CN109788444A - 应用于高密度多跳网络中的节点组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，所述方法步骤如下：中央控制器作为根节点向根节点一跳范围内的节点广播信标帧；一跳节点收到信标帧后向中央控制器返回接入请求帧，中央控制器判断一跳节点是否满足入网要求，再判断满足入网要求的节点是否为中继节点，通过轮询一跳中继节点使二跳节点入网，选择二跳入网节点中的中继节点继续轮询，直到多跳网络中的节点均完成入网,通过对多跳网络中中继节点的选择，多跳节点组网过程和信息存储等有效提高组网效率，以达到提高高密度环境下的节点组网效率，提高节点的响应时间的目的。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及一种应用于高密度多跳网络中的节点组网方法。
背景技术
随着物联网产业的兴起，智能家电逐渐进入人们的生活，如何快速的将智能设备进行组网，是当前研究的热门技术点。当前，智能终端通过专用的控制节点(中央控制器CCO)同智能家居节点连接，再由控制节点将智能终端的指令转发给其他智能家居节点。
无线多跳网络中，源节点和目的节点之间可能存在多个中继节点。因此多跳网络中一个节点具有两种功能，即节点既可以充当终端节点产生或接受数据分组，节点又可以作为中继节点对其它节点的数据分组进行存储转发。如无线多跳网络中的Ad Hoc网络，无线传感器网络以及无线网状网等。这些多跳网络没有考虑采用一个集中式的网络控制器来对整个网络的资源进行管理和控制，缺乏集中控制的能力。
电力线载波通讯是一种通过电线进行数据传输的通信技术。是利用现有电网作为信号的传递介质，使电网在传输电力的同时可以进行数据通讯，这种方式不仅能够有效监测和控制电网中的电力设备、仪表以及家用电器。国家电网科「2014」64号中,提供了《电力用户用电信息采集系统》系列标准。在该标准中，在单网络组网的过程中给出了中央控制协调器简称、代理控制器以及设备的组网行为，但是总体上,该规范描述粗略,特别是未涉及具体的实现细节。在实际工程实现中，不能仅仅考虑功能的实现，还需要考虑设备的生产和销售，以及后期运营维护成本，以及在高密度环境下，组网的效率低，响应时间慢等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，以达到提高高密度环境下的节点组网效率，提高节点的响应时间的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，所述方法步骤如下：
步骤1：中央控制器作为根节点广播信标帧；
步骤2：根节点一跳范围内的节点在接收到信标帧后，向中央控制器发送接入请求帧；
步骤3：中央控制器接收到其一跳范围内的未入网节点的接入请求帧后，判断该根节点是否满足入网条件，丢弃不满足入网条件的节点，继续判断满足入网条件的节点是否满足中继节点的要求，对满足中继节点要求的节点做标记和相关信息存储；
步骤4：中央控制器判断满足入网条件的节点的逻辑地址是否与入网节点的逻辑地址发生冲突，若当前判断的节点的逻辑地址与入网节点的逻辑地址没有冲突，则将该逻辑地址分配给该节点，对该节点做入网响应帧并将该节点的信息存储至中央控制器中，否则中央控制器为当前判断的节点重新分配一个无冲突的逻辑地址，对该节点做入网响应帧并将该节点的信息存储至中央控制器中，该节点接收到入网响应帧后与入网响应帧中的地址进行匹配，并检测和更新节点的逻辑地址，；
步骤5：当满足入网条件的一跳范围内的节点全部入网后，中央控制器根据一跳中继节点的入网顺序轮询一跳中继节点中的第一个中继节点，中央控制器单播信标帧给第一个中继节点，该中继节点收到后广播信标帧，中央控制器在连续的一端时间内判断该中继节点是否有接入请求帧返回至中央控制器，接收到该信标帧的未入网节点通过中继节点向中央控制器发送接入请求帧，中继节点转发接入请求帧时将自己的逻辑地址封装至接入请求帧中，中央控制器接收到未入网节点发送来的接入请求帧后按步骤3和步骤4完成对二跳节点的入网，如果中央控制器在连续的一端时间内没接收到中继节点返回的接入请求帧，则跳转步骤6；
步骤6：中央控制器根据一跳中继节点的入网顺序依次轮询中继节点，并重复步骤5，直至所有满足的二跳节点的未入网节点全部入网；
步骤7：按步骤5和步骤6完成三跳节点至多跳节点的入网操作，完成节点组网。
进一步地，所述节点向中央控制器发送接入请求帧时采用二进制退避算法进行退避。
进一步地，所述判断根节点一跳范围内的节点是否满足入网条件是：中央控制器在接收到来自节点的接入请求帧后，获取上行译码迭代次数和下行译码迭代次数中最大值，如果该值小于满足入网条件的阈值2，则该节点可以入网，所述判断满足入网条件的节点是否满足中继节点的要求是：该值在阈值1至阈值2之间的范围内时，该节点为中继节点。
进一步地，所述逻辑地址是所有的节点在发送接入请求帧前，根据其内置的hash映射函数H(mac)，将其48位的MAC地址映射成为一个n位的逻辑地址，并以该逻辑地址作为接入请求帧的源地址。
进一步地，所述该节点的信息包括：路由信息，MAC地址，译码迭代次数和信号强度值，所述将该节点的信息存储至中央控制器中是将路由信息，MAC地址，译码迭代次数和信号强度值存储在中央控制器维护的信息表中。
进一步地，所述该节点接收到入网响应帧后与入网响应帧中的地址进行匹配是将入网响应帧中的MAC地址匹配。
进一步地，所述二跳节点接收到信标帧后将接收到该信标帧的信号强度值和译码迭代次数信息分别封装在接入请求帧中。
进一步地，所述中继节点转发接入请求帧时还将自己的接收到该接入请求帧的信号强度和译码迭代次数封装至接入请求帧中。
本发明具有如下优点：
本发明通过对多跳网络中中继节点的选择，多跳节点组网过程和信息存储等有效提高组网效率，且同时考虑到组网完成后，数据传输过程中提高节点的路由信息和轮询顺序来提高数据传输阶段的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例公开的组网过程帧交换示意图；
图2为本发明实施例公开的帧格式示意图；
图3为本发明实施例公开的组网过程流程图；
图4为本发明实施例公开的树形网络拓扑示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，其工作原理是通过对多跳网络中中继节点的选择，多跳节点组网过程和信息存储等有效提高组网效率，以达到提高高密度环境下的节点组网效率，提高节点的响应时间的目的。
下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，为组网过程中帧的交换过程。
如图2所示：为帧的格式，其中：类型：占2个比特，可将帧共分为4种类型，目前使用控制帧，管理帧，数据帧。
子类型：占4个比特，用来区分同一种类型不同子类型的帧。
业务类型：占2个比特，根据节点的不同业务类型来区分，共4中业务类型。
JS：占4个比特，用来标记当前节点到目的节点还需要的跳数。
SA、DA、DA1-DA3：每一个都占12个比特，用来标记源地址以及目的地址，DA1-DA3表示中继节点的地址。
Length：占10个比特，可表示的范围为0～1023，用来标记数据部分的长度。
DATA：DATA部分用来存放各种不同类型帧的数据部分信息。
表1帧类型以及子类型
表1给出了在组网节点用到的帧类型以及子类型相关信息。管理帧用于节点与CCO直接进行入网等信息的交互。
①信标(Beacon)——此帧由CCO广播发出，在Beacon帧的payload部分将携带CCO的相关信息，如网络可以支持的最大速率、支持的业务类型等。
②入网请求(Request to Access)——当一跳节点在接收到COO广播的信标帧之后就开启退避，当退避值为0就向CCO发送该帧。
③入网响应(Response to Access)——当CCO接收到接入请求帧之后且未发生碰撞，
CCO将向节点返回该帧，对于逻辑地址冲突的节点将分配一个新的逻辑地址并将其封装在payload中。
如图3所示：一种应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，所述方法步骤如下：
步骤1：中央控制器作为根节点广播信标帧；
步骤2：根节点一跳范围内的节点在接收到信标帧后，向中央控制器发送接入请求帧；
步骤3：中央控制器接收到其一跳范围内的未入网节点的接入请求帧后，判断该根节点是否满足入网条件，丢弃不满足入网条件的节点，继续判断满足入网条件的节点是否满足中继节点的要求，对满足中继节点要求的节点做标记和相关信息存储；
步骤4：中央控制器判断满足入网条件的节点的逻辑地址是否与入网节点的逻辑地址发生冲突，若当前判断的节点的逻辑地址与入网节点的逻辑地址没有冲突，则将该逻辑地址分配给该节点，对该节点做入网响应帧并将该节点的信息存储至中央控制器中，否则中央控制器为当前判断的节点重新分配一个无冲突的逻辑地址，对该节点做入网响应帧并将该节点的信息存储至中央控制器中，该节点接收到入网响应帧后与入网响应帧中的地址进行匹配，并检测和更新节点的逻辑地址；
步骤5：当满足入网条件的一跳范围内的节点全部入网后，中央控制器根据一跳中继节点的入网顺序轮询一跳中继节点中的第一个中继节点，中央控制器单播信标帧给第一个中继节点，该中继节点收到后广播信标帧，中央控制器在连续的一端时间内判断该中继节点是否有接入请求帧返回至中央控制器，接收到该信标帧的未入网节点通过中继节点向中央控制器发送接入请求帧，中继节点转发接入请求帧时将自己的逻辑地址封装至接入请求帧中，中央控制器接收到未入网节点发送来的接入请求帧后按步骤3和步骤4完成对二跳节点的入网，如果中央控制器在连续的一端时间内没接收到中继节点返回的接入请求帧，则跳转步骤6；
步骤6：中央控制器根据一跳中继节点的入网顺序依次轮询中继节点，并重复步骤5(唯一区别在于该入网请求和CCO的入网响应帧需要两次中继)，直至所有满足的二跳节点的未入网节点全部入网；
步骤7：按步骤5和步骤6完成三跳节点至多跳节点的入网操作，完成节点组网。
其中，所述节点向中央控制器发送接入请求帧时采用二进制退避算法进行退避。
其中，所述判断根节点一跳范围内的节点是否满足入网条件是：中央控制器在接收到来自节点的接入请求帧后，获取上行译码迭代次数和下行译码迭代次数中最大值，如果该值小于满足入网条件的阈值2(Threshold2)，则该节点可以入网，所述判断满足入网条件的节点是否满足中继节点的要求是：该值在阈值1(Threshold1)至阈值2(Threshold2)之间[Threshold1,Threshold2]的范围内时，该节点为中继节点。
其中，入网要求具体指由于上行链路和下行链路是非对称链路，二者中任一链路方向上的信号质量(信号质量认为与译码迭代次数和信号强度有关)太差都将会影响数据传输，因此CCO接收到来自节点的接入请求帧后，获取上行译码迭代次数和下行译码迭代次数中较大值。
其中，所述逻辑地址是所有的节点在发送接入请求帧前，根据其内置的hash映射函数H(mac)，将其48位的MAC地址映射成为一个n位的逻辑地址(n可参数化，与特定场景和应用有关)，并以该逻辑地址作为接入请求帧的源地址，且节点将其MAC地址封装在接入请求帧的payload部分。
其中，所述该节点的信息包括：路由信息，MAC地址，译码迭代次数和信号强度值，所述将该节点的信息存储至中央控制器中是将路由信息，MAC地址，译码迭代次数和信号强度值存储在中央控制器维护的信息表中。
其中，所述该节点接收到入网响应帧后与入网响应帧中的地址进行匹配是将入网响应帧中的MAC地址匹配。
其中，为了尽可能让一跳范围内的节点入网，我们设定：Beacon帧在组网节点的发送周期为T1时间(T1与网络中的预估的一跳节点数量有关)。同时，CCO在判断节点可入网时，会为节点分配一个无冲突的逻辑地址用于节点和CCO的所有通信过程。
其中，所述二跳节点接收到信标帧后将接收到该信标帧的信号强度值和译码迭代次数信息分别封装在接入请求帧中。
其中，所述中继节点转发接入请求帧时还将自己的接收到该接入请求帧的信号强度和译码迭代次数封装至接入请求帧中。
其中，CCO将其要轮询的一跳中继节点的逻辑地址封装在DA1中，此时地址指针字段JS＝1，当该中继节点接收并解析此Beacon帧时，将JS值减一，中继节点转发该Beacon帧。此时的JS指向了目的地址DA，该地址是一个广播地址。
如图4所示：假设网络中有15个节点，其中节点到CCO之间的跳数最多不超过3跳，即节点和CCO之间最有有2个中继节点，网络完成组网后的拓扑图如图4所示。
组网阶段开始时，CCO广播beacon帧，在其一跳范围内的节点A、B、C、D、E、F在接收到CCO发送的beacon帧后，按照二进制退避进行竞争信道，节点成功竞争到信道后向CCO发送入网请求帧，该帧携带节点接收到beacon的信号质量(认为与译码迭代次数和信号强度有关)。CCO在接收到节点的入网请求帧后，获取节点接收到beacon的信号质量信息记为downSignl，以及CCO接收到节点入网请求帧的信号质量信息记为upSignal与信号质量阈值记为Threshold2进行比较。若min{downSignal，upSignal}>Threshold2，CCO将该节点的相关信息存储，并对节点做入网响应。若min{downSignal，upSignal}在[Threshold1，Threshold2]范围内，则CCO将标记该节点为一跳中继节点，CCO为该节点分配一个唯一的逻辑地址，再对该节点做入网响应。反之节点不满足入网要求，则CCO丢弃该帧。所有的一跳节点都按照上述方法入网。如图所示节点A、E为一跳中继节点，假设一跳节点的入网顺序为A、B、C、D、E、F。
当在T1(尽可能让一跳节点完成入网的时间)时间后，为了避免广播风暴，本发明实施例采用轮询的方式，按照中继节点的入网顺序依次轮询一跳中继节点即A、E。(1)此时CCO发送beacon帧给中继节点A，节点A在接收到beacon帧后，向未入网节点广播beacon帧，所有接收到beacon帧的未入网节点，竞争信道以发送入网请求帧。(2)节点1、2、3、4在接收到中继节点A广播的beacon帧后，采用二进制退避接入信道。(3)若节点1成功竞争到信道，则节点1向中继节点A发送携带downSignal(节点接收到beacon的信号质量)的入网请求帧。(4)中继节点A在接收到节点1发送的入网请求帧后，将upSignal(中继节点接收到入网请求帧的信号强度)和中继节点的地址信息封装在该节点的入完请求帧中，并转发给CCO。(5)CCO收到节点1的入网请求帧后，判断min{downSi，upSignal}与Threshold1，Threshold2之间的关系以确定该节点是否入网以及是否满足成为中继节点条件。节点2、3、4同节点1入网过程相同。如图4所示，假设节点3满足中继节点要求，即节点3为二跳中继节点。(6)当CCO在连续T2(尽可能使中继节点A范围内的二跳节点入网的时间)时间内，没有接收到来自节点A的入网请求帧后。CCO开始轮询中继节点E。(7)CCO轮询中继节点E以完成中继节点E下的二跳节点的入网操作与中继节点A下的二跳节点入网方式相同。(8)当CCO在连续T2(尽可能使节点E下的二跳节点入网的时间)时间内，没有接收到来自节点E的入网请求帧后。CCO开始轮询二跳中继节点3。
CCO根据存储的中继节点3的路由信息，发送beacon帧给中继节点3(CCO发送beacon给中继节点A，节点A转发beacon帧给中继节点3)。(1)中继节点3在接收到CCO发送的beacon帧，进行广播beacon帧给未入网的节点，节点7、8、9在接收到beacon帧后，按照二进制退避接入信道。若节点7成功接入信道。(2)节点7向中继节点3发送携带downSignal的入网请求帧给中继节点3。(3)中继节点3将upSignal和其地址信息封装在该节点的入网请求帧中，并转发给中继节点A，中继节点A在接收到该入网请求后，转发该入网请求帧给CCO。(4)CCO收到节点7的入网请求帧后，判断min{downSignal，upSignal}与Threshold1，Threshold2之间的关系以确定该节点是否入网或是否为中继节点。节点8、9的入网过程同节点7相同。
在这里简单举例网络中最多有3跳节点的例子，但本实施例不仅仅局限于网络中只有3跳节点。当网络中有多跳节点时，网络中的节点采用上述相同方法完成多跳节点的入网。
以上所述的仅是本发明所公开的一种应用于高密度多跳网络中的节点组网方法的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
步骤1：中央控制器作为根节点广播信标帧；
步骤2：根节点一跳范围内的节点在接收到信标帧后，向中央控制器发送接入请求帧；
步骤3：中央控制器接收到其一跳范围内的未入网节点的接入请求帧后，判断该根节点是否满足入网条件，丢弃不满足入网条件的节点，继续判断满足入网条件的节点是否满足中继节点的要求，对满足中继节点要求的节点做标记和相关信息存储；
步骤4：中央控制器判断满足入网条件的节点的逻辑地址是否与入网节点的逻辑地址发生冲突，若当前判断的节点的逻辑地址与入网节点的逻辑地址没有冲突，则将该逻辑地址分配给该节点，对该节点做入网响应帧并将该节点的信息存储至中央控制器中，否则中央控制器为当前判断的节点重新分配一个无冲突的逻辑地址，对该节点做入网响应帧并将该节点的信息存储至中央控制器中，该节点接收到入网响应帧后与入网响应帧中的地址进行匹配，并检测和更新节点的逻辑地址；
步骤5：当满足入网条件的一跳范围内的节点全部入网后，中央控制器根据一跳中继节点的入网顺序轮询一跳中继节点中的第一个中继节点，中央控制器单播信标帧给第一个中继节点，该中继节点收到后广播信标帧，中央控制器在连续的一端时间内判断该中继节点是否有接入请求帧返回至中央控制器，接收到该信标帧的未入网节点通过中继节点向中央控制器发送接入请求帧，中继节点转发接入请求帧时将自己的逻辑地址封装至接入请求帧中，中央控制器接收到未入网节点发送来的接入请求帧后按步骤3和步骤4完成对二跳节点的入网，如果中央控制器在连续的一端时间内没接收到中继节点返回的接入请求帧，则跳转步骤6；
步骤6：中央控制器根据一跳中继节点的入网顺序依次轮询中继节点，并重复步骤5，直至所有满足的二跳节点的未入网节点全部入网；
步骤7：按步骤5和步骤6完成三跳节点至多跳节点的入网操作，完成节点组网。
2.根据权利要求1所述的应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，其特征在于，所述节点向中央控制器发送接入请求帧时采用二进制退避算法进行退避。
3.根据权利要求1所述的应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，其特征在于，所述判断根节点一跳范围内的节点是否满足入网条件是：中央控制器在接收到来自节点的接入请求帧后，获取上行译码迭代次数和下行译码迭代次数中最大值，如果该值小于满足入网条件的阈值2，则该节点可以入网，所述判断满足入网条件的节点是否满足中继节点的要求是：该值在阈值1至阈值2之间的范围内时，该节点为中继节点。
4.根据权利要求1所述的应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，其特征在于，所述逻辑地址是所有的节点在发送接入请求帧前，根据其内置的hash映射函数H，将其48位的MAC地址映射成为一个n位的逻辑地址，并以该逻辑地址作为接入请求帧的源地址。
5.根据权利要求1所述的应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，其特征在于，步骤4中，所述该节点的信息包括：路由信息，MAC地址，译码迭代次数和信号强度值，所述将该节点的信息存储至中央控制器中是将路由信息，MAC地址，译码迭代次数和信号强度值存储在中央控制器维护的信息表中。
6.根据权利要求1所述的应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，其特征在于，所述该节点接收到入网响应帧后与入网响应帧中的地址进行匹配是将入网响应帧中的MAC地址匹配。
7.根据权利要求1所述的应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，其特征在于，所述二跳节点接收到信标帧后将接收到该信标帧的信号强度值和译码迭代次数信息分别封装在接入请求帧中。
8.根据权利要求1所述的应用于高密度多跳网络中的节点组网方法，其特征在于，所述中继节点转发接入请求帧时还将自己的接收到该接入请求帧的信号强度和译码迭代次数封装至接入请求帧中。
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