专利名称：一种高效快速的LR-WPAN Mesh网络节点地址分配方法
技术领域：
本发明属于WPAN (Wireless Personal Area Network,无线个域网)Mesh 网络节点地址分配技术，特别涉及低速率无线个域网状网LR (Low Rate )-ffPAN Mesh的节点地址分配方法。
背景技术：
无线Mesh网络(Wireless Mesh Networks, WMNs)是一种具有网状拓扑的分布式无线移动通信网络。与传统的无线网络如蜂窝网、无线局域网等不同，无线Mesh网络采用自组织的多跳方式通过节点间的协作转发来传递数据。由于不依赖固定的基础设施、组网灵活便捷、网络覆盖面积较广等优点，无线Mesh网络在无线接入、应急通信、数据采集、专用组网等领域具有广阔的应用前景。为了能够在无线个域网WPAN的基础上支持Mesh结构， IEEE工作组于2009年提出了 IEEE 802. 15. 5标准(参见文献IEEE Recommended Practicefor Information Technology-Part 15.5: Mesh Topology Capability in WirelessPersonal Area Networks (WPANs) [S], 2009);该标准继承了 802. 15. I 802. 15. 4 标准的一些基本思想(如低功耗、低成本等)，提供了一种结构框架，在不需要ZigBee或IP路由支持的情况下，使WPAN设备能够支持互操作的、稳定的和可扩展的无线网状拓扑结构。IEEE 802. 15. 5标准由两部分组成低速率无线个域网状网LR-WPAN Mesh和高速率无线个域网状网 HR (High Rate) -WPAN Mesh ;其中 LR-WPAN Mesh 的 MAC 层由 IEEE 802. 15. 4 标准定义(参见文献IEEE Standard for Information Technology-Part 15. 4: WirelessLAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications forLow-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) [S], 2006),在家庭和工业自动化控制、环境检测、自动仪表和个人健康监控方面具有广泛的应用；而HR-WPAN Mesh的MAC层则由IEEE 802. 15. 3/3b定义(参见文献史晓晨，刘凯明，高锦春，刘元安.无线个域网Mesh网络标准-IEEE802. 15. 5[J].计算机应用研究，2011，28(1) : 43-246)，可以支持新兴的多媒体应用，如视频会议和家庭环境中的高清晰度电视(HDTV)等。IEEE 802. 15. 5标准为LR-WPAN Mesh中的节点提供了两种地址全球唯一的64比特的地址(作为MAC地址)和可重复使用的16比特的地址(作为网络地址)。虽然使用全球唯一的64比特MAC地址可以避免冲突，但由于该类地址偏长，易造成网络资源的浪费，因此在网络形成后，可以考虑采用16比特的地址进行通信。在使用16比特的地址之前，需要对LR-WPAN Mesh中的节点进行地址分配。地址分配的主要目的，是通过分配16比特地址到网络中的每个节点代替64比特MAC地址用于数据通信，减少通信过程中地址域的开销；同时，在以单播路由方式传输数据时，用地址寻找下一跳可以无需路由发现，减少存储空间占用、能量消耗和通信开销。为叙述简便，如无专门说明，下文所述“地址”皆指16比特的短地址。IEEE 802. 15. 5标准中的LR-WPAN部分包括了地址分配功能，其给出的地址分配方法如下
(I)协调器节点(coordinator)初始化后,通过广播信标巾贞通知周围节点加入树。(2)节点通过主动扫描比较信标帧中携带的链路质量和树的深度信息选择一个父节点回复入网申请消息，完成关联，建立节点之间的父子关系。(3)作为路由设备(Mesh device)的节点加入树后通过广播信标帧通知周围节点加入。(4)每个节点加入网络后都会设置一个时间阈值；如果等待时间超过了该阈值，但没有收到任何其他节点发给自己的入网申请消息，则该节点作为叶节点发送地址申请消息到父节点，消息中包括子节点个数(此时为I)和预留地址个数字段。(5)非叶节点的节点收齐所有子节点的地址申请消息后，生成I个地址申请消息，计算子节点个数和预留地址个数之和，将结果填入地址申请消息的子节点个数和预留地址个数字段，然后将该地址申请消息发送到父节点。 (6)协调器收齐所有子节点的地址申请后，根据子节点个数和预留地址个数发送连续的地址块给每个子节点；地址块包括起始地址和结束地址，指示子节点可分配地址的范围，起始地址代表该子节点的地址。未得到短地址的节点采用MAC地址进行通信。目前在IEEE 802. 15系列标准中涉及树结构地址分配的方案还有IEEE 802. 15. 4标准规定的 ZigBee 地址分配机制 DAAM (Distributed Address Assignment Mechanism)。在DAAM机制中，ZigBee地址分配之前首先要预设3个网络拓扑参数父节点允许接纳的子节点最大个数Cm ;父节点允许接纳的路由子节点最大个数Rm ；网络的最大深度Lm。协调器节点初始化后广播信标帧通知周围节点加入树，并接受入网申请；其他节点通过比较收到的信标帧中树的深度信息选择一个父节点回复入网申请消息；当已获得网络地址的路由节点收到入网申请消息后，由网络预设参数Cm、Rm、Lm以及本节点的网络深度d (协调器的网络深度为0)，通过公式计算出地址偏移量参数Cskip (d)，再由Cskip (d)和子节点序号计算出子节点地址并发送给该子节点；路由节点获得网络地址后，如果计算出的Cskip (d)不为0，则继续广播信标帧通知周围节点加入树。与LR-WPAN的地址分配机制相比，DAAM机制需要预设网络拓扑参数Cm、Rm, Lm才能计算出为节点分配的地址；由于在不能完全掌握网络拓扑信息的情况下难以准确预设Cm、Rm, Lm的值，因此有可能造成部分节点无法加入网络；而LR-WPAN的地址分配方法在收集节点的需求信息之后才分配地址，不需要预设网络参数，具有更好的可扩展性。Chunhui Zhu 等比较了 ffiEE 802. 15. 5、ZigBee 和 6LoWPAN 三种技术在 Mesh网络中的应用(参见文献C.-H. Zhu, J. -L. Zheng, C. Ngo, et al. Low-Rate WPANMesh Network - An Enabling Technology for Ubiquitous Networks[C]. WirelessCommunications and Networking Conference, 2009: 1-6),指出 IEEE 802. 15. 5 标准定义的地址分配机制在地址空间上有更好的可扩展性。Myung J. Lee等研究了叶节点发送地址申请的等待时间阈值参数的设置(参见文献M. J. Lee, R. Zhang, J. _L. Zheng,et al. IEEE 802.15.5 WPAN Mesh Standard-Low Rate Part: Meshing the WirelessSensor Networks [J], IEEE, 2010, 28(7) : 973-983.)，设计了计算时间阈值 T 的公式T=N-i ^timeintwval,其中i为当前节点的深度,N和time—根据场景的具体情况设置；该公式表明等待时间阈值随节点深度的增加而减小，可使离协调器近的路由节点尽可能加入网络，但N和timeintOTval的值需要人为设置，难以适应不同的网络情况。Woo Suk Ahn等提出了一种在低速WPAN Mesh网络进行高效地址管理的节点加入机制(参见文献:W. S. AhnjD. Y. Hwang, Κ. H. Kim. A joining mechanism for efficient address managementin low-rate WPAN Mesh[C]. International Conference on Advanced CommunicationTechnology, 2011: 67-70)，主要用于解决由于树的层数增加过大和树的拓扑不均匀(某些节点含有过多的子节点)造成分配的地址不够用的问题。对于树的层数增加过大问题，力口入机制主要是通过参考父节点的信息，优先考虑层数最低的节点作为潜在父节点，如果存在多个最低层数相等的潜在父节点，就参考链路质量信息进行选择；对于树的拓扑不均匀问题，加入机制通过在每个节点都分配到地址块后，每个叶节点周期性地检测除自身父节点以外的潜在父节点，参考树的深度和链路质量进行调整加入新的父节点，避免因节点移动带来的拓扑变化过大造成过多节点无法获得地址；但该加入机制对于如何减少地址分配开销和降低分配时延未给出有效方案。从上述技术状况可以看出在以IEEE 802. 15. 5标准LR-WPAN部分规定的节点地址分配方法为基础的相关地址分配方法中，终端节点要发送专门的地址申请消息，这个地址申请操作是冗余的；父节点发送给子节点的地址分配消息中的结束地址信息是冗余信 息；部分父节点发送给子节点的地址分配消息中的起始地址信息是冗余信息；协调器收齐所有子节点地址申请消息才能进行地址分配，在时延上存在冗余；路由节点等待子节点地址申请消息的时间阈值在网络构建时人为预先设定，无法根据网络条件和运行机制自适应设置，因而在时延上存在冗余。因此根据IEEE 802. 15. 5标准规定LR-WPAN在节点地址分配的控制开销和时间方面存在冗余，对地址分配的开销、时延等性能有不利影响，因此，在本发明中我们将提出一种高效快速的节点地址分配方法，对上述问题加以解决。
发明内容
本发明针对IEEE 802. 15. 5标准LR-WPAN部分规定的节点地址分配方法中存在的上述问题,提出一种高效快速的LR-WPAN Mesh网络节点地址分配方法，从总体上降低LR-WPAN Mesh网络地址分配的通信开销和时延。本发明的技术方案针对地址分配消息和操作中存在的冗余，减少冗余的地址分配消息并精简冗余的地址分配操作，自适应设置路由节点等待地址申请消息的时间阈值，解决现有地址分配方法中存在的通信开销和地址分配时延偏大的问题，提高地址分配方法的效率，加快节点地址分配过程，节省无线个域网的带宽资源并延长网络寿命。本发明解决上述问题的技术方案是提出一种适用于802. 15. 5 LR-ffPAN Mesh网络的高效快速地址分配方法，去除终端节点的冗余地址申请操作；去除地址分配消息中的结束地址字段地址分配消息只包含起始地址字段，结束地址由子节点申请的地址个数与起始地址相加(地址递增)或相减(地址递减)得到，即结束地址=起始地址+地址申请数(地址递增)或结束地址=起始地址-地址申请数(地址递减)，从而无需将结束地址信息装入地址分配消息。去除部分地址分配消息中的起始地址字段。当满足条件“节点要分配给子节点的地址与它自身地址的偏移量小于地址分配消息中“命令帧标识”字段(Command FrameIdentifier，一个8位的无符号整数型字段)的保留值数量的1/2”时，地址分配消息中的起始地址信息可以由该消息的“命令帧标识”字段捎带，从而可以去除地址分配消息中的起始地址字段。具体为当父节点准备发送地址分配消息时，判断需要分配的地址与本节点地址的偏移量，如果偏移量小于“命令帧标识”字段的保留值数量的1/2时，则用地址分配消息的命令帧标识字段的值表征子节点地址对父节点地址的偏移量，去掉地址分配消息的起始地址字段，然后将该地址分配消息发送给子节点。子节点收到地址分配消息后，根据该消息的“命令帧标识”字段的值，自适应判断地址分配消息是否压缩了地址字段；如果是，则根据父节点地址和“命令帧标识”字段的值计算分配给自己的地址。协调器提前分配地址。当协调器收到入网申请时，为第一和第二个申请入网的节点分别分配可分配地址中的最小地址(地址0x0001，“Ox”表示十六进制数，下同)和可分配地址中的最大地址(OxFFFE)；已获得地址的节点在收到第一个入网申请时，为发出该申请的子节点分配地址，根据公式(I)计算子节点地址
子井占财卜_丨本节点地址+ 1，地址从小到大分配
' =I本节点地址-1，地址从大到小分配(D不满足提前分配条件的子节点发出地址分配请求时，协调器按现有方法规定的方式记录该请求并等到地址分配条件满足后再分配地址。路由节点自适应设置等待时间阈值。路由节点根据网络条件和运行机制动态自适应地设置等待子节点地址申请消息的时间阈值，既能保证收到所有子节点的申请又能去除等待时间上的冗余。路由节点根据公式T=2maemaxBE MUnitBackoffperiod+τ设置时间阈值Τ，其中，aUnitBackoffperiod为CSMA/CA算法进行退避的单位时间，macMaxBE为退避指数最大值，τ为入网申请消息的传输时延。路由节点在时间阈值T内检测信道，如果在时间T内信道一直空闲，则本路由节点作为子节点发送地址申请消息到父节点；如果有其他节点加入路由节点，收齐子节点地址申请后发送地址申请消息到父节点；在发送地址申请消息时路由节点不申请预留地址，在地址分配时不发送结束地址，通过节点地址申请个数和地址分配消息中的起始地址计算结束地址；协调器根据收到的地址申请消息和子节点信息判断是否分配地址，如果满足地址分配条件，协调器为子节点分配地址，直至所有子节点都分配地址；当路由节点收到单播给自己的消息后，根据节点地址增减属性为子节点分配地址。协调器根据收到的地址申请消息和子节点信息判断是否分配地址。具体为协调器收到地址申请消息时，对第一和第二个发送地址申请消息的节点分别分配可分配地址中的最小地址0x0001和可分配地址中的最大地址OxFFFE，第三个及以后发来地址申请消息的节点暂不分配地址。当一个路由节点收到父节点发送给自己的地址分配消息时，判断自己有无子节点，如果有子节点，进一步判断自己是否存储有地址申请消息，如果没有存储地址申请消息，则根据收到的地址分配消息中的“命令帧标识”字段值或自己的地址与父节点地址的大小关系，得到本节点的地址增减属性。除协调器以外的其他节点分为地址递增和地址递减两类属性的节点，地址为0x0001的节点为地址递增节点，地址为OxFFFE的节点为地址递减节点。当协调器收到申请数量为η的子节点发送的地址申请消息时，如果是由未分配地址的子节点发出，协调器记录地址申请；如果是由已分配地址的子节点发出，协调器根据该子节点的地址增或减属性，为子节点分配地址，如果是地址递增节点，则协调器为子节点分配的地址分别为k+n、k+n+a、k+n+a+b、k+n+a+b+c、…；如果是地址递减节点，则协调器分配的地址分别为k-n、k-n-a、k-n_a_b、k_n-a-b_c、.··，其中，未分配地址的子节点个数分别为a、b、C、…，k为子节点地址。当路由节点收到申请数量为η的子节点发送的地址申请消息时，如果地址申请是由地址为q的子节点发出，根据节点的地址增减属性分配地址，如果本节点为递增节点，分配地址分别为q+n、q+n+a、q+n+a+b、q+n+a+b、…;如果本节点是递减节点，分配地址分别为q-n、q-n-a、q-n-a-b、q-n-a_b、…，其中，发出请求的未分配地址的子节点的个数分别为a、b、C、…。路由节点利用地址分配消息中的“命令帧标识”字段未使用的值(OxlS-OxFF)携带分配给子节点的地址偏移信息，去掉地址分配消息中的“起始地址”字段，具体为当地址为k的路由节点需要将地址
权利要求
1.一种高效快速的LR-WPAN Mesh网络节点地址分配方法，其特征是路由节点在时间阈值T内检测信道，如果在时间T内信道一直空闲，则本路由节点作为子节点发送地址申请消息到协调器，如果有其他节点加入路由节点，收齐子节点地址申请后发送地址申请消息到协调器，在发送地址申请消息时路由节点不申请预留地址，在地址分配时不发送结束地址，通过节点地址申请个数和地址分配消息中的起始地址计算结束地址；协调器根据收到的地址申请消息和子节点信息判断是否分配地址，如果满足地址分配条件，协调器为子节点分配地址，直至所有子节点都分配地址；当路由节点收到单播给自己的消息后，根据节点地址增减属性为子节点分配地址。
2.根据权利要求I所述的地址分配方法，其特征是采用动态自适应的方法设置时间阈值 T,根据公式T=2maeMaxBE · aUnitBackoffperiod+ τ 确定 Τ,其中，aUnitBackoffperiod为CSMA/CA算法进行退避的单位时间，macMaxBE为退避指数最大值，τ为入网申请消息的传输时延。
3.根据权利要求I所述的地址分配方法，其特征是协调器根据收到的地址申请消息和子节点信息判断是否分配地址具体为协调器收到地址申请消息时，对第一和第二个发送地址申请消息的节点分别分配可分配地址中的最小地址0x0001和可分配地址中的最大地址OxFFFE，第三个及以后发来地址申请消息的节点暂不分配地址。
4.根据权利要求I所述的地址分配方法，其特征是当一个路由节点收到父节点发送给自己的地址分配消息时，判断自己有无子节点；如果有子节点，则进一步判断自己是否存储有地址申请消息；如果没有存储地址申请消息，则根据收到的地址分配消息中的“命令帧标识”字段值或自己的地址与父节点地址的大小关系，得到本节点的地址增减属性。
5.根据权利要求3所述的地址分配方法，其特征是除协调器以外的其他节点分为地址递增和地址递减两类属性的节点，地址为0x0001的节点为地址递增节点，地址为OxFFFE的节点为地址递减节点。
6.根据权利要求3所述的地址分配方法，其特征是当协调器收到申请数量为η的子节点发送的地址申请消息时，如果是由未分配地址的子节点发出，协调器记录地址申请；如果是由已分配地址的子节点发出，协调器根据该子节点的地址增或减属性，为子节点分配地址，如果是地址递增节点，则协调器为子节点分配的地址分别为k+n、k+n+a、k+n+a+b、k+n+a+b+c、…；如果是地址递减节点，则协调器分配的地址分别为k_n、k_n_a、k-n-a-b、k-n-a-b-c、···,其中，未分配地址的子节点个数分别为a、b、c、为子节点地址。
7.根据权利要求4所述的地址分配方法，其特征是当路由节点收到申请数量为η的子节点发送的地址申请消息时，如果地址申请是由地址为q的子节点发出，根据节点的地址增减属性分配地址，如果本节点为递增节点，分配地址分别为q+n、q+n+a、q+n+a+b、q+n+a+b、…;如果本节点是递减节点，分配地址分别为q-n、q-n-a、q-n-a-b、q-n-a_b、…，其中，发出请求的未分配地址的子节点的个数分别为a、b、c、…。
8.根据权利要求4所述的地址分配方法，其特征是路由节点利用地址分配消息中的“命令帧标识”字段未使用的值(OxlS-OxFF)携带分配给子节点的地址偏移信息，去掉地址分配消息中的“起始地址”字段，具体为当地址为k的路由节点需要将地址j分配 I R给子节点时，如果2 成立，则该路由节点用“命令帧标识”字段的值f携带分配给子节点的地址偏移，且删除地址分配消息中的“起始地址”字段；根据公式
9.根据权利要求8所述的地址分配方法，其特征是当一个节点收到父节点发来的地址分配消息且该消息中的“命令帧标识”字段的值位于0x18到OxFF之间时，根据公式
全文摘要
本发明提出一种高效快速的LR-WPAN Mesh网络节点地址分配方法。在地址申请阶段去除终端节点的冗余地址申请，并且路由节点自适应设置等待时间阈值；在地址分配阶段去除地址分配消息中的“结束地址”字段、去除部分地址分配消息中的“起始地址”字段，并且协调器提前分配地址。本发明通过去除终端节点的冗余地址申请操作和地址分配消息的冗余字段、使协调器无需收齐所有子节点的地址申请消息便能提前为部分节点分配地址以及为路由节点自适应设置等待时间阈值等操作，能够减少通信开销，节省网络带宽，减小地址分配时延，加快节点地址分配进程。
文档编号H04L29/12GK102970392SQ20121055171
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者任智, 刘砚, 陈前斌, 徐中浩, 陈红, 曹亚楠 申请人:重庆邮电大学