CN107222872B - 一种无线自组织网络构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线自组织网络构建方法，通过自适应选频占有合适通讯频点的无线节点成为根节点或复杂功能节点，并拥有挂载子设备的权限；无法占有合适通讯频点的无线节点自动转变为普通功能节点；其中，普通功能节点的通信频点取决于其所挂靠的上级设备；复杂功能节点或普通功能节点搜寻能够挂载的上级复杂功能节点或根节点，通过分层组网的方式构建树形无线网络。本发明能够将无线设备之间通讯造成的干扰减小到最小，以及合理利用频点或频段资源，提高网络传输效率，扩大网络容量。

Description

一种无线自组织网络构建方法
技术领域
本发明涉及无线自组织网络技术领域，特别是涉及一种无线自组织网络构建方法。
背景技术
无线通信需要划分物理频点或者频段，为各无线设备间的通信提供传输媒介。在现阶段，以及随着今后无线通信技术的发展，通讯频点或频段资源也越来越宝贵，而且，即使拥有了合适的通信频点或频段，随着无线设备的不断加入，设备间通信干扰问题也越来越严重，单靠避碰算法不能很好的解决。
在无线自组织网络中，设备在一定的条件下，自由加入或者离开网络，网络的拓扑结构可能随时发生变化，需要有一种方法来解决动态变化的网络设备间的通信频点选择问题，单一通信频点或频段在大规模网络应用中会带来因避碰而导致的网络延迟。
授权公告号为CN 103052147 B，一种基于无线传感网的能量有效性多级环形组网的方法的发明专利，提出了根据接收功率计算两节点之间的距离，并根据节点所在的环数和剩余能量进行组网的方法。该组网方法的适用场景是：有一个中心汇聚节点，其他节点在以汇聚节点为中心，半径不同的圆环上。该专利对应用场景具有约束，需要计算节点间距离，依赖于节点距离中心汇聚节点的环数。
申请公布号为CN 105575092 A，一种无线传感网的组网方法的发明专利中，提出的组网方法包含了汇聚节点，簇头和簇成员节点，利用汇聚节点广播全局信标帧，根据请求入网的节点能量和先后顺序，为簇头节点分配全局通信时隙及其簇内通信子信道；成为簇头的节点广播自身的子信道信息和空闲时隙；簇成员节点选择接收信号强度最强的作为簇头并申请入网；当某个簇头节点失效后，再由汇聚节点重新发起簇头节点的选举。网络中允许的最大簇头节点数目、每个子信道频率以及一个周期所包含的通信时隙数目是预先设定的。该技术方案需要专门指定基站节点，当基站节点失效后需要通过汇聚节点再发起选举。
申请公布号为CN 106170142 A，一种低功耗无线传感网组网方法的发明专利，通过无线节点发送广播，等待周围网关节点回复信息，从应答信息中选择信号强度最优的网关节点入网。该专利只是一种节点就近入网的方法，没有从系统的角度考虑网络自组织方法。
申请公布号为CN 106507506 A，一种无线传感网络组网方法的发明专利，提出了利用广播的方式逐步组建无线传感器网络的方法，并将接收到的信号强度作为是否入网条件，支持建立的网络层数最大为10级。该方法依赖于设备广播发送的组网帧，判断入网条件过于简单。
授权公开(公告)号为CN102594916B，一种大深度自组织无线传感网络的组网方法，提出通过在后台服务器上根据节点地理位置计算每个节点的最佳路径，得到整个网络的最佳拓扑结构，然后根据网络拓扑结构在后台服务器上分配无线传感网络中的每个节点的网络逻辑地址，在无线传感网络进行广播消息时，完成网络路由列表的建立和维护方法。该方法需要以后台服务器为支持，并且预先需要知道网络节点数量和位置，不适合动态自组织应用。
申请公布号为CN 106454997 A，无线传感网络拓扑改进方法的发明专利中提出，无线网络中包括后台管理中心、有源无线节点以及无源无线节点，无源无线节点对有源无线节点进行控制，通过广播组网帧构建网络。有源无线节点接收广播组网信息帧后，根据信号强度值判断自身是否入网及其在网络中的深度。在每层网络中选取备用节点，享有其父节点所持有的路由信息。父节点向备用节点发送固定周期心跳帧，如果链路中断超过阈值，备用节点将取代父节点。该方法中，每层网络中的每个父节点都需要一个备份节点，增加了网络负载，网络动态自组织性不强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无线自组织网络构建方法，能够将无线设备之间通讯造成的干扰减小到最小，以及合理利用频点或频段资源，提高网络传输效率，扩大网络容量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种无线自组织网络构建方法，所述网络中包括三种无线节点，分别为：用于负责网络管理与信息汇聚的根节点、具有路由和网络管理能力的复杂功能节点和普通功能节点，所述根节点、复杂功能节点和普通功能节点之间采用相同的无线通讯体制进行无线自组网通信，通过自适应选频占有合适通讯频点的无线节点成为根节点或复杂功能节点，并拥有挂载子设备的权限；无法占有合适通讯频点的无线节点自动转变为普通功能节点；其中，普通功能节点的通信频点取决于其所挂靠的上级设备；复杂功能节点或普通功能节点搜寻能够挂载的上级复杂功能节点或根节点，通过分层组网的方式构建树形无线网络。
所述自适应选频包括自适应选择自己的频点或频段和自适应选择能够注册的上级设备的频点或频段。
所述自适应选择自己的频点或频段包括以下步骤：
(A)无线节点将能够利用的多个频点或多个频段进行固定顺序排序或者随机排序；
(B)无线节点的通信频段或频点可调，依次在排好序的频点或频段上监听和查询，一旦找到能够使用的频点或频段，立即停止监听和查询；
(C)无线节点将找到的频点或频段确定为自己拥有；
(D)无线节点发现自己拥有的频点或频段受到干扰，影响了正常的通信，则放弃当前的频点或频段，重新自适应选频。
所述自适应选择自己的频点或频段时还需要满足如下条件：
条件1：根节点具有选频的优先权，若通过自适应选频选不出合适的频点或频段，则强制占用本网内其他复杂功能节点的频点或频段，并对其他复杂功能节点进行驱逐；
条件2：复杂功能节点只有先注册进网络内才能自适应选择自己的频点或频段；
条件3：复杂功能节点自己的频点或频段不能和它的直接上级设备的相同，在除此以外其他的频点或频段上选择能够使用的频点或频段；
条件4：复杂功能节点选频失败自动降级为普通功能节点。
所述自适应选择能够注册的上级设备的频点或频段包括以下步骤：
(a)无线节点将能够利用的多个频点或多个频段进行固定顺序排序或者随机排序；
(b)无线节点依次在排好序的频点或频段上监听和查询，查找并获取占用该频点或频段的根节点或复杂功能节点的设备信息，计算并量化自该设备到根节点的网络通信质量；
(c)若网络通信质量达到预定要求，则选择注册到该设备上去；
(d)若所有设备的网络通信质量集合都达不到预定要求，并且所有设备的网络通信质量都大于最低网络通信质量门限，则根据网络通信质量由高到低的顺序选择相对应的设备去注册，直至选择最终的上级设备并找到其占用的频点或频段；若所有的网络通信质量均小于最低网络通信质量门限，则表明当前整体网络通信故障，本无线节点休眠一个随机或者固定时间段，再次从步骤(a)开始搜寻上级设备注册。
所述无线节点能够发现可选通信频段或频点内的干扰噪声，并给出接收到的噪声信号强度，且只选择噪声信号强度低于设置门限的频点或频段进行使用。
所述无线节点利用接收到的信号的原始发射功率，接收到的信号强度和自身的接收信号灵敏度来自动调节发射功率。
当根节点确定后，复杂功能节点或者普通功能节点通过自组织的方式注册到根节点上形成网络，无法注册到根节点上的复杂功能节点或者普通功能节点再自组织注册到已经加入网络的复杂功能节点上，并依次层层构建网络。
所述无线节点平常在自己的频点或频段工作，若需要主动发起和其他设备的通信，则跳到其他设备所在的频点或频段，通讯完毕后返回自己的频点或频段。
所述无线自组织网络构建完毕后，任意一条上行或下行通信链路受到干扰导致通信异常，使得网络通信质量低于最低网络通信质量门限，则该链路上的节点重新启动自适应选频流程，直至建立良好的通信链路。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明将通过自适应选频占有合适通讯频点的设备作为中心基站或基站，然后基于选出的中心基站进行自组网，如此将无线设备之间通讯造成的干扰减小到最小，以及合理利用频点或频段资源，提高网络传输效率，扩大网络容量。
附图说明
图1是采用本发明实施方式建立的自组织网络分层架构图。
图2是采用本发明实施方式的节点自适应选频确定功能角色过程图。
图3是采用本发明实施方式的节点自适应选频构建网络与抗干扰过程图。
图4是采用本发明实施方式的节点自适应选择上级设备构建网络过程。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种无线自组织网络构建方法，所述网络中包括三种无线节点，分别为：用于负责网络管理与信息汇聚的根节点、具有路由和网络管理能力的复杂功能节点和普通功能节点，所述根节点、复杂功能节点和普通功能节点之间采用相同的无线通讯体制进行无线自组网通信，通过自适应选频占有合适通讯频点的无线节点成为根节点或复杂功能节点，并拥有挂载子设备的权限；无法占有合适通讯频点的无线节点自动转变为普通功能节点；其中，普通功能节点的通信频点取决于其所挂靠的上级设备；复杂功能节点或普通功能节点搜寻能够挂载的上级复杂功能节点或根节点，通过分层组网的方式构建树形无线网络。
在需要构建无线自组织网络的场合，系统具有多个合法的通信频点或者频段，而且无线通讯设备支持频点或频段可调功能，可采用本发明方法，以构建大容量、大规模覆盖范围的自组织网络。
图1是采用本发明方法建立的自组织网络分层架构。网络中包含具有网络管理与信息汇聚的根节点(中心基站1)，具有路由和网络管理能力的复杂功能节点(基站2)和普通功能节点(端机3)。
中心基站1、基站2和端机3之间采用相同的无线通讯体制进行无线自组织网络通信；本无线自组织网络中，中心基站1通过有线或其他无线通讯体制与外部网络或者设备连接；为了扩展覆盖范围或者用于节点备份，可以有预设多套(准)中心基站和外部网络连接。
参考图2，通过自适应选频占有合适通讯频点的(准)中心基站10和11或者(准)基站20和21，才能真正成为中心基站1或基站2，并拥有可挂载子设备的权限；无法占有合适通讯频点的设备10和20自动转变为端机3，原来设置为(准)中心基站10的设备，关闭与外部网络连接功能；端机的通信频点取决于它所挂靠的上级设备。基站或端机搜寻可以挂载的上级基站或中心基站，通过分层组网的方式构建树形无线网络。
在本实例中，各无线节点的通信频段或频点可调，能够发现可选通信频段或频点内的干扰噪声，并给出接收到的噪声信号强度RSSI，设定一个噪声信号强度门限RSSIltd，无线节点只选择噪声信号强度低于噪声信号强度门限RSSIltd的频点或频段使用。
各无线节点的无线发射功率自动可调，并利用接收到的信号的原始发射功率，接收到的信号强度和自身的接收信号灵敏度来自动调节发射功率，以降低相互干扰。在构建网络时，各无线节点都以一定的发射功率发送无线信号，并将自己的发射功率值Ptxi(i为节点的编号)放置于有效数据报中；接收到数据的目的节点标记接收信号强度Prxi，并根据接收灵敏度Rsense来调整和源无线节点通信时的发射功率Ptxj(j为节点的编号)，其中：
Ptxi-Prxi+Rsense＜Ptxj≤Ptxi；
当出现通信失败的情况时，节点再提高发射功率Ptxi，Ptxj，直至调整到合理的功率区间，即保障正常通信，又降低相互干扰。
在本实例中，结合图2，当中心基站1的功能角色确定后，基站2或者端机3通过自组织的方式注册到中心基站上，其他的基站或者端机再自组织注册到已经加入网络的基站上，并依次层层构建网络。中心基站1和基站2节点分别拥有自己的通信频点或频段F10和F11，端机不主动拥有通信频点或频段，端机把上级设备(父节点)的通信频段设定为自己的通信频点或频段。
在本实例中，结合图2，拥有自己工作频点或频段的设备如中心基站1和基站2，若需要主动发起和其他设备的通信，则跳到其他设备所在的频点或频段，通讯完毕后返回自己的频点或频段。
本实施方式中提出的自适应选频包括自适应选择可以注册的上级设备(父节点)的频点或频段，自适应选择自己的频点或频段。下面结合图3进行实例说明。
准基站21和22自适应选择自己的频点或频段的过程包括如下步骤：
步骤1：准基站21和22将可利用的多个频点或多个频段进行固定顺序排序或者随机排序；
步骤2：准基站21和22依次在排好序的频点或频段上监听和查询，查找干扰信号强度RSSI小于预设门限值RSSIltd的频点或频段，一旦找到，立即停止监听和查询，这里准基站21和22分别找到频点或频段F11和F21；
步骤3：准基站21和22分别将频点或频段F11和F21确定为自己拥有，同时准基站21和22分别转变为基站2_1和2_2；
步骤4：基站2_1发现自己拥有的频点或频段F21受到未知干扰源4干扰，影响了正常的通信，则放弃当前的频点或频段F21，重新自适应选频，并找到F22。
该自适应选频过程，要满足如下条件：
条件1：中心基站具有选频的优先权，若通过自适应选频选不出合适的频点或频段，可以强制占用本网内其他基站的频点或频段，并对其他基站进行驱逐；
条件2：基站只有先注册进网络内，才能自适应选择自己的频点或频段；
条件3：基站自己的频点或频段不能和它的直接上级设备(父节点)的相同，在除此以外其他的频点或频段上选择可以使用的频点或频段，从而即避免通信干扰又实现频率复用；
条件4：基站选频失败自动降级为端机。
结合图4，给出利用本发明专利进行自适应选择可以注册的上级设备(父节点)的频点或频段的方法：
步骤1：无线节点3将可利用的多个频点或多个频段进行固定顺序排序或者随机排序；
步骤2：无线节点3依次在排好序的频点或频段上监听和查询，查找并获取占用该频点或频段的中心基站或基站设备的信息，这里分别在频点或频段F12和F13查询到基站2_1和2_2，根据发射功率Ptx，接收信号强度Prx，网络上行链路质量Qup，网络下行链路质量Qdown，网络级别R，网络负载L等参数，计算并量化基站2_1和2_2设备到中心基站1的网络通信质量Q：
其中,A,B,C和α，β是相应的可变网络通信质量调整参数。
在这里，分别计算得到基站2_1和2_2设备到中心基站1的网络通信质量为Q1和Q2，其中Q2＞Q1，优先选择基站2_2；
步骤3：若网络通信质量Q2达到预定要求Qmin，即Q2≥Qmin，则选择注册到该设备上去，同时修改Qmin＝Q2；
步骤4：若所有设备的网络通信质量集合G＝{Qi}(其中，i＝1,2…n，n为当前查询到的拥有通信频段或频点的设备数量)，都达不到预定要求Qmin，在这里即基站2_1和2_2设备到中心基站1的网络通信质量为Q1和Q2均小于Qmin，并且Q1和Q2都大于最低网络通信质量门限Qmin-limit，则从中选择有最大网络通信质量Q2的基站2_2去注册；若注册成功，修改Qmin＝Q2；若注册不成功，再选具有第二大Q值的基站2_1设备去注册……，依次类推，按照此方法，选择最终的上级设备并找到其占用的频点或频段；若Q1和Q2均小于最低网络通信质量门限Qmin-limit，则表明当前整体网络通信故障，本无线节点3休眠一个随机或者固定时间段，再次从步骤1开始搜寻上级设备注册。
无线自组织网络构建完毕后，任意一条上行或下行通信链路受到干扰导致通信异常，使得网络链路质量Q低于最低网络通信质量门限Qmin-limit，即Q<Qmin-limit时，则该链路上的节点重新启动自适应选择自己的频点或频段或者自适应选择可以注册的上级设备(父节点)流程，直至建立良好的通信链路。

Claims (8)

1.一种无线自组织网络构建方法，所述网络中包括三种无线节点，分别为：用于负责网络管理与信息汇聚的根节点、具有路由和网络管理能力的复杂功能节点和普通功能节点，所述根节点、复杂功能节点和普通功能节点之间采用相同的无线通讯体制进行无线自组网通信，其特征在于，通过自适应选频占有合适通讯频点的无线节点成为根节点或复杂功能节点，并拥有挂载子设备的权限；无法占有合适通讯频点的无线节点自动转变为普通功能节点；其中，普通功能节点的通信频点取决于其所挂靠的上级设备；复杂功能节点或普通功能节点搜寻能够挂载的上级复杂功能节点或根节点，通过分层组网的方式构建树形无线网络；
所述自适应选频包括自适应选择自己的频点或频段和自适应选择能够注册的上级设备的频点或频段；
所述自适应选择自己的频点或频段包括以下步骤：
(A)无线节点将能够利用的多个频点或多个频段进行固定顺序排序或者随机排序；
(B)无线节点的通信频段或频点可调，依次在排好序的频点或频段上监听和查询，一旦找到能够使用的频点或频段，立即停止监听和查询；
(C)无线节点将找到的频点或频段确定为自己拥有；
(D)无线节点发现自己拥有的频点或频段受到干扰，影响了正常的通信，则放弃当前的频点或频段，重新自适应选频。
2.根据权利要求1所述的无线自组织网络构建方法，其特征在于，所述自适应选择自己的频点或频段时还需要满足如下条件：
条件1：根节点具有选频的优先权，若通过自适应选频选不出合适的频点或频段，则强制占用本网内其他复杂功能节点的频点或频段，并对其他复杂功能节点进行驱逐；
条件2：复杂功能节点只有先注册进网络内才能自适应选择自己的频点或频段；
条件3：复杂功能节点自己的频点或频段不能和它的直接上级设备的相同，在除此以外其他的频点或频段上选择能够使用的频点或频段；
条件4：复杂功能节点选频失败自动降级为普通功能节点。
3.根据权利要求1所述的无线自组织网络构建方法，其特征在于，所述自适应选择能够注册的上级设备的频点或频段包括以下步骤：
(a)无线节点将能够利用的多个频点或多个频段进行固定顺序排序或者随机排序；
(b)无线节点依次在排好序的频点或频段上监听和查询，查找并获取占用该频点或频段的根节点或复杂功能节点的设备信息，计算并量化自该设备到根节点的网络通信质量；
(c)若网络通信质量达到预定要求，则选择注册到该设备上去；
(d)若所有设备的网络通信质量集合都达不到预定要求，并且所有设备的网络通信质量都大于最低网络通信质量门限，则根据网络通信质量由高到低的顺序选择相对应的设备去注册，直至选择最终的上级设备并找到其占用的频点或频段；若所有的网络通信质量均小于最低网络通信质量门限，则表明当前整体网络通信故障，本无线节点休眠一个随机或者固定时间段，再次从步骤(a)开始搜寻上级设备注册。
4.根据权利要求1所述的无线自组织网络构建方法，其特征在于，所述无线节点能够发现可选通信频段或频点内的干扰噪声，并给出接收到的噪声信号强度，且只选择噪声信号强度低于设置门限的频点或频段进行使用。
5.根据权利要求1所述的无线自组织网络构建方法，其特征在于，所述无线节点利用接收到的信号的原始发射功率，接收到的信号强度和自身的接收信号灵敏度来自动调节发射功率。
6.根据权利要求1所述的无线自组织网络构建方法，其特征在于，当根节点确定后，复杂功能节点或者普通功能节点通过自组织的方式注册到根节点上形成网络，无法注册到根节点上的复杂功能节点或者普通功能节点再自组织注册到已经加入网络的复杂功能节点上，并依次层层构建网络。
7.根据权利要求1所述的无线自组织网络构建方法，其特征在于，所述无线节点平常在自己的频点或频段工作，若需要主动发起和其他设备的通信，则跳到其他设备所在的频点或频段，通讯完毕后返回自己的频点或频段。
8.根据权利要求1所述的无线自组织网络构建方法，其特征在于，所述无线自组织网络构建完毕后，任意一条上行或下行通信链路受到干扰导致通信异常，使得网络通信质量低于最低网络通信质量门限，则该链路上的节点重新启动自适应选频流程，直至建立良好的通信链路。
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