本发明提供了一些实施例，并非用来限定本发明的保护范围，本领域的技术人员能进一步理解，结合这里公开的实施例所描述的各种说明性的逻辑模块或步骤可以作为电子硬件、计算机软件或二者的组合来实现。为了清楚说明硬件和软件之间的互换性，各种说明性的逻辑模块或步骤一般按照其功能性进行了阐述。这些功能性究竟作为硬件或软件来实现取决于整个系统所采用的特定的应用程序和设计。技术人员可以认识到这些情况下硬件和软件的交互性，以及怎样最好地实现每个特定应用程序的所述功能。技术人员可能以对于每个特定应用不同的方式来实现所述功能，但这种实现决定不应被解释为造成背离本发明的范围。 

Claims (13)

1.一种网络网关中辅助对传感器节点进行移动性管理的方法，其特征在于包括：

步骤A)，判断所接入的传感器节点是否发生移动；

步骤B)，在所述传感器节点移动时，请求网络侧的控制设备对该传感器节点所对应的网络网关进行位置更新；

步骤C)，根据控制设备的确认消息进行本地位置更新，更新该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、接入网络中的可寻址信息之间的映射关系。

2.如权利要求1所述的网络网关，其特征在于步骤A)中，网络网关根据所述传感器节点在本网络网关下的相关纪录信息判断传感器节点是否移动。

3.如权利要求1所述的网络网关，其特征在于步骤B)中，网络网关生成一个位置更新请求消息，包含传感器节点信息、所对应的网络网关信息、以及一个用于指示传感器节点移动性的标识位。

4.如权利要求3所述的网络网关，其特征在于所述传感器节点信息至少包括所述传感器节点对应于传感器网络中的传感器标识符、扩展唯一标识符，网络网关信息至少包括该网络网关的IP地址。

5.如权利要求1所述的网络网关，其特征在于步骤C)中，网络网关根据所述确认消息进一步更新该传感器节点与其对应的目标通信节点之间的的映射关系。

6.一种控制设备中用于对传感器节点进行移动性管理的方法，其特征在于包括：

步骤A)，接收来自网络网关对传感器节点的位置更新请求；

步骤B)，对所述传感器节点进行本地位置更新，更新该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、接入网络中网络网关之间的映射关系；

步骤C)，向网络网关进行位置更新确认。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于步骤B)进一步包括，

步骤B1)，控制设备在所述传感器节点为非本区域内的移动节点，进一步从一服务器获得所述传感器节点相关信息及其目标通信节点信息；

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于步骤B)进一步包括，

步骤B2)，控制设备进一步根据所获得的目标通信设备信息，向目标通信节点发送一个位置更新请求以通知所有的数据包将按照更新后的地址转发至控制设备或网络网关。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤C)中，控制设备在所述位置更新确认消息至少包括：传感器节点对应于接入网络中的可寻址信息，以及一个用于指示传感器节点移动性的标识位。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述步骤C)中，控制设备在所述位置更新确认消息进一步包括该传感器节点对应的目标通信节点信息。

11.如权利要求6所述的方法，其特征在于进一步包括，

步骤D)，根据所述映射关系进行数据转发，将来自网络网关的数据转发给传感器节点所对应的目标通信设备，并将来自目标通信设备的数据转发给目标传感器节点所接入的网络网关。

12.一种用于传感器节点移动性管理的网络系统，所述网络系统包括将传感器网络与接入网络进行互联的网络网关、以及用于与若干网络网关相连的控制设备，其特征在于：

网络网关：在传感器节点发生移动时，向网络侧的控制设备进行位置更新，根据控制设备的确认消息进行本地位置更新，更新该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、对应于接入网络中的可寻址信息之间的映射关系；

控制设备：接收来自网络网关对传感器节点的位置更新请求；对所述传感器节点进行本地位置更新，维护该传感器节点对应于传感器网络中的可寻址信息、接入网络中网络网关之间的映射关系，并向网络网关进行位置更新确认。

13.如权利要求12所述的网络系统，其特征在于所述网络系统进一步包括服务器，用于维护全局内所有传感器节点信息及其更新。

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