CN103401739A - 一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置。装置通过有线无线感知接口从传感设备获取传感数据，在控制调度模块中形成统一的数据帧，利用存储设备将大量高速数据缓存排队调度，根据业务需求将数据通过业务接口发送给业务层或通过光分组传输子系统传送给其他节点。本发明将传感接入与光分组传输相结合，支持开放的传感接入方式，节点之间数据交换通过异步光分组交换方式进行，实现了节点之间高速数据的传输，并通过设计的光分组传输子系统解决了多路光数据传输的冲突问题，有效保证了传感网络业务的多样性和实时性。

Description

一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置。

背景技术

目前，在各种网络中高速、大容量实时数据的交互及共享需求在迅速增长，传统以铜线为基础的数据传输链路的带宽及其所能够承受的信号处理比特率已不能满足目前高速、大容量数据交互的需求。光分组交换（OPS）技术具有交换灵活、容量大、速率和格式透明、可配置等特1点，因而能够支持未来不同类型的数据业务。

物联网又叫传感网，是新一代信息技术的重要组成部分。物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。其具有：智能、先进、互联的三个重要特征。

随着高清监控视频等大容量的传感数据的产生，要求传感网中的传送层传输容量增大，将导致传感网和光传输技术的结合成为一种趋势。

正是在这样的背景下发展出的一种基于多种传感器，可以向用户提供多元化业务的综合性网络。它是一种基于分布式和分组交换的网络结构，可以提供各种传感数据的采集，传输和综合处理业务。并且可以利用有线和无线技术向用户提供各种定点传感数据服务和移动传感数据服务，还可以 根据用户需求灵活配置不同业务模块。

传送层为传感网络中所有组件和物理上分离的功能提供互连，向用户提供基于电域和光域的分组数据传送功能，支持IP协议及其他分组传送协议。传送层从传感接口获取数据，经过缓存，调度，排队等处理，将业务层所需数据通过业务接口传输上去，从而支持应用层的各种应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服传感网数据传输能力的不足，提供一种同时支持传感接入和光分组传输的支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，本发明能够减少传感网数据传输延时，满足用于用户的突发大容量业务数据的传输，增加传感网络对不同种类业务的支持。

实现本发明的技术方案如下：

一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，包括业务层、传感设备、存储设备、光分组传输子系统及控制调度模块，业务层与控制调度模块通过业务接口连接，传感设备与控制调度模块通过有线无线传输接口连接，存储设备与控制调度模块通过地址数据总线连接，所述光分组传输子系统包括n+1个交换支路，n为不大于16的正整数，及（n+1）*（n+1）选通光开关，n+1个交换支路的输出端分别与（n+1）*（n+1）选通光开关的n+1个输入端连接，n+1个交换支路中的1路输入端与控制调度模块的本地发送端口连接，n+1个交换支路中的其余n路输入端作为节点装置n路输入端，（n+1）*（n+1）选通光开关中的1个输出端与控制调度模块的本地接收端口连接，（n+1）*（n+1）选通光开关中的其余n个输出端作为节点装置n路输出端，所述（n+1）*（n+1）选通光开关的控制端与所述控制调度模块的第一控制端连接并用于将光开关选通信号传输至（n+1）*（n+1）选通光开关，所述交换支路包括第一光耦合器、1*2光开关及第二光耦合器，所述第一光耦合器的输入端作为交换支路的输入端，第一光耦合器的一个输出端与控制调度模块的输入端连接并用于提取光分组头信息，所述提取的光分组头信息包括帧标识符、源地址、目的地址及优先级标识，在第一光耦合器的另一个输出端与1*2光开关的输入端之间设有选路光纤延时线且第一光耦合器的另一个输出端通过选路光纤延时线与1*2光开关的输入端连接，1*2光开关的控制信号输入端与所述控制调度模块的缓存信号输出端连接并用于传输1*2光开关的选通信号，1*2光开关的一个输出端与第二光耦合器的一个输入端连接，在1*2光开关的另一个输出端与第二光耦合器的另一个输入端之间设有可控延时模块且1*2光开关的另一个输出端通过可控延时模块与第二光耦合器的另一个输入端连接，可控延时模块的延时控制端与所述控制调度模块的延时信号输出端连接，所述的控制调度模块和可控延时模块还用于解决所述节点装置输出信号的冲突，第二光耦合器的输出端作为交换支路的输出端。

一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，其中可控延时模块由1*n光开关、第一缓存光纤延时线、第二缓存光纤延时线、…、第n缓存光纤延时线及第三n *1光耦合器组成，第一缓存光纤延时线的延时长度为T，T为本系统所支持的光分组的最大长度，第二缓存光纤延时线的延时长度为2*T，…，第n缓存光纤延时线的延时长度为n*T，1*n光开关的输入端作为所述可控延时模块的输入端，1*n光开关的选路控制端作为所述可控延时模块的延时控制端，1*n光开关的第一输出端口通过第一缓存光纤延时线与第三n*1光耦合器的第一个输入端口连接，1*n光开关的第二输出端口通过第二缓存光纤延时线与第三n*1光耦合器的第二个输入端口连接，…，1*n光开关的第n输出端口通过第n缓存光纤延时线与第三n*1光耦合器的第n个输入端口连接，第三n*1光耦合器的输出端作为所述可控延时模块的输出端。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1. 本发明提供了大量对传感设备的接口，提供统一标准的，开放的传感接入方式，各种不同类型的传感器和传感系统都可以接入本网络，可以同时实现大量传感数据的汇聚接入，排队处理。

2. 本发明的数据传输方式能够减少传感网节点之间数据传输的延时，提供传输容量，增加传感网节点之间的数据交换能力。

3. 本发明具有数据交换灵活、容量大、速率和格式透明、可配置等特点，因而能够支持未来不同类型的数据业务。同时，把大量的交换业务转移到光域实现，可以实现交换容量与波分复用（WDM）的传输容量相匹配。

4. 本发明的光分组子系统具有很好的扩展性，可以扩展多路光网络输入输出，易于与其他光网络节点连接。

附图说明

图1为一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置结构图；

图2为可控延时模块结构示意图

图3为传送层帧格式示意图； 

图4为冲突解决算法流程示意图；

图5为传感网络结构示意图；

图6为本发明实施例2的节点装置的传感接口示意图；

图7为本发明实施例2的光分组传输子系统结构示意图；

图8为本发明实施例2的光分组数据时域波形图；

    图9为本发明实施例2的光分组数据信号眼图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例1:

一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，如图1所示。包括业务层A1、传感设备A2、存储设备A3、光分组传输子系统A4及控制调度模块A5，业务层A1与控制调度模块A5通过业务接口连接，传感设备A2与控制调度模块A5通过有线无线传输接口连接，存储设备A3与控制调度模块A5通过地址数据总线连接，所述光分组传输子系统A4包括n+1个交换支路，n为不大于16的正整数，及（n+1）*（n+1）选通光开关D1，n+1个交换支路的输出端分别与（n+1）*（n+1）选通光开关D1的n+1个输入端连接，n+1个交换支路中的1路输入端与控制调度模块A5的本地发送端口连接，n+1个交换支路中的其余n路输入端作为节点装置n路输入端，（n+1）*（n+1）选通光开关D1中的1个输出端与控制调度模块A5的本地接收端口连接，（n+1）*（n+1）选通光开关D1中的其余n个输出端作为节点装置n路输出端，所述（n+1）*（n+1）选通光开关D1的控制端与所述控制调度模块A5的第一控制端连接并用于将光开关选通信号传输至（n+1）*（n+1）选通光开关D1，所述交换支路包括第一光耦合器C11、1*2光开关C13及第二光耦合器C15，所述第一光耦合器C11的输入端作为交换支路的输入端，第一光耦合器C11的一个输出端与控制调度模块A5的输入端连接并用于提取光分组头信息，所述提取的光分组头信息包括帧标识符、源地址、目的地址及优先级标识，在第一光耦合器C11的另一个输出端与1*2光开关C13的输入端之间设有选路光纤延时线C12且第一光耦合器C11的另一个输出端通过选路光纤延时线C12与1*2光开关C13的输入端连接，1*2光开关C13的控制信号输入端与所述控制调度模块A5的缓存信号输出端连接并用于传输1*2光开关C13的选通信号，1*2光开关C13的一个输出端与第二光耦合器C15的一个输入端连接，在1*2光开关C13的另一个输出端与第二光耦合器C15的另一个输入端之间设有可控延时模块C14且1*2光开关C13的另一个输出端通过可控延时模块C14与第二光耦合器C15的另一个输入端连接，可控延时模块C14的延时控制端与所述控制调度模块A5的延时信号输出端连接，所述的控制调度模块A5和可控延时模块C14还用于解决所述节点装置输出信号的冲突，第二光耦合器C15的输出端作为交换支路的输出端。

业务层A1为传感网络中的一层，他负责传送业务数据并管理业务资源和网络资源，从而启用各项用户服务和应用，主要包括各种业务软件，业务接口是一个为传感网络的传送层和业务层提供交互和交换通道的接口。

传感设备A2可以是各种类型的传感器，包括温度传感器，湿度传感器，压力传感器，位移传感器等，根据连接方式，接口可分为有线数据传输接口与无线数据传输接口。

存储设备A3为用于储存信息的设备，包括各种随机存储器和只读存储器等。

可控延时模块C14如图2所示，由1*n光开关、第一缓存光纤延时线、第二缓存光纤延时线、…、第n缓存光纤延时线及第三n *1光耦合器组成，第一缓存光纤延时线的延时长度为T，T为本系统所支持的光分组的最大长度，第二缓存光纤延时线的延时长度为2*T，…，第n缓存光纤延时线的延时长度为n*T，1*n光开关的输入端作为所述可控延时模块C14的输入端，1*n光开关的选路控制端作为所述可控延时模块C14的延时控制端，1*n光开关的第一输出端口通过第一缓存光纤延时线与第三n *1光耦合器的第一个输入端口连接，1*n光开关的第二输出端口通过第二缓存光纤延时线与第三n *1光耦合器的第二个输入端口连接，…，1*n光开关的第n输出端口通过第n缓存光纤延时线与第三n *1光耦合器的第n个输入端口连接，第三n *1光耦合器的输出端作为所述可控延时模块C14的输出端。

光分组传输子系统A4中与本地发送端口连接的交换支路定义为本地交换支路，与输入端口1连接的交换支路定义为第一交换支路，与输入端口2连接的交换支路定义为第二交换支路，…，与输入端口n连接的交换支路定义为第n交换支路。

控制调度模块A5，用于对传感数据的统一帧格式的光分组生成处理以及对光分组传输子系统A4的控制调度。传感数据在控制调度模块A5中形成统一的帧格式，帧格式如图4所示。图中，Syn header为帧头同步，占 8 字节，用于帮助接收端明确帧的起始。FID为帧标识符，帧种类标识符，占2位。用于标识帧的种类。Source Address为源地址，占 8 字节。Destination address为目的地址，占 8 字节。Priority为优先级标识，占 4位。用于标识帧的优先级。Quality of service用于指出上层协议对处理当前数据所要求的服务质量，占1字节。Segment Number为段编号标识，占5位。用于标记被分割的数据。Segment Offset为段内偏移号标识，占5位。用于标记被分割的数据帧在整块数据中的偏移量。Data length为数据长度，占11位。用于标记本帧携带的数据载荷的长度。Data为业务数据，包括视频、语音、离散传感数据、连续传感数据和紧急数据等。FCS（Frame check sequence）为校验序列字段，占 4个字节，提供了一种错误检测机制。Frame end为帧结束标识，占 4个字节，用于标记帧的结尾。

对于各输入端口，进入节点装置的光分组信号首先通过第一光耦合器C11，第一光耦合器C11的一路光信号进入光接收机用于提取光分组数据的分组头信息，同时第一光耦合器C11的另一路光信号进入选路光纤延时线C12，用于等待控制调度模块A5进行分组头的提取和分析以及进行光开关的切换。控制调度模块A5提取光分组中的目标地址，源地址和优先级等信息，根据光分组的目标地址，控制调度模块A5控制(n+1) * (n+1)光开关切换到所需状态，从而将光分组切换到正确的输出端口。如果在一路光分组数据包通过节点装置时，另外n个输入端口中的任一路有光分组数据到达节点装置，并且需要争取与前一个光分组数据包相同的输出端口，则冲突发生。如果优先级不同，根据冲突解决算法，控制调度模块A5控制1*2光开关切换状态，让优先级低的光分组进入可控延时模块，等待优先级高的光分组通过节点装置后，优先级低的光分组从可控延时模块中输出，交换到目标输出端口后输出。

实施例2:

传感网络结构如图5所示，光分组传输子系统A4用于将传感网络中的节点与其他节点进行传输连接，从而构成一个传输网络。

节点装置的传感接口如图6所示，包括XC5VLX50T型号FPGA芯片E1，PCIE接口E2，KM62256C静态随机存储器E3，XCF16PVO48C可编程只读存储器E4，以太网接口E5，光纤接口E6，USB接口E8，ZigBee接口E9，WIFI接口E10。PCIE接口E2，KM62256C静态随机存储器E3，XCF16PVO48C可编程只读存储器E4，以太网接口E5，光纤接口E6，USB接口E8，ZigBee接口E9，WIFI接口E10分别与XC5VLX50T型号FPGA芯片E1连接。其中PCIE接口E2是业务接口，采用xilinx公司ip核开发。KM62256C静态随机存储器E3，XCF16PVO48C可编程只读存储器E4属于存储接口，与XC5VLX50T型号FPGA芯片E1通过数据线地址线相连接。以太网接口E5，光纤接口E6，USB接口E8属于有线传感接口，ZigBee接口E9，WIFI接口E10属于无线传感接口。

光分组传输子系统结构如图7所示，包括3个交换支路和一个3*3选通光开关G1，3个交换支路的输出端分别与3*3选通光开关G1的3个输入端连接，3个交换支路中的1路输入端与XC5VLX50T FPGA的本地发送端口连接，3个交换支路中的其余2路输入端作为节点装置2路输入端，3 *3选通光开关G1中的1个输出端与XC5VLX50T FPGA的本地接收端口连接，3*3选通光开关G1中的其余2个输出端作为节点装置2路输出端，3*3选通光开关G1的控制端与XC5VLX50T FPGA的输入输出引脚IO_L16P_13连接并用于将光开关选通信号传输至3*3选通光开关G1。交换支路由10:90光耦合器F11，6km光纤延时线F12，1×2光开关F13， 1*2光开关F14，6km光纤延时线F15，12km光纤延时线F16，50:50光耦合器F17，50:50光耦合器F18组成。10:90光耦合器F11的10%分光输出端口与XC5VLX50T FPGA的第一路SFP光模块的输入连接，并用于提取光分组头信息，所述提取的光分组头信息包括帧标识符、源地址、目的地址及优先级标识，10:90光耦合器F11的90%分光输出端口与6km光纤延时线F12的输入相连接，6km光纤延时线F12的输出与1*2光开关F13的输入相连接，1*2光开关F13的一个输出与1*2光开关F14的输入相连接，1*2光开关F13的另一个输出与50:50光耦合器F18的一个输入相连接，1*2光开关F14的一个输出与6km光纤延时线F15连接，另一个输出与12km光纤延时线F16连接，6km光纤延时线F15的输出与50:50光耦合器F17的一个输入连接，12km光纤延时线F16的输出与50:50光耦合器F17的另一个输入连接，50:50光耦合器F17的输出与50:50光耦合器F18的输入连接，50:50光耦合器F18的输出与3*3选通光开关G1的输入连接。第二路、第三路交换支路与第一路连接方式相同。XC5VLX50T型号FPGA芯片的输入输出引脚IO_L13P_13，IO_L13N_13，IO_L14P_13，IO_L14N_13，IO_L15P_13，IO_L15N_13分别与6个1*2光开关的控制引脚连接用于传输1*2光开关的选通信号。

对本节点装置的光分组传输性能进行测试。图8为光分组数据时域波形图。光分组数据的时域长度为3μs，速率为1Gb/s，数据长度为3000bit，本节点装置的高速光接口可以很好的完成光分组信号的产生。图9为光分组数据信号眼图分析。光分组信号的传输眼图眼睛睁开度大，上下沿清晰对称，噪声容限大，时间抖动低，说明光分组数据在经过节点装置时，传输性能依旧良好。通过实验结果表明，本节点装置中各输入端口的光分组数据包均能够被正确地交换到相应的输出端口，并且光交换性能稳定。

实施例3:

节点装置输出信号的冲突解决算法，如图3所示。

当有六路光分组信号同时分别从第一交换支路到第六交换支路的输入端口到达，从第一交换支路到第六交换支路的光分组信号的优先级分别为2、1、2、2、3、4，其中第一交换支路的光分组信号要到达输出端口1，其余光分组信号要到达输出端口2，则第一交换支路的光分组信号无冲突，可直接输出到目标端口。

第二到第六交换支路的光分组信号产生了冲突，控制调度模块控制第六交换支路的1*2光开关，让第六交换支路优先级为4的高优先级光分组信号直接通过并交换到目标输出端口2；同时控制第二到第五交换支路的1*2光开关，使第二到第五交换支路的光分组信号进入可控延时模块。根据光分组的优先级别，第五交换支路的优先级别为3的光分组信号进入可控延时模块的第一缓存光纤延时线，而第三交换支路和第四交换支路的光分组信号优先级别相同均为2，根据冲突解决算法，让交换支路序号高的先通过，因此第四交换支路的光分组信号进入可控延时模块的第二缓存光纤延时线，第三交换支路的光分组信号进入可控延时模块的第三缓存光纤延时线。第二交换支路的优先级别为1的光分组信号进入可控延时模块的第四缓存光纤延时线。 

Claims (7)

1.一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，其特征在于，包括业务层（A1）、传感设备（A2）、存储设备（A3）、光分组传输子系统（A4）及控制调度模块（A5），业务层（A1）与控制调度模块（A5）通过业务接口连接，传感设备（A2）与控制调度模块（A5）通过有线无线传输接口连接，存储设备（A3）与控制调度模块（A5）通过地址数据总线连接，所述光分组传输子系统（A4）包括n+1个交换支路，n为不大于16的正整数，及（n+1）*（n+1）选通光开关（D1），n+1个交换支路的输出端分别与（n+1）*（n+1）选通光开关（D1）的n+1个输入端连接，n+1个交换支路中的1路输入端与控制调度模块（A5）的本地发送端口连接，n+1个交换支路中的其余n路输入端作为节点装置n路输入端，（n+1）*（n+1）选通光开关（D1）中的1个输出端与控制调度模块（A5）的本地接收端口连接，（n+1）*（n+1）选通光开关（D1）中的其余n个输出端作为节点装置n路输出端，所述（n+1）*（n+1）选通光开关（D1）的控制端与所述控制调度模块（A5）的第一控制端连接并用于将光开关选通信号传输至（n+1）*（n+1）选通光开关（D1），所述交换支路包括第一光耦合器（C11）、1*2光开关（C13）及第二光耦合器（C15），所述第一光耦合器（C11）的输入端作为交换支路的输入端，第一光耦合器（C11）的一个输出端与控制调度模块（A5）的输入端连接并用于提取光分组头信息，所述提取的光分组头信息包括帧标识符、源地址、目的地址及优先级标识，在第一光耦合器（C11）的另一个输出端与1*2光开关（C13）的输入端之间设有选路光纤延时线（C12）且第一光耦合器（C11）的另一个输出端通过选路光纤延时线（C12）与1*2光开关（C13）的输入端连接，1*2光开关（C13）的控制信号输入端与所述控制调度模块（A5）的缓存信号输出端连接并用于传输1*2光开关（C13）的选通信号，1*2光开关（C13）的一个输出端与第二光耦合器（C15）的一个输入端连接，在1*2光开关（C13）的另一个输出端与第二光耦合器（C15）的另一个输入端之间设有可控延时模块（C14）且1*2光开关（C13）的另一个输出端通过可控延时模块（C14）与第二光耦合器（C15）的另一个输入端连接，可控延时模块（C14）的延时控制端与所述控制调度模块（A5）的延时信号输出端连接，所述的控制调度模块（A5）和可控延时模块（C14）还用于解决所述节点装置输出信号的冲突，第二光耦合器（C15）的输出端作为交换支路的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，其特征在于，所述业务层（A1）为传感网络中的一层，他负责传送业务数据并管理业务资源和网络资源，从而启用各项用户服务和应用，主要包括各种业务软件，业务接口是一个为传感网络的传送层和业务层提供交互和交换通道的接口。

3.根据权利要求1所述的一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，其特征在于，所述传感设备（A2）可以是各种类型的传感器，包括温度传感器，湿度传感器，压力传感器，位移传感器等，根据连接方式，接口可分为有线数据传输接口与无线数据传输接口。

4.根据权利要求1所述的一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，其特征在于，所述存储设备（A3）为用于储存信息的设备，包括各种随机存储器和只读存储器等。

5.根据权利要求1所述的一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，其特征在于，所述可控延时模块（C14）由1*n光开关、第一缓存光纤延时线、第二缓存光纤延时线、…、第n缓存光纤延时线及第三n *1光耦合器组成，n即为权利要求1所述，第一缓存光纤延时线的延时长度为T，T为本系统所支持的光分组的最大长度，第二缓存光纤延时线的延时长度为2*T，…，第n缓存光纤延时线的延时长度为n*T，1*n光开关的输入端作为所述可控延时模块（C14）的输入端，1*n光开关的选路控制端作为所述可控延时模块（C14）的延时控制端，1*n光开关的第一输出端口通过第一缓存光纤延时线与第三n *1光耦合器的第一个输入端口连接，1*n光开关的第二输出端口通过第二缓存光纤延时线与第三n *1光耦合器的第二个输入端口连接，…，1*n光开关的第n输出端口通过第n缓存光纤延时线与第三n *1光耦合器的第n个输入端口连接，第三n *1光耦合器的输出端作为所述可控延时模块（C14）的输出端。

6.根据权利要求1所述的一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，其特征在于，所述光分组传输子系统（A4）中与本地发送端口连接的交换支路定义为本地交换支路，与输入端口1连接的交换支路定义为第一交换支路，与输入端口2连接的交换支路定义为第二交换支路，…，与输入端口n连接的交换支路定义为第n交换支路。

7.根据权利要求1所述的一种支持传感接入和光分组传输的传感网络的节点装置，其特征在于，解决所述节点装置输出信号的冲突解决算法为：当多个光分组信号目的地址不同，即不选择同一输出端口，则不发生冲突，通过（n+1）*（n+1）选通光开关（D1），多个光分组信号正常输出到目标输出端口；当一路光分组信号与另外n个输入端口中的光分组信号具有相同的目的地址，即争夺相同的输出端口，则冲突发生，控制调度模块（A5）控制相应交换支路的1*2光开关，让优先级最高的光分组信号，直接通过并交换到目标输出端口，而优先级低的光分组进入具有可控延时模块的支路；多路光分组信号进入各自交换支路的可控延时模块，控制调度模块（A5）控制相应交换支路的可控延时模块中的1*n光开关，多路光分组信号根据优先级别高低，优先级别最高的光分组信号进入相应交换支路的可控延时模块的第一缓存光纤延时线，优先级别第二高的光分组信号进入相应交换支路的可控延时模块的第二缓存光纤延时线，以此类推；如果光分组信号的优先级相等，则以光分组信号所在交换支路序号的从高到低排列，第n交换支路的光分组信号进入相应交换支路的可控延时模块的第一缓存光纤延时线，第n-1交换支路的光分组信号进入相应交换支路的可控延时模块的第二缓存光纤延时线，以此类推。

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