CN110461016A - 基于6LoWPAN无线传感器网络的节点移动性管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于6LoWPAN无线传感器网络的节点移动性管理方法，包括下列步骤：确定6LoWPAN无线传感器网络结构，定义其由一个主干网和几个用户移动网络组成；主干网由一个访问路由器AR和多个访问点AP组成；用户移动网络UMN由具有定位功能的主移动设备PMD和若干个传感器节点组成，UMN作为一个整体移动；一个地理区域内的所有6LoWPAN网络构成映射服务器域，其中包含一个映射服务器MS；根据定义的6LoWPAN网络结构，设计IPv6地址，由五部分组成：1)域ID；2)本地ID；3)AP ID；4)PMD ID；5)接口ID；前四个ID构成全局网络前缀GNP；初始化6LoWPAN网络内各节点地址；当网络中节点开始移动时，判断是哪一种移动，分别执行步骤。

Description

基于6LoWPAN无线传感器网络的节点移动性管理方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是将各种集成化的微型传感器节点相互合作进行实时监测、感知和采集监测对象的数据信息，并以自组多跳的网络方式将数据信息传送到用户网络终端，以实现物理世界、计算机网络以及人类社的互通互联。随着无线传感器网络应用空间的快速发展，目前急需一种稳定性高、延迟低的移动性切换机制以保证移动平台上的无线传感器网络与互联网之间能够持续平稳的进行通信。

目前，针对IPv6协议的移动性问题，提出了移动IPv6(MIPv6)和快速MIPv6(FMIPv6)等标准。在这些标准中，移动性切换主要由转交地址(CoA)配置和地址注册组成。也就是说，当一个节点在不同的IP域之间移动时，它被配置一个CoA来确保路由的准确性，然后向它的本地代理注册新的CoA。通过这种方式，主代理存储节点的主地址和CoA之间的映射。因此，如果对应节点与目标节点启动会话，则它必须首先访问目标的本地代理，以获取目标所在的外部网络上的信息。因此，由于CoA的配置以及本地代理注册CoA，传感器节点的移动切换延迟将会大大延长。

发明内容

本发明提供一种基于6LoWPAN无线传感器网络的节点移动性管理方法。通过降低WSN中节点移动过程中的切换延迟，为移动平台上的传感器节点与互联网节点提供一种稳定、高效的通信机制。本发明是针对由于CoA配置及本地代理注册CoA而增加的WSN中节点移动性切换延迟。在该方案中，管理传感器节点的设备由网络前缀标识，同时选取具有定位功能的管理设备，故可以提供这些传感器节点的地理信息。因此无需配置CoA即可直接访问传感器节点，无需访问它们的本地代理，这样就可以降低移动切换延迟。技术方案如下：

一种基于6LoWPAN无线传感器网络的节点移动性管理方法，包括下列步骤：

(1)确定6LoWPAN无线传感器网络结构，定义其由一个主干网和几个用户移动网络组成；主干网由一个访问路由器AR和多个访问点AP组成；用户移动网络UMN由具有定位功能的主移动设备PMD和若干个传感器节点组成，UMN作为一个整体移动；一个地理区域内的所有6LoWPAN网络构成映射服务器域，其中包含一个映射服务器MS；其中，MS中关联AR表存储PMD和AR关系；AR中关联AP表记录PMD和AP关系；AP中PMD表记录关联的PMD；

(2)根据定义的6LoWPAN网络结构，设计IPv6地址，由五部分组成：1)域ID；2)本地ID；3)AP ID；4)PMD ID；5)接口ID；前四个ID构成全局网络前缀GNP；

(3)初始化6LoWPAN网络内各节点地址；首先预设AR地址,AP从AR自动获得独立全局地址,PMD从AP获得GNP；PMD为同一UMN中的每个传感器节点分配唯一的接口ID；

(4)当网络中节点开始移动时，判断是哪一种移动，分别执行步骤(5)、(6)、(7)；

(5)若节点是在6LoWPAN网络内移动，即UMN1中的PMD1从AP1移动到AP2时，其中AP1和AP2属于一个6LoWPAN网络中的AR1；将PMD1的GNP添加到AP2中关联PMD表中，即将PMD1与AP2进行关联；并将PMD1的GNP添加到AR1中关联AP表中，记录PMD1与AP2的关联；更新完关联表后，即完成将PMD1从AP1移动到AP2的操作；

(6)若节点是在6LoWPAN网络间和MS域内移动，即UMN1中的PMD1从AP1移动到AP2时，其中AP1属于一个6LoWPAN网络中的AR1,AP2属于另一个6LoWPAN网络中的AR2,AR1和AR2属于一个域MS1；将PMD1的GNP添加到AP2中关联PMD表中，即将PMD1与AP2进行关联；再将PMD1的GNP添加到AR2中关联AP表中，记录PMD1与AP2的关联；最后将PMD1的GNP添加到MS1中关联AR表中，将PMD1与AR2进行关联；更新完关联表后，即完成了将PMD1从AP1移动到AP2的操作；

(7)若节点是在MS域内移动，即UMN1中的PMD1从AP1移动到AP2时，其中AP1属于AR1,AP2属于AR2,AR1属于映射服务器域MS1，AR2属于映射服务器域MS2；将PMD1的GNP添加到AP2中关联PMD表中，再将PMD1的GNP添加到AR2中关联AP表中，最后将PMD1的GNP添加到MS2中关联AR表中，将PMD1与AR2进行关联；更新完关联表后，即完成了将PMD1从AP1移动到AP2的操作。

本发明的有益效果如下：

1.本发明提出一种基于6LoWPAN无线传感器网络的节点移动性管理方法，该方法将IP地址的前缀和接口ID分别处理。并且由于管理传感器节点的设备可以提供传感器节点所在地理区域上的位置信息,故节点无需配置CoA地址，本地代理无需注册一个新的CoA地址，从而降低6LoWPAN的WSN中节点的移动切换延迟。

2.随着用户对移动业务需求的不断增长，6LoWPAN的WSN只有提供良好的移动性支持才能获得更广泛的应用空间。而该移动性管理方法可以有效降低节点移动切换延迟，为6LoWPAN无线传感器网络提供良好的移动性支持。加大无线传感器网络的发展及应用。

附图说明

图1 6LoWPAN无线传感器网络结构图

图2 6LoWPAN网络内移动

图3 6LoWPAN网络间和MS域内移动

图4 MS域间移动

具体实施方式

为了降低WSN中节点移动过程中必须为节点配置一个转交地址(CoA)而产生的节点移动切换延，本发明设计了一套基于6LoWPAN无线传感器网络的节点移动性管理的设计方案。基本思想是：IPv6地址由网络前缀和接口ID组成。在WSN中，管理传感器节点的设备由网络前缀标识，传感器节点由接口ID指定。同时管理传感器节点的设备选用具有定位功能的设备，故可以提供设备覆盖区域内的节点的位置信息。从而节点无需配置CoA并且本地代理无需注册一个新的CoA，这样就可以减少节点移动性切换延迟。

1 6LoWPAN无线传感器网络结构

在本申请中，6LoWPAN网络由一个主干网和几个用户移动网络(UMNs)组成，如图1所示。骨干网由一个访问路由器(AR)和多个访问点(APs)组成。UMN由具有定位功能的主移动设备(PMD)和几个传感器节点组成，传感器节点通过PMD与其他节点通信，UMN作为一个整体移动。PMD所连接的AP称为PMD的关联AP,PMD通过关联AP和相应的主干网与其他UMNs通信。一个地理区域内的所有6LoWPAN网络构成一个域。

2全局IPv6地址结构

基于图1的6LoWPAN无线传感器网络结构，本方案提出了全局IPv6地址结构，全局地址由五部分组成，如表1所示。第一部分是唯一标识域的域ID。一个域中的所有AR/AP的域ID和域中所获取的地址是相同的，且值预先设置。第二部分是本地ID，它唯一地标识一个6LoWPAN网络。一个6LoWPAN中所有AP的本地ID和在6LoWPAN中获得的地址是相同的，且值等于6LoWPAN中AR的本地ID。第三部分是AP ID，它唯一地标识一个6LoWPAN网络中的AP。从一个AP中获取的所有地址的AP ID都是相同的，且值与该AP的AP ID相同。第四部分是唯一标识UMN的PMD ID。一个UMN中所有节点的PMD ID相同，且值等于UMN中PMD的PMD ID。第五部分是在一个UMN中唯一标识一个传感器节点的接口ID。域ID、本地ID、AP ID和PMD ID构成全局网络前缀(GNP)。表1中的i、j、k、n均为偶数，如图1所示，其中i、j＝32,k、n＝16。

在表2中，路由地址由三部分组成。第一部分是x坐标，其值等于PMD的地理横坐标。第二部分是y坐标，其值等于PMD的地理纵坐标。第三部分为PMD的全局网络前缀(GNP)。

其中，AR的全局地址是预设的,AP从AR获得一个独立的全局地址,PMD从AP获得一个独立的全局网络前缀(GNP)。例如,一个PMD可以从AP获得一个独立的PMD ID，并结合独立的PMD ID与AP的域ID、本地ID和AP ID来形成一个独立的全局网络前缀(GNP)。PMD获得GNP后，为同一UMN中的每个传感器节点分配一个唯一的接口ID，如图1所示。

3 6LoWPAN无线传感器网络的移动性

6LoWPAN无线传感器网络中节点的移动分为三种情况，分别是6LoWPAN网络内移动、6LoWPAN网络间移动和MS域内移动、MS域间移动。其每种情况下的具体移动算法如下面三节所述。在这个方案中，AR维护一个关联AP表来记录PMD和AP之间的关联关系，在这个表中，一个条目包含三个字段:PMD字段、AP字段和lifetime字段。AP存储一个关联的PMD表来记录关联的PMD。在每个域中都有一个映射服务器，它维护一个关联AR表来存储PMD和AR之间的关联关系。

3.1 6LoWPAN网络内移动性

假设UMN1中的PMD1从AP1的通信范围移动到AP2的通信范围，AP1和AP2属于一个6LoWPAN。当AP2检测到PMD1附着到自身时，执行以下操作:

1)AP2在其关联的PMD表中添加一个条目，该条目中的PMD字段设置为PMD1的GNP。

2)AP2向AR1发送一条更新消息，其中有效载荷为PMD1的GNP。

3)AR1接收更新后，将PMD1条目中的AP字段替换为AP2的GNP，如图2所示。

图2中，T1时PMD1与AP1相关。T2时，PMD1连接到AP2,AP2添加PMD1的条目，并通知AR1更新PMD1的条目。

3.2 6LoWPAN网络间和MS域内移动性

假设UMN1中的PMD1从AP1的通信范围移动到AP2的通信范围，AP1属于6LoWPAN中的AR1,AP2属于6LoWPAN中的AR2,AR1和AR2属于一个MS1映射服务器。当AP2检测到PMD1附着到自身时，执行以下操作:

1)AP2在其关联的PMD表中添加一个条目，该条目中的PMD字段设置为PMD1的GNP。然后，AP2向AR2发送一条更新消息，其中有效负载为PMD1的GNP。

2)AR2收到更新后，增加一个条目，其中PMD字段为PMD1的GNP,AP字段为AP2的GNP。然后，AR2向MS1发送一条更新消息，其中有效负载为PMD1的GNP。

3)MS1收到更新后，将PMD1条目中AR字段替换为AR2的GNP，如图3所示。

图3中，T1时PMD1与AP1相关。T2时，PMD1连接到AP2,AP2添加PMD1的条目并向AR2发送一条更新消息。在AR2为PMD1添加条目之后，它通知MS1更新PMD1的关联AR。

3.3 MS域间移动性

假设UMN1中的PMD1从APAP1的通信范围移动到AP2的通信范围，AP1属于6LoWPAN中AR1,AP2属于另一个6LoWPAN中AR2,AR1属于映射服务器MS1域，AR2属于映射服务器MS2域。当AP2检测到PMD1附着到自身时，执行以下操作:

1)AP2将PMD1的条目添加到其关联的PMD表中，并向AR2发送一条更新消息，其中有效载荷为PMD1的GNP。

2)AR2接收更新后，将PMD1的条目添加到其关联AP表中，并向MS2发送一条更新消息，其中有效载荷为PMD1的GNP。

3)MS2收到更新后，将PMD1的条目添加到其关联AR表中，PMD1条目中的AR字段为AR2的GNP，如图4所示。

图4中，T1时PMD1与AP1相关。T2时，PMD1与AP2结合。AP2添加PMD1的条目并向AR2发送一条更新消息。在AR2为PMD1添加一个条目之后，它通知MS2为PMD1添加一个条目。

本发明适用于以6LoWPAN技术为基础的无线传感器网络，并且网络中传感器节点在感知采集数据信息过程中需要移动的情况。如智能医疗中，监测病人体征的各种传感器构成的无线传感器网络随着病人从房间走出去，传感器节点从一个房间内网络转移到其他网络中，而在此过程中要保证监测病人体征的传感器节点始终可以向医生终端传输监测数据。此方案可以提供稳定、高效的传感器节点移动性支持。同时，该移动性管理方法在智能家具、智能农业、自动驾驶等多个方面都有广泛应用。

Claims (1)

1.一种基于6LoWPAN无线传感器网络的节点移动性管理方法，包括下列步骤：

(1)确定6LoWPAN无线传感器网络结构，定义其由一个主干网和几个用户移动网络组成；主干网由一个访问路由器AR和多个访问点AP组成；用户移动网络UMN由具有定位功能的主移动设备PMD和若干个传感器节点组成，UMN作为一个整体移动；一个地理区域内的所有6LoWPAN网络构成映射服务器域，其中包含一个映射服务器MS；其中，MS中关联AR表存储PMD和AR关系；AR中关联AP表记录PMD和AP关系；AP中PMD表记录关联的PMD。

(2)根据定义的6LoWPAN网络结构，设计IPv6地址，由五部分组成：1)域ID；2)本地ID；3)AP ID；4)PMD ID；5)接口ID；前四个ID构成全局网络前缀GNP；

(3)初始化6LoWPAN网络内各节点地址；首先预设AR地址,AP从AR自动获得独立全局地址,PMD从AP获得GNP；PMD为同一UMN中的每个传感器节点分配唯一的接口ID；

(4)当网络中节点开始移动时，判断是哪一种移动，分别执行步骤(5)、(6)、(7)；

(5)若节点是在6LoWPAN网络内移动，即UMN1中的PMD1从AP1移动到AP2时，其中AP1和AP2属于一个6LoWPAN网络中的AR1；将PMD1的GNP添加到AP2中关联PMD表中，即将PMD1与AP2进行关联；并将PMD1的GNP添加到AR1中关联AP表中，记录PMD1与AP2的关联；更新完关联表后，即完成将PMD1从AP1移动到AP2的操作；

(6)若节点是在6LoWPAN网络间和MS域内移动，即UMN1中的PMD1从AP1移动到AP2时，其中AP1属于一个6LoWPAN网络中的AR1,AP2属于另一个6LoWPAN网络中的AR2,AR1和AR2属于一个域MS1；将PMD1的GNP添加到AP2中关联PMD表中，即将PMD1与AP2进行关联；再将PMD1的GNP添加到AR2中关联AP表中，记录PMD1与AP2的关联；最后将PMD1的GNP添加到MS1中关联AR表中，将PMD1与AR2进行关联；更新完关联表后，即完成了将PMD1从AP1移动到AP2的操作；

(7)若节点是在MS域内移动，即UMN1中的PMD1从AP1移动到AP2时，其中AP1属于AR1,AP2属于AR2,AR1属于映射服务器域MS1，AR2属于映射服务器域MS2；将PMD1的GNP添加到AP2中关联PMD表中，再将PMD1的GNP添加到AR2中关联AP表中，最后将PMD1的GNP添加到MS2中关联AR表中，将PMD1与AR2进行关联；更新完关联表后，即完成了将PMD1从AP1移动到AP2的操作。