CN102970392B - 一种高效快速的LR-WPAN Mesh网络节点地址分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高效快速的LR-WPAN？Mesh网络节点地址分配方法。在地址申请阶段去除终端节点的冗余地址申请，并且路由节点自适应设置等待时间阈值；在地址分配阶段去除地址分配消息中的“结束地址”字段、去除部分地址分配消息中的“起始地址”字段，并且协调器提前分配地址。本发明通过去除终端节点的冗余地址申请操作和地址分配消息的冗余字段、使协调器无需收齐所有子节点的地址申请消息便能提前为部分节点分配地址以及为路由节点自适应设置等待时间阈值等操作，能够减少通信开销，节省网络带宽，减小地址分配时延，加快节点地址分配进程。<!--1-->

Description

一种高效快速的LR-WPAN Mesh网络节点地址分配方法

技术领域

本发明属于WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork，无线个域网)Mesh网络节点地址分配技术，特别涉及低速率无线个域网状网LR(LowRate)-WPANMesh的节点地址分配方法。

背景技术

无线Mesh网络(WirelessMeshNetworks，WMNs)是一种具有网状拓扑的分布式无线移动通信网络。与传统的无线网络如蜂窝网、无线局域网等不同，无线Mesh网络采用自组织的多跳方式通过节点间的协作转发来传递数据。由于不依赖固定的基础设施、组网灵活便捷、网络覆盖面积较广等优点，无线Mesh网络在无线接入、应急通信、数据采集、专用组网等领域具有广阔的应用前景。为了能够在无线个域网WPAN的基础上支持Mesh结构，IEEE工作组于2009年提出了IEEE802.15.5标准(参见文献：IEEERecommendedPracticeforInformationTechnology-Part15.5:MeshTopologyCapabilityinWirelessPersonalAreaNetworks(WPANs)[S],2009)；该标准继承了802.15.1～802.15.4标准的一些基本思想(如低功耗、低成本等)，提供了一种结构框架，在不需要ZigBee或IP路由支持的情况下，使WPAN设备能够支持互操作的、稳定的和可扩展的无线网状拓扑结构。IEEE802.15.5标准由两部分组成：低速率无线个域网状网LR-WPANMesh和高速率无线个域网状网HR(HighRate)-WPANMesh；其中LR-WPANMesh的MAC层由IEEE802.15.4标准定义(参见文献：IEEEStandardforInformationTechnology-Part15.4:WirelessLANMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)SpecificationsforLow-RateWirelessPersonalAreaNetworks(WPANs)[S],2006)，在家庭和工业自动化控制、环境检测、自动仪表和个人健康监控方面具有广泛的应用；而HR-WPANMesh的MAC层则由IEEE802.15.3/3b定义(参见文献：史晓晨，刘凯明，高锦春，刘元安.无线个域网Mesh网络标准-IEEE802.15.5[J].计算机应用研究,2011,28(1):43-246)，可以支持新兴的多媒体应用，如视频会议和家庭环境中的高清晰度电视(HDTV)等。

IEEE802.15.5标准为LR-WPANMesh中的节点提供了两种地址：全球唯一的64比特的地址(作为MAC地址)和可重复使用的16比特的地址(作为网络地址)。虽然使用全球唯一的64比特MAC地址可以避免冲突，但由于该类地址偏长，易造成网络资源的浪费，因此在网络形成后，可以考虑采用16比特的地址进行通信。在使用16比特的地址之前，需要对LR-WPANMesh中的节点进行地址分配。地址分配的主要目的，是通过分配16比特地址到网络中的每个节点代替64比特MAC地址用于数据通信，减少通信过程中地址域的开销；同时，在以单播路由方式传输数据时，用地址寻找下一跳可以无需路由发现，减少存储空间占用、能量消耗和通信开销。为叙述简便，如无专门说明，下文所述“地址”皆指16比特的短地址。

IEEE802.15.5标准中的LR-WPAN部分包括了地址分配功能，其给出的地址分配方法如下：

(1)协调器节点(coordinator)初始化后，通过广播信标帧通知周围节点加入树。

(2)节点通过主动扫描比较信标帧中携带的链路质量和树的深度信息选择一个父节点回复入网申请消息，完成关联，建立节点之间的父子关系。

(3)作为路由设备(Meshdevice)的节点加入树后通过广播信标帧通知周围节点加入。

(4)每个节点加入网络后都会设置一个时间阈值；如果等待时间超过了该阈值，但没有收到任何其他节点发给自己的入网申请消息，则该节点作为叶节点发送地址申请消息到父节点，消息中包括子节点个数(此时为1)和预留地址个数字段。

(5)非叶节点的节点收齐所有子节点的地址申请消息后，生成1个地址申请消息，计算子节点个数和预留地址个数之和，将结果填入地址申请消息的子节点个数和预留地址个数字段，然后将该地址申请消息发送到父节点。

(6)协调器收齐所有子节点的地址申请后，根据子节点个数和预留地址个数发送连续的地址块给每个子节点；地址块包括起始地址和结束地址，指示子节点可分配地址的范围，起始地址代表该子节点的地址。未得到短地址的节点采用MAC地址进行通信。

目前在IEEE802.15系列标准中涉及树结构地址分配的方案还有IEEE802.15.4标准规定的ZigBee地址分配机制DAAM(DistributedAddressAssignmentMechanism)。在DAAM机制中，ZigBee地址分配之前首先要预设3个网络拓扑参数：父节点允许接纳的子节点最大个数Cm；父节点允许接纳的路由子节点最大个数Rm；网络的最大深度Lm。协调器节点初始化后广播信标帧通知周围节点加入树，并接受入网申请；其他节点通过比较收到的信标帧中树的深度信息选择一个父节点回复入网申请消息；当已获得网络地址的路由节点收到入网申请消息后，由网络预设参数Cm、Rm、Lm以及本节点的网络深度d(协调器的网络深度为0)，通过公式计算出地址偏移量参数Cskip(d)，再由Cskip(d)和子节点序号计算出子节点地址并发送给该子节点；路由节点获得网络地址后，如果计算出的Cskip(d)不为0，则继续广播信标帧通知周围节点加入树。与LR-WPAN的地址分配机制相比，DAAM机制需要预设网络拓扑参数Cm、Rm、Lm才能计算出为节点分配的地址；由于在不能完全掌握网络拓扑信息的情况下难以准确预设Cm、Rm、Lm的值，因此有可能造成部分节点无法加入网络；而LR-WPAN的地址分配方法在收集节点的需求信息之后才分配地址，不需要预设网络参数，具有更好的可扩展性。

ChunhuiZhu等比较了IEEE802.15.5、ZigBee和6LoWPAN三种技术在Mesh网络中的应用(参见文献：C.-H.Zhu,J.-L.Zheng,C.Ngo,etal.Low-RateWPANMeshNetwork-AnEnablingTechnologyforUbiquitousNetworks[C].WirelessCommunicationsandNetworkingConference,2009:1-6)，指出IEEE802.15.5标准定义的地址分配机制在地址空间上有更好的可扩展性。MyungJ.Lee等研究了叶节点发送地址申请的等待时间阈值参数的设置(参见文献：M.J.Lee,R.Zhang,J.-L.Zheng,etal.IEEE802.15.5WPANMeshStandard-LowRatePart:MeshingtheWirelessSensorNetworks[J].IEEE,2010,28(7):973-983.)，设计了计算时间阈值T的公式：T＝N-i·time_interval，其中i为当前节点的深度，N和time_interval根据场景的具体情况设置；该公式表明等待时间阈值随节点深度的增加而减小，可使离协调器近的路由节点尽可能加入网络，但N和time_interval的值需要人为设置，难以适应不同的网络情况。WooSukAhn等提出了一种在低速WPANMesh网络进行高效地址管理的节点加入机制(参见文献：W.S.Ahn,D.Y.Hwang,K.H.Kim.Ajoiningmechanismforefficientaddressmanagementinlow-rateWPANMesh[C].InternationalConferenceonAdvancedCommunicationTechnology,2011:67-70)，主要用于解决由于树的层数增加过大和树的拓扑不均匀(某些节点含有过多的子节点)造成分配的地址不够用的问题。对于树的层数增加过大问题，加入机制主要是通过参考父节点的信息，优先考虑层数最低的节点作为潜在父节点，如果存在多个最低层数相等的潜在父节点，就参考链路质量信息进行选择；对于树的拓扑不均匀问题，加入机制通过在每个节点都分配到地址块后，每个叶节点周期性地检测除自身父节点以外的潜在父节点，参考树的深度和链路质量进行调整加入新的父节点，避免因节点移动带来的拓扑变化过大造成过多节点无法获得地址；但该加入机制对于如何减少地址分配开销和降低分配时延未给出有效方案。

从上述技术状况可以看出：在以IEEE802.15.5标准LR-WPAN部分规定的节点地址分配方法为基础的相关地址分配方法中，终端节点要发送专门的地址申请消息，这个地址申请操作是冗余的；父节点发送给子节点的地址分配消息中的结束地址信息是冗余信息；部分父节点发送给子节点的地址分配消息中的起始地址信息是冗余信息；协调器收齐所有子节点地址申请消息才能进行地址分配，在时延上存在冗余；路由节点等待子节点地址申请消息的时间阈值在网络构建时人为预先设定，无法根据网络条件和运行机制自适应设置，因而在时延上存在冗余。

因此根据IEEE802.15.5标准规定LR-WPAN在节点地址分配的控制开销和时间方面存在冗余，对地址分配的开销、时延等性能有不利影响，因此，在本发明中我们将提出一种高效快速的节点地址分配方法，对上述问题加以解决。

发明内容

本发明针对IEEE802.15.5标准LR-WPAN部分规定的节点地址分配方法中存在的上述问题，提出一种高效快速的LR-WPANMesh网络节点地址分配方法，从总体上降低LR-WPANMesh网络地址分配的通信开销和时延。本发明的技术方案针对地址分配消息和操作中存在的冗余，减少冗余的地址分配消息并精简冗余的地址分配操作，自适应设置路由节点等待地址申请消息的时间阈值，解决现有地址分配方法中存在的通信开销和地址分配时延偏大的问题，提高地址分配方法的效率，加快节点地址分配过程，节省无线个域网的带宽资源并延长网络寿命。

本发明解决上述问题的技术方案是：提出一种适用于802.15.5LR-WPANMesh网络的高效快速地址分配方法，去除终端节点的冗余地址申请操作；去除地址分配消息中的结束地址字段：地址分配消息只包含起始地址字段，结束地址由子节点申请的地址个数与起始地址相加(地址递增)或相减(地址递减)得到，即：结束地址＝起始地址+地址申请数(地址递增)或结束地址＝起始地址-地址申请数(地址递减)，从而无需将结束地址信息装入地址分配消息。

去除部分地址分配消息中的起始地址字段。当满足条件“节点要分配给子节点的地址与它自身地址的偏移量小于地址分配消息中“命令帧标识”字段(CommandFrameIdentifier，一个8位的无符号整数型字段)的保留值数量的1/2”时，地址分配消息中的起始地址信息可以由该消息的“命令帧标识”字段捎带，从而可以去除地址分配消息中的起始地址字段。具体为：当父节点准备发送地址分配消息时，判断需要分配的地址与本节点地址的偏移量，如果偏移量小于“命令帧标识”字段的保留值数量的1/2时，则用地址分配消息的命令帧标识字段的值表征子节点地址对父节点地址的偏移量，去掉地址分配消息的起始地址字段，然后将该地址分配消息发送给子节点。子节点收到地址分配消息后，根据该消息的“命令帧标识”字段的值，自适应判断地址分配消息是否压缩了地址字段；如果是，则根据父节点地址和“命令帧标识”字段的值计算分配给自己的地址。

协调器提前分配地址。当协调器收到入网申请时，为第一和第二个申请入网的节点分别分配可分配地址中的最小地址(地址0x0001，“0x”表示十六进制数，下同)和可分配地址中的最大地址(0xFFFE)；已获得地址的节点在收到第一个入网申请时，为发出该申请的子节点分配地址，根据公式(1)计算子节点地址：

不满足提前分配条件的子节点发出地址分配请求时，协调器按现有方法规定的方式记录该请求并等到地址分配条件满足后再分配地址。

路由节点自适应设置等待时间阈值。路由节点根据网络条件和运行机制动态自适应地设置等待子节点地址申请消息的时间阈值，既能保证收到所有子节点的申请又能去除等待时间上的冗余。路由节点根据公式：T＝2^macMaxBE·aUnitBackoffperiod+τ设置时间阈值T，其中，aUnitBackoffperiod为CSMA/CA算法进行退避的单位时间，macMaxBE为退避指数最大值，τ为入网申请消息的传输时延。路由节点在时间阈值T内检测信道，如果在时间T内信道一直空闲，则本路由节点作为子节点发送地址申请消息到父节点；如果有其他节点加入路由节点，收齐子节点地址申请后发送地址申请消息到父节点；在发送地址申请消息时路由节点不申请预留地址，在地址分配时不发送结束地址，通过节点地址申请个数和地址分配消息中的起始地址计算结束地址；协调器根据收到的地址申请消息和子节点信息判断是否分配地址，如果满足地址分配条件，协调器为子节点分配地址，直至所有子节点都分配地址；当路由节点收到单播给自己的消息后，根据节点地址增减属性为子节点分配地址。

协调器根据收到的地址申请消息和子节点信息判断是否分配地址。具体为：协调器收到地址申请消息时，对第一和第二个发送地址申请消息的节点分别分配可分配地址中的最小地址0x0001和可分配地址中的最大地址0xFFFE，第三个及以后发来地址申请消息的节点暂不分配地址。当一个路由节点收到父节点发送给自己的地址分配消息时，判断自己有无子节点，如果有子节点，进一步判断自己是否存储有地址申请消息，如果没有存储地址申请消息，则根据收到的地址分配消息中的“命令帧标识”字段值或自己的地址与父节点地址的大小关系，得到本节点的地址增减属性。除协调器以外的其他节点分为地址递增和地址递减两类属性的节点，地址为0x0001的节点为地址递增节点，地址为0xFFFE的节点为地址递减节点。当协调器收到申请数量为n的子节点发送的地址申请消息时，如果是由未分配地址的子节点发出，协调器记录地址申请；如果是由已分配地址的子节点发出，协调器根据该子节点的地址增或减属性，为子节点分配地址，如果是地址递增节点，则协调器为子节点分配的地址分别为k+n、k+n+a、k+n+a+b、k+n+a+b+c、…；如果是地址递减节点，则协调器分配的地址分别为k-n、k-n-a、k-n-a-b、k-n-a-b-c、…，其中，未分配地址的子节点个数分别为a、b、c、…，k为子节点地址。当路由节点收到申请数量为n的子节点发送的地址申请消息时，如果地址申请是由地址为q的子节点发出，根据节点的地址增减属性分配地址，如果本节点为递增节点，分配地址分别为q+n、q+n+a、q+n+a+b、q+n+a+b、…；如果本节点是递减节点，分配地址分别为q-n、q-n-a、q-n-a-b、q-n-a-b、…，其中，发出请求的未分配地址的子节点的个数分别为a、b、c、…。路由节点利用地址分配消息中的“命令帧标识”字段未使用的值(0x18-0xFF)携带分配给子节点的地址增减属性，去掉地址分配消息中的“起始地址”字段，具体为：当地址为k的路由节点需要将地址j分配给子节点时，如果：成立，则该路由节点用“命令帧标识”字段的值f携带分配给子节点的地址偏移，且删除地址分配消息中的“起始地址”字段；根据公式：计算“命令帧标识”字段的值f，其中，F表示十六进制数；否则，路由节点则将地址分配消息中的“命令帧标识”字段值设为默认值0x02。当一个节点收到父节点发来的地址分配消息且该消息中的“命令帧标识”字段的值位于0x18到0xFF之间时。根据公式：

$j=\left\{\begin{array}{c}k+f-0x17,0x18\&le;f\&le;0x7F\\ k-f+0x7F,0x80\&le;f\&le;0xFF\end{array}\right.---\left(1\right)$

计算自己的地址j。

本发明提出的节点地址分配方法，去除终端节点的冗余地址申请操作，有效节省通信开销和网络带宽；去除地址分配消息中的“结束地址”字段，在发送地址分配消息时，结束地址由地址申请个数与起始地址计算得到，减少了地址分配开销；去除部分地址分配消息中的“起始地址”字段，用“命令帧标识”字段的保留值来携带分配给子节点的地址偏移量信息，减少了地址分配开销；协调器节点无需等到收齐所有子节点地址申请消息就能够提前为部分节点分配地址，减小了地址分配时延，加快了地址分配过程；路由节点自适应设置等待时间阈值，在保障节点正常加入网络的同时，减少地址申请等待时间，促进地址更快速地分配。

附图说明

图1为本发明提出的LR-WPANMesh网络高效快速地址分配方法包含的操作阶段；

图2为路由节点发送地址申请消息操作流程图；

图3为协调器为子节点分配地址流程图；

图4为路由节点为子节点分配地址流程图；

图5为非协调器节点借助“命令帧标识”字段进行地址分配流程图((a)父节点操作流程，(b)子节点操作流程)；

图6为本发明提出的新机制及其所处阶段。

具体实施方式

如图1所示为本发明提出的LR-WPANMesh网络高效快速节点地址分配方法的组成。该方法包括节点关联、地址申请和地址分配三个阶段。在关联阶段，协调器节点初始化后，其他节点发送入网申请消息加入网络；完成关联阶段后，如果设定的时间阈值到达时没有其他节点申请加入，则路由节点进入地址申请阶段，向其父节点发送地址申请消息；在地址分配阶段，协调器和路由节点分别为自己的子节点分配地址。

具体如下：

1.节点关联阶段，包含协调器节点初始化和节点加入网络等操作。

协调器节点通过能量检测扫描和主动扫描搜集邻居节点信息，确定自己的信道和PANID(PersonalAreaNetworkID，个域网标号)；进入工作模式，通过发送信标帧通知其他节点加入。其中，信标帧包含了发送节点的深度和链路质量等信息，协调器节点默认深度为0。未加入网络的节点通过主动扫描接收邻居节点发送的信标帧，参考网络深度、链路质量等有用信息选择最佳的邻居节点作为父节点，向该邻居节点发送入网申请消息并记录其地址(短地址或MAC地址)，建立节点父子关系。入网申请消息中包含有本节点的设备类型和能量等信息。协调器或路由节点收到节点的入网申请消息后，记录该节点的MAC地址并将该节点作为自己的子节点。

2.地址申请阶段，包含路由节点发送地址申请的操作。

如图2所示为路由节点发送地址申请消息的操作流程。路由节点在时间阈值T内检测信道，如果在时间T内信道一直空闲，则本节点作为子节点发送地址申请消息到父节点；如果有其他节点加入路由节点，则收齐子节点地址申请后发送地址申请消息到父节点。具体操作如下：

路由节点在时间T内检测信道情况，如果有其他节点加入本路由节点，只记录终端节点个数，等到收齐子节点地址申请后发送地址申请消息，如果时间阈值T内信道一直空闲，则节点作为叶节点发送地址申请消息到父节点，即等待计时器的值超过时间阈值T，物理层没有监听到任何信号，节点向父节点发送一个地址申请消息。每个路由节点加入网络后都设置一个时间阈值T，用于规定路由节点广播信标帧后在没有监听到任何无线信号的情况下的最长等待时间。如果等待计时器的值达到了时间阈值T，但路由节点的物理层没有监听到任何无线信号，则用跨层信息共享的方式向本路由节点的Mesh子层发送一个“未监听到信号”的消息。本节点的Mesh子层收到这个消息后，认为本节点是叶节点并向父节点发送一个地址申请消息。终端设备用同一个消息进行入网申请和地址申请，即终端设备的入网申请消息也是地址请求消息。路由节点在等待其它节点申请入网的过程中，如果没有收到其它路由节点的入网申请消息但收到了终端节点的入网申请消息，则每加入一个终端节点便将等待计时器的值清零，并把子节点的地址申请数加1；如果节点的物理层在T时间段内没有监听到任何信号，则用跨层信息共享的方式向本节点的Mesh子层发送一个“未监听到信号”的消息；本节点的Mesh子层收到这个消息后，认为不再有节点向自己申请入网，则向父节点发送一个地址申请消息。

在路由节点的等待过程中，如果有其它节点作为路由设备申请加入，则将该节点记录为路由子节点，并取消时间阈值的作用。如果节点有路由子节点，则根据关联阶段中记录的路由子节点个数进行判断，当收齐了所有路由子节点的地址申请消息后，向父节点发送一个地址申请消息。节点不申请预留地址，即一个节点对应一个地址，从而在地址分配时不发送结束地址，通过节点地址申请个数和地址分配消息中的起始地址计算出结束地址。(如果地址分配过程完成后有节点加入并请求分配地址，则由该节点的父节点向协调器申请地址，这种情况相对较少且其地址分配操作可以和数据传输同时进行。)

时间阈值T采用动态自适应的方法设置，其值设置为：当前一帧发完之后，在有相邻节点要发送帧的情况下无线信道能够保持空闲的最长时间；具体如下：

T＝2^macMaxBE·aUnitBackoffperiod+τ(2)

其中，aUnitBackoffperiod为CSMA/CA算法进行退避的单位时间，macMaxBE为退避指数的最大值，τ为入网申请消息的传输时延，2^macMaxBE为节点发送数据前的最大退避值(2^macMaxBE-1)加1。

3.地址分配阶段，包括协调器为子节点分配地址、路由节点为子节点分配地址。

(1)协调器为子节点分配地址

协调器收到子节点的地址申请消息后，按照图3所示的流程为子节点分配地址。

协调器节点在组网过程中收到的消息主要是未入网节点发送的入网申请消息和已加入网络的子节点发送的地址申请消息；协调器根据收到的申请消息和已经得到的子节点信息判断是否分配地址；如果满足地址分配条件，协调器为相应的子节点分配地址，直至所有子节点都分配了地址。具体如下：

1)协调器(地址为0x0000)收到入网地址申请消息时，对第一和第二个发来入网申请消息的节点分别分配0x0001(可分配地址中的最小地址)和0xFFFE(可分配地址中的最大地址)两个地址，第三个或以后的节点暂不分配地址。(0xFFFF作为未分配到地址的标识)

除协调器以外的其他节点分为地址递增和地址递减两类属性的节点。缺省设置：地址为0x0001的节点为地址递增节点，地址为0xFFFE的节点为地址递减节点；其增减属性作用于本分支之后加入的节点所要的分配地址。

2)协调器的每个子节点都要向协调器发出地址申请消息。当协调器收到地址申请量为n的地址申请消息时，先判断地址申请消息是由什么样的子节点发出；如果是由未分配地址的子节点发出，协调器记录地址申请情况，不做操作。如果是由地址为k的子节点发出，协调器则确定该子节点的地址增减属性，并判断当前是否还有未分配地址的子节点；如果没有，则协调器不做操作，如果还有未分配地址的子节点，协调器则判断自己是否存储有未分配地址的子节点的地址申请记录，如果没有记录，且地址申请子节点(地址为k)为地址递增节点(或地址递减节点)，则任选一个已入网但无地址的子节点分配地址为k+n(或k-n)。如果有记录，设未分配地址的子节点申请的地址个数分别为a、b、c、…；如果发送请求申请的子节点(地址为k)是地址递增节点，则协调器为子节点分配的地址分别为k+n、k+n+a、k+n+a+b、k+n+a+b+c、…；如果地址申请子节点(地址为k)是地址递减节点，则协调器分配的地址分别为k-n、k-n-a、k-n-a-b、k-n-a-b-c、…。协调器分配地址时，地址分配消息中的起始地址字段必须保留。

根据802.15.5标准的规定，控制消息(如地址申请消息)的“命令帧标识”字段的值域中的0x18-0xFF部分被保留未使用。在本发明设计的方法中，为了减少控制开销，协调器使用该字段的“0x18”和“0x80”两个值来表示获得地址的子节点的增减属性；其中，“0x18”表示节点具有地址递增属性，“0x80”表示节点具有地址递减属性。

(2)路由节点为子节点分配地址

路由节点收到子节点的地址申请消息后，按照图4所示的流程为子节点分配地址。

当路由节点收到单播给自己的消息后，判断该消息类型和自己有无地址；在满足地址分配条件时为子节点分配地址；如果不满足地址分配条件，则记录相应信息。

1)当一个路由节点收到父节点分配给自己的发送给自己的地址分配消息(地址k)时，先判断自己有无子节点；如果有子节点，则判断自己是否存储有地址申请消息；如果没有存储地址申请消息，则根据收到的地址分配消息中的“命令帧标识”字段的值或者自己的地址与父节点地址的大小关系，得到本节点的地址增减属性。然后，为第一个加入自己的子节点分配相应的地址k+1(本节点为递增节点)或k-1(本节点为递减节点)。如果该节点存储有地址申请消息，其中地址申请的数值分别为a、b、c、…，且本节点是地址递增节点，则分配的地址分别为k+1、k+a+1、k+a+b+1、k+a+b+c+1、…；如果本节点是地址递减节点，则分配的地址分别为k-1、k-a-1、k-a-b-1、k-a-b-c-1、…。

2)当一个路由节点收到入网申请时，如果它已获得地址k，则为第一个申请的子节点分配地址k+1(本节点为递增节点)或k-1(本节点为递减节点)；如果还没有获得地址，则记录该入网申请。

3)当一个路由节点收到申请数量为n的地址申请消息时，如果该路由节点没有地址，则记录该申请消息。如果已有地址，则判断地址申请消息是由什么节点发出的：如果是未分配地址的子节点发出，则该路由节点记录地址申请情况，暂不分配地址。如果地址申请是由已分配地址为q的子节点发出，则根据本节点的地址增减属性分配地址，如果本节点为递增节点(或递减节点)，则为其他任意一个加入自己的节点分配地址q+n(或q-n)。如果之前未分配地址的子节点申请的地址个数分别为a、b、c、…，则根据本节点的地址增减属性分配地址：如果本节点是递增节点，分配地址分别为q+n、q+n+a、q+n+a+b、q+n+a+b、…；如果本节点是递减节点，分配地址分别为q-n、q-n-a、q-n-a-b、q-n-a-b、…。

4)当父节点的地址为k、需要分配给子节点的地址为j时，如果下式成立：

|k-j|≤(0xFF-0x18)/2(3)

则路由节点可以利用地址分配消息中的“命令帧标识”字段未使用的0x18-0xFF值来携带分配给子节点的地址增减属性，从而去掉地址分配消息中的“起始地址”字段。具体方法为：当式(3)成立时，非协调器节点用“命令帧标识”的保留值来携带分配给子节点的地址偏移，并且删除地址分配消息中的“起始地址”字段。节点用下式计算“命令帧标识”字段值f：

当一个节点收到父节点发来的地址分配消息中的“命令帧标识”字段值位于0x18到0xFF之间时，它用下式计算自己的地址j：

$j=\left\{\begin{array}{c}k+f-0x17,0x18\&le;f\&le;0x7F\\ k-f+0x7F,0x80\&le;f\&le;0xFF\end{array}\right.---\left(5\right)$

当式(3)定义的条件不满足时，非协调器节点将地址分配消息中的“命令帧标识”字段值设为默认的0x02，表示采用IEEE802.15.5标准定义的地址分配方法。

图5为非协调器节点借助“命令帧标识”字段进行地址分配流程图((a)父节点操作流程，(b)子节点操作流程)。

流程图(a)中，非协调器节点准备发送地址分配消息给子节点时，根据公式(3)判断是否满足删除“起始地址”字段的条件；若满足，则设置相应的“命令帧标识”字段值并发送地址分配消息。在流程图(b)中，子节点收到“命令帧标识”字段值为0x02的地址分配时，提取地址分配消息中“起始地址”字段的值，然后根据该值确定自己的地址；如果“命令帧标识”字段值为0x18-0xFF，则子节点根据公式(5)计算本节点地址。

如图6所示。在地址申请阶段去除终端节点的冗余地址申请，并且路由节点自适应设置等待时间阈值；在地址分配阶段去除地址分配消息中的结束地址字段、去除部分地址分配消息中的起始地址字段，且协调器提前分配地址。

本发明适用于采用IEEE802.15.5标准定义的节点地址分配方法的WPANMesh网络。下面以LR-WPANMesh网络为例对本发明的实施作进一步说明。

在节点处于静止状态，并且节点数不少于3(至少包括一个协调器)的网络环境下首先由协调器初始化，未加入网络的节点通过主动扫描搜集邻居节点信息、参考深度、链路质量等有用信息选择最佳的邻居节点发送入网申请消息，并记录父节点的网络地址。协调器或路由节点收到其他节点的入网申请消息后，向该节点分配地址或记录该节点的信息。

在地址申请过程中，每个路由节点加入网络后都会设置一个时间阈值，通过跨层检测的方式，自适应地设置时间阈值的大小，并取消终端节点作为叶节点发送地址申请消息的操作；如果等待时间超过设置的时间阈值，该节点还没有收到其他节点的入网申请消息，则默认为到达树的底部，发送地址申请消息到父节点。当协调器或路由节点作为父节点收到入网申请消息、地址申请消息、地址分配消息时，根据节点的不同类型，判断是否满足可分配地址的要求；不满足地址分配条件的父节点记录子节点信息；满足地址分配的父节点判断分配给子节点的地址是否能满足起始地址压缩条件，满足地址压缩条件的父节点发送“命令帧标识”字段值为0x18-0xFF的地址分配消息，不满足的则发送值为0x02默认的“命令帧标识”地址分配消息。协调器分配地址时不做起始地址压缩，地址分配消息中包括有“起始地址”字段，用“命令帧标识”字段值0x18和0x80通知子节点的地址增减属性。存有起始地址的节点收齐地址申请后，计算出结束地址，从而形成满足单播路由算法的节点地址块信息。网络节点的MAC子层和物理层推荐采用IEEE802.15.4标准定义的接入和收发技术。

Claims (3)

1.一种高效快速的低速率无线个域网状网网络节点地址分配方法，其特征是：路由节点在时间阈值T内检测信道，如果在时间T内信道一直空闲，则本路由节点作为子节点发送地址申请消息到协调器，如果有其他节点加入路由节点，收齐本路由节点的子节点地址申请后发送地址申请消息到协调器，在发送地址申请消息时路由节点不申请预留地址，在地址分配时不发送结束地址，通过节点地址申请个数和地址分配消息中的起始地址计算结束地址；协调器根据收到的地址申请消息和本路由节点的子节点信息分配地址，具体为：当协调器收到地址申请消息时，对第一和第二个发送地址申请消息的节点分别分配可分配地址中的最小地址0x0001和可分配地址中的最大地址0xFFFE，第三个及以后发来地址申请消息的节点暂不分配地址，当协调器收到申请数量为n的子节点发送的地址申请消息时，如果是由未分配地址的子节点发出，协调器记录地址申请，如果是由已分配地址为k的子节点发出，协调器则确定该子节点的地址增减属性，并判断当前是否还有未分配地址的子节点；如果还有未分配地址的子节点，协调器则判断自己是否存储有未分配地址的子节点的地址申请记录，如果有记录，设未分配地址的子节点申请的地址个数分别为a、b、c、…，如果发送请求申请的地址为k的子节点是地址递增节点，则协调器为子节点分配的地址分别为k+n、k+n+a、k+n+a+b、k+n+a+b+c、…；如果发送请求申请的地址为k的子节点是地址递减节点，则协调器分配的地址分别为k-n、k-n-a、k-n-a-b、k-n-a-b-c、…，协调器分配地址时，地址分配消息中的起始地址字段必须保留。

2.根据权利要求1所述的地址分配方法，其特征是：采用动态自适应的方法设置时间阈值T，根据公式：T＝2^macMaxBE·aUnitBackoffperiod+τ确定T，其中，aUnitBackoffperiod为载波侦听多点接入/冲突检测CSMA/CA算法进行退避的单位时间，macMaxBE为退避指数最大值，τ为入网申请消息的传输时延。

3.根据权利要求1所述的地址分配方法，其特征是：除协调器以外的其他节点分为地址递增和地址递减两类属性的节点，地址为0x0001的节点为地址递增节点，地址为0xFFFE的节点为地址递减节点。