一种无线自组网通信方法
【专利摘要】本发明公开了一种简单、可靠、可容纳大规模节点无线自组网通信方法。无线自组网通信网络中的节点包括一个或多个协调器和多个中继器，并可包括多个终端节点；每个节点只要求记录自身的父节点号，而不需要记录自身的子节点号，大大降低了每个节点的存储开销和复杂度；入网过程只有请求、回复两步，且都不需要中转，使网络维护的开销极低；当某个中继器异常时，其子节点可立即请求成为其他节点的子节点，而不会影响其子节点的子节点，使网络的自愈能力极好；多个协调器可互为备份，协调工作防止一个协调器异常，导致网络中断；非常适用于需要多级中继和具有大量低功耗节点的物联网应用。
【专利说明】
一种无线自组网通信方法
技术领域
[0001]本发明涉及无线通信，更具体地说是一种自组网的无线通信方法，非常适用于需要多级中继和具有大量低功耗节点的物联网应用。
【背景技术】
[0002]物联网技术的核心和基础仍然是〃互联网技术〃，是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术;其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间，进行信息交换和通讯。随着物联网技术的兴起与发展，对于将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯的设备组网要求越来越高，数量也越来越多。目前无线通信组网系统大多都是基于ZigBee技术或是WIFI技术而进行组网的。其中，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。而WIFI技术是一种可以将个人电脑、手持设备(如PAD、手机)等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信息。基于ZigBee技术的无线通信组网系统能实现设备桥接，功耗较低，这些优点在一定程度上弥补了WIFI技术的缺陷，但同时也存在如下缺点:协议占带宽的开销量对信道带宽要求较高，同时在网设备数量有限。基于WIFI技术的无线通信组网系统具有传输速率高、数据带宽宽、普及率高的优点，但其缺点是:组网能力低，扩展空间有限，功耗高，同时在网设备少。随着物联网信息革命的向前推进，迫切需要一种可实现多级中继、低功耗、远距离、大容量的无线自组网通信方法。
【发明内容】
[0003]本发明公开了一种简单、可靠、多级中继、可容纳大规模节点无线自组网通信方法。
[0004]本发明的无线自组网通信网络中的节点包括一个或多个协调器和多个中继器，并可包括多个终端节点。协调器作为网络的管理者和数据采集或控制的出入口，只作为无线网络的根节点，而不为作为其他节点的子节点；中继器具有数据中继的功能，通过多级中继，大大扩展无组通信网络的覆盖范围;终端节点不具有中继功能，可以很低的功耗运行。
[0005]为实现上述目标，系统采用以下方式工作:
协调器和已入网的中继器保持接收状态，待入网的中继器和终端节点的主动发起入网请求，协调器和所有已经入网的中继器收到此请求后，在一个随机的短时间内，回复自己的节点号以及自己的中继深度；中继器或终端节点比较所收到的回复信息的信息强度和中继深度，中继器或终端节点从收到的回复数据中选择一个中继器或协调器作为自己的父节点，从而加入网络;其选择的方法为在保证信息强度的前提下，选择中继深度较低的中继器或协调器作为自己的父节点；中继器和终端节点只记录自身父节点的节点号，而不需要记录自身的子节点。
[0006]多个协调器可同时工作，互为备份，由中继器和终端节点自行决定连接到哪一个协调器的网络中，当一个协调器发生故障时，所有的终端节点和中继器可连接到另一个协调器上。
[0007]中继器和终端节点入网后，发送上行信息，其中包括自己的节点号和父节点号，对应的父节点收到信息后，若其为中继器，则将自身的父节点号添加到此上行信息中并转发，于是信息到达上一级中继器，以此类推，信息最终将到达协调器，同时此信息已包含本次上行所经过的中继路径。
[0008]协调器收到节点上行的信息后，发送回应信息和中继路径，下一级中继器收到此信息后，根据中继路径信息判断是要求自身转发的信息，则在修改中继路径后，发送到下一级中继器，信息最终到达指定的节点，同时每次中继器都根据其中的中继路径，更新自身的中继深度，防止由于其上级节点的路径改变而导致的节点真实深度与自己记录的深度不同。
[0009]中继器和终端节点的一次或多次上行信息未收到回应后，认为自身掉线，则发起入网请求，重新选择父节点。
[0010]中继环路的发现和解决方法，首先已经入网的中继器，不响应自身父节点发出的入网请求，可避免出现两个中继器互为父节点，其次中继器在转发上行数据时，判断上行路径中是否已经有自己的节点号(即数据已经由自己发送或转发过)若是则认为发生环路中继，强制自身断线，同时发送环路异常信息，其中包含此环路中的所有中继器节点号，其他收到此信息的中继器，判断异常信息中包含自身的节点号，则强制自身断线;断线的节点重新请求入网。
[0011]为降低网络节点号分配所造成的通信复杂性，采用固定节点号的方式，即所有终端节点、中继器和协调器在系统中拥有一个唯一且固定的节点号，且此节点号不随网络拓扑结构的改变而改变。
[0012]为进一步降低终端节点的功耗，减少等待回应的时间，采用终端节点的父节点(不论是否为协调器)直接回复信息，终端节点收到回应后，立即进入低功耗的工作模式，不继续接收来自己协调器的回应，发送回复信息的中继器则继续将信息发送至协调器。
[0013]
与现有技术相比，本发明具有如下有益的效果:
每个节点只要求记录自身的父节点号，而不需要记录自身的子节点号，大大降低了每个节点的存储开销和复杂度，可容纳大量的节点入网；
入网过程只有请求、回复两步，且都不需要中继，使网络维护的开销极低；
当某个中继器异常时，其子节点可立即请求成为其他节点的子节点，而不会影响其子节点的子节点，使网络的自愈能力极好
多个协调器可互为备份，协调工作防止一个协调器异常，导致网络中断。
【附图说明】
[0014]图1是本发明的无线网络的拓扑结构图。
[0015]图2是本发明的无线网络在某一时刻的通信拓扑图。
[0016]图3是本发明的中继器或终端节点入网的流程图。
[0017]图4是本发明的中继器处理上下行数据中继的流程图。
[0018]图5是本发明的无线网络中继节点通信受阻、发生环路中继和重新入网的过程示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明作进一步说明
本发明的无线网络的网络拓扑结构如图1所示。网络包含一个或多个协调器，多个中继器和多个终端节点。终端节点可与周围的中继器或协调器通信，而不能与终端节点相互通信，每个中继器都可与周围的中继器或协调器通信；
如图2所示，为中继器和终端节点完成入网后形成的通信拓扑图，图中的箭头方向表示了父子节点的从属关系。上行数据总是按照箭头的方向最终到达协调器;两个协调器可同时工作，互为备份，由中继器和终端节点自行决定连接到哪一个协调器的网络中；当一个协调器发生故障时，所有的终端节点和中继器可连接到另一个协调器上。
[0020]网络中各类节点的工作的过程如下:
1)协调器和已入网的中继器保持接收状态，等待其他中继器或终端节点的入网请求，收到入网请求后，在一个随机的短时间内，回复自己的节点号以及自己的节点深度；
2)如图3所示为中继器和终端节点完成入网的程序流程图，中继器或终端节点主动发起入网请求，然后在一定时间内一直接收来自协调器或已入网的中继器的回复信息，并比较所收到的回复信息的信息强度和节点深度，在保证信息强度的前提下，选择节点深度较低的中继器或协调器作为自己的父节点，从而加入网络，所有节点只记录自身父节点的节点号，而不需要记录自身的子节点。
[0021]如图4所示为中继器处理中继无线数据的程序流程图，中继器和终端节点入网后，发送上行信息，其中包括自己的父节点号，对应的父节点收到信息后，若其为中继器，则将自身的父节点号添加到此上行信息中并转发，于是信息到达上一级中继器，以此类推，信息最终到达协调器，同时此信息已包含本次上行所经过的中继路径；
4)协调器收到节点上行的信息后，发送回应信息和中继路径，下一级中继器收到此信息后，根据中继路径信息判断是要求自身转发的信息，则在修改中继路径后，发送到下一级中继器中，信息最终到达指定的节点，同时每次中继器都根据其中的中继路径，更新自身的中继深度，防止由于其上级节点的路径改变而导致的节点真实深度与自己记录的深度不同。
[0022]中继器和终端节点的一次或多次上行信息未收到回应后，认为自身掉线，则发起入网请求，重新选择父节点。
[0023]由于节点未记录自身的子节点，当节点重生入网时，可能发生将自身的一级或多级子节点作为父节点，从而开成中继环路，发现和解决中继环路的方法为:首先已经入网的中继器，不响应自身父节点发出的入网请求，可避免出现两个中继器互为父节点，其次中继器在转发上行数据时，判断上行路径中是否已经有自己的节点号，即已经由自己发送或转发过的，若是则认为发生环路中继，强制自身断线，同时发送环路异常信息，其中包含此环路中的所有中继器节点号，其他收到此信息的中继器，判断异常信息中包含自身的节点号，则强制自身断线;断线的节点重新请求入网。
[0024]如图5所示，当中继器Rl与协调器间的通信受阻后(图5左图中的虚线所示)，中继器Rl重新申请入网，可能发生的情况是将其字节点的字节点作为父节点从在形成中继环路(图5中图所示)，在此情况下，中继器Rl发送的数据将经过中继器R3和R2后回到Rl，则Rl强制自身断线，同时发送环路异常信息，其中包含R2和R3的节点号信息，使R2和R3断线；最终Rl，R2，R3通过重新入网，可形成如图5右图所示的网络结构。
[0025]为降低网络节点号分配所造成的通信复杂性，采用固定节点号的方式，即所有终端节点、中继器和协调器在系统中拥有一个唯一且固定的节点号，且此节点号不随网络拓扑结构的改变而改变。
[0026]为进一步降低终端节点的功耗，减少等待回应的时间，采用终端节点的父节点(不论是否为协调器)直接回复信息，终端节点收到回应后，立即进入低功耗的工作模式，不继续接收来自己协调器的回应，发送回复信息的中继器则继续将信息发送至协调器。
【主权项】
1.一种无线组网通信的方法，其特征在于无线自组网通信网络中的节点包括一个或多个协调器和多个中继器，并可包括多个终端节点;并采用如下方式工作: 1)协调器和已入网的中继器保持接收状态，待入网的中继器和终端节点的主动发起入网请求，协调器和所有已经入网的中继器收到此请求后，在一个随机的短时间内，回复自己的节点号以及自己的中继深度，中继器或终端节点从收到的回复数据中选择一个中继器或协调器作为自己的父节点，从而加入网络； 2)中继器和终端节点入网后，发送上行信息，其中包括自己的节点号和父节点号，对应的父节点收到信息后，若其为中继器，则将自身的父节点号添加到此上行信息中并转发，于是信息到达上一级中继器，以此类推，信息最终将到达协调器，同时此信息已包含本次上行所经过的中转路径； 3)协调器收到节点上行的信息后，发送回应信息和中转路径，下一级中继器收到此信息后，根据中转路径信息判断是要求自身转发的信息，则在修改中转路径后，发送到下一级中继器中，信息最终到达指定的节点； 4)中继器和终端节点的一次或多次上行信息未收到回应后，认为自身掉线，则发起入网请求，重新选择父节点。2.根据权利要求1所述的多个协调器同时工作，互为备份的方法，其特征为:由中继器和终端节点自行决定连接到哪一个协调器的网络中，当一个协调器发生故障时，所有的终端节点和中继器可连接到另一个协调器上。3.根据权利要求1所述的中继环路的发现和解决方法，其特征为:中继器不响应自身父节点发出的入网请求，中继器在转发上行数据时，判断上行路径中是否已经有自己的节点号(即数据已经由自己发送或转发过)若是则认为发生环路中继，强制自身断线，同时发送环路异常信息，其中包含此环路中的所有中继器节点号，其他收到此信息的中继器，判断异常信息中包含自身的节点号，则强制自身断线;断线的节点重新请求入网。4.根据权利要求1所述的降低网络节点号分配所造成的通信复杂性的方法，其特征为:采用固定节点号的方式，即所有终端节点、中继器和协调器在系统中拥有一个唯一且固定的节点号，且此节点号不随网络拓扑结构的改变而改变。5.根据权利要求1所述的防止中继器真实中继深度与自己记录的中继深度不同的方法，其特征为:中继器在转发下行数据时根据其中的中继路径，更新自身的中继深度。6.根据权利要求1所述进一步降低终端节点的功耗的方法，其特征为:终端节点的父节点(不论是否为协调器)直接回复信息，终端节点收到回应后，立即进入低功耗的工作模式，不继续接收来自己协调器的回应，发送回复信息的中继器则继续将信息发送至协调器。
【文档编号】H04W84/18GK105873169SQ201610429700
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】李雄
【申请人】成都天铂数字技术有限公司