CN107172680A - 一种基于簇树形网络的无线中继系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于簇树形网络的无线中继系统，其包括由多个无线中继器组成的树形网络和由多个无线终端设备与所述无线中继器组成的簇形网络。本发明的基于簇树形网络的无线中继系统可有效的延长通信距离，提高数据传输的可靠性，提高数据传输的时效性。

Description

一种基于簇树形网络的无线中继系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种基于簇树形网络的无线中继系统。

背景技术

目前，基于短距离无线通信的433MHz的通信技术在消防报警、环境监测、工业控制等领域发展迅速，但由于433MHz频段的射频通信模块在中国信息产业部发布的《微功率无线电设备管理暂行规定》要求的最大发射功率情况下，通信距离空旷区域通常不超过一公里，在建筑物内使用时信号的衰减更加严重。由于在实际的工程安装使用中，采用无线射频模块通信的相邻两点设备间的通信距离要求不能够确定，为满足实际要求通常采用加入中继器的方式来延长实际通信距离。

目前基于433MHz频段通信的传统中继器从功能上分为三类：

（1）传统的无线中继器对接收到的数据具备转发和传输功能，目前常见的方式是点对点的数据转发通信功能，这类中继器采用数据透明传输的方式，当需要扩大系统的通信覆盖范围时，由于中继器不能够级联，数据的传输距离十分有限。

（2）具有级联通信功能的中继器，但仅实现单条通信链路的级联，如终端设备的数量较多时，所需的中继器数量会同比例的大幅增加，数量的增加会增大空间无线通信数据的同频信号干扰。造成数据传输过程中可靠性下降。

（3）可以组成网状（mesh）网络的中继器，当空间某一时间的通讯数据量发生突变时，由于网络传输路径复杂多变，容易导致整个网络的通信数据的延迟时间不确定，降低传输数据的时效性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于簇树形网络的无线中继系统，可有效的延长通信距离，提高数据传输的可靠性，提高数据传输的时效性,解决了上述现有技术存在的问题。

在本发明实施例中，提供了一种基于簇树形网络的无线中继系统，其包括由多个无线中继器组成的树形网络和由多个无线终端设备与所述无线中继器组成的簇形网络。

在本发明实施例中，所述树形网络中，所述多个无线中继器包括位于根节点的第一无线中继器、与所述无线终端设备相连接的第三无线中继器和用于转发所述第一无线中继器与所述第三无线中继器的数据的第二无线中继器。

在本发明实施例中，所述第三无线中继器包括第一射频通信模块、第二射频通信模块和微处理器，所述第一射频通信模块用于与所述无线终端设备通信组成簇形网络，所述第二射频通信模块用于与其他中继器进行通信组成树形网络，所述微处理器用于控制所述第一射频通信模块和所述第二射频通信模块发送和接收来自所述簇形网络与所述树形网络内无线中继器与无线终端设备的数据。

在本发明实施例中，所述无线中继系统中，所述多个无线中继器按照自身在树形网络中的不同位置，在系统同步过程中在网络拓扑结构中的层级分为位于树形网络根部的时间基准节点、处于树形拓扑结构第二层的基准直接通信节点和处于树形拓扑结构第二层以下的基准未覆盖节点，其中，所述时间基准节点定期发送同步信标。

在本发明实施例中，所述无线中继系统的同步的过程如下：

位于树形网络根部的时间基准节点定时的广播发送同步报文；

处于树形拓扑结构下一层的基准直接通信节点收到同步报文后立即转发同步报文到子节点，同时计算自身的应答信号的延时时间，直到网络最大深度的中继器收到同步消息并计算延迟时间后应答同步信息；

父节点中继器接收并转发子节点的应答信息，再发送自身的同步应答信息，直到所述时间基准节点收到整个网络的全部中继器的同步应答信息。

在本发明实施例中，通讯数据上行传输流程：

所述无线中继系统的每一台无线中继器，实时监听所述树形网络和所述簇形网络的无线信号，当收到无线数据时，首先区分数据的来源，区分所述无线数据来自所述树形网络数据或所述簇形网络；

当所述无线数据来自所述树形网络时，将所述无线数据发送到所述无线中继器的父节点；

当所述无线数据来自所述簇型网络时，遍历搜索数据报文是否为有效数据，是有效数据时将所述无线数据发送到所述无线中继器的父节点。

在本发明实施例中，通讯数据下行传输流程：

在所述通讯数据从根节点广播或向指定设备通信的过程中，接收到所述通讯数据的无线中继器根据所述通讯数据的无线报文信息中的网络识别码判断所述无线报文信息是否是同一网络中发出的，不是则退出转发机制；

然后对数据流向进行判断，当通信数据为下行数据且通信的目标地址为中继器自身地址时，检索源地址判断是否与自身的父节点匹配；

匹配通过后检索网络树节点，查找数据包中的目标地址是否是自身链路上的子节点，此时计算转发数据的目标地址，封装报文写数据到发送缓冲区。

在本发明实施例中，所述无线中继器在发送数据前进行场强侦测，只有当空间场强值满足设定的条件后进行数据的发送，否则将计算延迟时间后再次进行侦测，侦测三次均不满足设定的条件时退出发送。

与现有技术相比较，本发明的基于簇树形网络的无线中继系统中将在同一区域的无线终端设备节点与中继器构成一个簇形网络，中继器对数据进行融合处理，各簇形网络之间相互独立，中继器之间基于树形结构组网，网络指定数据通信路径，整个系统构成层次化簇树结构，该系统可有效的延长通信距离，提高数据传输的可靠性，提高数据传输的时效性。

附图说明

图1是本发明的基于簇树形网络的无线中继系统网络拓扑结构图；

图2是本发明的无线中继器的结构示意图；

图3是本发明中继器网络时钟信标同步过程的示意图；

图4是本发明的通讯数据上行传输流程的流程图；

图5是本发明的通讯数据下行传输流程的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述，

如图1所示，在本发明实施例中，提供了一种基于簇树形网络的无线中继系统，其包括由多个无线中继器组成的树形网络和由多个无线终端设备104与所述无线中继器组成的簇形网络。

所述多个无线中继器包括位于根节点的第一无线中继器101、与所述无线终端设备相连接的第三无线中继器103和用于转发所述第一无线中继器与所述第三无线中继器的数据的第二无线中继器102。

需要说明的是，在树形网络中的每一个中继器定义为是一个无线数据的通信节点，在整个网络中将为每一个节点静态的分配一个唯一的网络地址。地址分配的同时生成树形结构的网络拓扑结构图并存储在中继器中。在实际的工程应用中合理的设计和配置中继器网络的拓扑结构可最优化的实现无线网络信号的传输。每个中继器都保存相同且唯一的网络拓扑信息，规定网络拓扑图的构成规则是每一个中继器只能有0或1个父节点，n个子节点。确保信息转发时选择满足条件的最小网络地址作为目标地址。

如图2所示，所述第三无线中继器103包括第一射频通信模块301、第二射频通信模块302和微处理器303，所述第一射频通信模块301用于与所述无线终端设备通信104组成簇形网络，所述第二射频通信模块302用于与其他中继器进行通信组成树形网络，所述微处理器303用于控制所述第一射频通信模块301和所述第二射频通信模块302发送和接收来自所述簇形网络与所述树形网络内无线中继器与无线终端设备的数据。

图3示出了本发明的基于簇树形网络的无线中继系统的同步流程，用于保证网络内的中继器处于相同的时钟体系下工作。系统中的中继器按照自身在树形网络中的不同位置，在系统同步过程中按中继器在网络拓扑结构中的层级分为处于树形拓扑结构第二层的基准直接通信节点和处于树形拓扑结构第二层以下的基准未覆盖节点三类。其中，时间基准节点定期发送同步信标，使网内节点能做到的同步，便于节点定期修正基准时间，降低数据冲突，确保网络内中继器之间的时序关系不会随着时间的推移而发生相互重叠。

需要说明的是，在树形网络内通过中继器的软件控制实现精确的时钟同步和动态的分配合理的时隙。时间基准节点的中继器需要在发送与接收节点之间实现严格的同步，以避免在相邻的时隙出现信号的重叠。网络运行过程中由于中继器中晶体振荡器的飘移，无线数据的传输延迟以及数据包长度处理带来的不确定性，导致网络中时钟产生偏差。

同步的过程如下：

位于树形网络根部的时间基准节点定时的广播发送同步报文；

处于树形拓扑结构下一层的基准直接通信节点收到同步报文后立即转发同步报文到子节点，同时计算自身的应答信号的延时时间，直到网络最大深度的中继器收到同步消息并计算延迟时间后应答同步信息；

父节点中继器接收并转发子节点的应答信息，再发送自身的同步应答信息，直到所述时间基准节点收到整个网络的全部中继器的同步应答信息。

在本发明的基于簇树形网络的无线中继系统中，每一个中继器从数据的流向角度分为两种处理流程：

（1）通讯数据上行传输流程；

（2）通讯数据下行传输流程。

如图4所示，通讯数据上行传输流程如下：

网络中的每一台中继器设备，预先存储了整个网络拓扑信息。系统中的两个模块均工作在监听树形网络和簇形网络的状态下。当收到无线数据且校验通过的情况下首先区分数据的来源，区分是中继器组成的树形网络数据或无线终端设备的簇形网络数据。此时分为以下两种情况进行判断和处理。

当信息的内容为树形网络的数据时，首先进行数据报文的过滤，判断数据帧的目标地址是否与自身地址相同，是的情况下判断数据流向，为上行数据时将数据放入发送缓冲区中此时将按照树形网络的拓扑数据结构进行检索处理，找到中继器在网络中的父节点，由于约定网络结构中每个设备有且仅有一个父节点，故数据待通信的对象是唯一的，将数据放入发送缓冲区中等待发送。当时序上满足发送的条件时，为避免当前空间中有其他同频段的设备在进行数据交互，发送数据前进行场强侦测，只有当空间场强值低于标准后进行数据的发送，否则将通过算法计算延迟时间后再次进行侦测，侦测三次均不满足条件时将退出发送，避免出现通信链路阻塞的情况。为保证数据通信的可靠性，父节点在收到子节点的数据后需实时的进行应答。

当信息内容为簇型网络的数据时，遍历搜索数据报文是否为无线终端设备且是与自身通信的设备。是有效数据时将数据放入树形网络的处理缓冲区中，此时按照树形网络通信流程进行发送。

如图5所示，通讯数据下行传输流程如下：

为了防止通信数据在同频段的不同网络拓扑结构中网络地址的冲突导致通信数据的混乱。相同网络的信息报文中增加唯一的网络识别码。在数据从根节点向广播或指定设备通信的过程中首先进行网络识别码的判断，不满足则网络识别码相同的条件则退出转发机制。对数据流向进行判断，当通信数据为下行数据且通信的目标地址为中继器自身地址时，检索源地址判断是否与自身的父节点匹配。匹配通过后检索网络树节点，查找数据包中的目标地址是否是自身链路上的子节点，此时计算转发数据的目标地址，封装报文写数据到发送缓冲区。场强侦测的发送流程与下行通信一致。

需要说明的是，利用场强侦测功能可以有效减少射频模块的无用激活时间，通过设置合适的阈值，只有当信号强度足够强时才认为是有效的，当信号强度低于阈值的时候，则认为信道是空的，此时退出发送降低数据冲突。

在上述的数据转发流程中，中继器收到数据包后可以立即将其转发给下一跳，不需要动态维护网络拓扑结构，减少了转发协议的控制开销，降低了单个中继器存储能力的要求。

综上所述，本发明的基于簇树形网络的无线中继系统中将在同一区域的无线终端设备节点与中继器构成一个簇形网络，中继器对数据进行融合处理，各簇形网络之间相互独立，中继器之间基于树形结构组网，网络指定数据通信路径，整个系统构成层次化簇树结构，该系统可有效的延长通信距离，提高数据传输的可靠性，提高数据传输的时效性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于簇树形网络的无线中继系统，其特征在于，包括由多个无线中继器组成的树形网络和由多个无线终端设备与所述无线中继器组成的簇形网络。

2.如权利要求1所述的基于簇树形网络的无线中继系统，其特征在于，所述树形网络中，所述多个无线中继器包括位于根节点的第一无线中继器、与所述无线终端设备相连接的第三无线中继器和用于转发所述第一无线中继器与所述第三无线中继器的数据的第二无线中继器。

3.如权利要求2所述的基于簇树形网络的无线中继系统，其特征在于，所述第三无线中继器包括第一射频通信模块、第二射频通信模块和微处理器，所述第一射频通信模块用于与所述无线终端设备通信组成簇形网络，所述第二射频通信模块用于与其他中继器进行通信组成树形网络，所述微处理器用于控制所述第一射频通信模块和所述第二射频通信模块发送和接收来自所述簇形网络与所述树形网络内无线中继器与无线终端设备的数据。

4.如权利要求1所述的基于簇树形网络的无线中继系统，其特征在于，

所述无线中继系统中，所述多个无线中继器按照自身在树形网络中的不同位置，在系统同步过程中在网络拓扑结构中的层级分为位于树形网络根部的时间基准节点、处于树形拓扑结构第二层的基准直接通信节点和处于树形拓扑结构第二层以下的基准未覆盖节点，其中，所述时间基准节点定期发送同步信标。

5.如权利要求4所述的基于簇树形网络的无线中继系统，其特征在于，

所述无线中继系统的同步的过程如下：

位于树形网络根部的时间基准节点定时的广播发送同步报文；

处于树形拓扑结构下一层的基准直接通信节点收到同步报文后立即转发同步报文到子节点，同时计算自身的应答信号的延时时间，直到网络最大深度的中继器收到同步消息并计算延迟时间后应答同步信息；

父节点中继器接收并转发子节点的应答信息，再发送自身的同步应答信息，直到所述时间基准节点收到整个网络的全部中继器的同步应答信息。

6.如权利要求5所述的基于簇树形网络的无线中继系统，其特征在于，

所述无线中继系统的通讯数据上行传输流程如下：

所述无线中继系统的每一台无线中继器，实时监听所述树形网络和所述簇形网络的无线信号，当收到无线数据时，首先区分数据的来源，区分所述无线数据来自所述树形网络数据或所述簇形网络；

当所述无线数据来自所述树形网络时，将所述无线数据发送到所述无线中继器的父节点；

当所述无线数据来自所述簇型网络时，遍历搜索数据报文是否为有效数据，是有效数据时将所述无线数据发送到所述无线中继器的父节点。

7.如权利要求5所述的基于簇树形网络的无线中继系统，其特征在于，

所述无线中继系统的通讯数据下行传输流程如下：

在所述通讯数据从根节点广播或向指定设备通信的过程中，接收到所述通讯数据的无线中继器根据所述通讯数据的无线报文信息中的网络识别码判断所述无线报文信息是否是同一网络中发出的，不是则退出转发机制；

然后对数据流向进行判断，当通信数据为下行数据且通信的目标地址为中继器自身地址时，检索源地址判断是否与自身的父节点匹配；

匹配通过后检索网络树节点，查找数据包中的目标地址是否是自身链路上的子节点，此时计算转发数据的目标地址，封装报文写数据到发送缓冲区。

8.如权利要求6或7所述的基于簇树形网络的无线中继系统，其特征在于，

所述无线中继器在发送数据前进行场强侦测，只有当空间场强值满足设定的条件后进行数据的发送，否则将计算延迟时间后再次进行侦测，侦测三次均不满足设定的条件时退出发送。