CN103327572A - 一种IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法，包括：S1、设计报文监听算法E-OPT，开始监听报文；S2、当监听到第一个报文后，记录报文类型和报文检测消耗的时间，预测信标帧次序b的范围；S3、预测信标帧最近可能出现的时隙T；S4、休眠至时隙T，在时隙T监听E-OPT算法指定的信道，若未监听到信标帧，则排除当前b值，返回步骤S3，若监听到信标帧，则停止，若邻居发现总时间大于某个值t_max时，则邻居发现失败。本发明利用网络中普通报文与信标帧之间的联系，通过监听普通报文来预测信标帧的位置，更容易监听；同时，监听普通报文所需要的时间更短，从而保证有限次监听即能监听到信标帧，降低盲目监听造成的能源浪费，节省较多的监听能量。

Description

一种IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法

技术领域

本发明涉及无线传感网的技术领域，特别涉及一种IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法。

背景技术

近年来，无线传感器网络广泛应用于工业领域，工业无线设备除了高可靠性、高实时性，低功耗也是工业应用方面的迫切需求。在WSN中,节点能量有限且难以补充,因此,工业无线取代有线，能量问题是实际应用中关注的热点,而通信协议的改进又是提高能效的重要措施。在WSN协议栈中,MAC层决定着信道分配与使用方法,在协议栈能耗中有举足轻重的地位。为此，TG4e（IEEE802.15.4e）工作组于2008年正式成立，其目的是在MAC层提高和增加IEEE802.15.4-2006对于工业领域无线应用以及TG4c的支持，增强并增加MAC的功能性。IEEE802.15.4e包含多种MAC协议，其中最主要的两支为DSME(Deterministic Synchronous Multichannel Extension,确定性同步多信道扩展)和TSCH（Time Synchronized Channel Hoping，时间同步和信道跳频），主要采用两种技术:1）时间分集，如TDMA（Time Division Multiple Access，时分复用）调度、重传；2）频率分集，如跳频等。

IEEE802.15.4e网络与其他自组织网络一样，网络组建包括时间同步、邻居发现和组网交互的过程。其中，邻居发现是网络组建的一个非常重要的步骤，是MAC协议、路由发现、拓扑管理算法的基础，快速的邻居发现对于提高网络性能具有重要意义。

近年来，关于邻居发现方面的研究引起了很大关注，但是多集中在CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问）网络，如IEEE802.15.4网络，这种网络使用单信道通信。由于IEEE802.15.4e网络采用了多信道通信，无法直接使用单信道的各种邻居发现方法。因为多信道的特性，使得搜索空间直接扩展了一个维度，不确定性增加，组网的问题也就变成了信道搜索和邻居发现两个问题，实际完成时间也大大增加。例如IEEE802.15.4网络中一种被动邻居发现方法PSV(Passive Discovery,被动发现)，通过轮流在所有可用信道上进行邻居发现，每个信道上持续监听信标间隔时间，直到某个信道上监听到信标帧。该方法简单实用，但是在无法确定信标间隔的情况下，将消耗大量的时间和能量。

针对信道搜索时间过长的问题，有文献在PSV的基础上提出了OPT策略，降低了信道搜索过程中的第一次、平均和最长搜索时间。但是这种策略仅仅是针对信道搜索时间进行了优化，并未对能耗进行优化，在一些对能耗有严格要求的网络中，该方法并不适用；另外该方法监听的目标是信标帧，而没有考虑到别的报文的监听。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法，旨在解决信道搜索时间过长、能耗过高的问题。

该方法通过监听普通报文代替传统的监听信标帧，改进邻居发现的监听次序，根据普通报文预测信标帧可能的位置，仅在信标帧可能出现的时隙打开监听，其余时间休眠，既节省了信道搜索的时间，又降低了邻居发现所产生的能耗，进而降低整个网络组建的时间和能耗。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明一种IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法，包括下述步骤：

S1、设计报文监听算法E-OPT，选择任意时隙为起始点，开始监听报文，监听的顺序、时隙和信道完全按照报文监听算法E-OPT执行；

S2、当监听到第一个报文后，记录报文类型和报文检测消耗的时间，根据报文类型、报文检测消耗的时间和当前绝对时隙号预测信标帧次序b的范围；

S3、根据信标帧次序b的范围中最小的b值，通过公式T-t_current=ASN_Beacon-ASN_current，ASN_Beacon=2^b×a来预测信标帧最近可能出现的时隙T，其中t_current为当前时隙，即报文检测消耗的时隙，ASN_current为当前绝对时隙号，ASN_Beacon为信标帧的绝对时隙号，a为常数；

S4、休眠至时隙T，在时隙T监听E-OPT算法指定的信道，若未监听到信标帧，则排除当前b值，返回步骤S3，若监听到信标帧，则停止，若邻居发现总时间大于某个值t_max时，则邻居发现失败。

优选的，步骤S1中，所述监听算法E-OPT设计的具体步骤为：

S11、分析IEEE802.15.4e实际网络中报文类型和邻居发现模型，C为网络可用信道集合｛c₁,c₂,...,c_max｝，|C|表示集合中信道个数，b为信标帧次序，b∈B,B={b_min,…,b_max}，|B|表示B中的元素数目；

邻居发现的目标是找到网络每个超帧中唯一的信标帧，检测过程中，每次在某个信道上占用一个时隙，对于所有的c∈C,t∈T，x_c,t描述监听节点在信道c和时隙t上执行一次发现：

为保证监听到所有信标帧，用于邻居发现的时间t_max应满足t_max=|C|×2^bmax-1，同时采用被动监听方式获取所有信标帧，需要满足如下条件：

（1）每个信道上监听时间不小于一个超帧长度,即

（2）同一时隙只能搜索单个信道，即

（3）保证所有可能的时隙和信道组合都搜索到，即：

$\∀c\∈C,\∀b\∈B,\∀\mathrm{\δ}\∈(0,...,2^b-1){\mathrm{\Σ}}_{i=c_0}^{c_{\max }}{x}_{c,2^b\×i+\mathrm{\δ}}\≥1;$

S12、假设报文分布的时隙和信道是随机的，分析t时隙和指定信道检测到报文并且是第一条报文的概率p，

其中C₁为一个超帧周期2^b内出现m条报文的组合数：

C₁=C(2^b,f(b))×|C|^f(b)；

C2为t时刻出现的报文并且是第一条报文的组合数：

$C_2={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{f\left(b\right)-1}C(y,k)\×{\left(\right|C|-x-1)}^k\×C(d-y-1,f\left(b\right)-1-k)\×{\left(\right|C|-x)}^{f\left(b\right)-1-k};$

其中，t=d×x+y，d=2^b，x，y都是整数，y=tmodd，y≥k，d-y-1≥f(b)-1-k；

监听报文的平均检测时间：

$t_{\mathrm{avg}}={\mathrm{\Σ}}_{c=0}^{c_{\max }}{\mathrm{\Σ}}_{b_i=b_{\min }}^{b_{\max }}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{t=0}^{2^{b_i}\×\left|C\right|-1}u,b_i=b_{\min }\\ {\mathrm{\Σ}}_{t=2^{b_{i-1}}\×\left|C\right|-1}^{2^{b_i}\×\left|C\right|-1}u,b_i>b_{\min }\end{array}\right.;$

其中，

(t+1)表示完成当前监听消耗的时隙数；

S13、利用YALMIP进行建模，并通过matlab调用CPLEX12.5工具进行规划运算使t_avg最小，进而设计一个报文监听序列。

优选的，步骤S2中，在记录报文类型和报文检测消耗时间的同时，还检测报文的帧计数，所述报文的帧计数在带有至少5字节辅助安全头的报文中才能获得，其数值为当前的绝对时隙号ASN_current，若报文中不含帧计数，则估算当前绝对时隙号ASN_current的范围；所述当前绝对时隙号表示从协调器开始工作到当前时间经过的时隙数；所述协调器第一次开始工作就是发送第一个信标帧。

优选的，步骤S2中，所述报文类型包括：信标帧、管理报文和数据报文，用于判断当前时隙与信标帧时隙之间的距离，具体如下：

（1）若为信标帧，则直接完成了邻居发现，即ASN_Beaconmod2^b=0；

（2）若为管理报文，管理报文的时隙与信标帧之间相差0或1个时隙，即1≤ASN_currentmod2^b≤2；

（3）若为数据报文，数据报文存在的位置较多，与信标帧所处时隙不重合，即ASN_currentmod2^b≠0。

优选的，步骤S2中，所述报文检测消耗的时间是指从开始监听到获得第一条报文所消耗的时隙数目t₁，用来缩小b的范围，即排除满足关系式2^b>t₁中b的值。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明利用网络中普通报文与信标帧之间的联系，通过监听普通报文来预测信标帧的位置，由于普通报文数量较多，容易监听；同时，监听普通报文所需要的时间更短，从而保证有限次监听即能监听到信标帧，提高了监听效率，降低盲目监听造成的能源浪费，节省较多的监听能量。

2、本发明考虑了时隙内部休眠，监听到报文后即可进行休眠，休眠时间变长，节省监听能量，每个时隙都进行射频开关，因此切换信道也不会为系统带来额外能耗。

附图说明

图1是本发明实施例中E-OPT算法的报文监听调度序列；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本实施例的网络为IEEE802.15.4e网络中的低延迟确定性网络（Low Latency Deterministic Network，LLDN），LLDN网络是一种面向低能耗应用的星型网络，存在一个协调器和多个无线节点，每个无线节点只与协调器进行通信。LLDN网络所有报文的收发都发生在某一个时隙内，只有协调器周期性的发送信标帧，在一个超帧周期内只有一个信标帧出现。LLDN网络中一个超帧划分为四个部分，分别为信标时隙部分，协调器在这个时隙发送信标帧；管理时隙部分，包括上行链路和下行链路，用于网络管理报文收发；上行时隙部分和双向时隙部分，用于网络中数据报文的重传、收发或应答。LLDN网络采用多信道通信，可用信道集合C=｛c₁,c₂,...,c_max｝，|C|表示集合中信道个数。协调器发送信标的周期称为信标帧间隔BI，同时也是LLDN网络的超帧长度。

BI=2^b×Z；

其中b为信标帧次序，b∈B,B={b_min,…,b_max}，|B|表示B中的元素数目。Z表示时隙长度，是一个已知参数。

LLDN网络中，由于进行邻居发现时新设备并未在网，无法对外发送报文进行交互，因此，采用被动监听普通报文的方式进行邻居发现。邻居发现的目标是找到网络每个超帧中唯一的信标。基于被动监听的邻居发现方法中，每次在每一个信道上占用一个时隙来检测周期性发送的信标帧。监听开始的时隙为t₀，则针对监听的调度涉及到分配给监听节点一个二进制变量x_c,t，对于所有的c∈C，t∈T，描述监听节点在信道c和时隙t上执行一次发现：

为保证监听到所有信标帧，用于邻居发现的时间t_max应满足t_max=|C|×2^bmax-1，同时采用被动监听方式获取所有信标帧，还需要满足如下条件：

①每个信道上监听时间不小于一个超帧长度,即

②同一时隙只能搜索单个信道，即

③保证所有可能的时隙和信道组合都搜索到，即 $\∀c\∈C,\∀b\∈B,\∀\mathrm{\δ}\∈(0,...,2^b-1){\mathrm{\Σ}}_{i=c_0}^{c_{\max }}{x}_{c,2^b\×i+\mathrm{\δ}}\≥1.$

邻居发现时间是指从邻居发现过程开始启动直到第一个信标帧被接收的时间。

根据IEEE802.15.4e的实际情况，f(b)需要满足两个极端，一是网络中只存在协调器的情况下，f(b)=1，即网络中每个超帧只有协调器发出的唯一一个报文，为信标帧；二是网络饱和的情况下，f(b)=2^b，即每个超帧中存在2^b个报文，即每个时隙都有报文收发。

在一个超帧周期2^b内出现m条报文（即f(b)条报文）的组合数为：

C₁=C(2^b,f(b))×|C|^f(b)；

为计算在某一时刻t检测到报文并且是第一条报文的概率p，令t=d×x+y，其中d=2^b，x，y都是整数，y=tmodd。

以2^b为周期，则t所在的周期内，t时刻前的y个时隙内出现k条报文的组合数为：

C(y,k)×(|C|-x-1)^k×C(d-y-1,f(b)-1-k)×(|C|-x)^f(b)-1-k；

因此，在t时刻出现的报文并且是第一条报文的组合数为：

$C_2={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{f\left(b\right)-1}C(y,k)\×{\left(\right|C|-x-1)}^k\×C(d-y-1,f\left(b\right)-1-k)\×{\left(\right|C|-x)}^{f\left(b\right)-1-k};$

其中，y≥k，d-y-1≥f(b)-1-k。

则t时刻出现报文并且是第一条报文的概率是

报文分布的时隙和信道是随机的，监听报文的平均检测时间用时隙数表示为：

$t_{\mathrm{avg}}={\mathrm{\Σ}}_{c=0}^{c_{\max }}{\mathrm{\Σ}}_{b_i=b_{\min }}^{b_{\max }}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{t=0}^{2^{b_i}\×\left|C\right|-1}u,b_i=b_{\min }\\ {\mathrm{\Σ}}_{t=2^{b_{i-1}}\×\left|C\right|-1}^{2^{b_i}\×\left|C\right|-1}u,b_i>b_{\min }\end{array}\right.;$

其中，

(t+1)表示完成当前监听消耗的时隙数。

为了减少邻居发现时间并且节约能量，进行优化运算，使t_avg最小化。分别令1）f(b)=1，2）f(b)=0.5×2^b+1，3）f(b)=2^b,同时B=｛1，2｝，C=｛0，1，2｝。在这三种情况下分别进行优化，利用YALMIP进行建模，并通过matlab调用CPLEX12.5工具进行规划运算使t_avg最小得到结果如图1所示。

选择任意时隙作为起始点，开始监听报文，监听的顺序、时隙和信道完全按照图1所示。

如图2所示，当监听到第一个报文后，计录报文类型和报文检测消耗的时间，同时检测报文的帧计数，所述报文的帧计数在带有至少5字节辅助安全头的报文中才可以获得，其数值为当前的绝对时隙号ASN_current，若报文中不含帧计数，则估算当前绝对时隙号ASN_current的范围；绝对时隙号表示从协调器开始工作到当前时间经过的时隙数；协调器第一次开始工作就是发送第一个信标帧；信标帧的绝对时隙号与发送信标帧的时隙满足关系：ASN_Beaconmod2^b=0，其中b为网络中的信标帧次序。

报文类型包括：信标帧、管理报文和数据报文，用于判断当前时隙与信标帧时隙之间的距离；若为信标帧，则直接完成了邻居发现；若为管理报文，LLDN网络中，管理报文的时隙与信标帧之间相差0或1个时隙，即1≤ASN_currentmod2^b≤2；若为数据报文，数据报文存在的位置较多，与信标帧所处时隙不重合，即ASN_currentmod2^b≠0；根据报文类型可以缩小优化b的范围。

报文检测消耗的时间是指从开始监听到获得第一条报文所消耗的时隙数目t₁，可用来缩小b的范围，即排除满足关系式2^b>t₁中b的值。因此，可以根据报文类型、报文检测消耗的时间和当前绝对时隙号预测信标帧次序b的范围。

根据信标帧次序b的范围中最小的b值来预测信标帧最近可能出现的时隙T，休眠至时隙T，降低功耗。在时隙T中监听E-OPT指定的信道，如果未监听到信标，则排除当前b值，做到预测越来越准；若监听到信标，则停止监听；若邻居发现总时间大于t_max，则邻居发现失败。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、设计报文监听算法E-OPT，选择任意时隙为起始点，开始监听报文，监听的顺序、时隙和信道完全按照报文监听算法E-OPT执行；

S2、当监听到第一个报文后，记录报文类型和报文检测消耗的时间，根据报文类型、报文检测消耗的时间和当前绝对时隙号预测信标帧次序b的范围；

S3、根据信标帧次序b的范围中最小的b值，通过公式T-t_current=ASN_Beacon-ASN_current，ASN_Beacon=2^b×a来预测信标帧最近可能出现的时隙T，其中t_current为当前时隙，即报文检测消耗的时隙，ASN_current为当前绝对时隙号，ASN_Beacon为信标帧的绝对时隙号，a为常数；

S4、休眠至时隙T，在时隙T监听E-OPT算法指定的信道，若未监听到信标帧，则排除当前b值，返回步骤S3，若监听到信标帧，则停止，若邻居发现总时间大于某个值t_max时，则邻居发现失败。

2.根据权利要求1所述的IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法，其特征在于，步骤S1中，所述监听算法E-OPT设计的具体步骤为：

S11、分析IEEE802.15.4e实际网络中报文类型和邻居发现模型，C为网络可用信道集合｛c₁,c₂,...,c_max｝，|C|表示集合中信道个数，b为信标帧次序，b∈B,B={b_min,…,b_max}，|B|表示B中的元素数目；

邻居发现的目标是找到网络每个超帧中唯一的信标帧，检测过程中，每次在某个信道上占用一个时隙，对于所有的c∈C,t∈T，x_c,t描述监听节点在信道c和时隙t上执行一次发现：

为保证监听到所有信标帧，用于邻居发现的时间t_max应满足t_max=|C|×2^bmax-1，同时采用被动监听方式获取所有信标帧，需要满足如下条件：

（1）每个信道上监听时间不小于一个超帧长度,即

（2）同一时隙只能搜索单个信道，即

（3）保证所有可能的时隙和信道组合都搜索到，即：

$\∀c\∈C,\∀b\∈B,\∀\mathrm{\δ}\∈(0,...,2^b-1){\mathrm{\Σ}}_{i=c_0}^{c_{\max }}{x}_{c,2^b\×i+\mathrm{\δ}}\≥1;$

S12、假设报文分布的时隙和信道是随机的，分析t时隙和指定信道检测到报文并且是第一条报文的概率p，

其中C₁为一个超帧周期2^b内出现m条报文的组合数：

C₁=C(2^b,f(b))×|C|^f(b)；

C2为t时刻出现的报文并且是第一条报文的组合数：

$C_2={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{f\left(b\right)-1}C(y,k)\×{\left(\right|C|-x-1)}^k\×C(d-y-1,f\left(b\right)-1-k)\×{\left(\right|C|-x)}^{f\left(b\right)-1-k};$

其中，t=d×x+y，d=2^b，x，y都是整数，y=tmodd，y≥k，d-y-1≥f(b)-1-k；

监听报文的平均检测时间：

$t_{\mathrm{avg}}={\mathrm{\Σ}}_{c=0}^{c_{\max }}{\mathrm{\Σ}}_{b_i=b_{\min }}^{b_{\max }}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{t=0}^{2^{b_i}\×\left|C\right|-1}u,b_i=b_{\min }\\ {\mathrm{\Σ}}_{t=2^{b_{i-1}}\×\left|C\right|-1}^{2^{b_i}\×\left|C\right|-1}u,b_i>b_{\min }\end{array}\right.;$

其中，

(t+1)表示完成当前监听消耗的时隙数；

S13、利用YALMIP进行建模，并通过matlab调用CPLEX12.5工具进行规划运算使t_avg最小，进而设计一个报文监听序列。

3.根据权利要求1所述的IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法，其特征在于，步骤S2中，在记录报文类型和报文检测消耗时间的同时，还检测报文的帧计数，所述报文的帧计数在带有至少5字节辅助安全头的报文中才能获得，其数值为当前的绝对时隙号ASN_current，若报文中不含帧计数，则估算当前绝对时隙号ASN_current的范围；所述当前绝对时隙号表示从协调器开始工作到当前时间经过的时隙数；所述协调器第一次开始工作就是发送第一个信标帧。

4.根据权利要求1所述的IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法，其特征在于，步骤S2中，所述报文类型包括：信标帧、管理报文和数据报文，用于判断当前时隙与信标帧时隙之间的距离，具体如下：

（1）若为信标帧，则直接完成了邻居发现，即ASN_Beaconmod2^b=0；

（2）若为管理报文，管理报文的时隙与信标帧之间相差0或1个时隙，即1≤ASN_currentmod2^b≤2；

（3）若为数据报文，数据报文存在的位置较多，与信标帧所处时隙不重合，即ASN_currentmod2^b≠0。

5.根据权利要求1所述的IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法，其特征在于，步骤S2中，所述报文检测消耗的时间是指从开始监听到获得第一条报文所消耗的时隙数目t₁，用来缩小b的范围，即排除满足关系式2^b>t₁中b的值。

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