CN110167100A - 一种物联网中中继节点的选择方法 - Google Patents

一种物联网中中继节点的选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于物联网通信领域，具体涉及一种物联网中中继节点的选择方法，中继节点作为物联网中源节点与目的节点之间传递信息的桥梁，可用于提升消息的传递效率，通过设计一种中继节点的选择策略，并且该策略结合节点间的链路质量、节点与集中控制处理器的相对位置、相对距离及相对方向来合理的选择最佳中继节点，进而提升网络吞吐量、减小时延、扩大节点的覆盖范围以获取对全网性能的最大提升，进而提升网络资源的利用率。

Description

一种物联网中中继节点的选择方法
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，具体而言，涉及一种物联网中多跳网络的中继节点选择方法。
背景技术
物联网技术是继计算机技术和互联网技术的第三次革命浪潮，有着巨大的研究意义和商业应用前景，相应的产业也迅猛增长，各种物联网产品和概念也层出不穷，物联网的组织形式和应用背景也是多种多样的，大到国家层面的智能城市、智能交通，小到生活中的智能家居，智能电表等都可以用物联网技术实现，物联网技术已经覆盖到生活的方方面面。
物联网的结构一般是由物联网终端节点、中继节点和控制处理中心三部分组成，它们之间的连接方式有线连接和无线连接，有线连接方式可利用电力线、光纤等有形媒质传送信息，无线连接技术有ZigBee等。物联网中的中继节点是物联网体系中的重要组成部分，它是连接物联网终端子节点和远程处理中心的重要桥梁，从功能上来说，中继节点是沟通物联网终端节点和处理中心之间的媒介，它起着双向信息传递的作用；首先中继节点将物联网各终端节点收集的数据信息实体实时的传递给控制中心，然后控制器进行计算、数据分析等工作。
对于一个物联网系统来说，中继节点的可靠性是整个物联网体系正常运转的关键，它起着双向信息传递的作用。如果中继节点选择不合理，各个终端节点和处理中心就无法进行及时的进行数据信息的传递，使得整个网络系统无法正常运转。因此，中继节点的合理选择在物联网系统中有着关键作用。如何恰当的选择中继节点对数据的传递效率和网络整体性能有着至关重要的意义。
发明内容
本发明旨在提供一种物联网中中继节点的选择方法，该方法针对集中控制多跳网络中中继节点的选择。所指网络中所有节点是位置固定的静态节点，一跳范围内节点可以直接与控制器进行通信，其他节点可以通过一个或多个中继节点与控制器通信。在中继节点的选择过程中，控制器首先根据节点间的链路质量(与译码迭代次数和信号强度有关)来初步决定是否选择一个节点作为候选中继节点，在确定完成此层所有候选中继节点后，控制器再根据节点的地理位置(此地理位置为相对地理位置，具体而言，指节点相对于控制器的方向和相对距离而非实际的物理位置与物理距离)来进一步从候选节点中选择出最终适合做中继节点的节点，在链路质量相近的情况下，优先选择地理位置合理的节点作为最终中继节点，选择依据见(1)中步骤(1.3)所述。
此方法可用于解决单一决策因素造成的中继节点选择不合理的情况。本发明方法并不限定网络连接方式，在有线或者无线网络中均可应用。所述方法中，中继节点的确定是组网阶段完成的，控制器在确定哪些节点可以作为中继节点的同时也选择出了可以入网的节点，在网络优化阶段也可采用此方法调整中继节点。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种物联网中中继节点的选择方法，在集中控制的多跳网络中继节点的选择过程中，按层次进行中继节点的选择，并且根据实际的应用情况限定网络中节点的最大跳数，该过程被划分为阶段一和阶段二，阶段一旨在完成一跳范围内中继节点的选择；阶段二旨在完成二跳及以上中继节点的选择；
该方法具体步骤如下：
(1)一跳中继节点的选择；
(1.1)首先控制器初始化并广播信标帧，其一跳范围内的节点在收到控制器发送的信标帧以后，节点将自己的逻辑地址、链路质量值以及地理位置信息封装到接入响应帧中，以二进制指数退避的形式发送给控制器；
(1.2)候选中继节点的选择：控制器在接收到节点的接入请求帧之后首先判断节点间链路质量是否满足入网节点的质量条件，如果满足，那么进一步判断节点与控制器之间的链路是否满足作为初步候选中继节点的条件，如果满足，则将此节点初步作为一个候选中继节点，如果不同节点间的接入响应帧发生碰撞，这些节点将采用二进制指数退避算法进行退避；
(1.3)最终一跳中继节点的选择：控制器从候选中继节点中根据节点的相对地理位置进一步选择出质量较好且相对方向和相对距离合理的节点作为最终的中继节点，选择的依据有以下两点：①同等条件下排除那些相对地理位置处于边缘的候选中继节点作为最终的中继节点，除非该层次没有别的候选中继节点可供选择；②当某块区域候选中继节点的分布较密集时，则选择相对地理位置居中的部分节点作为中继节点，具体从中选择多少个节点作为最终的中继节点由应用场景而定；控制器最终将得到一个中继节点轮询列表；
(2)多跳中继节点的选择
(2.1)二跳中继节点的选择
(2.1.1)在确定完一跳中继节点之后，为了避免采用广播的形式选择中继节点产生广播风暴，因为所有的中继节点同时接收到信标帧以后同时广播出去，容易发生碰撞，控制器根据选择一跳中继节点过程中得到的轮询表依次轮询每一个中继节点，控制器首先将信标帧发往一跳节点的轮询列表的第一个中继节点转发并且广播，该跳范围内的2跳节点在收到信标帧以后将自己的信号强度值、相对地理位置值等信息封装到接入请求帧中，控制器在收到此接入请求帧之后，首先从满足入网条件的节点中初步筛选出哪些节点满足作为候选中继节点，将其放入候选中继节点列表集合中；
(2.1.2)控制器继续发送信标帧给轮询列表中的第二个中继节点，其余过程同过程(2.1.1)中的描述，直到轮询完上述所有的一跳中继节点；
(2.1.3)当轮询完所有的一跳中继节点以后，控制器根据节点的相对地理位置分布，从候选中继节点列表中选定最终的中继节点，选择规则见(1)中步骤(1.3)；然后将相对地理位置不合适的候选中继节点从列表中移除，这样控制器得到最终中继节点的结果；
控制器根据节点地理位置选择中继节点可由图1说明，在该图中节点物理位置是固定的且是一个多跳网络，他们通过直接或者间接的方式与中央控制器进行通信；图中，圆A、B、C分别表示CCO、节点4、节点6的通信范围，圆A内节点4、5、6在CCO通信范围内，这三个节点都满足作为中继节点的条件，控制器知道每个节点的地理位置，根据上述依据控制器选择信号强度与地理位置合适(离圆心相对较远)的节点作为中继节，那么图1中的节点4与节点6选作为一跳中继节点；在选择2跳中继节点的时候，当控制器单播信标帧给节点4进行广播后，中继节点4在其信号覆盖范围内选择信号强度合适且相对距离较远的节点11作为中继节点，同样的，节点6选择15作为中继节点，依次类推选择2跳中继节点。
(2.2)网络中多跳中继节点的选择方式与二跳中继节点选择方式相同，按照层次选择中继节点；当控制器轮询完最后一个中继节点后等待T时间，T为尽可能让最后一跳节点入网的时间，若在该时间段内控制器没有接收到入网响应帧，则此时控制器结束组网阶段的信标帧发送，组网及中继节点选择过程完成。
作为本发明的一种优选方案，链路质量值由信号强度、误码率和信噪比决定的。
作为本发明的另一种优选方案，地理位置具体指的是节点相对于控制器的相对方向和相对距离，根据应用场景的不同相对位置地址值的计算方式不同。
作为本发明的一种改进方案，物联网终端节点、中继节点和控制处理中心之间的连接方式为有线连接。
作为本发明的另一种改进方案，物联网终端节点、中继节点和控制处理中心之间的连接方式为无线连接。
作为本发明的进一步改进方案，控制器单播Beacon给列表中的第一个中继节点，第一个中继节点立马将其广播出去，所有其2跳范围内的节点在收到Beacon后以二进制指数退避算法发送入网请求帧并通过第一个中继节点发送到控制器，控制器判断其是否满足入网条件的同时也选择出了候选中继节点；接下来，控制器轮询列表中的第二个中继节点，得到候选二跳中继节点，依次类推，直到轮询完所有的一跳中继节点，控制器根据上述一跳中继节点的选择规则，从二跳候选中继节点中选择出最终的中继节点；使用同样的方法选择三跳及以上中继节点。
本发明的技术效果:本发明通过设计一种中继节点的选择策略，并且该策略结合节点间链路质量、节点与集中控制处理器的相对位置、相对距离及相对方向来合理的选择最佳中继节点，进而提升网络吞吐量、减小时延、扩大节点的覆盖范围以获取对全网性能的最大提升，进而提升网络资源的利用率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的中继节点选择示例图；
图2是本发明实施例提供的帧格式图；
图3是本发明实施例提供的中继节点选择流程图；
图4是本发明实施例提供的节点静态地理位置分布图；
图5是本发明实施例提供的中继节点选择图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
一种物联网中中继节点的选择方法，在集中控制的多跳网络中继节点的选择过程中，按层次进行中继节点的选择，并且根据实际的应用情况限定网络中节点的最大跳数，图2给出了组网过程帧格式，图3则给出了本发明实施例的中继节点选择过程流程图。该过程被划分为阶段一和阶段二，阶段一旨在完成一跳范围内中继节点的选择；阶段二旨在完成二跳及以上中继节点的选择。
为了使本发明实施例简单易懂，特此给出相关帧格式设计如下，但不仅限于此种设计(帧格式中各个字段的长度是参数化的，可根据特定的场景和应用调整)。
由于整个网络信息传输中根据应用的不同涉及到多种帧类型。该实施方式中只列出了帧宏观形式，其具体使用到的帧形式并未全部列出，但是在实际的应用中不可忽视。
(1)帧格式
在图2帧格式中，类型表示的是帧类型，可将帧共分为控制帧、管理帧和数据帧。子类型：用来区分同一种类型不同子类型的帧；业务类型：根据节点的不同业务类型来区分；JS：用来标记当前节点到目的节点还需要的跳数；SA、DA、DA1-DA3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：用来标记数据部分的长度。地理位置部分包括两个字段RD1与RD2，RD1表示节点的相对方向，RD2表示节点的相对距离；DATA部分用来存放各种不同类型帧的数据部分信息。
管理帧用于节点与控制器直接进行入网等信息的交互，在节点入网中继节点的选择过程中需要的管理帧有信标帧信标(Beacon)，入网请求(Request to Access)，入网响应(Response to Access)：
①信标(Beacon)——此帧由控制器广播发出，携带控制器的相关信息。
②入网请求(Request to Access)——当一跳节点在接收到控制器广播的信标帧之后就开启退避，当退避值为0就向控制器发送该帧。
③入网响应(Response to Access)——当控制器接收到接入请求帧之后且未发生碰撞，控制器将向节点返回该帧。
(2)实施方案举例说明
为了使本发明实施例简单易懂，特举说明。在如图4所示的网络拓扑中(图中代表的是物理拓扑结构而非逻辑拓扑结构，网络采用集中控制方式进行管理，网络中有168个节点分布在3栋高为8层楼的建筑内，每层楼分布7个节点。其中蓝色节点代表集中控制器，节点间的连接可以通过有线或者无线的方式，控制器被放置在一层。每个节点的地理位置值由相对位置与相对方向组成，本例中节点的地理位置值是由四位数字组成，其中节点地理位置字段DR1值为所在的楼栋号，代表节点的相对方向，DR2值为所在的楼层号以及节点与该层楼中间节点的相对距离，节点相对方向，本例中放置在每层建筑物中间的位置的节点相对位置号设为00，距离其右边的节点第一个节点编号为第一个偶数，左边为第一个奇数，例如图4中地理位置值2602的节点，其第一位数字2表示该节点位于第二栋楼，这是其与控制器的相对方向；后三位数字602代表其相对距离，表示该节点位于第六层楼且其是该层楼中间节点的左边的第一个节点，以此类推，这样设置地理位置值的目的是便于控制器识别节点的相对位置进而做出决策。
方便说明起见，以第二栋楼为例见图5(节点间的实线代表节点间链路可以通信)，由于多跳与二跳的中继节点的选择过程相同，此例仅详述到第二跳。组网阶段开始时，集中控制器广播信标帧，在其一跳范围内的节点2101、2102、2206、2204、2200、2302、2301等节点在接收到控制器发送的信标帧之后，按照二进制退避进行竞争信道，节点成功竞争到信道后向控制器发送入网请求帧，该帧携带节点接收到信标帧的信道质量值。控制器在接收到节点的入网请求帧后，获取节点接收到Beacon的信号质量值记为Si，信号质量阈值记为Threshold，其中Threshold1表示节点可以入网的最低条件，[Threshold2,Threshold3]表示节点可以作为中继节点的条件。控制器将Si与Threshold1进行比较，若Si>Threshold1，该节点满足入网条件，控制器将该节点的相关信息存储；进一步判断Si是否在[Threshold2，Threshold3]范围内，若满足则控制器将该节点初步选为候选中继节点，反之，该节点作为叶子节点，然后对该节点做入网响应。若节点不满足入网要求，则控制器丢弃该节点的入网请求帧。
所有的一跳节点都按照上述方法入网的同时进行候选中继节点的选择。当所有满足条件的一跳节点入网完成后，控制器得到一个初步中继节点候选列表，控制器根据节点地理位置字段从中选择最终可以作为中继节点的节点，选择依据如下：(1)不跨楼栋选择中继节点；(2)相对地理位置处于边缘化节点尽量不选作为最终的中继节点；(3)某层楼的所有节点已经完成入网，并且其上面层楼有节点可以作为中继节点时，中继节点就从第二层楼中选择；(4)如果某一层楼中大部分节点未入网，那么就从候选中继节点中选择若干个靠近中心位置的中继节点，并且更高层楼的偏中心位置的候选节点也作为中继节点；上述过程需要遵守的一个原则是同等条件下尽量选择靠近中心位置的节点和更高层楼的节点作为中继节点。根据以上中继节点的选择依据，图5中节点2101与2102、2200、2204、2301、2302、2402作为最终的一跳中继节点，并且控制器根据入网的先后顺序得到一个中继节点轮询列表。
图5中二跳中继节点的选择如下过程：控制器单播Beacon给列表中的第一个中继节点2101，节点2101立马将其广播出去，所有其2跳范围内的节点在收到Beacon后以二进制指数退避算法发送入网请求帧并通过中继节点2101发送到控制器，控制器判断其是否满足入网条件的同时也选择出了候选中继节点。接下来，控制器轮询列表中的第二个中继节点，得到候选二跳中继节点，依次类推，直到轮询完所有的一跳中继节点，控制器根据上述一跳中继节点的选择规则，从二跳候选中继节点中选择出最终的中继节点；使用同样的方法选择三跳及以上中继节点。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种物联网中中继节点的选择方法，其特征在于，在集中控制的多跳网络中继节点的选择过程中，按层次进行中继节点的选择，并且根据实际的应用情况限定网络中节点的最大跳数，该过程被划分为阶段一和阶段二，阶段一旨在完成一跳范围内中继节点的选择；阶段二旨在完成二跳及以上中继节点的选择；
该方法具体步骤如下：
(1)一跳中继节点的选择；
(1.1)首先控制器初始化并广播信标帧，其一跳范围内的节点在收到控制器发送的信标帧以后，节点将自己的逻辑地址、链路质量值以及地理位置信息封装到接入响应帧中，以二进制指数退避的形式发送给控制器；
(1.2)候选中继节点的选择：控制器在接收到节点的接入请求帧之后首先判断节点间链路质量是否满足入网节点的质量条件，如果满足，那么进一步判断节点与控制器之间的链路是否满足作为初步候选中继节点的条件，如果满足，则将此节点初步作为一个候选中继节点，如果不同节点间的接入响应帧发生碰撞，这些节点将采用二进制指数退避算法进行退避；
(1.3)最终一跳中继节点的选择：控制器从候选中继节点中根据节点的相对地理位置进一步选择出质量较好且相对方向和相对距离合理的节点作为最终的中继节点，选择的依据有以下两点：①同等条件下排除那些相对地理位置处于边缘的候选中继节点作为最终的中继节点，除非该层次没有别的候选中继节点可供选择；②当某块区域候选中继节点的分布较密集时，则选择相对地理位置居中的部分节点作为中继节点，具体从中选择多少个节点作为最终的中继节点由应用场景而定；控制器最终将得到一个中继节点轮询列表；
(2)多跳中继节点的选择
(2.1)二跳中继节点的选择
(2.1.1)在确定完一跳中继节点之后，为了避免采用广播的形式选择中继节点产生广播风暴，因为所有的中继节点同时接收到信标帧以后同时广播出去，容易发生碰撞，控制器根据选择一跳中继节点过程中得到的轮询表依次轮询每一个中继节点，控制器首先将信标帧发往一跳节点的轮询列表的第一个中继节点转发并且广播，该跳范围内的2跳节点在收到信标帧以后将自己的信号强度值、相对地理位置值信息封装到接入请求帧中，控制器在收到此接入请求帧之后，首先从满足入网条件的节点中初步筛选出哪些节点满足作为候选中继节点，将其放入候选中继节点列表集合中；
(2.1.2)控制器继续发送信标帧给轮询列表中的第二个中继节点，其余过程同过程(2.1.1)中的描述，直到轮询完上述所有的一跳中继节点；
(2.1.3)当轮询完所有的一跳中继节点以后，控制器根据节点的相对地理位置分布，从候选中继节点列表中选定最终的中继节点，选择规则见(1)中步骤(1.3)；然后将相对地理位置不合适的候选中继节点从列表中移除，这样控制器得到最终中继节点的结果；
(2.2)网络中多跳中继节点的选择方式与二跳中继节点选择方式相同，按照层次选择中继节点；当控制器轮询完最后一个中继节点后等待T时间，T为尽可能让最后一跳节点入网的时间，若在该时间段内控制器没有接收到入网响应帧，则此时控制器结束组网阶段的信标帧发送，组网及中继节点选择过程完成。
2.根据权利要求1所述的一种物联网中中继节点的选择方法，其特征在于：链路质量值由信号强度、误码率和信噪比决定的。
3.根据权利要求1所述一种物联网中中继节点的选择方法，其特征在于：地理位置具体指的是节点相对于控制器的相对方向和相对距离，根据应用场景的不同相对位置地址值的计算方式不同。
4.根据权利要求1所述一种物联网中中继节点的选择方法，其特征在于：物联网终端节点、中继节点和控制处理中心之间的连接方式为有线连接。
5.根据权利要求1所述一种物联网中中继节点的选择方法，其特征在于：物联网终端节点、中继节点和控制处理中心之间的连接方式为无线连接。
6.根据权利要求1所述一种物联网中中继节点的选择方法，其特征在于：控制器单播Beacon给列表中的第一个中继节点，第一个中继节点立马将其广播出去，所有其2跳范围内的节点在收到Beacon后以二进制指数退避算法发送入网请求帧并通过第一个中继节点发送到控制器，控制器判断其是否满足入网条件的同时也选择出了候选中继节点；接下来，控制器轮询列表中的第二个中继节点，得到候选二跳中继节点，依次类推，直到轮询完所有的一跳中继节点，控制器根据上述一跳中继节点的选择规则，从二跳候选中继节点中选择出最终的中继节点；使用同样的方法选择三跳及以上中继节点。
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