CN112929960B - 一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法 - Google Patents
一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于无线传感网络领域,涉及一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法,包括MAC层采用TDMA和FDMA结合的方法划分通信资源;新节点入网时进行时间同步,网络中的节点之间周期性进行时间同步;利用基于链路丢包率和RSSI的链路监测机制对链路进行监测;在MAC层与网络层之间建立资源分配操作层,根据链路监测执行SF0调度算法;设备间传输信道采用跳频机制,网络层采用6LoWPAN协议实现IPv6报文适配MAC层报文要求;本发明能更准确的分配通过TDMA和FDMA结合方法划分的通信资源,从而提高了无线传感网络的确定性;通过融合6LoWPAN协议支持IPv6。
Description
技术领域
本发明属于无线传感网络领域,涉及一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法。
背景技术
目前资源受限的无线传感网络面临两大问题:一是无线传输的确定性问题,所谓确定性是指可以保障无线传感网络的可靠性,网络传输要有确定性时延、丢包率等,这需要在MAC层和数据链路层做出调整;二是为海量工业现场节点分配IP地址接入互联网的问题,IPv6不仅能够解决无线传感网络的承载数量问题从而保证每个节点在线,还能满足无线传感网络安全和服务质量等需求。但是MAC层如何负担IPv6报文也是要解决的问题。
传统无线传感网络如Zigbee网络,MAC层基于IEEE 802.15.4标准,存在的主要问题是隐藏终端问题和暴露终端问题。隐藏终端问题容易造成冲突干扰,暴露终端问题容易造成传输时延。面对冲突干扰,常用解决方案是CSMA/CA冲突避让机制,但这会造成传输时延;TDMA机制则会造成不仅造成传输时延,还会导致低带宽利用率;FDMA机制会解决低设备容量的冲突问题,但不足以满足高设备容量情况,采用FDMA机制设备的另一致命缺点是在空闲状态也会持续占用信道,导致带宽资源浪费。
对于链路监测机制,传统无线传感网络多单一根据传输成功率或者信号质量RSSI判断链路状态,这样会存在一些问题,例如在传输成功率较高的情况下,缓存队列积压过多数据包,最终会导致无线传感网络确定性下降。准确的监测机制搭配低复杂度的通信资源分配算法,更适合无线传感网络,可以降低网络传输时延更合理的利用通信资源。
发明内容
为了避免隐藏终端问题和暴露终端问题,提高链路监测准确性,降低传输时延,提高传输可靠性,本发明提出一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法,如图1,具体包括以下步骤:
MAC层采用TDMA和FDMA结合的方法划分通信资源;
新节点入网时进行时间同步,网络中的节点之间周期性进行时间同步;
利用基于链路丢包率和RSSI的链路监测机制对链路进行监测;
在MAC层与网络层之间建立资源分配操作层,根据链路监测执行SF0调度算法;
设备间传输信道采用跳频机制,网络层采用6LoWPAN协议实现IPv6报文适配MAC层报文要求。
进一步的,MAC层采用TDMA和FDMA结合的方法划分通信资源包括:在时间轴上将每个周期分为多个时隙,在频域上划分多个信道,以时隙和信道偏移为基本单位,将网络资源划分为一系列通信资源分配给网络中的具体链路。
进一步的,新节点入网时进行时间同步,网络中的节点之间周期性进行时间同步具体包括:
新加入节点根据网络设备广播的信标帧与整个网络进行时间同步;
新节点入网之后邻居节点周期性交互数据帧,完成时间同步;
若在一段时间没有任何同步行为,则向时间源节点发送KeepLive帧汇报在线信息,通过ACK回复进行同步。
进一步的,根据链路监测执行SF0调度算法包括:
计算丢包率LossRate,若丢包率正常,则执行SF0调度算法;
若丢包率不正常,则继续判断RSSI是否正常,若正常则执行SF0调度算法;
若RSSI不正常则需重新选择父节点入网。
进一步的,执行SF0调度算法的具体过程包括以下步骤:
定义阈值THR,需求资源数Nreq,已分配资源数Nused;
如果Nreq<(Nused-THR),则执行删除通信资源操作;
如果(Nused-THR)≤Nreq≤Nused,保持当前资源数不变;
如果Nused<Nreq,则执行增加通信资源操作。
进一步的,设备间传输信道采用跳频机制包括:采用信道跳变函数,以链路两端MAC地址和链路通信时间为参数随机输出,采用可用信道数对Hash()函数取余生成链路通信信道。
进一步的,信道跳变函数表示为:
Channel=[Hash(αmacn+macm+T)]%ChannelNum;
其中,T为时间、频率二维坐标系中网络时间,α表示macn与macm的传输方向,macn和macm表示两路两端的MAC地址,ChannelNum为可用信道数。
进一步的,采用6LoWPAN协议实现IPv6报文适配MAC层报文要求具体包括:
采用先分片再重组,承载IPv6数据报,对于IPv6和UDP报头,采用报头压缩技术,另外压缩IPv6数据包中的RPL信息作为6LoWPAN路由报头。
本发明能很好利用基于通信资源、缓存队列、链路丢包率和RSSI的链路监测机制,更精确地判断数据链路状态,从而更准确的分配通过TDMA和FDMA结合方法划分的通信资源,从而提高了无线传感网络的确定性;通过融合6LoWPAN协议支持IPv6。
附图说明
图1为本发明一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法总体示意图;
图2为本发明链路监测机制示意图。
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。
本发明提出一种一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法,如图1,具体包括以下步骤:
MAC层采用TDMA和FDMA结合的方法划分通信资源;
新节点入网时进行时间同步,网络中的节点之间周期性进行时间同步;
利用基于链路丢包率和RSSI的链路监测机制对链路进行监测;
在MAC层与网络层之间建立资源分配操作层,根据链路监测执行SF0调度算法;
设备间传输信道采用跳频机制,网络层采用6LoWPAN协议实现IPv6报文适配MAC层报文要求。
对MAC层采用TDMA和FDMA结合的方法划分通信资源步骤如下:
(1)在时间轴上将每个周期分为多个时隙,在频域上划分多个信道;
(2)以时隙和信道偏移为基本单位,将网络资源划分为一系列通信资源分配给网络中的具体链路。
为了保证网络中各设备时间同步,新加入节点根据网络广播信息与整个网络进行时间同步,入网之后邻居节点周期性交互信息,完成时间同步,若在一段时间没有任何同步行为,则向时间源节点发送KeepLive帧汇报在线信息,通过ACK回复进行同步。
通过基于链路丢包率和RSSI的链路监测机制获取触发SF0调度算法的触发事件,如图2,具体包括以下步骤:
(1)计算丢包率LossRate,丢包率计算公式为:
式中NumTx为发送数据包数量,NumAck为得到回复的数量。
(2)若丢包率正常,则执行SF0调度算法,减少或保持通信资源;
(3)若丢包率不正常,则继续判断RSSI是否正常,若正常说明链路资源分配不足,需执行SF0调度算法增加通信资源;
(4)若RSSI不正常则需重新选择父节点入网。
其中,执行SF0调度算法包括以下步骤:
(1)确定阈值THR,需求资源数Nreq,已分配资源数Nused;
(2)如果Nreq<(Nused-THR),则执行删除通信资源操作;
(3)如果(Nused-THR)≤Nreq≤Nused,保持当前资源数不变;
(4)如果Nused<Nreq,则执行增加通信资源操作。
本实施例采用周期性改变传输信道解决隐藏终端问题和暴露终端问题,采用信道跳变函数,凭借Hash()函数免碰撞、有隐匿性的特点,以链路两端MAC地址和链路通信时间为参数随机输出,采用可用信道数对Hash()函数取余生成链路通信信道;所述信道跳变函数表示为:
Channel=[Hash(αmacn+macm+T)]%ChannelNum;
其中,T为时间、频率二维坐标系中网络时间,α表示macn与macm的传输方向,macn和macm表示两路两端的MAC地址,ChannelNum为可用信道数,由公式可知,随着时间的增加,同一链路每个周期使用的信道不同,从而避免了长时间使用存在干扰的信道。
Hash()函数免碰撞、隐匿性的特点为:不会出现x≠y时H(x)=H(y),从而尽可能避免同一链路不同周期始终采用同一信道;隐匿性为对于一个给定的输出结果,不可以逆推出输入,这保证了数据传输的安全性。
网络层采用6LoWPAN协议实现IPv6报文适配MAC层报文要求,采用先分片再重组,承载IPv6数据报,对于IPv6和UDP报头,采用报头压缩技术,另外压缩IPv6数据包中的RPL信息作为6LoWPAN路由报头。通过压缩和分片重组使得无线传感网络具备使用IPv6联网的能力。
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 (5)
1.一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
MAC层采用TDMA和FDMA结合的方法划分通信资源;
新节点入网时进行时间同步,网络中的节点之间周期性进行时间同步;
利用基于链路丢包率和RSSI的链路监测机制对链路进行监测;
在MAC层与网络层之间建立资源分配操作层,根据链路监测执行SF0调度算法,具体包括以下步骤:
计算丢包率LossRate,若丢包率正常,则执行SF0调度算法;
若丢包率不正常,则继续判断RSSI是否正常,若正常则执行SF0调度算法;
若RSSI不正常则需重新选择父节点入网;
SF0调度算法具体包括以下步骤:
定义阈值THR,需求资源数Nreq,已分配资源数Nused;
如果Nreq<(Nused-THR),则执行删除通信资源操作;
如果(Nused-THR)≤Nreq≤Nused,保持当前资源数不变;
如果Nused<Nreq,则执行增加通信资源操作;
设备间传输信道采用跳频机制,网络层采用6LoWPAN协议实现IPv6报文适配MAC层报文要求,在跳频机制中信道跳变函数表示为:
Channel=[Hash(αmacn+macm+T)]%ChannelNum;
其中,T为时间、频率二维坐标系中网络时间,α表示macn与macm的传输方向,macn和macm表示两路两端的MAC地址,ChannelNum为可用信道数。
2.根据权利要求1所述的一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法,其特征在于,MAC层采用TDMA和FDMA结合的方法划分通信资源包括:在时间轴上将每个周期分为多个时隙,在频域上划分多个信道,以时隙和信道偏移为基本单位,将网络资源划分为一系列通信资源分配给网络中的具体链路。
3.根据权利要求1所述的一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法,其特征在于,新节点入网时进行时间同步,网络中的节点之间周期性进行时间同步具体包括:
新加入节点根据网络设备广播的信标帧与整个网络进行时间同步;
新节点入网之后邻居节点周期性交互数据帧,完成时间同步;
若在一段时间没有任何同步行为,则向时间源节点发送KeepLive帧汇报在线信息,通过ACK回复进行同步。
4.根据权利要求1所述的一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法,其特征在于,设备间传输信道采用跳频机制包括:采用信道跳变函数,以链路两端MAC地址和链路通信时间为参数随机输出,采用可用信道数对Hash( )函数取余生成链路通信信道。
5.根据权利要求1所述的一种支持IPv6且提高无线传感网络确定性的方法,其特征在于,采用6LoWPAN协议实现IPv6报文适配MAC层报文要求具体包括:采用先分片再重组,承载IPv6数据报,对于IPv6和UDP报头,采用报头压缩技术,另外压缩IPv6数据包中的RPL信息作为6LoWPAN路由报头。
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