CN110740455B - 基于wisun通讯技术的组网方法、网络和传输方法 - Google Patents

基于wisun通讯技术的组网方法、网络和传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及物联网通信领域。基于WISUN通讯技术的组网方法、网络和传输方法，包括如下步骤：二级网络节点将与其位于同一网络的中继设备Repeater的IP地址作为上行数据的目标地址，构造报文，进行数据上传，在二级网络内，每个节点负责对该报文进行转发，最终由对应的中继设备Repeater接收；中继设备Repeater接收到该报文后，将其目的地址替换为对应的无线接入点AP地址，继续向上传输；无线接入点AP接收报文后完成数据传输。本发明可以提供两级不同速率的调频方式，一级网络使用高速无线调频技术，二级网络使用低速调频，最大限度的利用网络资源，根据现场环境的需要灵活部署。

Description

基于WISUN通讯技术的组网方法、网络和传输方法
技术领域
本发明涉及物联网通信领域，尤其是涉及一种基于WISUN无线通讯技术的组网方法、利用该组网方法建立的网络、以及利用该网络进行数据传输的方法。
背景技术
物联网的全网IP化解决方案，因基于IP协议的高可靠性，安全性，开发互联和易拓展等特点，逐渐被各大厂商认可和推广。其中，WISUN(Wireless Smart Utility Network，也称Wi-SUN，运行在920MHz频段，具备极佳的穿透力)无线通讯技术由于其对IP协议支持良好，功耗低和网速高等特性，成为底层通讯技术最好的选择。但由于物联网全网IP化的解决方案动辄十几万甚至几十万接入点的网络规模，传统模块的硬件性能已很难满足其需求，提升模块硬件又意味着极高的硬件成本，导致目前市场上WISUN通讯模块的价格昂贵，维护费用极高成为普遍现象。
例如传统的DCU(Data Concentrate Uint)组网方案，WISUN主模块会使用大量的内存芯片去存储数以万计从节点的路由信息和邻居列表，使用高频CPU用于路由计算和路由选择，用于支撑庞大的全网IP化的网络体系。同时，因为要支持大量的网络节点的路由，导致每个从模块都需要有较大的硬件内存和较强的CPU运算能力，会导致元器件方面的成本大量增加，另一方面，大量的路由对软件算法的要求极高，同时也增加了软件框架的研发和调试成本，导致该方案最终很难被客户接受。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于WISUN无线通讯技术的组网方法，以及利用该方法组建的网络，能够在不扩大原有模块硬件资源的基础上，扩大WISUN无线通讯网络容量。
本发明的另一目的在于提供一种基于前述网络的数据传输方法。
这种基于WISUN无线通讯技术的组网方法，具体包括以下步骤：
S1：在不扩大原有模块硬件资源的基础上，每一个主节点root1,root2…rootN各自与其从节点组成以下相互独立的网络network1，network2…networkN；其中N为主节点总数；如果每个独立的网络内部支持一千个节点的容量，则整个网络容量有十万节点之多；通过将多个独立的网络组织在一起，可以形成一个可容纳几十万节点的大型网络，总量已经满足大多数物联网全网IP化的解决方案支持的最大节点个数；
S2：将主节点root1与无线接入点AP(Access Point)直接相连，并且将主节点root1所在的网络network1定义为一级网络，其余主节点root2,root3…rootN所在的独立网络network2，network3…networkN定义为二级网络；独立的小型网络各自维护内部路由，将整个路由运算的压力分散，减少主节点的路由运算压力；
S3：将一级网络的从节点中的叶子节点与二级网络的主节点相连，形成多个单独的中继设备Repeater，将相互独立的各网络连成一个整体；每个中继设备Repeater负责自己所在网络(包括末端节点和无线接入点AP间所有与该中继设备Repeater直接或间接通讯的节点，也包括所述末端节点和无线接入点AP)内所有路由的维护和数据转发，并且各个中继设备Repeater之间相互独立，最大限度减少各个主节点的内存和CPU开销(不需要大容量内存和高性能CPU等硬件作为支持，可以大量减少模块的成本)；一个大型的网络由多个各自独立的小型网络组成，现场部署更加灵活和便捷；
S4：将所有的中继设备Repeater注册到主节点root1上；对于主节点root1，仅管理和维护一级网络network1内部各中继设备Repeater的路由，不涉及其他网络的路由，大量减少主节点的路由存储，加快主节点的路由计算，快速响应网络变化；主节点root1负责将任何发给二级网络节点的数据进行路由指导，并分配给每个中继设备Repeater；
S5：注册成功后，主节点root1给每个中继设备Repeater分配一个独立的IP地址，作为各中继设备Repeater接收数据的地址；
S6：每个中继设备Repeater获得自己的IP地址后，开始向自己负责的网络区域广播注册信息(主要是二级网络中的各从节点，也可以直接向末端节点广播)；区域内的从节点收到该注册信息后，注册到对应的中继设备Repeater上；和主节点root1相似，每个中继设备Repeater也只负责记录自己所在的网络内部的路由，不记录其他中继设备Repeater所在网络的内部节点的路由，大量减少主节点的路由存储，加快主节点的路由计算，快速响应网络变化，完成整个网络的注册；
S7：当区域内的从节点终端节点向中继设备Repeater注册完成并且获得自己的IP地址后，中继设备Repeater向无线接入点AP上报终端节点所述从节点的报注册信息，无线接入点AP通过注册信息建立映射二级网络和一级网络的路由关系相应的隧道列表。对于与各中继设备Repeater位于同一二级网络内的从节点，其IP地址与该中继设备Repeater位于同网段；所述隧道表可以由多种方式去建立，核心作用就是映射二级网络和一级网络的路由关系。
作为优选，所述无线接入点AP为全网统一的管理和维护点；通过以太网接口(Ethernet)与支持高速无线通信的主节点root1相连。
作为优选，所述中继设备Repeater由两个节点连接而成，其中一个节点为一级网络的叶子节点，负责一级网络内数据的收发，另外一个节点为二级网络的主节点，作为二级网络的接入设备，负责节点路由的维护。
作为优选，所述主节点root1负责所有中继设备repeater的接入和路由管理，根据硬件资源内容，可以支持100个左右的中继设备repeate。
本发明网络组建完成后，当有下行数据时：主节点root1会把数据发送给对应的中继设备Repeater，中继设备Repeater拿到数据后，根据自身记录的路由信息，将数据发送给对应的节点；具体为：
无线接入点AP根据前述隧道表，构造IP-in-IP类型的报文，并将报文通过主节点root1发送出去；
在一级网络network1内部，各节点根据该报文的外层IP地址，将报文发送给对应的中继设备Repeater；
中继设备Repeater收到报文后，判断该报文的目标地址是否为自己；如是，则数据传输结束；如否，且目标地址与自己的IP地址位于同一网段，则将外层的IP报头剥去，获得内部真实目标IP地址；通过二级网络的节点层层转发，最后把该报文发送给对应的节点。
当有上行数据时：发送数据的从节点将数据上报给与自己位于同一网络的中继设备Repeater，中继设备Repeater拿到数据后再通过主节点root1发送给无线接入点AP；具体为：
二级网络节点将与其位于同一网络的中继设备Repeater的IP地址作为上行数据的目标地址，构造报文，进行数据上传，在二级网络内，每个节点负责对该报文进行转发，最终由对应的中继设备Repeater接收；
中继设备Repeater接收到该报文后，将其目的地址替换为对应的无线接入点AP地址，继续向上传输；
无线接入点AP接收报文后完成数据传输。
一种采用前述方法建立的网络，包括无线接入点AP和若干主节点root1,root2…rootN，其中主节点root1与其从节点组成一级网络，其余主节点root2，root3…rootN与其从节点组成二级网络；所述主节点root1与无线接入点AP相连，所述一级网络中的叶子节点按照一一对应的关系与主节点root2，root3…rootN相连，形成多个单独的中继设备Repeater；每个中继设备Repeater负责自己所在网络内所有路由的维护和数据转发，并且各个中继设备Repeater之间相互独立；其中N为主节点总数。
作为优选，所述无线接入点AP为全网统一的管理和维护点；通过以太网接口(Ethernet)与支持高速无线通信的主节点root1相连。
作为优选，所述中继设备Repeater由两个节点连接而成，其中一个节点为一级网络的叶子节点，负责一级网络内数据的收发，另外一个节点为二级网络的主节点，作为二级网络的接入设备，负责节点路由的维护。
作为优选，所述主节点root1负责所有中继设备repeater的接入和路由管理，根据硬件资源内容，可以支持100个左右的中继设备repeate。
一种数据传输方法，用于数据下行，包括如下步骤：
无线接入点AP根据前述方法建立的隧道表，构造IP-in-IP类型的报文，并将报文通过主节点root1发送出去；
在一级网络network1内部，各节点根据该报文的外层IP地址，将报文发送给对应的中继设备Repeater；
中继设备Repeater收到报文后，判断该报文的目标地址是否为自己；如是，则数据传输结束；如否，且目标地址与自己的IP地址位于同一网段，则将外层的IP报头剥去，获得内部真实目标IP地址；通过二级网络的节点层层转发，最后把该报文发送给对应的节点。
一种数据传输方法，用于数据上行，包括如下步骤：
二级网络节点将与其位于同一网络的中继设备Repeater的IP地址作为上行数据的目标地址，构造报文，进行数据上传，在二级网络内，每个节点负责对该报文进行转发，最终由对应的中继设备Repeater接收；
中继设备Repeater接收到该报文后，将其目的地址替换为对应的无线接入点AP地址，继续向上传输；
无线接入点AP接收报文后完成数据传输。
本发明的有益效果是：
1、本发明组网方法能让硬件资源较少的模块(节点)组成一个大型的基于IP的网络，最大限度的扩大网络容量，充分利用无线资源，让低成本高容量的网络规划成为一种可能；可以根据模块实际的硬件存储资源，将几十万节点的大网络分割成若干子网络，每个网络相互独立互不关联，各个网络的主节点只维护自身网络内部的节点，同时，对于该网络内其他模块的硬件资源要求也不高，可以极大的减少模块的成本。
2、降低了每个网络内部节点数量，主节点路由计算量小，对CPU性能的消耗也会减少，增加网络的实时性和高效性；
3、可以将小网络组成大网络，可以更加适配各种复杂的现场环境，对于小台区，可以部署较少的中继设备Repeater，对于大台区，则可以部署大量的中继设备Repeater组成一张大网；
4、该组网方法节省了传统DCU主节点的开销，使用成本更低的中继设备Repeater作为代替，不仅可以起到中继的效果，同时也可以减少关键节点的压力；
5、由于有多个主节点的存在，当网络发生剧烈变化的时候，可以由多个中继设备Repeater分摊路由重组的压力，实现路由的快速探测和恢复；
6、可以提供两级不同速率的调频方式，一级网络使用高速无线调频技术，二级网络使用低速调频，最大限度的利用网络资源，根据现场环境的需要灵活部署。
附图说明
图1为步骤1所述的网络框架图；
图2为步骤2所述的网络框架图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明是针对类似WISUN等高速无线通讯网络高带宽，高网速，但却往往受制于通讯模块本身内存，CPU等硬件资源限制，无法支持数以万计的节点，导致大量带宽被浪费的现象，提供的解决方案。具体为：
在不扩大原有模块硬件资源的基础上，每一个主节点root1,root2…rootN各自与其从节点组成以下相互独立的网络network1，network2…networkN；其中N为主节点总数；如果每个独立的网络内部支持一千个节点的容量，则整个网络容量有十万节点之多；通过将多个独立的网络组织在一起，可以形成一个可容纳几十万节点的大型网络，总量已经满足大多数物联网全网IP化的解决方案支持的最大节点个数，其网络框架图如图1。
如果将每个主节点root1，root2…rootN都直接连接在无线接入点AP(accesspoint)上面，无线接入点AP需要预留几十个串口，实现上显然是不可行的。本实施例中，仅将主节点root1与无线接入点AP直接相连(无线接入点AP作为全网统一的管理和维护点，通过以太网接口(Ethernet)与支持高速无线通信的主节点root1相连)，并且将主节点root1所在的网络network1定义为一级网络，其余主节点root2,root3…rootN所在的独立网络network2，network3…networkN定义为二级网络；
为了使二级网络可以接入一级网络，将一级网络的从节点中的叶子节点与二级网络的主节点相连，形成多个单独的中继设备Repeater，将相互独立的各网络连成一个整体；每个中继设备Repeater负责自己所在网络内所有路由的维护和数据转发，并且各个中继设备Repeater之间相互独立，最大限度减少各个主节点的内存和CPU开销(不需要大容量内存和高性能CPU等硬件作为支持，可以大量减少模块的成本)；其网络框架图如图2。所述主节点root1主要负责所有中继设备Repeater的接入和路由管理，根据硬件资源内容，可以支持100个左右的中继设备Repeater。中继设备Repeater作为中继节点，由两个节点连接而成，其中一个节点为一级网络的叶子节点，负责一级网络内数据的收发，另外一个节点为二级网络的主节点，作为二级网络的接入设备，负责节点路由的维护。
中继设备Repeater与无线接入点AP之间需要建立一层隧道关系(隧道表)IP-in-IP，发送到二级网络的数据包，外侧的目的地址为一级网络的中继设备Repeater地址，内部的地址才是实际接收的节点地址。这个隧道关系的建立可以在二级网络中节点注册时建立，例如，当终端节点注册到中继设备Repeater后，中继设备Repeater会将其信息(例如IP地址等)上报给无线接入点AP，帮助无线接入点AP在内部形成终端节点的实际地址与中继设备Repeater地址的映射关系表。中继设备Repeater作为二级网络的接入点，相比一级网络的主干络而言，可以提供速度较低的网络接入，根据实际情况，灵活的提供网络容量。
注册过程，将所有的中继设备Repeater注册到主节点root1上；对于主节点root1，仅管理和维护一级网络network1内部各中继设备Repeater的路由，不涉及其他网络的路由，大量减少主节点的路由存储，加快主节点的路由计算，快速响应网络变化；主节点root1负责将任何发给二级网络节点的数据进行路由指导，并分配给每个中继设备Repeater；
注册成功后，主节点root1会给每个中继设备Repeater分配一个独立的IP地址。每个中继设备Repeater得到的IP地址会有两个用途，首先是作为自己的接收数据的地址，其次对于注册到自己网络的二级网络节点，会得到与这个IP同网段的地址(具体为：每个中继设备Repeater获得自己的IP地址后，开始向自己负责的网络区域广播注册信息；区域内的从节点收到该注册信息后，注册到对应的中继设备Repeater上，完成整个网络的注册；对于与各中继设备Repeater位于同一二级网络内的从节点，为其分配与该中继设备Repeater同网段的IP地址；每个中继设备Repeater也只负责记录自己所在的网络内部的路由，不记录其他中继设备Repeater所在网络的内部节点的路由，大量减少主节点的路由存储，加快主节点的路由计算，快速响应网络变化)，此时，主节点root1根据分配的IP地址建立一张隧道表，该隧道表可以由多种方式去建立，核心作用就是映射二级网络和一级网络的路由关系；记录二层网络的出口中继设备Repeater，利用隧道的方式，进行转发。
当有下行数据，无线接入点AP需要发送数据给二级网络的节点时，无线接入点AP根据前述隧道表，构造IP-in-IP类型的报文，并将报文通过主节点root1发送出去；在一级网络network1内部，各节点根据该报文的外层IP地址，将报文发送给对应的中继设备Repeater；中继设备Repeater收到报文后，判断该报文的目标地址是否为自己；如是，则直接进行数据处理，数据传输结束；如否，且目标地址与自己的IP地址位于同一网段，则将外层的IP报头剥去，获得内部真实目标IP地址；通过二级网络的节点层层转发，最后把该报文发送给对应的节点。
当有上行数据时，二级网络节点将与其位于同一网络的中继设备Repeater的IP地址作为上行数据的目标地址，构造报文，进行数据上传，在二级网络内，每个节点负责对该报文进行转发，最终由对应的中继设备Repeater接收；中继设备Repeater接收到该报文后，将其目的地址替换为对应的无线接入点AP地址，继续向上传输；无线接入点AP接收报文后完成数据传输。
如图2所示，利用前述组网方法建立的无线网络，包括无线接入点AP和若干主节点root1,root2…rootN，其中主节点root1与其从节点组成一级网络，其余主节点root2，root3…rootN与其从节点组成二级网络；所述主节点root1与无线接入点AP相连，所述一级网络中的叶子节点按照一一对应的关系与主节点root2，root3…rootN相连，形成多个单独的中继设备Repeater；每个中继设备Repeater负责自己所在网络内所有路由的维护和数据转发，并且各个中继设备Repeater之间相互独立；其中N为主节点总数。
所述无线接入点AP为全网统一的管理和维护点；通过以太网接口(Ethernet)与支持高速无线通信的主节点root1相连。
所述中继设备Repeater由两个节点连接而成，其中一个节点为一级网络的叶子节点，负责一级网络内数据的收发，另外一个节点为二级网络的主节点，作为二级网络的接入设备，负责节点路由的维护。每个中继设备Repeater也只负责记录自己所在的网络内部的路由，不记录其他中继设备Repeater所在网络的内部节点的路由，大量减少主节点的路由存储，加快主节点的路由计算，快速响应网络变化。
所述主节点root1负责所有中继设备repeater的接入和路由管理，根据硬件资源内容，可以支持100个左右的中继设备repeate。
一种数据传输方法，用于数据下行，包括如下步骤：
无线接入点AP根据前述方法建立的隧道表，构造IP-in-IP类型的报文，并将报文通过主节点root1发送出去；
在一级网络network1内部，各节点根据该报文的外层IP地址，将报文发送给对应的中继设备Repeater；
中继设备Repeater收到报文后，判断该报文的目标地址是否为自己；如是，则数据传输结束；如否，且目标地址与自己的IP地址位于同一网段，则将外层的IP报头剥去，获得内部真实目标IP地址；通过二级网络的节点层层转发，最后把该报文发送给对应的节点。
一种数据传输方法，用于数据上行，包括如下步骤：
二级网络节点将与其位于同一网络的中继设备Repeater的IP地址作为上行数据的目标地址，构造报文，进行数据上传，在二级网络内，每个节点负责对该报文进行转发，最终由对应的中继设备Repeater接收；
中继设备Repeater接收到该报文后，将其目的地址替换为对应的无线接入点AP地址，继续向上传输；
无线接入点AP接收报文后完成数据传输。
结果：
整体网络，可以根据中继设备Repeater的部署，任意扩大或者缩小网络规模，在一个中继设备Repeater最大可以接入1000节点的情况下，整体网络可以扩大至10w甚至更多的节点。

Claims (9)

1.一种基于WISUN无线通讯技术的组网方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1：在不扩大原有模块硬件资源的基础上，每一个主节点root1,root2…rootN各自与其从节点组成以下相互独立的网络network1，network2…networkN；其中N为主节点总数；
S2：将主节点root1与无线接入点AP直接相连，并且将主节点root1所在的网络network1定义为一级网络，其余主节点root2,root3…rootN所在的独立网络network2，network3…networkN定义为二级网络；
S3：将一级网络的从节点中的叶子节点与二级网络的主节点相连，形成多个单独的中继设备Repeater，将相互独立的各网络连成一个整体；每个中继设备Repeater负责自己所在网络内所有路由的维护和数据转发，并且各个中继设备Repeater之间相互独立；
S4：将所有的中继设备Repeater注册到主节点root1上；对于主节点root1，仅管理和维护一级网络network1内部各中继设备Repeater的路由，不涉及其他网络的路由；
S5：注册成功后，主节点root1给每个中继设备Repeater分配一个独立的IP地址，作为各中继设备Repeater接收数据的地址；
S6：每个中继设备Repeater获得自己的IP地址后，开始向自己负责的网络区域广播注册信息；区域内的从节点收到该注册信息后，注册到对应的中继设备Repeater上，完成整个网络的注册；
S7：当区域内的从节点向中继设备Repeater注册完成并且获得自己的IP地址后，中继设备Repeater向无线接入点AP上报所述从节点的注册信息，无线接入点AP通过注册信息建立映射二级网络和一级网络的路由关系的隧道列表。
2.根据权利要求1所述的基于WISUN无线通讯技术的组网方法，其特征在于，所述无线接入点AP为全网统一的管理和维护点，通过以太网接口与支持高速无线通信的主节点root1相连。
3.根据权利要求1所述的基于WISUN无线通讯技术的组网方法，其特征在于，所述中继设备Repeater由两个节点连接而成，其中一个节点为一级网络的叶子节点，负责一级网络内数据的收发，另外一个节点为二级网络的主节点，作为二级网络的接入设备，负责节点路由的维护。
4.根据权利要求1所述的基于WISUN无线通讯技术的组网方法，其特征在于，所述主节点root1负责所有中继设备repeater的接入和路由管理。
5.一种采用权利要求1-4任意一项所述方法建立的网络，其特征在于：包括无线接入点AP和若干主节点root1,root2…rootN，其中主节点root1与其从节点组成一级网络，其余主节点root2，root3…rootN与其从节点组成二级网络；所述主节点root1与无线接入点AP相连，所述一级网络中的叶子节点按照一一对应的关系与主节点root2，root3…rootN相连，形成多个单独的中继设备Repeater；每个中继设备Repeater负责自己所在网络内所有路由的维护和数据转发，并且各个中继设备Repeater之间相互独立；其中N为主节点总数。
6.根据权利要求5所述的网络，其特征在于，所述无线接入点AP为全网统一的管理和维护点，通过以太网接口与支持高速无线通信的主节点root1相连。
7.根据权利要求5所述的网络，其特征在于，所述主节点root1负责所有中继设备repeater的接入和路由管理。
8.一种数据传输方法，其特征在于包括如下步骤：
无线接入点AP根据权利要求1-4任意一项方法建立的隧道表，构造IP-in-IP类型的报文，并将报文通过主节点root1发送出去；
在一级网络network1内部，各节点根据该报文的外层IP地址，将报文发送给对应的中继设备Repeater；
中继设备Repeater收到报文后，判断该报文的目标地址是否为自己；如是，则数据传输结束；如否，且目标地址与自己的IP地址位于同一网段，则将外层的IP报头剥去，获得内部真实目标IP地址；通过二级网络的节点层层转发，最后把该报文发送给对应的节点。
9.一种数据传输方法，其特征在于包括如下步骤：
在使用权利要求1-4任意一项组网方法建立的无线网络下，二级网络节点将与其位于同一网络的中继设备Repeater的IP地址作为上行数据的目标地址，构造报文，进行数据上传，在二级网络内，每个节点负责对该报文进行转发，最终由对应的中继设备Repeater接收；
中继设备Repeater接收到该报文后，将其目的地址替换为对应的无线接入点AP地址，继续向上传输；
无线接入点AP接收报文后完成数据传输。
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