CN103781094B - 一种工业无线网络的组网优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业无线网络的组网优化方法，在组网过程中包括以下步骤：在超帧中部增加一个网关广播时隙，使单位时间内网关发送广播报文的数量增加；待入网节点接收该广播报文添加为候选邻居；选定同步点，进行时间同步；采用冲突检测进行邻居发现，找出双向邻居节点；待入网节点从邻居表中选出排列在最前面的双向邻居节点为代理节点，向其发送加入请求报文，代理节点转发该请求报文到网关；网关收到加入请求报文后为待入网节点分配网络资源，并以无线报文的形式下发到节点；所有资源分配报文都发送完毕，组网过程结束；本发明大幅度的缩短了组网时间，提高了加入时隙资源的使用效率，使网络资源分配更加合理。

Description

一种工业无线网络的组网优化方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体地说明了一种对WIA工业无线网络的组网过程进行优化的方法。

背景技术

工业无线网络WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技术是由中国科学院沈阳自动化研究所推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器网络技术，该技术提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制，能够针对应用条件和环境的动态变化，保持网络性能的高可靠性和强稳定性。

WIA工业无线网络组建过程，即所有节点加入网络，具备数据传输能力和路由中转能力的过程。单个节点入网的主要流程为：节点加电，软件系统启动；完成初始化后，无线节点的射频模块连续接收一个超帧的广播报文，超帧是一定数量时间单位（即时隙）的集合，例如256超帧，就是256个时隙的集合，每个超帧都是256个时隙的循环。广播报文是无线设备发送的包含发送方地址和网络时间信息的报文，节点收到广播报文后，提取出其中包含的地址，即添加为候选邻居；由于所有在网设备都需要统一时间才能工作，需要在候选邻居中，选定同步点，进行时间同步：即连续定向收取同步节点发送的广播报文，提取其中的时间信息，计算节点本地时间与网络时间对应关系，得到网络时间；这样入网节点的时间同步时间较长；进行邻居发现：发送邻居发现报文给各个邻居节点，如果收到邻居节点的响应报文，即可确认双向邻居；这样网络加入时隙空闲的时候还要进行多个超帧的等待，浪费网络的加入资源，延长网络的组建时间；从邻居表中选出排列在最前面的双向邻居节点为代理节点，向其发送加入请求报文，代理节点会转发该请求报文到网关，网关收到节点的加入请求报文会为其分配网络资源并以无线报文的形式下发到节点；现有的网络资源分配存在分配时间长，网络实时性低的问题；所有资源分配报文都发送完毕，即可加入完成；这里的一个资源报文只包括一个类型的报文，报文数量多，交互过程长；节点入网过程如图1所示。以上过程中，存在交互过程冗余，交互报文数量较多，并存在非必要的随机等待时间等问题，导致整个加入过程时间较长。有待优化。

发明内容

为了提高WIA工业无线网络的网络组建速度，缩短网络恢复的时间，合理分配网络资源，并提高数据传输的实时性，本发明提出一种工业无线网络的组网优化方法，从单点及全网资源的角度考虑，对单点入网流程进行优化，对网络资源分配进行优化，提高单点的入网速度及全网的组建速度，并增强网络的运行稳定性和实时性。

为了实现上述目的，本发明技术方案包括以下内容：

一种工业无线网络的组网优化方法，在组网过程中包括以下步骤：在超帧中部增加一个网关广播时隙，使单位时间内网关发送广播报文的数量增加；待入网节点接收该广播报文并提取出其中的地址，即添加为候选邻居；待入网节点选定同步点，进行时间同步；待入网节点在发送邻居发现报文时，采用冲突检测进行邻居发现，找出双向邻居节点；待入网节点从邻居表中选出排列在最前面的双向邻居节点为代理节点，向其发送加入请求报文，代理节点转发该请求报文到网关；网关收到加入请求报文后为待入网节点分配网络资源，并以无线报文的形式下发到节点；所有资源分配报文都发送完毕，组网过程结束。

所述待入网节点选定同步点，进行时间同步包括以下步骤：

待入网节点接收广播报文1，保存本地收取时间x1和报文中的网络时间y1；

接收收广播报文2，保存本地收取时间x2和报文中的网络时间y2；

本地时间x与网络时间y之间的关系为y=ax+b，带入已保存的两组时间，求解出参数a和b；

根据计算得到的a和b，利用公式换算本地时间为网络时间，完成时间同步。

所述待入网节点在发送邻居发现报文时，采用冲突检测进行邻居发现包括以下步骤：

待入网节点根据自身的射频模块地址计算crc，得出时隙内退避时间；

待入网节点在时隙内退避时间时刻发送邻居发现报文给候选邻居；判断报文发送是否成功；

如果是，收取候选邻居的响应报文；如果为否，则等待该候选邻居的下一个可发送的时隙，并返回待入网节点时隙内退避时间时刻发送邻居发现报文给候选邻居步骤；

待入网节点收取候选邻居的响应报文；判断是否收到响应；

如果是，确认双向邻居；如果为否，则等待下一个候选邻居的可发送时隙,并返回待入网节点时隙内退避时间时刻发送邻居发现报文给候选邻居步骤。

所述网络资源的分配方法为：

4-1）网关的下行管理中：代理节点对加入节点的加入发时隙滞后网关对代理节点的下行管理时隙若干时隙；

网关的上行管理中：代理节点对网关的上行管理时隙相对于加入节点对代理节点的加入收时隙滞后若干时隙。

4-2）数据时隙分布：中转节点对网关的第2跳数据时隙相对于终端节点对中转节点的第1跳数据时隙滞后若干时隙。

所述若干时隙为至少3个时隙。

所述资源分配报文为不同类型的报文首尾连接合并成的一个报文。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提出的对WIA工业无线网络的组网优化方法，是在深入分析网络组建过程的各个技术环节的前提下提出的，相对于原有组网过程，大幅度的缩短了组网时间，提高了加入时隙资源的使用效率，使网络资源分配更加合理，

2.对节点上电后同步过程的优化，在多数节点选择网关作为同步源的情况下，可以缩短节点的同步时间，由原来需要1至2个超帧长度，缩短至0.5至1个超帧长度，进而减少节点整体入网时间；

3.对同步完成后退避机制的优化，可以充分利用网络的加入资源，减少没有必要的等待时间。在单点入网的情况下，等待时间可由原来的0至6个超帧的随机退避，减少至无需等待；

4.对网关资源分配合理性的优化，可以减少数据报文传输的延时，提高网络实时性；可以使加入节点、代理节点、网关在1个超帧内完成一次加入过程报文的交互，优化前需要1至3个超帧的时间；

5.对网关发送分配资源报文的整合优化，可以减少资源分配过程的报文交互次数，由原来的平均4次交互减少至平均2次交互即可完成节点的入网。

附图说明

图1为本发明的无线节点入网流程图；

图2为节点时间同步方法流程图；

图3为优化后的邻居发现退避时间优化方法流程图；

图4为优化后的加入和管理时隙分布示意图；

图5为优化后的数据时隙分布示意图；

图6为优化前后的资源报文格式示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明中涉及到的概念如下：

1)时间同步：由于WIA工业无线网络使用的是时分复用通信模式，全网所有设备都要按照同一个网络时间进行时隙操作。整个网络的时间为网关的广播报文中携带的绝对时间。节点通过连续收到的来自同步时间源的若干个广播报文，解析出其中绝对网络时间，并使用FTSP同步算法完成时间同步。

2)CCA冲突检测：射频模块发送无线报文时，首先检测是否存在其他节点正在发送报文，如果已经有节点处于发送报文的过程中，CCA检测会反馈冲突。根据冲突的情况，使用退避机制进行发送等待。

3)时隙：WIA网络中的基本时间资源，单信道情况下，每个时隙内只完成一个设备的广播发送任务，或者一对设备之间的报文收发任务。

4)超帧：是一组循环出现的时隙集合，时隙的数目决定了超帧循环的速度。

5)Link：是描述网络中某一条路径上相邻两个设备之间的通信必要参数的数据结构，包括发送方地址，接收方地址，收发使用的时隙和信道，所属路径的路径号。

本发明提供如下技术方案：

A．同步时间优化：增加单位时间内网关发送广播报文的数量，缩短入网节点的时间同步时间；提高网络组建时节点的入网速度。

B.退避时间优化：增加冲突检测机制，缩短邻居发现的等待时间，提高网络加入资源的利用率；

C.时隙资源分配的合理性优化：增加资源分配报文的长度，同时整合不同类型的资源放在同一个报文发送。提高各种时隙资源的分配合理性，更好的保证数据传输的实时性，缩短节点作为代理节点时对其代理的加入相关报文的传输时间；

D.资源分配报文的优化：整合网关为节点分配的各种资源；

本发明面向WIA工业无线网络，对网络组建的各个过程进行分析及优化，提高组网速度及网络资源分配的合理性。本发明所述工业无线网络系统的硬件由无线网关、无线节点等设备构成。

本优化方法主要针对的关键过程为：

节点时间同步过程：待加入节点连续监听时间源的广播信息。当收到广播信息后，获取广播中的时间戳和时间偏差，保存到表格中。当表格中的时间戳达到2个以上，就可以进行时间同步的计算，拟合出当前节点本地时间和网络时间的偏差，得出本地时间到网络时间的线性换算，达到时间同步的目的。当本地时间同网络时间达到同步之后，还要进行时隙同步，通过计算网络中的时隙起始时间，同时根据网络全局时间，计算当前所在时隙的时隙编号以及当前时隙的起始时间，并周期性的开始时隙定时。时间同步过程如图2所示。

节点随机退避过程：节点完成同步后，到发送邻居发现报文前，为了避免多个节点同时使用同一个加入时隙资源，造成冲突，在这两个关键过程之间增加的随机时间长度的等待过程。对节点长地址计算CRC，根据CRC数值确定时隙内随机退避的时间，降低多个节点同时发报文引起冲突的可能性。

网关资源分配过程：在节点完成时间同步和邻居发现后，就会通过选定的代理节点的加入时隙资源，给网关发送加入请求，网关会为其分配空闲的网络资源，包括用于传递网络维护管理报文的上下行管理时隙，用于传输数据报文的数据时隙，用于发送广播报文的广播时隙，用于转发其他节点加入交互报文的加入收发时隙。节点获得各种网络资源后，才能正常在网络中进行无线通信。用于发送数据的时隙尽量保证均匀分布于整个超帧；用于资源传递、网络维护的管理时隙和负责其他节点入网的加入时隙的相对位置要有利于报文的最快传递。下行管理和上行管理相对分布于超帧的两端，加入发和加入收相对分布于管理时隙内侧靠近超帧中部的位置。

网关向节点写资源的过程：网关为待加入节点分配好可用的网络资源后，要按照一定的格式将这些资源放入写资源报文中，然后经由代理节点，发送到待加入节点，待入网节点收到网关写资源报文需要给网关端到端应答，以确认收到了该报文，网关继续发送下一条写资源报文，直至全部资源都成功下发到请求入网的节点。

以下为优化方法的实现方式和工作模式：

在分析了节点入网的几个关键流程后，根据各流程的技术特点进行相应的优化。时间同步过程的关键步骤就是收取来自同步源的广播，达到一定数量后，即可使用时间同步算法完成同步，那么增加单位时间内节点能收到的广播报文数量，可以缩短同步时间。由于网关的时间是整个网络时间的基准，所以只要节点能听到网关的广播，都会选择网关作为时间源，所以网关作为同步源的情况最多。因此在网络组建期间，在超帧中部增加一个网关广播时隙，可以缩短以网关为同步源的节点的同步时间，从而加快节点入网速度。

退避过程的关键考虑因素是既能减少多个节点同时给某一个节点发送邻居发现报文的情况，又能保证网络加入资源不会空闲。因此采用冲突检测机制进行邻居发现报文的发送，保证有加入时隙资源空闲的情况下，节点不会等待，而是立即占用该资源进行加入流程，其他节点检测到该加入资源已经被使用，则进行退避等待。直到该资源释放，等待该资源的其中一个节点会继续使用此资源，保证组网过程中加入资源始终被使用。

资源分配过程的关键因素是资源分配是否合理，是否有利于数据报文的实时传输；是否有利于为其他节点做代理的时候，能最快速的传递交互报文。数据报文能否实时传输，取决于节点报文产生后能否最快的传输给网关，这就需要某一节点的某条路径的多个数据时隙均匀的分布在整个超帧，数据报文能及时的传递出去，而不会造成报文的堆积。且同一条路径相邻节点的时隙间隔3个时隙以上，保证节点收到上一节点的数据后，本节点有足够的时间处理完，又能在最短的时间内转发到下一个节点。加入时隙的分配合理性，取决于该节点代理其他节点加入过程报文时，是否能以最短的时间进行传递。代理节点与待入网节点之间使用自身加入时隙进行通信，代理节点与网关之间使用自身的管理时隙进行通信，因此上下行管理时隙和加入收发时隙的相对位置是否合理，会影响加入过程报文的传递时间。

写资源过程的关键因素是能否通过对资源的整合，以最少的报文数量，最少的交互次数，传递所有分配到节点的资源。网关给待入网节点写资源的过程，都有端到端应答报文，减少一个报文，就能减少一对报文的交互时间。可以对分配的各种资源进行合理的组合，整合不同类型的资源，放入同一个报文中发送，减少交互次数，缩短加入时间。

本发明的具体实施步骤：

1、节点同步过程优化方法：

可以在网络运行初始的前30分钟，给网关增加分配一个广播时隙，该时隙位于整个超帧的中间，这样可以均匀增加单位时间内网关发布的广播报文数量。以网关为时间源的待加入节点，可以在单位时间内收到更多的包含网络时间信息的广播报文，缩短同步时间，由于该方法需要多占用一个时隙资源，可以在网络稳定后回收该时隙资源。

2、节点退避机制优化方法：

节点在完成时间同步后，使用冲突检测模式进行邻居发现过程，即发送邻居发现报文时，启用射频冲突检测（即CCA冲突检测），这样就可以避免在网络加入时隙空闲的时候还要进行多个超帧的退避等待，浪费网络的加入资源，延长整个网络的组建时间。但是仅仅启用冲突检测，在多个节点同时发送带有冲突检测的邻居发现报文时，各节点仍然无法检测到其他节点发送的邻居发现报文，这样仍然会引起冲突，导致多个节点都无法成功发送邻居发现报文。解决方法是在时隙内部增加毫秒级的随机退避，保证多个节点发送的邻居发现报文有微小的时间差，以便后发送的节点能够检测到已经有节点使用了该加入资源进行报文发送，从而进行退避。

通过这样的优化，网络中的加入时隙资源将被最大限度的利用，从而大幅度的缩短无线网络的组网时间；优化后的邻居发现退避机制如图3所示。

3、时隙资源分配优化方法：

现有的时隙分配机制，会导致一跳代理节点的加入时隙和管理时隙的分布，对于加入过程的交互报文的传输时延有影响：例如256超帧情况下，某代理节点的5号时隙为加入发，6号时隙为下行管理，7号时隙为上行管理，133号时隙为加入收，这样的时隙分布对于一个网关下发的资源分配报文的传输和应答，需要涉及3个超帧才能完成：即第一个超帧的6号时隙，网关发写资源报文到代理节点，第二个超帧的5号时隙，代理节点发写资源报文到待加入节点，第二个超帧的133号时隙，待加入节点发应答报文到代理节点，第三个超帧的7号时隙，代理节点发应答报文到网关，完成一次交互。

可以优化时隙分配使之在一个超帧内完成；缩短资源分配的时间，加快节点入网过程；管理和加入时隙的分配原则为：管理下和管理上相对分布在超帧的两端附近，加入发和加入收相对分布在管理时隙的内侧靠近超帧中部的位置。优化后的管理加入时隙分布如图4所示。

数据时隙的分配原则为：根据节点数据率，起始分配时隙均匀分布于超帧，而不是以上一次成功分配的最后一跳的时隙为下一次的分配起始位置。优化后的数据时隙分布如图5所示。

4、资源报文整合优化方法：

在网关为节点分配了网络资源后，要以资源报文的形式发送到待入网节点，原有的资源分配报文分别为：写短地址、广播和加入时隙的报文、写时隙报文、写路径号报文。其中，写时隙报文又分为：管理时隙报文、数据时隙报文。因此原来的加入过程，最少需要4次网关到节点的报文交互，也就是需要至少4个超帧的时间才能完成网关分配好的资源发送到待入网节点。

对于这一过程可以进行如下优化：在写时隙资源的过程中，对不同类型的资源进行整合，在同一个报文中发送，这样修改可以减少写资源报文的个数，减少交互过程。合并的方案为：第一个报文写短地址、广播和加入时隙的报文不变；第二个报文将写时隙报文和写路径号报文合并，即将管理上、下行时隙、数据时隙以及路径号等资源，全都合并到一个写资源报文。经过不同类型资源的整合，最少使用2个资源报文就可以完成网关对节点的写资源操作。合并前后的写时隙报文格式如图6所示。

Claims (6)

1.一种工业无线网络的组网优化方法，其特征在于，在组网过程中包括以下步骤：在超帧中部增加一个网关广播时隙，使单位时间内网关发送广播报文的数量增加；待入网节点接收该广播报文并提取出其中的地址，即添加为候选邻居；待入网节点选定同步点，进行时间同步；待入网节点在发送邻居发现报文时，采用冲突检测进行邻居发现，找出双向邻居节点；待入网节点从邻居表中选出排列在最前面的双向邻居节点为代理节点，向其发送加入请求报文，代理节点转发该请求报文到网关；网关收到加入请求报文后为待入网节点分配网络资源，并以无线报文的形式下发到节点；所有资源分配报文都发送完毕，组网过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种工业无线网络的组网优化方法，其特征在于：所述待入网节点选定同步点，进行时间同步包括以下步骤：

待入网节点接收广播报文1，保存本地收取时间x1和报文中的网络时间y1；

接收收广播报文2，保存本地收取时间x2和报文中的网络时间y2；

本地时间x与网络时间y之间的关系为y＝ax+b，代入已保存的两组时间，求解出参数a和b；

根据计算得到的a和b，利用公式换算本地时间为网络时间，完成时间同步。

3.根据权利要求1所述的一种工业无线网络的组网优化方法，其特征在于：所述待入网节点在发送邻居发现报文时，采用冲突检测进行邻居发现包括以下步骤：

待入网节点根据自身的射频模块地址计算crc，得出时隙内退避时间；

待入网节点在时隙内退避时间时刻发送邻居发现报文给候选邻居；判断报文发送是否成功；

如果是，收取候选邻居的响应报文；如果为否，则等待该候选邻居的下一个可发送的时隙，并返回待入网节点时隙内退避时间时刻发送邻居发现报文给候选邻居步骤；

待入网节点收取候选邻居的响应报文；判断是否收到响应；

如果是，确认双向邻居；如果为否，则等待下一个候选邻居的可发送时隙,并返回待入网节点时隙内退避时间时刻发送邻居发现报文给候选邻居步骤。

4.根据权利要求1所述的一种工业无线网络的组网优化方法，其特征在于：所述网络资源的分配方法为：

4-1)网关的下行管理中：代理节点对加入节点的加入发时隙滞后网关对代理节点的下行管理时隙若干时隙；

网关的上行管理中：代理节点对网关的上行管理时隙相对于加入节点对代理节点的加入收时隙滞后若干时隙；

4-2)数据时隙分布：中转节点对网关的第2跳数据时隙相对于终端节点对中转节点的第1跳数据时隙滞后若干时隙。

5.根据权利要求4所述的一种工业无线网络的组网优化方法，其特征在于：所述若干时隙为至少3个时隙。

6.根据权利要求1所述的一种工业无线网络的组网优化方法，其特征在于：所述资源分配报文为不同类型的报文首尾连接合并成的一个报文。