CN107071906A - 一种6LoWPAN无线网络系统及其信道切换方法 - Google Patents

一种6LoWPAN无线网络系统及其信道切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种6LoWPAN无线网络系统及其信道切换方法，以6LoWPAN系列协议标准为依据，对其邻居发现协议进行了改进和拓展，为6LoWPAN无线网络引入了信道切换方法，在较少增加网络开销的情况下，提高网络的稳定性。所述方法包括：源节点向默认路由器发送改进的邻居请求消息NS；默认路由器向源节点单播发送一个改进的邻居通告消息NA；源节点判断改进的NA消息中的信道号与当前使用的原信道的信道号相同时，记录原信道的可用生存期；默认路由器判定需要进行信道切换时，周期性地向原信道上的源节点广播改进的路由器通告消息RA；源节点接收到改进的RA消息后，在信道切换时间到达之前切换到新信道号对应的信道。

Description

一种6LoWPAN无线网络系统及其信道切换方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，并且更具体地，涉及一种6LoWPAN无线网络系统及其信道切换方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量通过无线方式传输信息的各类传感器节点组成，将信息的采集、处理、传输以及信息的应用融合于一体的综合网络系统。物联网要求网络中的每个节点具备可通信、可寻址及可控制的三大特征，无线传感器网络的IP化是技术发展的必然趋势。IPv6技术作为下一代网络协议具有地址资源丰富、安全性高、扩展性强和移动性好等优势。
互联网工程任务组IETF(Internet Engineering Task Force)相继成立了6LoWPAN工作组、RoLL和CoRE等工作组致力于研究将IPv6技术引入IEEE 802.15.4网络，目前已经形成一系列协议规范。6LoWPAN技术在网络协议栈的链路层和IPv6网络层之间定义了一个适配层来解决两者之间不匹配的问题，主要提供了IPv6头部压缩机制和分片重组机制。6LoWPAN系列协议得到迅速发展，实现互联网与无线传感器网络的无缝对接，成为当前物联网领域的事实标准。
由于各类无线网络的广泛部署，现有6LoWPAN无线网络容易受到环境中的Wi-Fi、蓝牙以及同频IEEE 802.15.4网络的干扰，容易导致网络性能的下降甚至网络瘫痪。目前6LoWPAN系列标准以及IEEE 802.15.4规范中都没有定义信道切换的交互方法，因此在6LoWPAN无线网络中引入信道切换方法对提高网络的稳定性意义重大。
发明内容
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提出一种用于6LoWPAN无线网络的信道切换方法，包括：
源节点向默认路由器发送改进的邻居请求消息NS，其中所述改进的NS消息包括信道信息选项；
判断默认路由器是否为第一次接收到所述源节点的改进的NS消息，若是，则添加新的邻居节点信道信息缓存表；否则，根据改进的NS消息更新邻居节点信道信息缓存表；
默认路由器向源节点单播发送一个改进的邻居通告消息NA，其中所述改进的NA消息包括信道生存期选项，所述信道生存期选项包括源节点当前使用的信道号以及原信道的可用生存期；
源节点判断改进的NA消息中的信道号与当前使用的原信道的信道号是否相同，若相同，则记录原信道的可用生存期，并在原信道过期前向默认路由器发送改进的NS信息汇报信道状况；否则，向默认路由器发送改进的NS消息汇报；
默认路由器判定需要进行信道切换时，周期性地向原信道上的源节点广播改进的路由器通告消息RA，其中所述改进的RA消息包括信道切换选项，所述信道切换选项包括新信道号以及信道切换时间；
源节点接收到改进的RA消息后，在信道切换时间到达之前切换到新信道号对应的信道，并在切换完毕后向默认路由器发送改进的NS消息；
默认路由器对原信道和新信道同时进行监听，并在接到源节点在新信道发出的改进的NS消息后更新邻居节点信道信息缓存表中对应源节点的表项，当检测到所有源节点全部切换到新信道后，停止广播改进的RA消息和监听。
优选地，所述信道信息选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、保留域及信道质量，其中选项类型域值为36，长度为2。
优选地，所述信道生存期选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、保留域及信道生存期，其中选项类型域值为37，长度为2。
优选地，所述信道切换选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、下一个信道号、保留域及信道切换时间，其中选项类型域值为38，长度为2。
根据本发明的另一方面，提供一种6LoWPAN无线网络系统，包括默认路由器和多个源节点，其中：
所述默认路由器通过改进的NS和NA消息与多个源节点之间进行信道信息交互以确认源节点所在信道的信道信息，并利用改进的RA消息通告源节点进行信道切换操作；
所述源节点通过改进的NS和NA消息与默认路由器之间进行信道信息交互以汇报当前信道的信道信息，并根据改进的RA消息进行信道切换。
优选地，所述信道信息包括信道号和信道质量。
优选地，所述改进的NS消息包括信道信息选项。
优选地，所述信道信息选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、保留域及信道质量，其中选项类型域值为36，长度为2。
优选地，所述改进的NA消息包括信道生存期选项，所述信道生存期选项包括源节点当前使用的信道号以及原信道的可用生存期。
优选地，所述信道生存期选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、保留域及信道生存期，其中选项类型域值为37，长度为2。
优选地，所述改进的RA消息包括信道切换选项。
优选地，所述信道切换选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、下一个信道号、保留域及信道切换时间，其中选项类型域值为38，长度为2。
本发明对6LoWPAN邻居发现协议进行了改进和拓展，没有增加新的帧类型，只在原有的邻居发现报文中增加了新的选项。利用路由器周期性的RA路由通告消息实现信道切换功能，利用节点和路由交互的NS消息及NA消息来完成信道质量汇报功能和信道生存期通告功能。本发明在充分的利用现有协议的基础上实现了6LoWPAN无线网络的信道切换交互，在较少增加网络开销的情况下提高了网络的稳定性，具有较好的通用性和可移植性。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施例的信道切换方法的流程图；
图2为根据本发明优选实施例的信道信息选项帧结构；
图3为根据本发明优选实施例的信道生存期选项帧结构；
图4为根据本发明优选实施例的信道切换选项帧结构；
图5为根据本发明优选实施例的信道切换实施过程；以及
图6为根据本发明优选实施例的无线网络系统的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施例的信道切换方法的流程图。如图1所示，信道切换方法100从步骤101开始。在步骤101中，源节点向默认路由器发送改进的邻居请求消息NS(Neighbor Solicitation)，其中所述改进的NS消息包括信道信息选项，信道信息选项中携带源节点当前使用的信道的相关信息，如信道号、信道质量等。
在步骤102中，默认路由器接收到改进的NS消息后，首先判断是否为第一次接收到该节点的信息，若不是第一次接收，则进行步骤103，即根据改进的NS消息更新默认路由器中保存的邻居节点信道信息缓存表；若为第一接收则进行步骤104，则添加一个新的邻居节点信道信息缓存表以存储该源节点的响应信道信息。
在步骤105中，默认路由器向源节点单播发送一个改进的邻居通告消息NA(Neighbor Advertisement)，其中所述改进的NA消息包括信道生存期选项，信道生存期选项中包括源节点当前使用的信道号以及原信道的可用生存期。
在步骤106中，源节点首先根据改进的NA消息判断信道生存期选项中的信道号与自己当前所在的原信道的信道号是否相同，若相同，则进行步骤107，即记录信道生存期选项中信道号对应的可用生存期，并在原信道过期前向默认路由器发送改进的NS信息汇报该信道的状况；否则，执行步骤108，由源节点向默认路由器发送改进的NS消息以汇报改进的NA消息中信道号与当前使用的信道号不符的情况，默认路由器根据新发送的改进的NS消息单播改进的NA消息。
在步骤109中，默认路由器根据一定的判定策略判定当前信道的质量不好，需要进行信道切换时，会周期性地向原信道上的源节点广播改进的路由器通告消息RA(RouterAdvertisement)，其中改进的RA消息包括信道切换选项，信道切换选项中包括新信道号以及信道切换时间。应当了解的是，默认路由器进行信道判断的策略可以为现有的判断技术，例如信噪比的卡尔曼预测、信噪比的实时估计、基于信号自相关矩阵奇异值分解的信噪比估计等策略。同时，在默认路由器没有判定所有源节点都切换完毕时，默认路由器会一直在原信道和新信道不断地周期性地进行改进的RA消息的广播，直到所有的源节点的信道切换工作完毕为止。
在步骤110中，源节点接收到默认路由器广播的消息后，在信道切换时间前换到新信道号对应的信道上，并在切换信道后在新信道上向默认路由器发送改进的NS消息，以通知默认路由器自己已经完成信道切换。
在步骤111中，默认路由器需要同时对原信道和新信道进行监听，并在接到源节点切换信道后发出的改进的NS消息后及时更新邻居节点信道信息缓存表中对应源节点的表项，当检测到所有源节点全部切换到新信道后，停止广播改进的RA消息和监听。优选地，当默认路由器发现自己存储的所有的邻居节点信道信息缓存表均进行了更新，就可以判定所有的源节点的信道切换工作结束，停止广播和监听。
图2为根据本发明优选实施例的信道信息选项帧结构。信道信息选项主要包括源节点当前使用信道的信道号和信道质量等信息。其帧格式包括：选项类型、选项长度、当前信道号、保留域及信道质量，其中选项类型域值为36，长度为2。
图3为根据本发明优选实施例的信道生存期选项帧结构。信道生存期选项主要包括当前信道的信道号以及该信道的可用生存信息。其帧格式包括：选项类型、选项长度、当前信道号、保留域及信道生存期，其中选项类型域值为37，长度为2。
图4为根据本发明优选实施例的信道切换选项帧结构。信道切换选项主要包括新的信道号以及切换时间等。其帧格式包括：选项类型、选项长度、当前信道号、下一个信道号、保留域及信道切换时间，其中选项类型域值为38，长度为2。
图5为根据本发明优选实施例的信道切换实施过程。网络500中两个源节点和一个默认路由器节点。在网络进行信道切换之前，6LoWPAN网络已经构建完毕，网络中的源节点在默认路由器发现之后都拥有一个默认路由器节点，源节点502和源节点503的默认路由器都是路由器501。信道切换实施过程如下：
源节点502向默认路由器501发送了一个改进的NS消息，该NS消息中包含一个携带当前使用的信道号和信道质量的信道信息选项；
路由器节点501收到来自源节点502的改进的NS消息后，向源节点502回复一个改进的NA消息，该NA消息包含一个信道生存期选项，信道生存期选项指示了当前使用的信道号以及该信道的可用生存期。同时为源节点502建立信道缓存，记录源节点502的信道号及信道质量；
源节点503向默认路由器501发送了一个改进的NS消息，该NS消息中包含一个携带当前使用的信道号和信道质量的信道信息选项；
路由器节点501收到来自源节点503的改进的NS消息后，向源节点503回复一个改进的NA消息，该NA消息包含一个信道生存期选项，信道生存期选项指示了当前使用的信道号以及该信道的可用生存期。同时为源节点503建立信道缓存，记录源节点503的信道号及信道质量；
路由器节点501进行一定的信道评估策略，决定切换到一个全新的信道，随即广播发送改进的RA消息，改进的RA消息包含一个信道切换选项用于指示新的信道号以及信道切换时间，此时默认路由器501需要在新旧两个信道上同时监听消息，并在旧信道上继续周期性发送改进的RA消息；
源节点502收到默认路由器501发送的改进的RA消息，在信道切换时间内将射频信道切换到了新信道，并在新的信道上向默认路由器501发送改进的NS消息汇报自己新信道状况；
默认路由器501在新信道上收到来自源节点502发送的改进的NS消息，根据消息中的信道信息选项更新自己的邻居节点信道信息缓存表，并查询缓存中的其他节点是否都切换到新的信道，此时发现默认路由器501还未接收到源节点503的新信道信息汇报，表示源节点中还有未切换到新信道的，所以相隔一定时间后，默认路由器501继续广播改进的RA消息以通知原信道上的源节点进行信道切换；
此时源节点503收到默认路由器501发送的改进的RA消息，在信道切换时间内将射频信道切换到了新信道，并在新的信道上向默认路由器501发送改进的NS消息汇报自己新信道状况；
默认路由器501在新信道上收到来自源节点503发送的改进的NS消息，根据消息中的信道信息选项更新自己的邻居节点信道信息缓存表，并查询缓存中的其他节点是否都切换到新的信道，此时发现所有源节点都已经切换到新信道，故而停止在源信道发送改进的RA消息及停止监听消息，信道切换完毕。
图6为根据本发明优选实施例的无线网络系统的结构示意图。如图6所示，无线网络系统600由默认路由器601以及n个源节点组成。其中，默认路由器601通过改进的NS和NA消息与n个源节点之间进行信道信息交互以确认源节点所在信道的信道信息，利用邻居节点信道信息缓存表存储源节点信道相关的信息，并利用改进的RA消息通告源节点进行信道切换操作。源节点通过改进的NS和NA消息与默认路由器之间进行信道信息交互以汇报当前信道的信道信息，并根据改进的RA消息进行信道切换。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (12)

1.一种用于6LoWPAN无线网络的信道切换方法，包括：
源节点向默认路由器发送改进的邻居请求消息NS，其中所述改进的NS消息包括信道信息选项；
判断默认路由器是否为第一次接收到所述源节点的改进的NS消息，若是，则添加新的邻居节点信道信息缓存表；否则，根据改进的NS消息更新邻居节点信道信息缓存表；
默认路由器向源节点单播发送改进的邻居通告消息NA，其中所述改进的NA消息包括信道生存期选项，所述信道生存期选项包括源节点当前使用的信道号以及原信道的可用生存期；
源节点判断改进的NA消息中的信道号与当前使用的原信道的信道号是否相同，若相同，则记录原信道的可用生存期，并在原信道过期前向默认路由器发送改进的NS信息汇报信道状况；否则，向默认路由器发送改进的NS消息汇报；
默认路由器判定需要进行信道切换时，周期性地向原信道上的源节点广播改进的路由器通告消息RA，其中所述改进的RA消息包括信道切换选项，所述信道切换选项包括新信道号以及信道切换时间；
源节点接收到改进的RA消息后，在信道切换时间到达之前切换到新信道号对应的信道，并在切换完毕后向默认路由器发送改进的NS消息；
默认路由器对原信道和新信道同时进行监听，并在接到源节点在新信道发出的改进的NS消息后更新邻居节点信道信息缓存表中对应源节点的表项，当检测到所有源节点全部切换到新信道后，停止广播改进的RA消息和监听。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道信息选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、保留域及信道质量，其中选项类型域值为36，长度为2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道生存期选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、保留域及信道生存期，其中选项类型域值为37，长度为2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道切换选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、下一个信道号、保留域及信道切换时间，其中选项类型域值为38，长度为2。
5.一种6LoWPAN无线网络系统，包括默认路由器和多个源节点，其中：
所述默认路由器通过改进的NS和NA消息与多个源节点之间进行信道信息交互以确认源节点所在信道的信道信息，并利用改进的RA消息通告源节点进行信道切换操作；
所述源节点通过改进的NS和NA消息与默认路由器之间进行信道信息交互以汇报当前信道的信道信息，并根据改进的RA消息进行信道切换。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信道信息包括信道号和信道质量。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述改进的NS消息包括信道信息选项。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述信道信息选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、保留域及信道质量，其中选项类型域值为36，长度为2。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述改进的NA消息包括信道生存期选项，所述信道生存期选项包括源节点当前使用的信道号以及原信道的可用生存期。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述信道生存期选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、保留域及信道生存期，其中选项类型域值为37，长度为2。
11.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述改进的RA消息包括信道切换选项。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述信道切换选项的帧格式为：选项类型、选项长度、当前信道号、下一个信道号、保留域及信道切换时间，其中选项类型域值为38，长度为2。
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