专利名称：一种基于自适应天线选择和频率协商机制的无线节点间通信方法
技术领域：
本发明涉及一种多节点间使用无线方式建立通信链路并进行可靠通信的方法， 具体地说是一种基于自适应天线选择和频率协商机制的无线节点间通信方法。
背景技术：
目前对于室内无线网络，涉及的近距离无线通信存在很多不同技术，如蓝牙、WiFi 等，随着在免特许的2. 4GHz频段中工作的设备数量持续增加，这些设备在室内环境中频繁地一起使用，干扰问题十分突出。所以必须采用有效措施解决干扰问题，提高信号通信质量。目前，某些无线通信设备使用了单天线设计，但是容易受到环境和噪声的影响，信号传输质量差；某些设备采用了多根天线，其主要目的是加强信号的增益，增大传输距离和覆盖范围。以2天线为例，其一般一根天线只收，另外一根又收又发，设备可以不断去选择接收得较好的那根天线去接收无线讯号，从而达到理想的效果。但是目前的多天线系统还存在以下问题天线选择方式不灵活，通常只采用分集方式或跳频机制或做了部分的结合，但是往往工作方式不灵活，无法避免相互之间的干扰或者通信质量不高。例如某些设备在2. 4GHz频带中满频带跳频，这样会对同一频带中的静态频率设备产生干扰。另外，对于某些通信方案中的认证和握手机制设计的不是很完善。因此需要设计一种收发节点间有效的冲突
避免和可靠通信方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自适应天线选择和频率协商机制的无线节点间通信方法。本发明的目的是按以下方式实现的，系统由1个中心节点Cl和N个分布式节点Dl 组成。在任一时刻，仅有一个分布式节点Dl与中心节点Cl建立会话。包括中心节点Cl和分布式节点D1，各个分布式节点Dl均具有1根独立天线；中心节点Cl至少具有2根独立天线，以下称为天线A和天线B，在任一时刻，仅有一个分布式节点Dl与中心节点Cl建立会话，中心节点Cl的天线A固定发送和接收频率FX，天线B的频率能够发生跳变，跳变频率范围为{Fl，F2，…，FM}，各分布式节点Dl初始时刻默认的通信频率为FX ；
包括以下通信步骤
a)中心节点Cl设定使用自适应天线选择机制，会话由某个分布式节点Dl发起，分布式节点Dl首先以固定频率FX发送会话请求，如果其在规定的时间Tl内收到中心节点Cl返回的应答消息，则中心节点Cl与分布式节点Dl在FX频率点上进行通信，然后进行接入节点的寻址、
认证、加密、数据包的传输等过程；
b)如果在Tl时间内分布式节点Dl没有收到应答，则中心节点Cl与分布式节点Dl启动频率协商机制试图建立连接，若连接成功则进行接入节点的寻址、认证、加密、数据包的传输等过程；
c)如果T2(Τ2ΧΓ1)时间内未建立连接，则分布式节点Dl与中心节点Cl重复a)、b)流程，直至建立连接；
d)如果T3(Τ3ΧΓ2)时间内仍未建立连接，放弃会话；
e)若步骤a)中可建立通信链路，则初始阶段中心节点Cl选择天线A与分布式节点Dl 通信；若步骤a)无法建立连接，则步骤b)中将天线通道切换到天线B进行尝试，若可建立通信链路，则初始阶段中心节点Cl选择天线B与分布式节点Dl通信，在确定最初通信使用的天线后，另外一个天线自动同步到相同频率，从而用2根天线构成分集接收方式，并使用等增益合并或最大比合并方式进行信号合并接收；
f)中心节点Cl的天线B以频率增加的方式每隔一个固定的时间，以下称为TX，改变接收的频点，而分布式节点Dl则以TX的非整数倍时间反方向降低会话频率，直至两者频率一致，如果二者能在T2时间内建立连接，T2>10TX，则以此时的频率进行后续通信；
g)建立连接后需在链路层完成接入节点的寻址、认证、加密和数据包的传输分布式节点Dl与中心节点Cl设定共享128bit认证密钥AK ；步骤如下
1)分布式节点Dl生成认证数据包AP，其中包括设备标识(ID-Identity)、扰动序列、 CRC-32校验位；
2)认证数据包经过数据加密后发送至中心节点Cl；
3)中心节点Cl通过AK解密数据包AP，验证设备ID，如果ID有效，则用AK加密会话密钥数据包SKP后发送至分布式节点Dl，否则不响应；
4)分布式节点Dl收到会话密钥后通过AK解码后获得会话密钥SK，此时分布式节点Dl 与中心节点Cl共享了会话密钥，会话密钥在本次会话结束后失效；
h)链路层握手和会话过程如下
1)分布式节点Dl发送会话发起命令0x23到中心节点Cl；
2)中心节点Cl等待会话发起命令，若收到0x23则回复会话确认命令0x45至分布式节点Dl，否则继续等待；
3)分布式节点Dl等待中心节点Cl的会话确认命令，若在规定时间内收到0x45，则认为链路完好，发送指令CMD至中心节点Cl ；否则认为链路故障，返回错误指令，等待下次指令；
4)中心节点Cl等待分布式节点Dl的指令CMD，若在规定时间内收到CMD则执行相应的指令，命令执行后发送0x67至分布式节点D1，否则返回等待0x23模式；
5)分布式节点Dl等待中心节点Cl的命令执行确认消息0x67，若在规定时间内收到 0x67，回复中心节点Cl确认执行码0x89 ；
6)中心节点Cl等待分布式节点Dl发送的确认执行码0x89，若收到，会话成功，结束会话；-2-
如果在规定的时间内未收到0x89，则重新发送0x67，直到收到0x89或者本次会话累计发送0x67超过3次后仍未收到0x67，则确认失败，完成本次会话。本发明的优异效果是，通过采用本发明所述的通信机制，可以避免中心节点Cl采用过多数目的天线，从而有效减少所需天线数目；并且可以有效抵抗干扰问题，从而在节点间迅速的建立有效连接；通过采用多重握手和确认机制，可以保证通信的可靠性。本发明的基于自适应天线选择和频率协商机制的无线节点通信方法。可适用于点对点或点对多点网络拓扑结构。
图1是认证数据包AP的格式； 图2是会话密钥数据包SKP的格式； 图3是节点间通信的加密流程；
图4是节点间的认证和握手流程。
具体实施例方式参照说明书附图对本发明的方法作以下详细地说明。本发明的一种基于自适应天线选择和频率协商机制的无线节点间通信方法，通信步骤如下
1)设定中心节点Cl使用自适应天线选择机制，会话由某个分布式节点Dl发起，分布式节点Dl首先以固定频率FX发送会话请求，如果其在规定的时间Tl内收到中心节点Cl返回的应答消息，则中心节点Cl与分布式节点Dl在FX频率点上进行通信，然后进行接入节点的寻址、认证、加密、数据包的传输等过程；
2)如果在Tl时间内分布式节点Dl没有收到应答，则中心节点Cl与分布式节点Dl启动频率协商机制试图建立连接，若连接成功则进行接入节点的寻址、认证、加密、数据包的传输等过程；
3)如果T2(Τ2ΧΓ1)时间内未建立连接，则分布式节点Dl与中心节点Cl
4)重复a)、b)流程，直至建立连接；
5)如果T3(Τ3ΧΓ2)时间内仍未建立连接，放弃会话。所涉及的自适应天线选择机制的步骤为
a)若上述步骤1中可建立通信链路，则初始阶段中心节点Cl选择天线A与分布式节点 Dl通信；
b)若步骤1无法建立连接，则步骤2中将天线通道切换到天线B进行尝试，若可建立通信链路，则初始阶段中心节点Cl选择天线B与分布式节点Dl通信；
c)在确定最初通信使用的天线后，另外一个天线自动同步到相同频率，从而用2根天线构成分集接收方式；
d)中心节点Cl使用等增益合并或最大比合并方式进行信号合并接收。所涉及的频率协商机制的步骤为中心节点Cl的天线B以频率增加的方式每隔一个固定的时间(以下设为TX)改变接收的频点；
a)分布式节点Dl则以TX的非整数倍时间(如1. 5TX)反方向降低会话频率，直至两者频率一致；b)如果二者能在T2 (设置T2远大于TX，S卩10倍以上)时间内建立连接，则以此时的
频率进行后续通信。链路层所进行的加密过程如图3所示；
其加密步骤为(以下称试图建立连接的分布式节点为D1，中心节点为Cl)
a)Dl与Cl设定为共享认证密钥AK，AK数据包格式如图1所示；
b)Dl生成认证数据包AP，其中包括设备ID、扰动序列、CRC-32校验位；
c)认证数据包经过先进数据加密标准(AES)加密后发送至Cl；
d)Cl通过AK解密数据包AP，验证设备ID，如果ID有效，则用AK加密会话密钥数据包 SKP后发送至Dl，否则不响应，会话密钥数据包SKP的格式如图2所示；
e)Dl收到会话密钥后通过AK解码后获得会话密钥SK，此时Dl与Cl共享会话密钥，会话密钥在本次会话结束后失效。链路层握手和会话过程如图4所示，具体握手和会话步骤为(以下称试图建立连接的分布式节点为D1，中心节点为Cl)
a)Dl发送会话发起命令0x23到Cl ；
b)Cl等待会话发起命令，若收到0x23则回复会话确认命令0x45至Dl，否则继续等待；
c)Dl等待Cl的会话确认命令，若在规定时间内收到0x45，则认为链路完好，发送指令 CMD至Cl ；否则认为链路故障，返回错误指令，等待下次指令；
d)Cl等待Dl的指令CMD，若在规定时间内收到CMD则执行相应的指令，命令执行后发送0x67至Dl，否则返回等待0x23模式；
e)Dl等待Cl的命令执行确认消息0x67，若在规定时间内收到0x67，回复Cl确认执行码 0x89 ；
f)Cl等待Dl发送的确认执行码0x89，若收到，会话成功，结束会话；如果在规定的时间内未收到0x89，则重新发送0x67，直到收到0x89或者本次会话累计发送0x67超过3次后仍未收到0x67，则确认失败，完成本次会话。
权利要求
1. 一种基于自适应天线选择和频率协商机制的无线节点间通信方法，其特征在于，包括中心节点Cl和分布式节点D1，各个分布式节点Dl均具有1根独立天线；中心节点Cl至少具有2根独立天线，以下称为天线A和天线B，在任一时刻，仅有一个分布式节点Dl与中心节点Cl建立会话，中心节点Cl的天线A固定发送和接收频率FX，天线B的频率能够发生跳变，跳变频率范围为{Fl，F2，…，FM}，各分布式节点Dl初始时刻默认的通信频率为FX ；包括以下通信步骤中心节点Cl设定使用自适应天线选择机制，会话由某个分布式节点Dl发起，分布式节点Dl首先以固定频率FX发送会话请求，如果其在规定的时间Tl内收到中心节点Cl返回的应答消息，则中心节点Cl与分布式节点Dl在FX频率点上进行通信，然后进行接入节点的寻址、认证、加密、数据包的传输等过程；如果在Tl时间内分布式节点Dl没有收到应答，则中心节点Cl与分布式节点Dl启动频率协商机制试图建立连接，若连接成功则进行接入节点的寻址、认证、加密、数据包的传输等过程；如果T2 (Τ2ΧΓ1)时间内未建立连接，则分布式节点Dl与中心节点Cl重复a)、b)流程，直至建立连接；如果T3 (Τ3ΧΓ2)时间内仍未建立连接，放弃会话；e)若步骤a)中可建立通信链路，则初始阶段中心节点Cl选择天线A与分布式节点Dl 通信；若步骤a)无法建立连接，则步骤b)中将天线通道切换到天线B进行尝试，若可建立通信链路，则初始阶段中心节点Cl选择天线B与分布式节点Dl通信，在确定最初通信使用的天线后，另外一个天线自动同步到相同频率，从而用2根天线构成分集接收方式，并使用等增益合并或最大比合并方式进行信号合并接收；f)中心节点Cl的天线B以频率增加的方式每隔一个固定的时间，以下称为TX，改变接收的频点，而分布式节点Dl则以TX的非整数倍时间反方向降低会话频率，直至两者频率一致，如果二者能在T2时间内建立连接，T2>10TX，则以此时的频率进行后续通信；g)建立连接后需在链路层完成接入节点的寻址、认证、加密和数据包的传输分布式节点Dl与中心节点Cl设定共享128bit认证密钥AK ；步骤如下1)分布式节点Dl生成认证数据包AP，其中包括设备标识(ID-Identity)、扰动序列、 CRC-32校验位；2)认证数据包经过数据加密后发送至中心节点Cl；3)中心节点Cl通过AK解密数据包AP，验证设备ID，如果ID有效，则用AK加密会话密钥数据包SKP后发送至分布式节点Dl，否则不响应；4)分布式节点Dl收到会话密钥后通过AK解码后获得会话密钥SK，此时分布式节点Dl 与中心节点Cl共享了会话密钥，会话密钥在本次会话结束后失效；h)链路层握手和会话过程如下1)分布式节点Dl发送会话发起命令0x23到中心节点Cl；2)中心节点Cl等待会话发起命令，若收到0x23则回复会话确认命令0x45至分布式节点Dl，否则继续等待；3)分布式节点Dl等待中心节点Cl的会话确认命令，若在规定时间内收到0x45，则认为链路完好，发送指令CMD至中心节点Cl ；否则认为链路故障，返回错误指令，等待下次指令；4)中心节点Cl等待分布式节点Dl的指令CMD，若在规定时间内收到CMD则执行相应的指令，命令执行后发送0x67至分布式节点D1，否则返回等待0x23模式；5)分布式节点Dl等待中心节点Cl的命令执行确认消息0x67，若在规定时间内收到 0x67，回复中心节点Cl确认执行码0x89 ；6)中心节点Cl等待分布式节点Dl发送的确认执行码0x89，若收到，会话成功，结束会话；如果在规定的时间内未收到0x89，则重新发送0x67，直到收到0x89或者本次会话累计发送0x67超过3次后仍未收到0x67，则确认失败，完成本次会话。
全文摘要
本发明提供一种基于自适应天线选择和频率协商机制的无线节点间通信方法，包括中心节点C1和分布式节点D1，各个分布式节点D1均具有1根独立天线；中心节点C1至少具有2根独立天线，以下称为天线A和天线B，在任一时刻，仅有一个分布式节点D1与中心节点C1建立会话，中心节点C1的天线A固定发送和接收频率FX，天线B的频率能够发生跳变，跳变频率范围为{F1，F2，…，FM}，各分布式节点D1初始时刻默认的通信频率为FX；在确定最初通信使用的天线后，另外一个天线自动同步到相同频率，从而用2根天线构成分集接收方式，并使用等增益合并或最大比合并方式进行信号合并接收。
文档编号H04W12/04GK102196430SQ201110126208
公开日2011年9月21日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者刘永辉, 崔卫, 李晓峰, 杨华中, 董郑, 许宏吉 申请人:浪潮(山东)电子信息有限公司