CN105592469B - 无线网络内多网关协同覆盖的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无线网络内多网关协同覆盖的方法，该无线网络内中存在多个网关，每个网关使用特定的无线通信信道，所有网关使用一个特定公共频段作为公告通道，发出通道公告消息帧，并将侦听到的公告消息帧汇报给服务器；服务器协调各网关的公告发送时间，避免通道公告消息帧发送冲突，并设置各网关的数据通道所用频段，防止数据通信冲突。网络内的终端节点可根据附近网关在公告通道上发布的通道公告消息帧，快速了解附近网关的数据通道频段信息和信号强度等信息，从而实现低功耗的快速接入。本发明能够覆盖更广的区域，提高网关和节点接入无线网络速度。

Description

无线网络内多网关协同覆盖的方法
技术领域
本发明涉及无线网络中多网关覆盖和接入机制。更具体地说，本发明涉及一种提高无线网络覆盖率，提高网关和节点接入无线网络速度的方法。
背景技术
随着技术的不断进步，物联网展现出很好的发展前景，其可能像互联网一样是一个颠覆性的领域，整个社会也将兴起一个物联网发展的大热潮，而在物联网技术中，低功耗无线传感器网络具有十分广泛的应用场景，其组网技术在整个物联网相关技术中占有非常重要的地位。
目前，无线传感器网络的组建技术还不够完善，同时具备有许多的发展方向。例如，通过提升网关的带载能力以扩大单个网关的覆盖范围；许多无线通信技术的发展也是针对通信设备的通信距离进行研发，以实现更低的功耗达到更远的通信距离；另外也有许多针对于无线传感器网络的研究，现在国内国外对于无线传感器网络协议的战争已经是相当的激烈。
但是目前很少有针对于扩展网关数量来提高无线传感器网络覆盖范围的技术，采用多网关协同覆盖能够更简易的构建起城市级无线传感器网络，突破无线通信技术的各种瓶颈，真正的构建城市级的无线传感器网络。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种覆盖更广区域的无线网络中网关覆盖的方法，同时实现节点快速接入无线网络的方法。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种无线网络内多网关协同覆盖的方法，该无线网络中包括服务器、与所述服务器数据连接的网关以及与网关数据连接的节点，所述网关不具有确定空间位置的功能，任意一个节点只与一个所述网关进行数据连接：
所有所述网关同节点进行数据连接时的频段均不相同，且使用同一个公共频段作为公告通道周期性地向服务器、周围的网关以及节点发送公告消息，所有所述网关发送公告消息的周期一致且是固定值Tbinfo，所述公告消息包括该网关的唯一地址以及该网关同节点进行数据连接时的频段；
所述服务器将Tbinfo分为若干个时间相等的时间槽，并向无线网络中的任意一个网关分配不冲突的时间槽，网关只在分配的时间槽内向所述服务器发送公告消息，所述时间槽的时间大于所述网关发送的公告消息在空中的传输时间的上限；
试图接入该无线网络中的网关NG在公共频段上监听一个Tbinfo周期，将侦听到的所有网关作为自己的邻居集合ListNG汇报给服务器，服务器将ListNG中的每一个网关的邻居集合取并集，得到所述网关NG的潜在冲突集合ListAllNG，服务器从没有被所述潜在冲突集合ListAllNG中的网关占用的时间槽中随机选取一个分配给所述网关NG，同时分配给所述网关NG同节点进行数据连接的频段。
优选地，当所述网关NG发布的公告消息，被附近的已接入无线网络中的网关WG收到，同时所述网关NG没有听到所述网关WG的公告消息时，所述服务器将所述网关WG添加到所述网关NG的邻居集合中，得到新的邻居集合new ListNG，将new ListNG里的每个网关的邻居集合取出做并集，得到新的潜在冲突集合new ListAllNG，同时，将所述网关NG添加到所述网关WG的邻居集合中，得到新的邻居集合new ListWG，若所述网关NG的时间槽与其所述潜在冲突集合ListAllNG中的网关占用的时间槽槽冲突，则所述服务器调整所述网关NG的时间槽至不产生冲突的时间槽。
优选地，所述网关通过4G、WiFi或以太网与所述服务器进行数据连接。
优选地，所述网关周期性地通过NTP协议同所述服务器同步时间。
优选地，所述节点在收到公告消息时获得公告消息的信号强度，并根据信号强度首先选择信号强度最好的网关作为自己的接入网关进行数据连接，若与信号强度最好的网关接入失败，则选择次好的网关进行数据连接，以此类推。
本发明至少包括以下有益效果：
1、网络架构采取蜂窝覆盖的思路，每个网关都使用不同的频率作为数据通道，共同覆盖一片区域，多个网关扩展覆盖更大面积的区域。
2、各个网关能够不冲突的协同发布公告消息。
3、网络内的终端节点可根据附近网关在公告通道上发布的通道公告消息帧，快速了解附近网关的数据通道频段信息和信号强度等信息，从而实现低功耗的快速接入。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
一种无线网络内多网关协同覆盖的方法，该无线网络中包括服务器、与所述服务器数据连接的网关以及与网关数据连接的节点，所述网关不具有确定空间位置的功能，任意一个节点只与一个所述网关进行数据连接，：
所有所述网关同节点进行数据连接时的频段均不相同，且使用同一个公共频段作为公告通道周期性地向服务器、周围的网关以及节点发送公告消息，所有所述网关发送公告消息的周期一致且是固定值Tbinfo，所述公告消息包括该网关的唯一地址以及该网关同节点进行数据连接时的频段；
所述服务器将Tbinfo分为若干个时间相等的时间槽，并向无线网络中的任意一个网关分配不冲突的时间槽，网关只在分配的时间槽内向所述服务器发送公告消息，所述时间槽的时间大于所述网关发送的公告消息在空中的传输时间的上限；
试图接入该无线网络中的网关NG在公共频段上监听一个Tbinfo周期，将侦听到的所有网关作为自己的邻居集合ListNG汇报给服务器，服务器将ListNG中的每一个网关的邻居集合取并集，得到所述网关NG的潜在冲突集合ListAllNG，服务器从没有被所述潜在冲突集合ListAllNG中的网关占用的时间槽中随机选取一个分配给所述网关NG，同时分配给所述网关NG同节点进行数据连接的频段。
当所述网关NG发布的公告消息，被附近的已接入无线网络中的网关WG收到，同时所述网关NG没有听到所述网关WG的公告消息时，所述服务器将所述网关WG添加到所述网关NG的邻居集合中，得到新的邻居集合new ListNG，将new ListNG里的每个网关的邻居集合取出做并集，得到新的潜在冲突集合new ListAllNG，同时，将所述网关NG添加到所述网关WG的邻居集合中，得到新的邻居集合new ListWG，若所述网关NG的时间槽与其所述潜在冲突集合ListAllNG中的网关占用的时间槽槽冲突，则所述服务器调整所述网关NG的时间槽至不产生冲突的时间槽。
所述网关通过4G、WiFi或以太网与所述服务器进行数据连接。
所述网关周期性地通过NTP协议同所述服务器同步时间。
所述节点在收到公告消息时获得公告消息的信号强度，并根据信号强度首先选择信号强度最好的网关作为自己的接入网关进行数据连接，若与信号强度最好的网关接入失败，则选择次好的网关进行数据连接，以此类推。
本发明中，整个系统中存在多个网关，每个网关可以使用特定的无线通信信道作为数据通道覆盖一片区域，而不同网关使用的数据通道使用不同的频率段，形成一个个彼此不冲突的蜂窝状区域，从而覆盖更广的区域。为了降低成本和功耗，上述网关没有GPS模块，无法直接通过GPS确定空间位置，但可以通过4G上网卡/Wi-Fi/以太网等接入方式和远程服务器通信。网关内部运行的NTP客户端可以通过NTP协议周期性的与上述远程服务器里的NTP服务器同步时间，同步时间的误差在±50ms以内。除了每个网关特定的数据通道以外，同一区域/相邻区域的多个网关可以使用一个预先设定的特定公共频段作为公告通道，发出通道公告消息帧，并将侦听到的公告消息帧汇报给远程服务器；远程服务器可根据各个网关汇报的通道公告消息帧推断出各个网关的邻居网关信息，从而协调各网关的周期性通道公告发送时间，避免通道公告消息帧发送冲突，并设置各网关的数据通道所用频段，防止数据通信冲突。网络内的终端节点可根据附近网关在公告通道上发布的通道公告消息帧，快速了解附近网关的数据通道频段信息和信号强度等信息，从而实现低功耗的快速接入。
为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例进行详细叙述。
实施例1
1)所用无线通信的消息帧空中传输时间上限是200ms，加上200ms的误差保护时间间隔(根据±50ms的同步误差时间确定)，因此，每个时间槽时间为400ms。优选地，Tbinfo可选择8秒：如果太长，网络内终端节点接入网络前的侦听时间较长，无法做到快速接入；如果太短，则时间槽数量不够，为不同网关分配时间槽时容易引发冲突。因此，Tbinfo＝8000ms，一个周期内的时间槽数量为Nslot＝8000/400＝20，也就是说将8000ms分成20个400ms的时间槽。
2)刚加入的网关NG侦听公告通道，假设在一个周期内收到了2个通道公告消息帧，其分别来自网关G1和G2，则NG将ListNG＝{G1,G2}发送给远程服务器。G1和G2都是已经加入了整个系统的网关，已经由上述远程服务器分配了不冲突的时间槽。NG侦听到的正是G1和G2在指定时间槽发布通道公告消息帧。
3)上述远程服务器将ListNG做为NG当前的邻居网关列表，存储在数据库中。与此同时，从数据库里检查G1和G2的邻居网关列表，如G1的邻居有G2、G3和G4，G2的邻居有G1、G5，则求取并集得到ListAllNG＝{G1,G2,G3,G4,G5}。ListAllNG代表NG周围一定范围内的邻居网关。
4)上述远程服务器根据ListAllNG里的网关下一次发送通道公告消息帧的时间，检查一个周期内的20个时间槽里，哪些被G1、G2、G3、G4、G5占据了，并从空白的时间槽里，随机选择一个分配给NG。
5)NG被分配时间槽后，开始在指定的时间槽里，按照Tbinfo的周期发布通道公告消息帧。
6)假设NG发布的通道公告消息帧，被附近的网关G3收到。需要指出，NG没有听到先前已入网的G3的通道公告消息帧，而G3听到了之后才入网的NG的通道公告消息帧，这种情况是无线网络中由于链路不对称引起的，而且是一种常见现象。G3告知上述远程服务器其收到了来自NG的通道公告消息帧。上述远程服务器检查NG的邻居列表，发现G3原本并没有在NG的邻居列表中，即，NG之前并未听到G3的通道公告消息帧，于是，将G3添加到NG的邻居网关列表ListNG中(之前是ListNG＝{G1,G2}，更新后变为ListNG＝{G1,G2,G3})。同时，需将NG添加到G3的邻居网关列表中(假设G3的邻居网关列表原来为ListG3＝{G6}，则更新后变为ListG3＝{G6,NG})。
7)上述远程服务器再按照第3)步，将ListNG里的每个网关的邻居集合取出做并集，得到新的潜在冲突集合ListAllNG＝{G1,G2,G3,G4,G5,G6}。服务器发现ListAllNG中网关G6的时间槽与NG的时间槽有冲突，则按照第4)、第5)步的方法，调整NG的时间槽分配，使之与G1、G2、G3、G4、G5、G6均不冲突。
类似的，远程服务器对ListAllG3按照第7)步所描述的过程进行处理，避免时间槽分配冲突。
节点侦听到各个网关发出的上述通道公告消息帧后，根据公告消息的信号强度，选择信号最强的网关作为自己的接入网关，发起接入过程。如果接入失败再选择信号次强的网关，重新发起接入过程，以此类推。例如，节点A附近有三个网关G1、G2、G3，它们都会在一个公共频段上，使用上述通道公告消息帧，向周围节点和网关广播其支持的通道信息。节点A通过在上述公共频段上侦听通道公告消息帧，得到G1、G2、G3的信号强度为G2>G1>G3，那么就尝试向G2发起接入过程。如果接入失败，则再向G1发起接入过程，以此类推。当A成功接入某个网关后，则可以开始在该网关所使用的数据通道上进行数据通信。
本发明的有益效果
1、网络架构采取蜂窝覆盖的思路，每个网关都使用不同的频率作为数据通道，共同覆盖一片区域，多个网关扩展覆盖更大面积的区域。
2、本网关不需要自身的定位设备，降低了功耗和成本。
3、各个网关能够不冲突的协同发布公告消息，能够根据需求非常简易的在整个网络中增加或者减少网关设备。
4、网络内的终端节点可根据附近网关在公告通道上发布的通道公告消息帧，快速了解附近网关的数据通道频段信息和信号强度等信息，从而实现低功耗的快速接入。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (5)

1.一种无线网络内多网关协同覆盖的方法，该无线网络中包括服务器、与所述服务器数据连接的网关以及与网关数据连接的节点，所述网关不具有确定空间位置的功能，任意一个节点只与一个所述网关进行数据连接，其特征在于：
所有所述网关同节点进行数据连接时的频段均不相同，且使用同一个公共频段作为公告通道周期性地向周围的网关以及未接入网络的节点发送公告消息，所有所述网关发送公告消息的周期一致且是固定值Tbinfo，所述公告消息包括该网关的唯一地址以及该网关同节点进行数据连接时的频段；
所述服务器将Tbinfo分为若干个时间相等的时间槽，并向无线网络中的任意一个网关分配不冲突的时间槽，网关只在分配的时间槽内周期性地向其它网关发送公告消息，所述时间槽的时间大于所述网关发送的公告消息在空中的传输时间的上限；
试图接入该无线网络中的网关NG在公共频段上监听一个Tbinfo周期，将侦听到的所有网关作为自己的邻居集合ListNG汇报给服务器，服务器将ListNG中的每一个网关的邻居集合取并集，得到所述网关NG的潜在冲突集合ListAllNG，服务器从没有被所述潜在冲突集合ListAllNG中的网关占用的时间槽中随机选取一个分配给所述网关NG，同时分配给所述网关NG同节点进行数据连接的频段。
2.如权利要求1所述的无线网络内多网关协同覆盖的方法，其特征在于，当所述网关NG发布的公告消息，被附近的已接入无线网络中的网关WG收到，同时所述网关NG没有听到所述网关WG的公告消息时，所述服务器将所述网关WG添加到所述网关NG的邻居集合中，得到新的邻居集合new ListNG，将所述new ListNG里的每个网关的邻居集合取出做并集，得到新的潜在冲突集合new ListAllNG，同时，将所述网关NG添加到所述网关WG的邻居集合中，得到新的邻居集合new ListWG，若所述网关NG的时间槽与其所述潜在冲突集合ListAllNG中的网关占用的时间槽冲突，则所述服务器调整所述网关NG的时间槽至不产生冲突的时间槽。
3.如权利要求1所述的无线网络内多网关协同覆盖的方法，其特征在于，所述网关通过4G、WiFi或以太网与所述服务器进行数据连接。
4.如权利要求1所述的无线网络内多网关协同覆盖的方法，其特征在于，所述网关周期性地通过NTP协议同所述服务器同步时间。
5.如权利要求1所述的无线网络内多网关协同覆盖的方法，其特征在于，所述节点在收到公告消息时获得公告消息的信号强度，并根据信号强度首先选择信号强度最好的网关作为自己的接入网关进行数据连接，若与信号强度最好的网关接入失败，则选择次好的网关进行数据连接。
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Address after: 430000 Guanggu Exhibition Center, No. 1 East Road, Software Park, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, Extension Project D Block, 1st Floor V113 Room

Patentee after: Wuhan Tongfu LianWu Technology Co.,Ltd.

Address before: 430000 Guanggu Exhibition Center, No. 1 East Road, Software Park, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, Extension Project D Block, 1st Floor V113 Room

Patentee before: WUHAN ZHONGDIAN IOT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right
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Denomination of invention: Method of cooperative coverage of multiple gateways in wireless network

Effective date of registration: 20220331

Granted publication date: 20180921

Pledgee: Wuhan area branch of Hubei pilot free trade zone of Bank of China Ltd.

Pledgor: Wuhan Tongfu LianWu Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2022420000093