CN109348494A - 一种基于可独立组网节点的远距离局域网及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可独立组网节点的远距离局域网，包括主节点、多个通讯节点、尾节点、以及多个终端节点，当所有节点正常工作时，主节点与通讯节点、尾节点依次组成主网络，主网络与其周边的终端节点以透明传输的方式进行信息交互，从而共同组成一个局域网，当主节点、通讯节点、尾节点中的某一个或多个节点出现故障时，主节点、通讯节点、尾节点之中，任何一个向其相邻节点发送了唤醒信令、但未从该相邻节点接收到唤醒应答信令的节点，与单向网络中该节点的前一个或多个连续未出故障节点和/或后一或多个连续未出故障节点组成独立的局域网。本发明能够解决现有基于LoRa的局域网系统存在的节点出现故障导致网络瘫痪、维修工作量大的技术问题。

Description

一种基于可独立组网节点的远距离局域网及其工作方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于可独立组网节点的远距离局域网及其工作方法。
背景技术
随着列车大面积提速，公务、电务等部门对铁路线路及通讯信号进行现场维修和维护任务量也随之增大。工人作业在弯道、隧道、山区峡谷等地区作业，由于通讯信号影响，无法及时获取列车接近情况，因而会对施工人员的人身安全及设备设施构成威胁。
目前普遍使用的一种基于LoRa的局域网系统，该系统不依靠蜂窝网络独立组网，能够及时准确的传输信令，并已在诸多铁路路段上进行了应用。
然而，上述基于LoRa的局域网系统在使用过程中，仍然存在一些不可忽略的技术问题：
1、该系统信令采用链式传输方式，在工作过程中若某个节点出现故障，则信令无法继续传输，导致系统处于瘫痪状态，且后台人员无法获知出现故障的该节点的节点编号，从而使得系统检修的工作量大；
2、该系统在信令传输过程中会产生不同程度的网络拥塞，这也会进一步导致网络传输时延长，误码率高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于可独立组网节点的远距离局域网及其工作方法，其目的在于，解决现有基于LoRa的局域网系统存在的节点出现故障导致网络瘫痪、维修工作量大的技术问题，以及容易出现网络拥塞，从而导致传输时延长、误码率高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于可独立组网节点的远距离局域网，包括主节点、多个通讯节点、尾节点、以及多个终端节点，当所有节点正常工作时，主节点与通讯节点、尾节点依次组成主网络，主网络与其周边的终端节点以透明传输的方式进行信息交互，从而共同组成一个局域网，当主节点、通讯节点、尾节点中的某一个或多个节点出现故障时，主节点、通讯节点、尾节点之中，任何一个向其相邻节点发送了唤醒信令、但未从该相邻节点接收到唤醒应答信令的节点，与单向网络中该节点的前一个或多个连续未出故障节点和/或后一或多个连续未出故障节点组成独立的局域网。
优选地，主节点与通讯节点、通讯节点之间、通讯节点与终端节点之间、以及通讯节点与尾节点之间都是通过信令传输的方式进行通信，节点之间的信令传输在不同方向上使用不同的频率。
优选地，主节点用于使用其动态工作表维护所在局域网的工作状态，并根据该动态工作表生成信令，其中动态工作表包括通讯节点信息表，用于监测和维护每个通讯节点的当前状态及其对应的终端节点。
优选地，主节点所生成的信令包括信令头字段、有效数据字段、信令尾字段，信令头字段包括通讯节点编号字段、信令号字段、以及信令类型字段，通讯节点编号字段用在不同通讯节点之间的信令传递过程中，信令号字段用于区分不同的通讯循环的信令，信令类型字段用于区分不同的信令类型，其包括唤醒信令和唤醒应答信令。
优选地，所述远距离局域网进一步包括服务器，其与主节点通信连接。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于可独立组网节点的远距离局域网的工作方法，包括以下步骤：
(1)主网络中多个通讯节点中的每一个通讯节点接收到唤醒信令后，判断该唤醒信令是来自于终端节点，还是来自于通讯节点，若是来自于终端节点，则进入步骤(2)，若是来自于通讯节点，则进入步骤(3)；
(2)当前通讯节点收到终端节点发送的唤醒信令后，分别向主网络中其上一个通讯节点和下一个通讯节点进行转发，然后进入步骤(3)；
(3)当前通讯节点的上一个通讯节点在收到唤醒信令后，使用第一信道向主网络中其上一个通讯节点传输，并使用第二信道向当前通讯节点发送唤醒应答信令；
(4)当前通讯节点判断是否接收到来自于其上一个通讯节点的唤醒应答信令，如果是，则当前通讯节点停止发送唤醒信令，并进入步骤(5)，否则连续向其上一个通讯节点发送唤醒信令达N次并继续本步骤的判断过程，如果收到唤醒应答信令则进入步骤(5)，如果仍未收到唤醒应答信令，则当前通讯节点变为主节点，过程结束，其中N为小于等于3的自然数；
(5)当前通讯节点的下一个通讯节点使用第一信道向主网络中其下一个通讯节点传输唤醒信令，并使用第二信道向当前通讯节点发送唤醒应答信令；
(6)当前通讯节点判断是否接收到来自于其下一个通讯节点的唤醒应答信令，如果是，则当前通讯节点停止发送唤醒信令，并进入步骤(7)，否则连续向其下一个通讯节点发送唤醒信令达N次并继续本步骤的判断过程，如果收到唤醒应答信令则进入步骤(7)，如果仍未收到唤醒应答信令，则当前通讯节点变为尾节点，过程结束；
(7)基于上述步骤(1)到步骤(6)的处理得到的多个主节点中的每一个与下行链路方向上距离其最近的一个尾节点、以及该主节点和尾节点之间多个通讯节点，构成新的独立的局域网。
优选地，步骤(2)具体为，通讯节点通过第一信道分时向其两侧的相邻通讯节点传输该唤醒信令，在2s内取随机数延时向其上一个通讯节点发送唤醒信令，在2-4s内取随机数延时向下一个通讯节点发送唤醒信令，其中当某一个通讯节点已经转发过唤醒信令后，就不再转发其他唤醒信令。
优选地，所述工作方法进一步包括在当前通讯节点变为尾节点以后，在向首节点发送唤醒应答信令时，使用其尾节点的编号更新唤醒应答信令中尾节点编号字段的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的局域网系统可实现动态组网功能，在单节点故障情况下，其余正常工作的连续通讯节点组成一个或多个小网络，实现设备使用率最大化。
(2)本发明的局域网系统通过采用不同信道进行通讯，能有效地减少了因同频通信引起的误码率问题，同时避免了信令传输过程中可能产生的不同程度的网络拥塞，提高了网络实时性。
(3)本发明的局域网系统适用于通讯信号不好的地区(弯道、隧道、树木遮挡地区等)，且能够完全不依靠蜂窝网、以太网等传统网络而独立地工作。
(4)本发明的局域网系统是采用基于LoRa的通讯方式，其具有低功耗远距离传输特点，在相同电池电量情况下，该系统工作时间更长，网络容量大，适合企业或行业性应用。
附图说明
图1是本发明基于可独立组网节点的远距离局域网的架构图。
图2是本发明基于可独立组网节点的远距离局域网的工作方法的流程图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明基于可独立组网节点的远距离局域网包括主节点1、多个通讯节点2、尾节点3、以及多个终端节点4，主节点1可通过多个通讯节点2与尾节点3通信连接，每个通讯节点2都可对应与多个终端节点4通信连接，每个终端节点4也可对应与多个通讯节点2通信连接，只要其位于这些通讯节点2的覆盖范围内即可。
作为进一步优选地，本发明的系统还可包括服务器5，其与主节点1通信连接。
当所有节点正常工作时，主节点1与通讯节点2、尾节点3依次组成一个链式的单向网络(将这个链式的单向网络称为主网络)，主网络与其周边的终端节点4以透明传输的方式进行信息交互，从而共同组成一个局域网。为了避免局域网内的同频干扰，主节点1与通讯节点2、通讯节点2之间、通讯节点2与终端节点4之间、以及通讯节点2与尾节点3之间都是通过信令传输的方式进行通信，其中节点之间的信令传输在不同方向上使用不同的频率。
在通信过程中，当主节点1、通讯节点2、尾节点3中的某一个或多个节点出现故障时，主节点1、通讯节点2、尾节点3之中，任何一个向其相邻节点发送了唤醒信令、但未从该相邻节点接收到唤醒应答信令的节点(称该节点为正常节点)，与单向网络中该节点(即正常节点)的前一个或多个连续未出故障节点和/或后一或多个连续未出故障节点组成独立的局域网。
举例而言，在图1的系统中，可以看到包括有1个主节点、3个通讯节点、以及1个尾节点，此时，如果：
(1)主节点发生故障，其他节点正常，则第一个通讯节点作为新的主节点，与剩下的两个通讯节点、以及尾节点组成新的、独立的局域网；
(2)第一个通讯节点发生故障，其他节点正常，则原主节点无法工作，此时第二个通讯节点作为新的主节点，与第三个通讯节点、以及尾节点组成新的、独立的局域网；
(3)第二个通讯节点发生故障，其他节点正常，则原主节点和第一个通讯节点组成一个新的、独立的局域网(其中原第一个通讯节点作为新的尾节点)，而第三个通讯节点与尾节点组成另一个新的、独立的局域网(其中原第三个通讯节点作为新的主节点)；
(4)主节点和第二个通讯节点发生故障，此时第一个通讯节点无法工作，第三个通讯节点和尾节点组成另一个新的、独立的局域网(其中原第三个通讯节点作为新的主节点)；
在本实施方式中，终端节点4为用户手持设备或读表设备，也可以根据用户不同的需求来定义不同的终端节点4。
主节点1用于使用其动态工作表维护所在局域网的工作状态，并根据该动态工作表生成信令。
如下表1所示，主节点1的动态工作表包括通讯节点信息表和用户自定义数据表，用于根据用户的不同需求维护用户所需数据。
表1
维护信息表类型 功能
通讯节点信息表 监测每个通讯节点的工作状态及下辖终端节点
用户自定义数据表 用户根据不同应用需求定义所需维护表
通讯节点信息表用于监测和维护每个通讯节点的当前状态(即正常工作或是出现故障)及其对应的终端节点。
主节点所生成的信令的结构如下表2所示，其由信令头字段、有效数据字段、信令尾字段三部分构成，其中通讯节点编号、信令号、信令类型为信令头，各信令间的信令头/尾基本一致。信令用16进制数值表示。
表2
通讯节点编号字段用在不同通讯节点之间的信令传递过程中；
信令号字段用来区分不同的通讯循环的信令；
信令类型字段用来区分几种不同的信令。为符合通讯协议设计要求，信令类型分为唤醒信令、唤醒应答信令、轮询信令、终端应答信令、以及辅助轮询信令。五种信令相互配合完成系统唤醒、竞选，以及动态更新工作表等一系列过程。
唤醒信令是由主终端和通讯节点发起，在同一链路内向上、下两个方向分别传输唤醒信令，将系统休眠状态唤醒至工作状态。其对应的有效数据字段为信令方向位，用来指示信令传输的方向。
例如：通讯节点收到唤醒信令：0x15 0x22,对信令进行解析，发现该信令通讯节点编号为5，即为编号为5的通信节点发送的唤醒信令，发送的唤醒信令；若通讯节点编号全为1，即为终端节点发送的唤醒信令。
唤醒应答信令对应的有效数据字段为尾节点编号字段，用来指示当前网络尾节点编号。
唤醒信令和唤醒应答信令相互配合，完成系统唤醒以及主节点、尾节点选择功能。
例如：通讯节点4收到下一个通讯节点回传的唤醒应答信令0x15 0x30，说明下一通讯节点已收到并能够向原方向发送唤醒信令，下一个通讯节点状态正常。若通讯节点2秒内多次重发唤醒信令，仍未收到下一给通讯节点发送的唤醒应答信令，则判断下一个通讯节点故障，当前节点变为尾节点。
如图2所示，本发明基于可独立组网节点的远距离局域网的工作方法包括以下步骤，
(1)主网络中多个通讯节点中的每一个通讯节点接收到唤醒信令后，判断该唤醒信令是来自于终端节点，还是来自于通讯节点，若是来自于终端节点，则进入步骤(2)，若是来自于通讯节点，则进入步骤(3)；
当主网络被唤醒时，初次识别到的唤醒信令默认为终端节点所发，且与通讯节点所发送的唤醒信令在时间上具有先后关系。
具体而言，若收到的唤醒信令的“通讯节点编号”字段中的值全为1，则表示该唤醒信令是来自终端节点，若值为其他数值，则表示该唤醒信令是来自通讯节点。
(2)当前通讯节点收到终端节点发送的唤醒信令后，分别向主网络中其上一个通讯节点和下一个通讯节点进行转发，然后进入步骤(3)；
具体而言，通讯节点通过第一信道(例如410MHZ)分时向其两侧的相邻通讯节点传输该唤醒信令，在2s内取随机数延时(随机数具体为100ms的正整数倍，也就是说，可以从0到100ms，100到200ms，…，1.9s到2s的时间间隔内)向其上一个通讯节点发送唤醒信令，在2-4s内取随机数延时(随机数具体为100ms的正整数倍，也就是说，可以从2s到2.1s，2.1s到2.2s，…，3.9s到4s的时间间隔内)向下一个通讯节点发送唤醒信令；
此时，由于终端节点发起的唤醒信令可能会同时被多个通讯节点收到，所以可能会有某个通讯节点在向其下一个通讯节点传输唤醒信令的同时，遇到其下一个通讯节点正在向其传输唤醒指令的情况，从而造成信道拥塞影响信令传输，故当某一个通讯节点已经转发过唤醒信令后，就不再转发其他唤醒信令。
(3)当前通讯节点的上一个通讯节点在收到唤醒信令后，使用第一信道向主网络中其上一个通讯节点传输，并使用第二信道向当前通讯节点发送唤醒应答信令；
具体而言，第二信道例如420MHz。
(4)当前通讯节点判断是否接收到来自于其上一个通讯节点的唤醒应答信令，如果是，则当前通讯节点停止发送唤醒信令，并进入步骤(5)，否则连续向其上一个通讯节点发送唤醒信令达N次(其中N为小于等于3的自然数)并继续本步骤的判断过程，如果收到唤醒应答信令则进入步骤(5)，如果仍未收到唤醒应答信令，则表示当前通讯节点的上一个通讯节点出现故障，此时当前通讯节点变为主节点，过程结束；
(5)当前通讯节点的下一个通讯节点使用第一信道向主网络中其下一个通讯节点传输唤醒信令，并使用第二信道向当前通讯节点发送唤醒应答信令；
具体而言，第二信道是例如420MHz。
(6)当前通讯节点判断是否接收到来自于其下一个通讯节点的唤醒应答信令，如果是，则当前通讯节点停止发送唤醒信令，并进入步骤(7)，否则连续向其下一个通讯节点发送唤醒信令达N次(其中N为小于等于3的自然数)并继续本步骤的判断过程，如果收到唤醒应答信令则进入步骤(7)，如果仍未收到唤醒应答信令，则表示当前通讯节点的下一个通讯节点出现故障，此时当前通讯节点变为尾节点，过程结束；
作为进一步优选的，本步骤还可以进一步包括在当前通讯节点变为尾节点以后，在向首节点发送唤醒应答信令时，使用其尾节点的编号更新唤醒应答信令中尾节点编号字段。
(7)基于上述步骤(1)到步骤(6)的处理得到的多个主节点中的每一个与下行链路方向(即主网络中主节点到通讯节点再到尾节点形成的方向)上距离其最近的一个尾节点、以及该主节点和尾节点之间多个通讯节点，构成新的独立的局域网。
在执行了本步骤的过程以后，原有的主网络被划分成了多个独立工作的局域网架构。
举例而言，在图1的系统中，可以看到包括有1个主节点、3个通讯节点、以及1个尾节点，此时，如果：
①主节点发生故障，其他节点正常，则第一个通讯节点作为新的主节点，与剩下的两个通讯节点、以及尾节点组成新的、独立的局域网；
②第一个通讯节点发生故障，其他节点正常，则原主节点无法工作，此时第二个通讯节点作为新的主节点，与第三个通讯节点、以及尾节点组成新的、独立的局域网；
③第二个通讯节点发生故障，其他节点正常，则原主节点和第一个通讯节点组成一个新的、独立的局域网(其中原第一个通讯节点作为新的尾节点)，而第三个通讯节点与尾节点组成另一个新的、独立的局域网(其中原第三个通讯节点作为新的主节点)；
④主节点和第二个通讯节点发生故障，此时第一个通讯节点无法工作，第三个通讯节点和尾节点组成另一个新的、独立的局域网(其中原第三个通讯节点作为新的主节点)；
以下是本发明的重要技术指标：
一、本发明主要为中小区域型网络系统，理论上通信节点总数量不超过64个，覆盖区域的直线距离不超过30公里，但可以根据对实时性的不同要求来做适当调节，实时性要求不高的话可相应增加中继节点数量和覆盖范围。理论上在网的终端节点的数量不应超过32个，但可以根据对实时性的不同要求来做适当调节，实时性要求不高的话可相应增加终端节点数量，只做接收不做入网动作的终端节点数量不受限制。
二、本发明采用动态组网方式进行系统初始化组网，
三、本发明采用410MHZ和420MHZ信道进行通信，减少因信道干扰造成的误码问题，且为基于LoRa的低功耗通讯方式，有效降低传输电池损耗，使设备工作时间变长。
四、本发明的方案具有施工难度低、工期短，造价少，功耗低等特点，最大限度保障工人在弯道、隧道地区作业时的人身安全问题。
本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种基于可独立组网节点的远距离局域网，包括主节点、多个通讯节点、尾节点、以及多个终端节点，当所有节点正常工作时，主节点与通讯节点、尾节点依次组成主网络，主网络与其周边的终端节点以透明传输的方式进行信息交互，从而共同组成一个局域网，其特征在于，
当主节点、通讯节点、尾节点中的某一个或多个节点出现故障时，主节点、通讯节点、尾节点之中，任何一个向其相邻节点发送了唤醒信令、但未从该相邻节点接收到唤醒应答信令的节点，与单向网络中该节点的前一个或多个连续未出故障节点和/或后一或多个连续未出故障节点组成独立的局域网。
2.根据权利要求1所述的远距离局域网，其特征在于，主节点与通讯节点、通讯节点之间、通讯节点与终端节点之间、以及通讯节点与尾节点之间都是通过信令传输的方式进行通信，节点之间的信令传输在不同方向上使用不同的频率。
3.根据权利要求1所述的远距离局域网，其特征在于，主节点用于使用其动态工作表维护所在局域网的工作状态，并根据该动态工作表生成信令，其中动态工作表包括通讯节点信息表，用于监测和维护每个通讯节点的当前状态及其对应的终端节点。
4.根据权利要求3所述的远距离局域网，其特征在于，
主节点所生成的信令包括信令头字段、有效数据字段、信令尾字段；
信令头字段包括通讯节点编号字段、信令号字段、以及信令类型字段；
通讯节点编号字段用在不同通讯节点之间的信令传递过程中；
信令号字段用于区分不同的通讯循环的信令；
信令类型字段用于区分不同的信令类型，其包括唤醒信令和唤醒应答信令。
5.根据权利要求1所述的远距离局域网，其特征在于，进一步包括服务器，其与主节点通信连接。
6.一种根据权利要求1至5中任意一项所述基于可独立组网节点的远距离局域网的工作方法，其特征在于，包括以下步骤，
(1)主网络中多个通讯节点中的每一个通讯节点接收到唤醒信令后，判断该唤醒信令是来自于终端节点，还是来自于通讯节点，若是来自于终端节点，则进入步骤(2)，若是来自于通讯节点，则进入步骤(3)；
(2)当前通讯节点收到终端节点发送的唤醒信令后，分别向主网络中其上一个通讯节点和下一个通讯节点进行转发，然后进入步骤(3)；
(3)当前通讯节点的上一个通讯节点在收到唤醒信令后，使用第一信道向主网络中其上一个通讯节点传输，并使用第二信道向当前通讯节点发送唤醒应答信令；
(4)当前通讯节点判断是否接收到来自于其上一个通讯节点的唤醒应答信令，如果是，则当前通讯节点停止发送唤醒信令，并进入步骤(5)，否则连续向其上一个通讯节点发送唤醒信令达N次并继续本步骤的判断过程，如果收到唤醒应答信令则进入步骤(5)，如果仍未收到唤醒应答信令，则当前通讯节点变为主节点，过程结束，其中N为小于等于3的自然数；
(5)当前通讯节点的下一个通讯节点使用第一信道向主网络中其下一个通讯节点传输唤醒信令，并使用第二信道向当前通讯节点发送唤醒应答信令；
(6)当前通讯节点判断是否接收到来自于其下一个通讯节点的唤醒应答信令，如果是，则当前通讯节点停止发送唤醒信令，并进入步骤(7)，否则连续向其下一个通讯节点发送唤醒信令达N次并继续本步骤的判断过程，如果收到唤醒应答信令则进入步骤(7)，如果仍未收到唤醒应答信令，则当前通讯节点变为尾节点，过程结束；
(7)基于上述步骤(1)到步骤(6)的处理得到的多个主节点中的每一个与下行链路方向上距离其最近的一个尾节点、以及该主节点和尾节点之间多个通讯节点，构成新的独立的局域网。
7.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于，步骤(2)具体为，通讯节点通过第一信道分时向其两侧的相邻通讯节点传输该唤醒信令，在2s内取随机数延时向其上一个通讯节点发送唤醒信令，在2-4s内取随机数延时向下一个通讯节点发送唤醒信令，其中当某一个通讯节点已经转发过唤醒信令后，就不再转发其他唤醒信令。
8.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于，进一步包括在当前通讯节点变为尾节点以后，在向首节点发送唤醒应答信令时，使用其尾节点的编号更新唤醒应答信令中尾节点编号字段的步骤。
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