CN112822723B - 一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于IPv6无线传感器网络技术领域，特别涉及一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法，包括当移动节点在专用通道扫描来自候选父节点的EB帧并且播报DIS报文告知候选父节点移动节点正在移动；在专用通道扫描接收到EB后与候选父节点同步；继续播报DIS请求DIO信息，同时通知候选父节点降低EB的发送频率；移动节点接收DIO报文后，根据路由选择目标函数，选出最优父节点，选用最优父节点的RANK值和随机数一起算取与最优父节点的通信信道，将被选中信息封装进DAO连接报文中，发送给新父节点；移动节点接收新、旧父节点的DAO‑ACK报文后，清除旧的调度单元，建立新的连接；本发明能够增强了6TiSCH网络中节点的移动性，降低了移动节点的切换时间，优化节点能量消耗，保障了网络的可靠性。

Description

一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法

技术领域

本发明属于IPv6无线传感器网络技术领域，特别涉及一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法。

背景技术

无线传感器网(WSN)凭借其功耗低、部署快、效率高的特点在工业自动化领域发挥着重要作用。其中6LoWPAN具有普及性、适应性、更多地址空间、支持无状态自动地址配置、易接入、易开发等方面的优势，但它在网络的可靠性和实时性上还存在不足。

于是IETF在6LoWPAN的基础上成立了6TiSCH工作组，引入了时隙信道调频(TSCH)机制提高了网络的实时性与可靠性。TSCH采用了一种结合时隙调控和信道跳频的方法来有效地对抗多径衰落和潜在的外部干扰，能够为上层提供稳定可靠性的链路支持。因此6TiSCH很好的满足工业无线传输的可靠性、实时性以及低功耗的需求。

随着IPv6的实现，WSN不断扩大，传统静态网络已不适用诸如智能机器人工厂等移动作业的场景，因此WSN迫切需要移动性的支持。现有研究大多是关于6LoWPAN的移动性研究，针对6TiSCH的特点，要想把移动性引入6TiSCH，还面临着分配调度时隙的问题和入网开销大、入网延迟高的问题。

发明内容

为了确保6TiSCH网络对移动性支持的要求，并解决移动过程时隙分配调度问题和入网开销大、入网延迟高的问题，本发明提出一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法，具体包括以下步骤：

S1：移动节点通过检测链路质量的持续性变化，检测到自身的移动，启动定时器开始周期性向邻居节点播报DIS报文请求固定节点的DIO报文，并等待接收候选父节点的EB帧；

S2：移动节点依靠候选父节点的EB帧来获取候选父节点的同步信息，候选父节点通过自治调度单元接收到移动节点的DIS请求报文后，候选父节点在读取到网络中存在移动节点的信息后设置Trickle定时器，定时按指定信道发送EB；

S3：移动节点接收到候选父节点的EB帧后，节点成功获取候选父节点信息，发送带有随机数信息的DIS请求报文，等待DIO报文；

S4：候选父节点接收到DIS报文后，重置Trickle定时器，更改EB发送频率，使之随后以指数型趋势降低，利用DIS中封装的随机数信息，通过HASH算法与移动节点建立通信信道传输DIO；

S5：移动节点接收DIO信息后，根据目标函数从候选父节点中选出最优父节点，选用最优父节点RANK值与随机数算取与最优父节点的通信信道，建立与最优父节点的临时通信单元，将被请求建立连接的信息封装进DAO连接报文中，发送给最优父节点；

S6：最优父节点接收建立连接的DAO报文，建立连接，向移动节点回复DAO-ACK报文，并向上转发该信息，同时根据移动节点的需求信息调用otf算法为其分配预留足够资源；

S7：旧父节点通过接收断开连接的DAO报文信息，断开与移动节点的连接，并调用6P协议清空移动节点占用调度单元，完成6TiSCH中移动节点的切换。

进一步的，时隙调度表为移动节点设置了一个专用的EB帧接收信道，并且在同一时隙偏移量设置1～2个广播域专用时隙，其他时隙用作节点间的数据交互。

进一步的，移动节点检测到与原父节点通信链路的质量持续性变化，检测到自身的移动过程包括以下步骤：

计算移动节点到原父节点的距离，判断是否在连续两个时隙调度表都检测到该距离的值在递增，并且链路质量指示LQI的值在持续递减时，则判断链路质量在变差；

根据移动节点到原父节点的距离以及链路质量指标计算获取移动检测参数，当移动检测参数的在两个以上时隙递增，则移动检测参数表示为：

M＝μDis-λLQI；

其中，M为移动检测参数；Dis是移动节点到原父节点的距离；LQI是链路质量指标；μ和λ分别为移动节点到原父节点的距离和链路质量指标的权重。

进一步的，移动节点到原父节点的距离表示为：

其中，Dis指移动节点与原父节点的距离，RSSI指平均信号强度指示，A指发射端和接收端相隔1米时的信号强度，n指环境衰减因子。

进一步的，利用DIS中封装的随机数信息，通过HASH算法与移动节点建立通信信道传输DIO，即通过随机数HASH算法计算出移动节点发生通信的slot偏移和信道偏移并与自身的信息封装到DIO报文中，自身的信息至少包括跳数、节点的剩余能量、期望传输次数。

进一步的，slot偏移和信道偏移分别表示为：

slotOffset＝1+hash(random,hop,slotFrameLength-1)；

channelOffset＝hash(random,hop,channel)；

其中，slotOffset为时隙帧当中slot的偏移量，hash表示哈希算法，random维随机数，hop表示候选父节点的跳数，slotFrameLength为时隙的帧长度；channnelOffset表示信道偏移量，channel为调度中使用的信道总数。

进一步的，根据目标函数选出最优父节点包括：

其中，OF_move为路由选择目标函数；α、β、γ、η分别为期望传输次数、节点的剩余能量、跳数和时隙资源参数四个参数在公式中所占的权重值；ETX，Energy，Hop和Cell分别为期望传输次数、节点的剩余能量、跳数和时隙资源参数的值；ETX_max，Energy_max，Hop_max和Cell_max分别为期望传输次数、节点的剩余能量、跳数和时隙资源参数的最大值。

进一步的，根据移动节点的需求信息调用otf算法为其分配预留足够资源包括以下步骤：

由于移动节点的加入，新父节点所需资源增加，根据移动节点的需求，判断节点的资源需求，即若R_move+R＞S，则为移动节点预留所需调度单元数为：

其中，R_move为移动节点所需调度单元数，R为新父节点原本需求的单元数，S为新父节点已使用调度单元数；R_e为新父节点为移动节点预留时隙数，T为新父节点的调度阈值。

本发明的有益效果在于：

1)本发明将RPL路由协议与TSCH(时隙跳信道机制)相结合，解决了6TiSCH网络的移动节点快速切换的问题，能够有效的降低节点移动过程的链路切换延时，大大地提高网络的可靠性。通过将为移动节点分配特定的EB等待信道来解决移动节点切换等待EB帧时间过长，导致切换延迟大的问题，缩短切换时间，同时利用Trickle定时器，调节EB的发送频率进一步减少等待时间，使得6TiSCH网络中的节点移动性能大大提高，实现了节点的移动切换功能。

本发明还考虑了移动节点的资源调度问题。一般6TiSCH网络的调度对于移动节点的支持性不高，本发明通过将链路信息和调度资源的信息放入DIO、DAO报文中，实现最优父节点的选择和路由表的更新。并且采用新的调度方式，对固定节点和移动节点分别采用集中式调度和分布式调度，提高网络的动态性能同时也节省移动网络的信令开销。降低节点能量消耗，保障了网络的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法中移动节点工作流程示意图；

图2为本发明一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法中固定节点工作流程示意图；

图3为本发明一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法中时隙帧设计示意图；

图4为本发明一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法中节点扫描通道示意图；

图5为本发明一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法中时隙报文交互示意图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法，包括以下步骤：

S1：移动节点通过检测链路质量的持续性变化，检测到自身的移动，启动定时器开始周期性向邻居节点播报DIS报文请求固定节点的DIO报文，并等待接收候选父节点的EB帧；

S2：移动节点依靠候选父节点的EB帧来获取候选父节点的同步信息，候选父节点通过自治调度单元接收到移动节点的DIS请求报文后，候选父节点在读取到网络中存在移动节点的信息后设置Trickle定时器，定时按指定信道发送EB；

S3：移动节点接收到候选父节点的EB帧后，节点成功获取候选父节点信息，发送带有随机数信息的DIS请求报文，等待DIO报文；

S4：候选父节点接收到DIS报文后，重置Trickle定时器，更改EB发送频率，使之随后以指数型趋势降低，利用DIS中封装的随机数信息，通过HASH算法与移动节点建立通信信道传输DIO；

S5：移动节点接收DIO信息后，根据目标函数从候选父节点中选出最优父节点，选用最优父节点RANK值与随机数算取与最优父节点的通信信道，建立与最优父节点的临时通信单元，将被请求建立连接的信息封装进DAO连接报文中，发送给最优父节点；

S6：最优父节点接收建立连接的DAO报文，建立连接，向移动节点回复DAO-ACK报文，并向上转发该信息，同时根据移动节点的需求信息调用otf算法为其分配预留足够资源；

S7：旧父节点通过接收断开连接的DAO报文信息，断开与移动节点的连接，并调用6P协议清空移动节点占用调度单元，完成6TiSCH中移动节点的切换。

在本实施例中，从移动节点与固定节点工作流程进一步对一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法进行说明，如图1所示，本发明所述的面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法中的移动节点的工作具体实现过程如下：

Step1：该节点所采用的方法是移动节点在检测到链路质量持续变化的情况下，感知到自己的移动，开始在专用通道扫描来自候选父节点的EB帧并且播报DIS报文告知候选父节点自己正在移动信息；

Step2：在专用通道扫描接收到EB后与候选父节点同步，成为网络一员；

Step3：并且继续播报DIS请求DIO信息，同时通知候选父节点降低EB的发送频率；

Step4：移动节点接收DIO报文后，根据目标函数，选出最优父节点，选用最优父节点RANK值与随机数算取与最优父节点的通信信道，将被选中信息封装进DAO连接报文中，发送给新父节点；

Step5：移动节点接收新、旧父节点的DAO-ACK报文后，清除旧的调度单元，建立新的连接，完成6TiSCH中移动节点的切换。

如图2所示，本发明所述的面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法中的固定节点的工作具体实现过程如下：

Step1：移动节点依靠候选父节点的EB帧来获取候选父节点的同步信息，进行进一步的通信，候选父节点通过自治调度单元接收到移动节点的DIS请求报文后，由于移动节点还未与候选父节点同步，候选父节点在读取到网络中存在移动节点的信息后就设置Trickle定时器，定时按指定信道发送EB；

Step2：候选父节点接收到DIS报文后，重置新的Trickle定时器，更改EB发送频率，使之随后以指数型趋势降低，利用移动节点的DIS中封装的随机数信息，通过HASH算法与移动节点建立通信信道传输DIO；

Step3：最优父节点接收DAO连接请求报文，建立连接，向上转发该信息，并向移动节点回复DAO-ACK报文，同时根据移动节点的需求信息调用算法为其分配预留足够资源；

Step4：旧父节点通过接收移动节点的DAO断开请求报文信息，断开与移动节点的连接，并调用6P调度算法清空移动节点占用调度单元，完成6TiSCH中移动节点的切换。

Step5：在指定时间内没有接收到DAO报文，则停止等待，结束切换。

图3为调度表设计示意图，时隙调度表为移动节点设置了一个专用的EB帧接收信道，并且在同一时隙偏移量设置1～2个广播域专用时隙，其他时隙用作节点间的数据交互，本发明设计的时隙调度表格式为移动节点需要的EB帧在固定的channel进行发送，确保EB的扫描和发送有序且节省移动节点用于扫描等待EB进行同步的时间导致端到端传输的时延过大，播报区域与数据正常交互区域区分开，也是同理。现有时隙没有为移动节点划分专用的EB接收时隙，移动节点是依靠随机扫描和随机监听来接收EB，这样接收的几率很低，或者发送大量的EB会增加能耗，于是经过专用时隙的划分，节省能耗，也减少了等待EB的时间。

图4为节点扫描通道示意图，移动节点拥有固定的扫描周期，定时向不同的信道进行信道的扫描，固定节点也会有需要扫描的信道，检测移动信息；移动节点检测到与原父节点通信链路的质量持续性变化，检测到自身的移动过程包括以下步骤：

计算移动节点到原父节点的距离，判断是否在连续两个时隙调度表都检测到该距离的值在递增，并且链路质量指示LQI的值在持续递减时，则判断链路质量在变差；

根据移动节点到原父节点的距离以及链路质量指标计算获取移动检测参数，当移动检测参数的在两个以上时隙递增，则移动检测参数表示为：

M＝μDis-λLQI；

其中，M为移动检测参数；Dis是移动节点到原父节点的距离；LQI是链路质量指标；μ和λ分别为移动节点到原父节点的距离和链路质量指标的权重。

进一步的，移动节点到原父节点的距离表示为：

其中，Dis指移动节点与原父节点的距离，RSSI指平均信号强度指示，A指发射端和接收端相隔1米时的信号强度，n指环境衰减因子。

图5为时隙报文交互示意图，当移动节点在专用信道扫描接收到候选父节点的EB帧，实现与候选父节点所在网络的时间同步后，所接收到的DIS报文，才被候选父节点采用，接收到同步后的移动节点发来的DIS报文后，EB帧的发送周期增大，能耗得以节省。

当候选父节点接收DIS报文后，重置定时器，设计定时器，使得EB发送的数量呈指数型减少，再根据DIS报文中分配的特定数值，采用HASH算法，算出与移动节点发生通信的slot偏移和信道偏移，即：

slotOffset＝1+hash(random,hop,slotFrameLength-1)；

channelOffset＝hash(random,hop,channel)；

其中，slotOffset为时隙帧当中slot的偏移量，hash表示哈希算法，random维随机数，hop表示候选父节点的跳数，slotFrameLength为时隙的帧长度；channnelOffset表示信道偏移量，channel为调度中使用的信道总数。

将上述两个偏移量自身的信息封装进DIO报文中，候选父节点自身的信息包括跳数，节点的剩余能量，ETX(期望传输次数)信息等。

根据接收到的DIO报文中携带的信息，选取移动节点的最优父节点，本发明考虑到多重因素对建立通信的影响，本发明利用多个路由度量以及6TiSCH特有的调度表度量设计新的目标函数，表示为：

其中，OF_move为路由选择目标函数，该目标函数值最大的候选父节点即为最优父节点；α、β、γ、η分别为期望传输次数、节点的剩余能量、跳数和时隙资源参数四个参数在公式中所占的权重值；ETX，Energy，Hop和Cell分别为期望传输次数、节点的剩余能量、跳数和时隙资源参数的值；ETX_max，Energy_max，Hop_max和Cell_max分别为期望传输次数、节点的剩余能量、跳数和时隙资源参数的最大值。

根据移动节点的需求信息调用otf算法为其分配预留足够资源包括以下步骤：

由于移动节点的加入，新父节点所需资源增加，根据移动节点的需求，判断节点的资源需求，即若R_move+R＞S，则为移动节点预留所需调度单元数为：

其中，R_move为移动节点所需调度单元数，R为新父节点原本需求的单元数，S为新父节点已使用调度单元数；R_e为新父节点为移动节点预留时隙数，T为新父节点的调度阈值。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：移动节点通过检测链路质量的持续性变化，检测到自身的移动，启动定时器开始周期性向邻居节点播报DIS报文请求固定节点的DIO报文，并等待接收候选父节点的EB帧；

S2：移动节点依靠候选父节点的EB帧来获取候选父节点的同步信息，候选父节点通过自治调度单元接收到移动节点的DIS请求报文后，候选父节点在读取到网络中存在移动节点的信息后设置Trickle定时器，定时按指定信道发送EB；

S3：移动节点接收到候选父节点的EB帧后，节点成功获取候选父节点信息，发送带有随机数信息的DIS请求报文，等待DIO报文；

S4：候选父节点接收到DIS报文后，重置Trickle定时器，更改EB发送频率，使之随后以指数型趋势降低，利用DIS中封装的随机数信息，通过HASH算法与移动节点建立通信信道传输DIO；

S5：移动节点接收DIO信息后，根据目标函数从候选父节点中选出最优父节点，选用最优父节点RANK值与随机数算取与最优父节点的通信信道，建立与最优父节点的临时通信单元，将被请求建立连接的信息封装进DAO连接报文中，发送给最优父节点；目标函数表示为：

其中，OF_move为路由选择目标函数；α、β、γ、η分别为期望传输次数、节点的剩余能量、跳数和时隙资源参数四个参数在公式中所占的权重值；ETX，Energy，Hop和Cell分别为期望传输次数、节点的剩余能量、跳数和时隙资源参数的值；ETX_max，Energy_max，Hop_max和Cell_max分别为期望传输次数、节点的剩余能量、跳数和时隙资源参数的最大值；

S6：最优父节点接收建立连接的DAO报文，建立连接，向移动节点回复DAO-ACK报文，并向上转发该信息，同时根据移动节点的需求信息调用otf算法为其分配预留资源，即由于移动节点的加入，新父节点所需资源增加，根据移动节点的需求，判断节点的资源需求，即若R_move+R＞S，则为移动节点预留所需调度单元数为：

其中，R_move为移动节点所需调度单元数，R为新父节点原本需求的单元数，S为新父节点已使用调度单元数；R_e为新父节点为移动节点预留时隙数，T为新父节点的调度阈值；

S7：旧父节点通过接收断开连接的DAO报文信息，断开与移动节点的连接，并调用6P协议清空移动节点占用调度单元，完成6TiSCH中移动节点的切换。

2.根据权利要求1所述的一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法，其特征在于，时隙调度表为移动节点设置了一个专用的EB帧接收信道，并且在同一时隙偏移量设置1～2个广播域专用时隙，其他时隙用作节点间的数据交互。

3.根据权利要求1所述的一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法，其特征在于，移动节点检测到与原父节点通信链路的质量持续性变化，检测到自身的移动过程包括以下步骤：

计算移动节点到原父节点的距离，判断是否在连续两个时隙调度表都检测到该距离的值在递增，并且链路质量指示LQI的值在持续递减时，则判断链路质量在变差；

根据移动节点到原父节点的距离以及链路质量指标计算获取移动检测参数，当移动检测参数的在两个以上时隙递增，则移动检测参数表示为：

M＝μDis-λLQI；

其中，M为移动检测参数；Dis是移动节点到原父节点的距离；LQI是链路质量指标；μ和λ分别为移动节点到原父节点的距离和链路质量指标的权重。

4.根据权利要求3所述的一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法，其特征在于，移动节点到原父节点的距离表示为：

其中，Dis指移动节点与原父节点的距离，RSSI指平均信号强度指示，A指发射端和接收端相隔1米时的信号强度，n指环境衰减因子。

5.根据权利要求1所述的一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法，其特征在于，利用DIS中封装的随机数信息，通过HASH算法与移动节点建立通信信道传输DIO，即通过随机数HASH算法计算出移动节点发生通信的slot偏移和信道偏移并与自身的信息封装到DIO报文中，自身的信息至少包括跳数、节点的剩余能量、期望传输次数。

6.根据权利要求5所述的一种面向6TiSCH网络的移动节点快速切换方法，其特征在于，slot偏移和信道偏移分别表示为：

slotOffset＝1+hash(random,hop,slotFrameLength-1)；

channelOffset＝hash(random,hop,channel)；

其中，slotOffset为时隙帧当中slot的偏移量，hash表示哈希算法，random维随机数，hop表示候选父节点的跳数，slotFrameLength为时隙的帧长度；channnelOffset表示信道偏移量，channel为调度中使用的信道总数。

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