CN106131923A - 一种混合接入模式多跳网络的组网方法及无线通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合接入模式多跳网络的组网方法，网络中包括网关节点、中继节点和终端节点三种逻辑节点；所述终端节点和所述网关节点通过建立直接连接或者间接连接进行通信，且通过直接连接接入网关节点的接入方式与通过间接连接接入网关节点的接入方式不同；此外，网络中的中继节点接入网关节点、中继节点接入上一级中继节点、终端节点接入中继节点或终端节点直接接入网关均可采用不同的接入方式。本发明允许一个多跳网络的每一跳根据需要采用不同的接入方式，而不是像的传统的网状网一样采用传统的单一接入或连接方式，实现了基于多跳网络的广域网络覆盖和大量连接的接入，避免了不必要的频谱资源和电池能耗开销。

Description

一种混合接入模式多跳网络的组网方法及无线通信设备
技术领域
本发明涉及一种混合接入模式的多跳蜂窝物联网的组网方法，特别涉及一种由网关节点、中继节点和终端节点三种逻辑节点形成的，含有多跳网络的物联网蜂窝的组网方法。
背景技术
网状网(Mesh Networks)是最常见的物联网，或者称为多跳自组网络。网状网中每一个节点都可以作为报文转发节点，每一个报文转发节点称为”一跳”。网状网的覆盖范围通过节点或“跳数”的增加，理论上可以无限延伸，因为新增加的节点都可以通过相临的”一跳”节点转发数据，从而实现和网络中额任意一个节点通信。在传统的网状网或者多跳网络中，相邻节点之间，或者下游节点与上游节点之间都统一采用单一的接入方式。比如支持mesh的WiFi，Zigbee网络采用的是竞争/随机接入模式，WirelessHart采用的是TSMP/基于时隙的多路复用，LTE-Advanced采用的是OFDMA/时频多路复用。但在全网采用单一的接入方式在实际应用中很许多局限性。特别的，对于覆盖面广，承载应用多种多样的物联网络，全网统一的单一接入模式不够灵活：
一方面，如果全网采用冲突概率可控的时分或者频分多点接入模式，相邻节点之间，或者下游节点和上游节点之间，需要定期做信令交互或者交换链路维护报文。对于一个节点数量多，网络节点密度大的物联网，支撑时分或者频分多点接入模式所需的常规维护报文流量可能会超过实际的数据流量本身报文数量。对于数据发送频率低，对接入冲突容忍度高的物联网应用来说，为控制本来已经很低的冲突概率所消耗的常规维护报文或者信令开销完全没有必要。
另一方面，如果全网采用冲突概率比较高的竞争性或者随机接入模式，让多个下游节点可以在任意的时刻或者频点向上游节点发送报文，不可避免的来自不同节点的信号在上游节点的接收端会互相冲突，并且冲突概率随着网络容量的增长而恶化。在实际应用中限制了网络的容量，并且导致频繁的通信冲突使得上下游节点的信号发送，接收或等待的电量消耗迅速提升，可能会导致部分节点的电量快速耗尽，使得整个网络的变得很不稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，针对传统的多跳网络和mesh(网状网)网络在全网采用单一的接入方式在实际应用中的局限性，特别的，对于覆盖面广，承载应用多种多样的物联网络，全网统一的单一接入模式不够灵活的问题，提供一种混合接入模式的多跳蜂窝物联网的组网方法及一种支持所述树状多跳网络中中继节点的无线通信设备，允许一个多跳网络中的每一跳的上下游节点之间采取完全不同的接入模式，使得降低接入开销和接入冲突概率这两类目标可以在一个网络的不同区域，或者不同应用中实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种混合接入模式多跳网络的组网方法，网络中包括：网关节点、中继节点和终端节点三种逻辑节点；所述网关节点、其关联的一个或多个中继节点和终端节点组成一个蜂窝；网络中包含多个蜂窝。
所述终端节点和所述网关节点通过建立直接连接或者间接连接进行通信，且通过直接连接接入网关节点的接入方式与通过间接连接接入网关节点的接入方式不同；所述间接连接包括在所述终端节点和所述网关节点之间连接有一个所述中继节点，或者连接有由多个所述中继节点组成的多跳网络，所述终端节点接入中继节点和中继节点接入网关节点采用的接入方式不同；所述接入方式包括时分复用接入、频分复用接入、空分复用接入或随机接入。
优选的，所述网关节点接入一个或者多个中继节点；接入多个中继节点时不同中继节点按照时分复用的接入方式在不同时隙和网关节点通信。
优选的，所述网关节点接入一个或者多个中继节点；接入多个中继节点时不同中继节点按照频分复用的接入方式使用不同的信号频率和网关节点通信。
优选的，所述网关节点接入一个或者多个中继节点；接入多个中继节点时不同中继节点按照空分复用的接入方式和网关节点通信，所述网关节点根据各中继节点不同空间位置对应的信号传播特性来区分各中继节点的通信信号。
优选的，所述网关节点接入一个或者多个中继节点；接入多个中继节点时不同中继节点按照随机接入的方式，在同一个时隙或者频点上竞争来和网关节点通信。
优选的，所述终端节点通过若干个中继节点组成的多跳网络间接和网关节点通信，每个上级中继节点接入一个或多个下一级中继节点并负责下一级中继节点的通信转发；不同级别的中继节点采用不同的接入方式与上一级中继节点通信。
优选的，所述终端节点通过由两个中继节点组成的多跳网络间接和网关节点通信，所述终端节点接入下级中继节点、下级中继节点接入上级中继节点、上级中继节点接入网关节点采用的接入方式互不相同。
优选的，网络中各蜂窝的中继节点接入网关节点的接入方式、下级中继节点接入上级中继节点的接入方式、终端接入中继节点或者终端节点直接接入网关的接入方式不同。
一种无线通信设备，支持一种混合接入模式多跳网络的组网方法中的中继节点，包括：一个或一个以上独立的无线模块；
每个独立的无线模块均包括无线收发器、中心处理器、存储模块和电池模块；
所述中心处理器用于实现树状多跳网络的组网方法和上级中继节点的接入方式，并根据所采用的接入方式控制自身及无线收发器的唤醒或休眠时间；
所述无线收发器与所述中心处理器相互连接用于将接收到的无线信号送到所述中心处理器进行处理并将处理后的信号进行发送；
所述存储模块与所述中心处理器相互连接用于保存下一级中继节点的连接信息；
所述电池模块分别与所述无线收发器、中心处理器和存储模块连接用于为所述无线收发器、中心处理器、存储模块提供电源；
包括一个以上独立的无线模块时，所述无线模块通过各自的中心处理器相互连接。
优选的，所述的独立的无线模块按照一种接入方式与网关节点或者上级中继节点通信，并按照另外一种接入方式处理终端节点或者下级中继节点的接入。
优选的，所述无线模块运行在不同的无线通信标准或频段上。
优选的，每一个无线模块以单模单频段或单模多频段的形态独立工作。
优选的，所述无线模块之间通过有线数据接口或控制信号接口进行交互。
优选的，所述无线模块之间通过时钟信号接口或控制信号接口进行时钟同步；所述时钟同步包括时钟频率同步和时钟相位同步。
优选的，每一个无线模块可以独立休眠或唤醒，每一个无线模块还可以使用外部控制信号通过控制信号接口来唤醒其他无线通信设备。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1、提供一种混合接入模式的多跳蜂窝物联网的组网方法，允许一个多跳网络中的每一跳的上下游节点之间采取完全不同的接入模式，使得降低接入开销和接入冲突概率这两类目标可以在一个网络的不同区域，或者不同应用中实现。
2、允许一个多跳网络的每一跳根据需要采用不同的接入方式，而不是像的传统的网状网一样采用传统的单一接入或连接方式，实现了基于多跳网络的广域网络覆盖和大量连接的接入，避免了不必要的频谱资源和电池能耗开销。
3、一种无线通信设备的中心处理器用于实现树状多跳网络的组网方法和上级中继节点的接入方式，并根据所采用的接入方式控制自身及无线收发器的唤醒或休眠时间，从而降低了整个网络的电池能耗。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种混合接入模式多跳网络的组网方法及无线通信设备不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明的一种混合接入模式多跳网络的组网示意图；
图2为本发明的一种无线通信设备的结构图。
具体实施方式
参见图1，一种混合接入模式多跳网络的组网方法，网络中包括：网关节点10、中继节点20和终端节点30三种逻辑节点；
所述终端节点30和所述网关节点10通过建立直接连接或者间接连接进行通信，且通过直接连接接入网关节点10的接入方式与通过间接连接接入网关节点10的接入方式不同；所述间接连接包括在所述终端节点30和所述网关节点10之间连接有一个所述中继节点20，或者连接有由多个所述中继节20点组成的多跳网络，所述终端节点30接入中继节点20和中继节点20接入网关节点10采用的接入方式不同。具体的，所述中继节点可包括与网关节点10直接连接的一级中继节点、与一级中继节点连接的二级中继节点…,与n-1级中继节点连接的n级中继节点，所述终端节点30可以直接和所述网关节点10连接，也可以根据需要和一级中继节点或其他任一级中继节点连接。
进一步的，所述接入方式包括时分复用接入、频分复用接入、空分复用接入或随机接入，t1,t2,t3,…,tn示时分复用接入，f1,f2,…,fn表示频分复用接入,f1’,f2’,…,fn’表示空分复用接入，tw表示时间窗口tw内的随机接入。图1中，直接连接接入网关节点的终端节点30采用随机接入方式，通过中继节点间20接连接接入网关节点10的其他终端节点30采用频分复用接入方式；所述终端节点30通过间接连接接入网关节点10时，所述终端节点30接入中继节点20和中继节点20接入网关节点10采用的接入方式不同。
一实施例之中，一个网关节点10接入一个或者多个中继节点20；同一网关节点10接入多个中继节点20时，不同中继节点20按照时分复用的接入方式在不同时隙和网关节点10通信。
一实施例之中，一个网关节点10接入一个或者多个中继节点20；同一网关节点10接入多个中继节点20时，不同中继节点20按照频分复用的接入方式使用不同的信号频率和网关节点通信。
一实施例之中，一个网关节点10接入一个或者多个中继节点20；同一网关节点10接入多个中继节点20时，不同中继节点20按照空分复用的接入方式和网关节点通信，所述网关节点根据各中继节点不同空间位置对应的信号传播特性来区分各中继节点的通信信号。
一实施例之中，一个网关节点10接入一个或者多个中继节点20；同一网关节点10接入多个中继节点20时，不同中继节点20按照随机接入的方式，在同一个时隙或者频点上竞争来和网关节点通信。
进一步的，当终端节点30通过由两个中继节点20(如图1中的A1、C1)组成的多跳网络间接和网关节点10通信时，所述终端节点30接入下级中继节点C1、下级中继节点C1接入上级中继节点A1、上级中继节点A1接入网关节点GW采用的接入方式互不相同。
进一步的，当述终端节点30通过由两个以上中继节20(如图1中的A1、A2、A3)组成的多跳网络间接和网关节点10通信，每个上级中继节点接入一个或多个下一级中继节点并负责下一级中继节点的通信转发；不同级别的中继节点采用不同的接入方式与上一级中继节点通信。所述不同级别的中继节点采用不同的接入方式与上一级中继节点通信可以理解为，所有中继节点间接入其他中继节点的接入方式都不一样,图1中，中继节点A3接入中继节点A2、中继节点A2接入中继节点A1、中继节点A1接入网关节点GW采用的接入方式互不相同。当然，所述不同级别的中继节点采用不同的接入方式与上一级中继节点通信还可以理解为，不同级别的中继节点接入上一级别中继节点的接入方式与其相邻的中继节点接入上一级别的中继节点的接入方式不同，但与其不相邻的中继节点接入上一级别的中继节点的接入方式可以相同，图1中，中继节点B4接入中继节点B3采用的接入方式与中继节点B3接入中继节点B2采用的接入方式不相同,但中继节点B4接入中继节点B3采用的接入方式与中继节点B2接入中继节点A1采用的接入方式可以相同，都为时分复用的接入方式。
进一步的，一个中继节点20可以接入一个或者多个终端节点30，一个中继节点20接入多个终端节点30时，不同终端节点30按照时分复用的接入方式在不同时隙和中继节点20通信；或者，不同终端节点30按照频分复用的接入方式使用不同的信号频率和中继节点20通信；或者，根据各终端节点30不同空间位置对应的信号传播特性来区分各终端节点30的通信信号；或者，不同终端节点30按照随机接入的方式，在同一个时隙或者频点上竞争来和中继节点通信。
进一步的，所述网关节点10、其关联的一个或多个中继节点20和终端节点30组成一个蜂窝，网络中包含多个蜂窝。相邻蜂窝(网关及关联的中继节点)发送广播信号的时隙叉开，在不同的固定时隙进行，并按照一定的规律进行频率分配和复用，从而确保一个蜂窝(网关及其下的所有中继节点)进行广播的时隙和直接相邻的蜂窝下的网关或中继节点的广播时隙不重叠，但有可能和不直接相邻的蜂窝下的网关或中继节点的广播时隙重叠。具体的，把物联网的服务区分为一个个正六边形的小子区，每个小子区设一个网关节点，这样形成了形状酷似“蜂窝”的结构，因而把由一个网关节点、其关联的一个或多个中继子树和终端节点组成网络成为蜂窝，相邻小子区组成的网络称为相邻蜂窝。每一个蜂窝使用一组频道，如果两个蜂窝相隔足够远，可以使用同一组频道，从而使得有限的频率资源可以在一定的范围内被重复利用。此外，当容量不够的时候，可以减少蜂窝的范围，划分出更多的蜂窝，进一步提高频率的利用效率。
网络中各蜂窝内的中继节点接入网关节点的接入方式、下级中继节点接入上级中继节点的接入方式、终端接入中继节点或者终端节点直接接入网关的接入方式不同。具体的，可理解为，网络中蜂窝A内的中继节点接入网关节点的接入方式与网络中蜂窝B内对应的中继节点接入网关节点的接入方式不同；网络中蜂窝A内的下级中继节点接入上级中继节点的接入方式与网络中蜂窝B内对应的下级中继节点接入上级中继节点的接入方式；网络中蜂窝A内的终端接入中继节点的接入方式与网络中蜂窝B内对应的终端接入中继节点的接入方式不同，或者，网络中蜂窝A内的终端节点直接接入网关的接入方式与网络中蜂窝B内对应的终端节点直接接入网关的接入方式不同。
参见图2，一种无线通信设备，支持一种混合接入模式多跳网络的组网方法中的中继节点，包括：一个或一个以上独立的无线模块40；
每个独立的无线模块均包括无线收发器401、中心处理器402、存储模块403和电池模块404；
所述中心处理器402用于实现树状多跳网络的组网方法和上级中继节点的接入方式，并根据所采用的接入方式控制自身及无线收发器的唤醒或休眠时间；
所述无线收发器401与所述中心处理器402相互连接用于将接收到的无线信号送到所述中心处理器402进行处理并将处理后的信号进行发送；
所述存储模块403与所述中心处理器402相互连接用于保存下一级中继节点的连接信息；
所述电池模块404分别与所述无线收发器401、中心处理器402和存储模块403连接用于为所述无线收发器401、中心处理器402、存储模块403提供电源；
包括一个以上独立的无线模块40时，所述无线模块40通过各自的中心处理器402相互连接。
优选的，所述无线模块40同时承担与网关节点10、其他中继节点和终端节点30的通信，包括发送和接收数据。
优选的，所述的独立的无线模块按照一种接入方式与网关节点或者上级中继节点通信，并按照另外一种接入方式处理终端节点或者下级中继节点的接入。
优选的，所述无线模块40运行在不同的无线通信标准或频段上。
优选的，每一个无线模块40以单模单频段或单模多频段的形态独立工作。
优选的，所述无线模块40之间通过有线数据接口或控制信号接口进行交互。
优选的，所述无线模块40之间通过时钟信号接口或控制信号接口进行时钟同步；所述时钟同步包括时钟频率同步和时钟相位同步。
优选的，每一个无线模块40可以独立休眠或唤醒，每一个无线模块40还可以使用外部控制信号通过控制信号接口来唤醒其他无线通信设备。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合接入模式多跳网络的组网方法，网络中包括网关节点、中继节点和终端节点三种逻辑节点；其特征在于：所述终端节点和所述网关节点通过建立直接连接或者间接连接进行通信，且通过直接连接接入网关节点的接入方式与通过间接连接接入网关节点的接入方式不同；所述间接连接包括在所述终端节点和所述网关节点之间连接有一个所述中继节点，或者连接有由多个所述中继节点组成的多跳网络，所述终端节点接入中继节点和中继节点接入网关节点采用的接入方式不同；所述接入方式包括时分复用接入、频分复用接入、空分复用接入或随机接入。
2.根据权利要求1所述的混合接入模式多跳网络的组网方法，其特征在于：所述网关节点接入一个或者多个中继节点；接入多个中继节点时不同中继节点按照时分复用的接入方式在不同时隙和网关节点通信。
3.根据权利要求1所述的混合接入模式多跳网络的组网方法，其特征在于：所述网关节点接入一个或者多个中继节点；接入多个中继节点时不同中继节点按照频分复用的接入方式使用不同的信号频率和网关节点通信。
4.根据权利要求1所述的混合接入模式多跳网络的组网方法，其特征在于：所述网关节点接入一个或者多个中继节点；接入多个中继节点时不同中继节点按照空分复用的接入方式和网关节点通信，所述网关节点根据各中继节点不同空间位置对应的信号传播特性来区分各中继节点的通信信号。
5.根据权利要求1所述的混合接入模式多跳网络的组网方法，其特征在于：所述网关节点接入一个或者多个中继节点；接入多个中继节点时不同中继节点按照随机接入的方式，在同一个时隙或者频点上竞争来和网关节点通信。
6.根据权利要求2～5中任一项所述的混合接入模式多跳网络的组网方法，其特征在于：所述终端节点通过若干个中继节点组成的多跳网络间接和网关节点通信，每个上级中继节点接入一个或多个下一级中继节点并负责下一级中继节点的通信转发；不同级别的中继节点采用不同的接入方式与上一级中继节点通信。
7.根据权利要求6中任一项所述的混合接入模式多跳网络的组网方法，其特征在于：所述终端节点通过由两个中继节点组成的多跳网络间接和网关节点通信，所述终端节点接入下级中继节点、下级中继节点接入上级中继节点、上级中继节点接入网关节点采用的接入方式互不相同。
8.根据权利要求7所述的混合接入模式多跳网络的组网方法，其特征在于：
所述网关节点、其关联的一个或多个中继节点和终端节点组成一个蜂窝；网络中包含多个蜂窝，网络中各蜂窝内的中继节点接入网关节点的接入方式、下级中继节点接入上级中继节点的接入方式、终端接入中继节点或者终端节点直接接入网关的接入方式不同。
9.一种无线通信设备，支持一种混合接入模式多跳网络的组网方法中的中继节点，其特征在于，包括：一个或一个以上独立的无线模块；
每个独立的无线模块均包括无线收发器、中心处理器、存储模块和电池模块；
所述中心处理器用于实现树状多跳网络的组网方法和上级中继节点的接入方式，并根据所采用的接入方式控制自身及无线收发器的唤醒或休眠时间；
所述无线收发器与所述中心处理器相互连接用于将接收到的无线信号送到所述中心处理器进行处理并将处理后的信号进行发送；
所述存储模块与所述中心处理器相互连接用于保存下一级中继节点的连接信息；
所述电池模块分别与所述无线收发器、中心处理器和存储模块连接用于为所述无线收发器、中心处理器、存储模块提供电源；
包括一个以上独立的无线模块时，所述无线模块通过各自的中心处理器相互连接。
10.根据权利要求9所述的一种无线通信设备，其特征在于：所述的独立的无线模块按照一种接入方式与网关节点或者上级中继节点通信，并按照另外一种接入方式处理终端节点或者下级中继节点的接入。
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