CN107396418A

CN107396418A - 基于LoRa的无中心自组织网络的实现方法

Info

Publication number: CN107396418A
Application number: CN201710557300.3A
Authority: CN
Inventors: 刘乃安; 陈方亭
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2017-11-24

Abstract

本发明提出了一种基于LoRa的无中心自组织网络的实现方法，主要解决现有WSN中通信距离短、网络开销大、鲁棒性差的问题，其实现步骤是：在物理层使用LoRa技术进行无线传输；在mac层进行路由：各节点发送域定时器帧、链路状态帧和数据帧，且前两者定期发送，数据帧按需发送；各节点接收消息帧，并判断帧类型：若是域定时器帧，则进行域定时器帧处理，若是链路状态帧，则进行链路状态帧处理，若是数据帧，则进行数据帧处理；各节点使用软状态方法探测链路是否崩溃，若发生链路崩溃，从邻居节点表和拓扑结构表中删除相应记录。本发明通信距离远、网络开销小、鲁棒性好，可用于LoRa无线自组织网络中多个节点之间的远距离通信。

Description

基于LoRa的无中心自组织网络的实现方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种无中心自组织网络的实现方法，可用于LoRa无线自组织网络中多个节点之间的远距离通信。

背景技术

典型的无线传感器网络中，一般采用两级组网方案，传感器节点仅作为数据采集器，将数据传递给网关进行存储和进一步处理。这种方式的弊端在于：当网关出现故障时，所有连接在此网关的节点将不能进行正常通信，网络鲁棒性较差，配置复杂、维护/使用门槛高。并且传感器节点通常采用电量十分有限的电池来提供能量，有限的能量必然导致通信能力的受限，通信距离较短。LoRa作为一种低功耗无线技术，基于Sub-GHz的频段使其更易以较低功耗远距离通信，可以使用电池供电或者其他能量收集的方式供电。较低的数据速率也延长了电池寿命，增加了网络的容量。而且LoRa信号对建筑的穿透力也很强，成本较低。基于LoRa的低功耗远距离无线自组网，能够解决目前物联网中存在的节点供电不足、能耗较大、范围受限的问题。

无线传感器网络WSN是由部署在特定区域内大量的静止或移动的微型传感器节点通过无线通信的方式形成的一个多跳分布式自组织网络系统，以协作地感知、采集、处理和传输感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。由于其功耗、成本等技术的限制，现有的无线传感器网络大都使用zigbee技术，传输距离300米左右，必须采用多跳才能覆盖较大的区域。现有的无线传感器网路的缺点是：要想扩大覆盖的范围需要复杂的路由转发技术，功耗较大，降低了传感器节点的使用寿命。降低节点的能量消耗成为WSN首要考虑的因素。

传统的Ad hoc网络中，各个节点对数据转发依靠传统的IP路由技术，在收到数据包时，要先把数据包拆封，送到网络层处理此包，找到包中包含的IP地址与自身节点的路由表匹配，确定是否有到达目的节点的路由，若有就直接把数据包转发出去，若没有则要发起路由包建立路由，利用逐跳的方式发送请求，又以逐跳的方式返回路由，最终建立起一个传输路径，但在路径建立之后，数据包的转发中每个节点都要把数据包头的IP地址拆分出来进行路由匹配之后再转发。这个过程还是比较费时的，数据包要传到路由层才能够做出处理。而且IP包头的一般固定部分长度是20个字节，网络开销较大。

LoRaWAN是由LoRa联盟推出的一个低功耗广域网规范，LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明的中继，连接终端设备和服务器。网关与服务器通过标准IP连接，而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。这种实现方式的优点是：网关可以实现多通道并行接收,同时处理多路信号，这大大增加了网络容量。缺点是：对于网关的技术要求极高，也因此限制了LoRa的应用，而且网关出现故障时，所有连接在此网关的节点将不能进行正常通信，网络鲁棒性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于LoRa的无线自组织无中心网络的实现方法，以降低无线传感器网络IP层路由协议的网络开销和功耗，提高网络的鲁棒性。

本发明的技术思路是：通过在物理层采用LoRa技术，在mac层实现路由协议建立LoRa的无中心自组织网络。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案，包括如下：

(1)在mac层发送节点发送三种消息帧，即域定时器帧、链路状态帧和数据帧；

(2)在mac层接收节点接收消息帧，并判断帧类型，若接收的为定时器帧，则执行步骤(2a),若接收的为链路状态帧，则执行步骤(2b)，若接收的为数据帧，则执行步骤(2c)；

2a)对域定时器帧进行如下处理：

2a1)从域定时器帧中获取当前“域级”的信息；

2a2)检查邻居节点表是否存在过期的邻居节点，若有，删除过期邻居节点，并采用迪杰斯特拉Dijkstra算法计算最短路径，更新拓扑结构表中的邻居节点信息，并将需发送标志设为真，再执行(2a3)；否则，直接执行步骤(2a3)；

2a3)判断拓扑结构表中的节点是否位于该域级内，将“域级”内节点的链路状态信息插入链路状态帧中，并将链路状态帧广播给邻居节点；

2a4)待所有需要发送的链路状态信息都处理完后，再预约下一次“域级”定时器，执行步骤(3)；

2b)对链路状态帧进行如下处理：

2b1)查看本地邻居节点表中的邻居节点信息项，判断该表内是否已有链路状态帧中发送节点的地址信息，若没有，则表明发现一个新的邻居节点，将该节点插入到邻居节点表中，执行步骤(2b2)；否则，更新该节点的时间戳，执行步骤(2b2)；

2b2)查看本地拓扑结构表中的链路状态信息项，判断该表内是否已有链路状态帧中目的节点的地址信息，若没有，则表明发现一个新的目的节点，增加拓扑节点项，将该节点的链路状态信息插入到拓扑结构表中，并将需发送标志项设为“真”，执行步骤(2b5)；否则，执行步骤(2b3)；

2b3)判断链路状态帧中该节点的序列号是否等于表中该节点的序列号，若是，执行步骤(2b5)，否则，执行步骤(2b4)；

2b4)判断链路状态信息是否发生变化，若是，则更新链路状态信息，并将需发送标志项设为“真”，执行步骤(2b5)；否则，仅更新序列号和建立时间信息，并将需发送标志项设为“真”，执行步骤(2b5)；

2b5)当邻居节点表和拓扑结构表发生变化，即需发送标志项为“真”时，采用迪杰斯特拉Dijkstra算法计算最短路径，并同时更新路由表的相关项信息；

2c)对数据帧进行如下处理：

2c1)判断数据帧中的数据目的ID是否是自己的ID，若是，则接收数据，不再转发；否则，执行步骤(2c2)；

2c2)判断数据帧中的物理目的ID是否是自己的ID，若是，则从本地路由表中查询到达目的节点的下一跳地址，以该地址替代数据帧中的物理目的ID，并将该数据帧广播出去；否则，丢弃该数据帧。

(3)各节点用软状态方法探测链路是否崩溃：如果在时间间隔之内，节点还没有从邻居节点那里接收到链路状态消息，则认为该链路崩溃，并从邻居列表中删除该邻居节点，同时从拓扑结构表中删除该邻居节点的链路状态记录；否则，不进行处理。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于采用LoRa无线通信技术，增大了各节点之间的传输距离，简化了网络结构，且与现有的无线传感器网络相比，增大了网络容量，节省了成本，易于实现。

2、本发明将路由过程在mac层中实现，降低了无线传感器网络IP层路由协议的网络开销和功耗。

3、本发明中各节点均可作为中继节点，对帧进行转发，与现有的通过LoRa网关进行转发的技术相比，提高了网络的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明使用的LoRa无中心自组网的网络拓扑图；

图2是本发明的实现流程框图；

图3是本发明中对mac层消息帧定义的帧格式示意图；

图4是本发明中对域定时器帧处理的子流程图；

图5是本发明中对链路状态帧处理的子流程图；

图6是本发明中链路状态信息格式示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

参照图1，本发明使用的LoRa无中心自组网，包括多个节点，各节点在物理层均使用LoRa技术，在mac层使用本发明中的路由协议。其中，对于节点A，节点B、C、D在一跳范围内，即图中位于“1跳”圆内的节点，可以直接进行通信，E、F、G、H等节点在一跳范围外，即图中位于“2跳”和“多于2跳”圆环内的节点，通过中继节点(B、C、D)的转发进行通信，由此，所有节点组成一个基于LoRa技术的无中心自组织网络，其中，以节点A为例进行步骤的详细说明。

参照图2，本发明包括如下步骤：

步骤1，各节点在mac层发送消息帧。

所述消息帧，包括域定时器帧、链路状态帧和数据帧；

参照图3，所有消息帧采用同一种帧格式，其包括帧头标志、帧类型、帧序列号、物理源ID、物理目的ID、数据、数据源ID和数据目的ID。三种消息帧的帧类型与数据内容不同，其余内容都相同，即：

所述域定时器帧的帧类型为域定时器帧类型，数据为域定时器信息；

所述链路状态帧的帧类型为链路状态帧类型，数据为链路状态信息，该链路状态信息的格式为图6所示的链路状态信息格式，其包括目的节点地址、目的节点序列号、目的节点的邻居节点数以及各个邻居节点的ID。

所述数据帧的帧类型为数据帧类型，数据为用户发送的数据信息。

上述三种消息帧在mac层采用两种不同的发送方式：

对于域定时器帧和链路状态帧的发送，均采用定期发送方式，即根据拓扑表中各邻居节点距离本节点的跳数，使用不同的时间间隔分发，即对于节点A而言，节点B、C、D在1跳范围内，则使用较短的时间间隔向这些节点分发这两种消息帧；由于E、F、G、H这些节点在1跳范围之外，则使用较长的时间间隔向这些节点分发这两种消息帧；

对于数据帧的发送，采用上层驱动的按需发送方式进行，即当节点A的上层需要向节点E发送用户数据时，节点A首先根据本地路由表查找可以到达节点E的下一跳节点C，然后向节点C发送包含该用户数据的数据帧。

步骤2，节点A在mac层接收消息帧。

2a)节点A根据帧格式中的帧类型，判断消息帧的类型：

若接收到的帧为域定时器帧，执行步骤2b；

若接收到的帧为链路状态帧，则执行步骤2c；

若接收到的帧为数据帧，则执行步骤2d；

2b)节点A对域定时器帧进行如下处理：

参照图4，本步骤的具体实现如下：

2b1)首先从定时器中获取所属“域级”的信息，本实施例中，节点B、C、D位于同一“域级”内，其余节点位于同一“域级”内；

2b2)检查本地邻居节点表是否存在过期的邻居节点，若有，删除过期邻居节点，并采用迪杰斯特拉Dijkstra算法计算最短路径，更新拓扑结构表中的邻居节点信息，并将需发送标志设为真，再执行(2b3)；否则，直接执行步骤(2b3)；

2b3)判断本地拓扑结构表中的节点是否位于该域级内，将该“域级”内节点的链路状态信息插入链路状态帧中，并将链路状态帧广播给邻居节点；

2b4)待所有需要发送的链路状态信息都处理完后，再预约下一次“域级”定时器，执行步骤(3)；

所述邻居节点表用于存放邻居信息，其与OSPF协议中的邻居表格式一致；

所述拓扑结构表用于存放从邻居节点收到的链路状态信息，其与OSPF协议中的拓扑表格式一致；

2c)节点A对链路状态帧进行如下处理：

参照图5：本步骤的具体实现如下：

2c1)查看本地邻居节点表中的邻居节点信息项，判断该表内是否已有链路状态帧中发送节点的地址信息，若没有，则表明发现一个新的邻居节点，将该节点插入到邻居节点表中，执行步骤(2c2)；否则，更新该节点的时间戳，执行步骤(2c2)；

2c2)查看本地拓扑结构表中的链路状态信息项，判断该表内是否已有链路状态帧中目的节点的地址信息，若没有，则表明发现一个新的目的节点，增加拓扑节点项，将该节点的链路状态信息插入到拓扑结构表中，并将需发送标志项设为“真”，执行步骤(2c5)；否则，执行步骤(2c3)；

2c3)判断链路状态帧中该节点的序列号是否等于表中该节点的序列号，若是，执行步骤(2c5)，否则，执行步骤(2c4)；

2c4)判断链路状态信息是否发生变化，若是，则更新链路状态信息，并将需发送标志项设为“真”，执行步骤(2c5)；否则，仅更新序列号和建立时间信息，并将需发送标志项设为“真”，执行步骤(2c5)；

2c5)当邻居节点表和拓扑结构表发生变化，即需发送标志项为“真”时，采用迪杰斯特拉Dijkstra算法计算最短路径，并同时更新本地路由表的相关项信息；

所述路由表用于存放到达目的节点的最优路径，与OSPF协议中的路由表格式一致；

2d)节点A对数据帧进行如下处理：

2d1)判断数据帧中的数据目的ID是否是自己的ID，若是，则接收数据，不再转发；否则，执行步骤(2d2)；

2d2)判断数据帧中的物理目的ID是否是自己的ID，若是，则从本地路由表中查询到达目的节点的下一跳地址，以该地址替代数据帧中的物理目的ID，并将该数据帧广播出去；否则，丢弃该数据帧。

步骤3，各节点用软状态方法探测链路是否崩溃：如果在时间间隔之内，节点A还没有从邻居节点B那里接收到链路状态消息，则认为该链路崩溃，并从邻居列表中删除节点B，同时从拓扑结构表中删除节点B的链路状态记录；否则，不进行处理。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种基于LoRa的无中心自组织网络的实现方法，包括：

2a)对域定时器帧进行如下处理：

2a1)从域定时器帧中获取当前“域级”的信息；

2b)对链路状态帧进行如下处理：

2c)对数据帧进行如下处理：

2.根据权利要求1所述的方法，其中域定时器帧和链路状态帧的发送，均采用定期发送方式，即根据拓扑表中各邻居节点距离本节点的跳数，使用不同的时间间隔分发。

3.根据权利要求1所述的方法，其中数据帧的发送，采用上层驱动的按需发送方式进行。

4.根据权利要求1所述的方法，其中域定时器帧的帧格式，采用自定义的帧格式，包括帧头标志、域定时器帧类型、帧序列号、物理源ID、物理目的ID、域定时器信息、数据源ID和数据目的ID。

5.根据权利要求1所述的方法，其中链路状态帧的帧格式，采用自定义的帧格式，包括帧头标志、链路状态帧类型、帧序列号、物理源ID、物理目的ID、链路状态信息、数据源ID和数据目的ID。

6.根据权利要求1所述的方法，其中数据帧的帧格式，采用自定义的帧格式，包括帧头标志、数据帧类型、帧序列号、物理源ID、物理目的ID、用户发送的数据信息、数据源ID和数据目的ID。