CN110519817B - 一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，煤矿井下通信用无线Mesh网络协议包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，网络层的设计包括无线Mesh路由协议的路由表结构设计、无线Mesh路由协议网路建立、无线Mesh路由协议网路更新和无线Mesh路由协议网路维持；数据链路层包括MAC子层和防冲撞层，数据链路层的设计包括MAC子层设计和防冲撞层设计。本发明的无线Mesh网络协议设计合理，实现方便，能够有效应用在煤矿井下的无线网络通信中，无线通信稳定性高，使用效果好，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于无线网络协议设计技术领域，具体涉及一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法。
背景技术
我国目前煤矿井下通信依然以有线为主，随着开采的持续进行，更多的监控系统将启用，导致有线通信线缆将变得越来越多，越来越错综复杂，故障频发，因此，需要一种能够有效应用在煤矿井下的无线通信方式，现有技术中，DSDV(Destination SequencedDistance Vctor)路由协议是一种无环路距离向量路由协议，它是传统的Belllnan Ford路由协议的改进，但考虑煤矿井下无线通信的适用性，需要对DSDV路由协议算法进行改进和裁剪，实现适用于煤矿井下的单片机系统和工业频段无线收发器上运行的无线Mesh路由协议算法，使其更加适合与小型自组网网络、网络位置变化缓慢固定、传输数据少的煤矿井下应用场景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，其无线Mesh网络协议设计合理，实现方便，能够有效应用在煤矿井下的无线网络通信中，无线通信稳定性高，使用效果好，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，所述煤矿井下通信用无线Mesh网络协议包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，所述网络层的设计包括无线Mesh路由协议的路由表结构设计、无线Mesh路由协议网路建立、无线Mesh路由协议网路更新和无线Mesh路由协议网路维持；所述数据链路层包括MAC子层和防冲撞层，所述数据链路层的设计包括MAC子层设计和防冲撞层设计；
所述无线Mesh路由协议的路由表结构包括：
Destination：目的节点地址；
Next：到达目的地址的下个节点地址；
Metric：到达目的地址所需跳跃的次数；
Install Time：更新时间；
所述无线Mesh路由协议网路建立包括网络节点开始工作被邻居网络节点发现和探知邻居节点，所述被邻居网络节点发现的过程是有限次数的发送自身信息广播数据包，当邻居节点接收到广播数据包后，会进行探知邻居节点，其具体过程为：
步骤A1、更新节点数据包、添加节点数据包、节点信息广播数据包；
步骤A2、查询路由表是否有邻居节点的节点记录，当路由表中有邻居节点的节点记录时，执行步骤A3；当路由表中没有邻居节点的节点记录时，执行步骤A5；
步骤A3、判断Metric是否相同，当Metric相同时，执行步骤A7；当Metric不同时，执行步骤A4；
步骤A4、判断Metric是否小于当前值，当Metric小于当前值时，更新路由表信息并标记路由更新；当Metric不小于当前值时，将此节点的Metric标记为0xff，将此节点移除路由表并标记路由更新；
步骤A5、判断Metric是否为0xff，当Metric为0xff时，执行步骤A7；当Metric不是0xff时，执行步骤A6；
步骤A6、判断路由表是否已满，当路由表已满时，执行步骤A7；当路由表未满时，将此节点加入路由表并标记路由更新；
步骤A7、不做任何动作；
所述无线Mesh路由协议网路更新的具体过程为：
步骤B1、查找路由表内所有的邻居节点；
步骤B2、生成邻居节点表；
步骤B3、判断邻居节点是否循环查找完毕，当邻居节点循环查找完毕时，执行步骤B4；当邻居节点未循环查找完毕时，执行步骤B5；
步骤B4、结束本次无线Mesh路由协议网路更新；
步骤B5、发送路由信息表，循环发送两次；
步骤B6、当邻居节点响应成功，执行步骤B3；当邻居节点响应失败，将此邻居节点计入离线预备表。
上述的一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，所述更新节点数据包、添加节点数据包、节点信息广播数据包均为无线Mesh路由数据包，所述更新节点数据包、添加节点数据包、节点信息广播数据包均包括一条或多条路由数据。
上述的一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，所述无线Mesh路由协议网路维持采用与邻居节点握手确认的方式进行。
上述的一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，所述MAC子层使用的接收、发送描述符结构包括描述符控制字、描述符数据长度、描述符缓冲区指针和下一个描述符指针；所述描述符控制字的数据长度为1字节，3个标志位，所述3个标志位为：
Used：可用标志，为1时表示描述符已使用；为0时表示描述符空闲；
FS：第一个描述符标志，为1时表示描述符是起始描述符，数据包有多个描述符组成；
LS：最后一个描述符标志，为1时表示描述符是结束描述符，数据包有多个描述符组成；FS与LS都为1的时表示，数据包只使用一个描述符；FS与LS都为0时表示，数据包有多个描述符组成，当前描述符为中间描述符。
上述的一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，所述防冲撞层采用两个无线信道作为命令和数据传输通道，在每次需要进行数据传输时，通过命令信道与目标节点建立链接，通过数据信道传输数据。
上述的一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，所述防冲撞层的设计包括接收防冲撞和发送防冲撞；
所述接收防冲撞的具体过程为：
步骤C1、数据接收节点激活，处于命令通道接收状态，等待其他节点握手信号TACK；
步骤C2、数据接收节点接收到TACK后，与自身地址进行匹配，当TACK与自身地址匹配时，执行步骤C3；当TACK与自身地址不匹配时，执行步骤C1；
步骤C3、锁存与数据发送节点的连接通信地址并获取无线PHY操作权；
步骤C4、数据接收节点回复TACK确认；
步骤C5、数据接收节点转入数据通道，等待数据，并触发200ms窗口接收；
步骤C6、数据接收节点接收数据并判断数据是否有误，当数据无误时，存入MAC描述符并回复ACT，执行步骤C7；当数据有误时，回复RETRY，执行步骤C5；
步骤C7、数据接收节点解锁当前连接通信地址并释放无线PHY操作权；
步骤C8、数据接收节点数据接收结束；
所述发送防冲撞的具体过程为：
步骤D1、数据发送节点准备数据包，启动发送线程；
步骤D2、数据发送节点获取无线PHY操作权并锁存当前连接通信地址；
步骤D3、数据发送节点监听命令通道是否繁忙；
步骤D4、当命令通道繁忙时，数据发送节点不发送数据，暂停30ms～100ms后，执行步骤D3；当命令通道不繁忙时，执行步骤D5；
步骤D5、数据发送节点进入数据传输握手发起状态，发送握手信号TACK并等待数据接收节点回复；
步骤D6、数据发送节点接收到数据接收节点回复的TACK后，转入数据通道，开始发送数据；
步骤D7、数据发送节点数据发送完成后，等待数据接收节点回复；
步骤D8、当数据发送节点接收到数据接收节点回复的RETRY信号时，重新发送数据，执行步骤D7；当数据发送节点接收到数据接收节点回复的ACT信号时，解锁当前连接通信地址并释放无线PHY操作权；
步骤D9、数据发送节点数据发送结束。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的无线Mesh网络协议设计合理，实现方便。
2、本发明的无线Mesh网络协议采用点对点多包传送的数据传输方式，能够更好地应用在煤矿井下SUB-GHz频段的无线收发芯片上，解决一帧数据不能满足所有网络活动数据量的问题。
3、本发明的数据链路层取消了LLC(Logical Links Control，逻辑链路控制)层，MAC层不再具备寻址的功能，只保留其数据封装和介质访问管理功能，在无线Mesh网络协议中将此功能重新定义为数据链路层的一层——防冲撞层，由防冲撞层为MAC层提供可靠的数据传输通道。
4、本发明无线Mesh防冲撞层采用两个无线信道作为命令和数据传输通道，在每次需要进行数据传输时，通过命令信道与目标节点建立链接，然后通过数据信道传输数据，降低了信道冲撞的几率，无线通信稳定性高。
5、本发明能够有效应用在煤矿井下的无线网络通信中，无线通信稳定性高，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明的无线Mesh网络协议设计合理，实现方便，能够有效应用在煤矿井下的无线网络通信中，无线通信稳定性高，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明无线Mesh网络协议模型图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的煤矿井下通信用无线Mesh网络协议包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，所述网络层的设计包括无线Mesh路由协议的路由表结构设计、无线Mesh路由协议网路建立、无线Mesh路由协议网路更新和无线Mesh路由协议网路维持；所述数据链路层包括MAC子层和防冲撞层，所述数据链路层的设计包括MAC子层设计和防冲撞层设计；
所述无线Mesh路由协议的路由表结构包括：
Destination：目的节点地址；
Next：到达目的地址的下个节点地址；
Metric：到达目的地址所需跳跃的次数；
Install Time：更新时间；
所述无线Mesh路由协议网路建立包括网络节点开始工作被邻居网络节点发现和探知邻居节点，所述被邻居网络节点发现的过程是有限次数的发送自身信息广播数据包，当邻居节点接收到广播数据包后，会进行探知邻居节点，其具体过程为：
步骤A1、更新节点数据包、添加节点数据包、节点信息广播数据包；
步骤A2、查询路由表是否有邻居节点的节点记录，当路由表中有邻居节点的节点记录时，执行步骤A3；当路由表中没有邻居节点的节点记录时，执行步骤A5；
步骤A3、判断Metric是否相同，当Metric相同时，执行步骤A7；当Metric不同时，执行步骤A4；
步骤A4、判断Metric是否小于当前值，当Metric小于当前值时，更新路由表信息并标记路由更新；当Metric不小于当前值时，将此节点的Metric标记为0xff，将此节点移除路由表并标记路由更新；
步骤A5、判断Metric是否为0xff，当Metric为0xff时，执行步骤A7；当Metric不是0xff时，执行步骤A6；
步骤A6、判断路由表是否已满，当路由表已满时，执行步骤A7；当路由表未满时，将此节点加入路由表并标记路由更新；
步骤A7、不做任何动作；
所述无线Mesh路由协议网路更新的具体过程为：
步骤B1、查找路由表内所有的邻居节点；
步骤B2、生成邻居节点表；
步骤B3、判断邻居节点是否循环查找完毕，当邻居节点循环查找完毕时，执行步骤B4；当邻居节点未循环查找完毕时，执行步骤B5；
步骤B4、结束本次无线Mesh路由协议网路更新；
步骤B5、发送路由信息表，循环发送两次；
步骤B6、当邻居节点响应成功，执行步骤B3；当邻居节点响应失败，将此邻居节点计入离线预备表。
本方法中，所述更新节点数据包、添加节点数据包、节点信息广播数据包均为无线Mesh路由数据包，所述更新节点数据包、添加节点数据包、节点信息广播数据包均包括一条或多条路由数据。
本方法中，所述无线Mesh路由协议网路维持采用与邻居节点握手确认的方式进行。
本方法中，所述MAC子层使用的接收、发送描述符结构包括描述符控制字、描述符数据长度、描述符缓冲区指针和下一个描述符指针；所述描述符控制字的数据长度为1字节，3个标志位，所述3个标志位为：
Used：可用标志，为1时表示描述符已使用；为0时表示描述符空闲；
FS：第一个描述符标志，为1时表示描述符是起始描述符，数据包有多个描述符组成；
LS：最后一个描述符标志，为1时表示描述符是结束描述符，数据包有多个描述符组成；FS与LS都为1的时表示，数据包只使用一个描述符；FS与LS都为0时表示，数据包有多个描述符组成，当前描述符为中间描述符。
具体实施时，所述描述符数据长度为描述当前缓冲区中有效的数据长度，所述描述符缓冲区指针指向当前描述符使用缓冲区的首地址，所述下一个描述符指针指向当前描述符的下一个描述符的首地址。
本方法中，所述防冲撞层采用两个无线信道作为命令和数据传输通道，在每次需要进行数据传输时，通过命令信道与目标节点建立链接，通过数据信道传输数据。
具体实施时，每一次通信都要通过握手过程，当握手信号消失或者中断时，会触发重发机制，确保数据正确的传输，当数据传输出现中断问题时，会将传输中断信号返回至上层结构，上层结构会根据数据包中的源地址，向源地址发送传输失败信号，无线Mesh网络协议信道防冲撞层通过地址锁存、信道监听、错误重发等手段解决了数据链路层信道冲撞的问题，使数据能正确的被接收和发送。
本方法中，所述防冲撞层的设计包括接收防冲撞和发送防冲撞；
所述接收防冲撞的具体过程为：
步骤C1、数据接收节点激活，处于命令通道接收状态，等待其他节点握手信号TACK；
步骤C2、数据接收节点接收到TACK后，与自身地址进行匹配，当TACK与自身地址匹配时，执行步骤C3；当TACK与自身地址不匹配时，执行步骤C1；
步骤C3、锁存与数据发送节点的连接通信地址并获取无线PHY操作权；
步骤C4、数据接收节点回复TACK确认；
步骤C5、数据接收节点转入数据通道，等待数据，并触发200ms窗口接收；
步骤C6、数据接收节点接收数据并判断数据是否有误，当数据无误时，存入MAC描述符并回复ACT，执行步骤C7；当数据有误时，回复RETRY，执行步骤C5；
步骤C7、数据接收节点解锁当前连接通信地址并释放无线PHY操作权；
步骤C8、数据接收节点数据接收结束；
所述发送防冲撞的具体过程为：
步骤D1、数据发送节点准备数据包，启动发送线程；
步骤D2、数据发送节点获取无线PHY操作权并锁存当前连接通信地址；
步骤D3、数据发送节点监听命令通道是否繁忙；
步骤D4、当命令通道繁忙时，数据发送节点不发送数据，暂停30ms～100ms后，执行步骤D3；当命令通道不繁忙时，执行步骤D5；
步骤D5、数据发送节点进入数据传输握手发起状态，发送握手信号TACK并等待数据接收节点回复；
步骤D6、数据发送节点接收到数据接收节点回复的TACK后，转入数据通道，开始发送数据；
步骤D7、数据发送节点数据发送完成后，等待数据接收节点回复；
步骤D8、当数据发送节点接收到数据接收节点回复的RETRY信号时，重新发送数据，执行步骤D7；当数据发送节点接收到数据接收节点回复的ACT信号时，解锁当前连接通信地址并释放无线PHY操作权；
步骤D9、数据发送节点数据发送结束。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，其特征在于：所述煤矿井下通信用无线Mesh网络协议包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，所述网络层的设计包括无线Mesh路由协议的路由表结构设计、无线Mesh路由协议网路建立、无线Mesh路由协议网路更新和无线Mesh路由协议网路维持；所述数据链路层包括MAC子层和防冲撞层，所述数据链路层的设计包括MAC子层设计和防冲撞层设计；
所述无线Mesh路由协议的路由表结构包括：
Destination：目的节点地址；
Next：到达目的地址的下个节点地址；
Metric：到达目的地址所需跳跃的次数；
Install Time：更新时间；
所述无线Mesh路由协议网路建立包括网络节点开始工作被邻居网络节点发现和探知邻居节点，所述被邻居网络节点发现的过程是有限次数的发送自身信息广播数据包，当邻居节点接收到广播数据包后，会进行探知邻居节点，其具体过程为：
步骤A1、更新节点数据包、添加节点数据包、节点信息广播数据包；
步骤A2、查询路由表是否有邻居节点的节点记录，当路由表中有邻居节点的节点记录时，执行步骤A3；当路由表中没有邻居节点的节点记录时，执行步骤A5；
步骤A3、判断Metric是否相同，当Metric相同时，执行步骤A7；当Metric不同时，执行步骤A4；
步骤A4、判断Metric是否小于当前值，当Metric小于当前值时，更新路由表信息并标记路由更新；当Metric不小于当前值时，将此节点的Metric标记为0xff，将此节点移除路由表并标记路由更新；
步骤A5、判断Metric是否为0xff，当Metric为0xff时，执行步骤A7；当Metric不是0xff时，执行步骤A6；
步骤A6、判断路由表是否已满，当路由表已满时，执行步骤A7；当路由表未满时，将此节点加入路由表并标记路由更新；
步骤A7、不做任何动作；
所述无线Mesh路由协议网路更新的具体过程为：
步骤B1、查找路由表内所有的邻居节点；
步骤B2、生成邻居节点表；
步骤B3、判断邻居节点是否循环查找完毕，当邻居节点循环查找完毕时，执行步骤B4；当邻居节点未循环查找完毕时，执行步骤B5；
步骤B4、结束本次无线Mesh路由协议网路更新；
步骤B5、发送路由信息表，循环发送两次；
步骤B6、当邻居节点响应成功，执行步骤B3；当邻居节点响应失败，将此邻居节点计入离线预备表。
2.按照权利要求1所述的一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，其特征在于：所述更新节点数据包、添加节点数据包、节点信息广播数据包均为无线Mesh路由数据包，所述更新节点数据包、添加节点数据包、节点信息广播数据包均包括一条或多条路由数据。
3.按照权利要求1所述的一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，其特征在于：所述无线Mesh路由协议网路维持采用与邻居节点握手确认的方式进行。
4.按照权利要求1所述的一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，其特征在于：所述MAC子层使用的接收、发送描述符结构包括描述符控制字、描述符数据长度、描述符缓冲区指针和下一个描述符指针；所述描述符控制字的数据长度为1字节，3个标志位，所述3个标志位为：
Used：可用标志，为1时表示描述符已使用；为0时表示描述符空闲；
FS：第一个描述符标志，为1时表示描述符是起始描述符，数据包有多个描述符组成；
LS：最后一个描述符标志，为1时表示描述符是结束描述符，数据包有多个描述符组成；FS与LS都为1的时表示，数据包只使用一个描述符；FS与LS都为0时表示，数据包有多个描述符组成，当前描述符为中间描述符。
5.按照权利要求1所述的一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，其特征在于：所述防冲撞层采用两个无线信道作为命令和数据传输通道，在每次需要进行数据传输时，通过命令信道与目标节点建立链接，通过数据信道传输数据。
6.按照权利要求1所述的一种煤矿井下通信用无线Mesh网络协议设计方法，其特征在于：所述防冲撞层的设计包括接收防冲撞和发送防冲撞；
所述接收防冲撞的具体过程为：
步骤C1、数据接收节点激活，处于命令通道接收状态，等待其他节点握手信号TACK；
步骤C2、数据接收节点接收到TACK后，与自身地址进行匹配，当TACK与自身地址匹配时，执行步骤C3；当TACK与自身地址不匹配时，执行步骤C1；
步骤C3、锁存与数据发送节点的连接通信地址并获取无线PHY操作权；
步骤C4、数据接收节点回复TACK确认；
步骤C5、数据接收节点转入数据通道，等待数据，并触发200ms窗口接收；
步骤C6、数据接收节点接收数据并判断数据是否有误，当数据无误时，存入MAC描述符并回复ACT，执行步骤C7；当数据有误时，回复RETRY，执行步骤C5；
步骤C7、数据接收节点解锁当前连接通信地址并释放无线PHY操作权；
步骤C8、数据接收节点数据接收结束；
所述发送防冲撞的具体过程为：
步骤D1、数据发送节点准备数据包，启动发送线程；
步骤D2、数据发送节点获取无线PHY操作权并锁存当前连接通信地址；
步骤D3、数据发送节点监听命令通道是否繁忙；
步骤D4、当命令通道繁忙时，数据发送节点不发送数据，暂停30ms～100ms后，执行步骤D3；当命令通道不繁忙时，执行步骤D5；
步骤D5、数据发送节点进入数据传输握手发起状态，发送握手信号TACK并等待数据接收节点回复；
步骤D6、数据发送节点接收到数据接收节点回复的TACK后，转入数据通道，开始发送数据；
步骤D7、数据发送节点数据发送完成后，等待数据接收节点回复；
步骤D8、当数据发送节点接收到数据接收节点回复的RETRY信号时，重新发送数据，执行步骤D7；当数据发送节点接收到数据接收节点回复的ACT信号时，解锁当前连接通信地址并释放无线PHY操作权；
步骤D9、数据发送节点数据发送结束。
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