一种无线自动组网的方法与流程

本发明涉及无线组网研究领域，特别涉及一种无线自动组网的方法。

背景技术：

无线组网是指通过无线设备用无线的方式组网，实现各设备间的资源共享，其组网方式根据应用场合的不同，目前包括以下几种方式：在局域网内进行组网、点到点无线连接、点到多点的无线连接、中继连接、网状网连接等。

其中，中继连接是指两个网络间要实现无线组网，但是两个网络的地理位之间有障碍物或者之间的距离过大，为此，在两个网络间建立一个中继点，使两个网络能够通过中继建立连接。但目前，中继连接存在以下问题：一、网络中各个无线节点没有自动跳频功能，对频率环境抗干扰能力弱，易受同频干扰。二、各个无线节点工作频率需要人工设置，通用性不强，非专业人员不能对进行组网操作。

因此，寻求一种在不改变原无线节点结构的前提下实现无线自动组网的方法具有重要的研究意义和实用价值。

技术实现要素：

针对当前低速数据传输无线网(或无线传感网)中存在的遇到干扰环境下不能自动跳频的问题，本发明提供了一种无线自动组网的方法，该方法以可操作性好、通用性强、可靠性高的自动跳频算法为核心，以无线组网为基础，在不改变原无线节点结构的前提下实现中继节点、路由节点、终端节点的自动入网，完成无需人工操作的各节点的自动组网过程。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种无线自动组网的方法，网络采用分层网络结构，包括中继层、路由层和终端层，中继层上的中继节点与下属路由层上的路由节点之间采用星形连接，路由节点与下属的终端层上的终端节点之间也采用星形连接；方法包括步骤：

预先在工作频段之间选取N个工作频道，作为N个跳频频率；

设定路由节点RSSI门限，当实时检测到的RSSI高于RSSI门限时，则该路由节点认定为受到干扰，上报对应中继节点申请跳频，中继节点跳频，同时发送信标到路由节点，如果路由节点没有收到信标，则路由节点跳频搜索及跟踪，直到收到信标，以确保中继节点与各路由节点共用同一个频道，路由节点锁定该共用频道；

将路由节点与其各终端节点的工作频率建立在共用频道上，计算路由节点与各终端节点通信时各自最佳的功率值，然后在路由节点和终端节点发射功率为最佳的前提下，测试各路由节点是否有与其他路由节点频率相冲突，如果有，则对相冲突的路由节点的频率重新分配，直到各个路由节点的频率均不相冲突为止；

中继节点依次载入各路由节点的频率，当路由节点收到频率值后，先在共用信道上通知各终端节点换频，并确认每个终端节点都收到换频数据后，再自动将频率由共用频率换到新频率上；在新频率上再对各个终端节点进行轮询测试后，上报中继节点频率载入成功；待所有路由节点完成频率载入后，网络进入正常工作状态。

优选的，中继节点跳频的判断方法是：

(1-1)路由节点分别在跳频区上的N个工作频道上停T1时间对监听频道的RSSI值进行采样，取N个频道上的RSSI平均值，在此平均值的基础上，加一个增量后，再作为路由节点的RSSI门限，每T2时间对RSSI门限进行一次更新；

(1-2)选择RSSI值最小的频道作为当前中继节点的工作频率，当实时检测到的RSSI高于RSSI门限时，则中继节点跳频，跳频采用循环跳频方式。

优选的，中继节点按照一定时序向各路由节点发射信标，信标为一个广播数据包，广播数据包中包括一个确定的标志，路由节点如果收到该标志，则说明其共用频道与中继节点相同。

更进一步的，在中继节点对网络系统进行同步操作过程中，路由节点采用循环跳频，用于搜索、跟踪信标，具体设置内容如下：

(2-1)跳频时隙设置：路由节点处于接收状态，其每个频率的接收时隙设置为T3，以确保N个不同频率的时隙下一定能够跟踪到任何频率上的信标，当连续收到P个以上信标数据包后，则锁定接收频率，进入共用频道；

(2-2)路由节点最佳发射功率的设置：中继节点将路由节点回复数据时检测出的RSSI数据再发回路由节点，由路由节点调整其发射功率到最佳发射功率值；

(2-3)传送时隙设置：当P个不同频率的时隙过后路由节点仍没收到信标，说明中继节点没发信标或发射功率小，这时，则进入搜索状态，搜索状态下除完成对N个频道的搜索，后加有路由节点与其终端节点的数据交换时隙，实现路由节点对终端节点的周期控制；同时，在搜索一个周期后，将路由节点的功率增加一级，当增加到最大时，还没接收到信标，则认为中继节点没有发信标；

(2-4)跳频初始值设置：当路由节点频率处于锁定接收频率状态下时，如果突然收不到信标数据包，则以当前频率作为跳频搜索的初始值开始搜索。

更进一步的，所述中继节点发完M组信标后，理论上各路由节点的频道可以跳到共用频道上，从第M+1组开始进行轮询，收到路由节点回复则确定频道已共用，否则，中继节点在不停止其它工作的前提下继续询问，X次无回复，则通过以太网上报，将该路由节点定为故障处理。从而实现中继节点与路由节点沟通不上的判定。

优选的，路由节点以轮询的方式分别与各终端节点进行通信，在数据传送过程中路由节点分别得到与终端节点通信的最佳功率值，记为Ps1，Ps2，…..，Psk，其中，Psk为第s个路由节点与其对应的第k个终端节点通信的最佳功率值，取上述最佳功率值中的最大值Psimax，作为该路由节点最佳的功率值；同时，终端节点分别得到与路由节点通信的最佳功率值，记为Pe1，Pe2，…..，Peu，其中，Peu为第u个终端节点与其对应的第e个路由节点通信的最佳功率值。

优选的，测试各路由节点是否有与其他路由节点频率相冲突的步骤是：

在将中继节点、相应路由节点与其各终端节点的工作频率均建立在共用频道上后，中继节点开始广播，各路由节点接收到TEST测试字符上报，并指令第1号路由节点用TEST测试字符轮询1号路由节点对应的各终端节点，回复也用TEST测试字符，从而测出第1号路由节点与其它路由节点区域的频率冲突的路由号，上传中继节点并列入相应冲突表中；同理，测出所有路由与其它路由节点频率冲突的路由编号；形成路由频率冲突表，该冲突表中包括路由编号、与其频率冲突的路由编号。

更进一步的，对相冲突的路由节点的频率重新分配的步骤是：按路由编号，将频率按从低到高、先奇数后偶数分配，即按照下列顺序分配：F1、F3、F5、…、FV、F2、F4、F6、…FG，其中V为奇数，G＝V+1为偶数，扫描与其频率冲突的路由编号内是否有与所设频率相同的路由编号，如果有，则按从小到大换频继续扫描，直到频率不同为止。之所以选择奇数分配，是为了提高每个路由之间的频率隔离度。

优选的，在组网完成进行通信过程中，实时监控路由节点是否受到干扰，如果受到干扰，则控制路由节点自动换频，步骤如下：

(3-1)通过RSSI及接收数据格式判断当前所受到的干扰是本网络系统干扰还是外界干扰，如果是本网络系统干扰，则执行步骤(3-2)，否则，执行步骤(3-3)；

(3-2)当前路由节点受到本网络系统干扰上报中继节点，中继节点则调用路由频率冲突表，查出受干扰的路由节点号的频率，按顺序更换一个本网络没使用的新频率，再进行测试是否干扰消除，直到更换到干扰消除为止，此时的频率为该路由节点的新频率，将更新后的频率编号记录到频率更新表格中；

(3-3)当前路由节点受到外界干扰上报中继节点，中继节点调用路由频率冲突表，查出受干扰的路由节点号的频率，按顺序更换一个本网络没使用的新频率，再进行测试是否干扰消除，直到更换到干扰消除为止，此时的频率为该路由节点的动态新频率，并记录到跳频更新表格中；当确认该路由节点后面再受到外界频率干扰时，路由节点将在原频率和动态新频率之间跳转。

更进一步的，所述步骤(3-1)中，判断当前所受到的干扰是本网络系统干扰还是外界干扰的具体步骤是：

(3-1-1)设定路由节点的RSSI门限：在设定的单一频率下，在通信正常的情况下对当前RSSI连续三次采样，取其平均值作为当前RSSI门限，每一分钟更新一次RSSI门限；

(3-1-2)当实时检测到的RSSI高于RSSI门限值时，则认为该路由节点受到干扰，如果该路由节点接收到的数据为本网络系统标识，则认为当前干扰是本网络系统干扰；如果路由节点接收到的是乱码，则认为当前干扰是外界干扰。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明基于中继节点、路由节点、终端节点组建的3层网络结构，由于终端节点多为密集分布在同一区域内，因此必须解决同频率干扰问题。本发明方法具有自动识别已使用频点以及频率自动回避功能，无需人工选频率点，能自动调整射频频率及功率，以达到最小辐射范围，使系统在同区域内最大限度地容纳最多终端节点数量。对于不同单位在同一区域内使用同一无线网络，本发明方法能识别出不同网络节点，并能自动分配频率和功率。

2、在本发明方法中，独立区域中的路由节点与各终端节点之间采用同频发射与接收自动同步方式；各区域间则通过中继节点实现无线联网；中继节点与各区域路节点同样采用同频发射与接收自动同步方式；控制中心到各中继节点则通过以太网口接入中心计算机，实现各节点的自动入网及与互联网的自动联接。

3、本发明方法以自动跳频算法为核心，无线组网为基础，在不改变原无线节点结构的前提下实现中继节点、路由节点、终端节点的自动入网，完成无需人工操作的各节点的自动组网过程。

附图说明

图1是本实施例分层网络结构图。

图2是本实施例中继节点产生的同频信标时序图。

图3是本实施例路由节点跳频跟踪信标时序图。

图4是本实施例方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例自动组网采用分层网络结构，以轮询的方式，降低数据传输过程中的碰撞概率。网络采用分层控制，整个网络划分为三个控制层，分别为中继控制层、路由控制层、终端控制层。各层的频率控制均采用不同频段的自动跳频控制算法，其中功率控制采用功率自适应调整算法，以保证数据传输的可靠性及网络的可控制性。分层网络结构如图1所示，在图1中，中继节点具有以太网通信功能、自动跳频功能、频率分配功能，与下属路由节点的网络连接为星形连接；路由节点R与下属的终端节点也为星形连接，具有双频工作机制、自适应功率设置、自动跳频等功能；E为终端节点，属简单功能型节点，其具有数据上传、485通信、工作状态检测及控制等功能。

基于上述的网络结构，本实施例无线自动组网的方法参见图4，包括以下步骤：

S1：预先在工作频段之间选取N个工作频道，作为N个跳频频率；

S2：设定路由节点RSSI门限，当实时检测到的RSSI高于RSSI门限时，则该路由节点认定为受到干扰，上报对应中继节点申请跳频，中继节点跳频，同时发送信标到路由节点，如果路由节点没有收到信标，则路由节点跳频搜索及跟踪，直到收到信标，以确保中继节点与各路由节点共用同一个频道，路由节点锁定该共用频道；

S3：将路由节点与其各终端节点的工作频率建立在共用频道上，计算路由节点与各终端节点通信时各自最佳的功率值，然后在路由节点和终端节点发射功率为最佳的前提下，测试各路由节点是否有与其他路由节点频率相冲突，如果有，则对相冲突的路由节点的频率重新分配，直到各个路由节点的频率均不相冲突为止；

S4：中继节点依次载入各路由节点的频率，当路由节点收到频率值后，先在共用信道上通知各终端节点换频，并确认每个终端节点都收到换频数据后，再自动将频率由共用频率换到新频率上；在新频率上再对各个终端节点进行轮询测试后，上报中继节点频率载入成功；待所有路由节点完成频率载入后，网络进入正常工作状态。

下面具体到每个控制层来对上述方法进行具体说明。

一、中继节点控制层

该控制层主要用于实现组建网络，实现与以太网络的通信，设置中继节点控制层的路由频率及该层的跳频区。

(一)组建网络原则

以分层控制，轮询数传，跳频通信为基本原则。

1、分层控制：中继节点为核心，直接与路由节点无线通信；路由节点与终端节点无线通信。

2、轮询数传：为回避数传碰撞概率，采用在同一频道下一问一答的唯一性的二握手机制，进行轮询通信。轮询数＝路由节点数。

3、跳频通信：为解决中继节点控制层的干扰问题，以载波监听RSSI门限为基准，确定中继节点是否跳频。跳频频率范围在工作频段之间选取N个工作频道。分别为f1、f2、….fN，并写入中继节点跳频表中。

(二)设置中继节点频率及该层的跳频区。

由于中继节点与路由节点易受外界干扰，采用中继节点共用频道跳频、路由节点跳频搜索跟踪、终端节点轮询接收的设计思想。

1、路由节点RSSI门限的设定。

路由节点分别在跳频区上的N个频道上停T1时间对监听频道的RSSI值进行采样，取N个频道上的RSSI平均值，在此平均值的基础上，加一个增量后，再作为路由器的RSSI门限。同时，为保持门限的动态性每T2时间对RSSI门限进行一次更新。

2、中继节点选频和跳频的原则

在N个频道的RSSI值中选一个最小的频道作为当前中继节点的工作频率，当实时检测到的RSSI高于RSSI门限值时，则中继节点跳频，跳频采用循环跳频方式。

3、中继节点产生同频信标的规则

作为网络的核心，必须由中继节点对网络系统同步操作，同步信标的设计参见图2，两个信标之间设有数据时隙，数据时隙根据作用的不同可划分为第一数据时隙和第二数据时隙。在要将中继节点和路由节点同步到共用频道上时，中继节点同时向各路由节点发送信标，信标中包括广播数据包，广播数据包中包括一个确定的标志。路由节点如果收到信标，则说明其共用频道与中继节点相同，否则，路由节点需跳频搜索及跟踪，直到收到信标，以确保中继节点与各路由节点共用同一个频道。第一数据时隙用于在共用信道下实现中继节点与各路由节点的数据交换。第二数据时隙用于在各路由节点所分配的频道下实现路由节点与其各终端节点的数据交换。

4、中继节点确定与路由节点沟通不上的判定原则

当中继节点发完M组信标，理论上各路由节点的频道可以跳到共用频道上。从第M+1组开始从第一个数据时隙1中进行轮询，收到路由节点回复则确定频道已共用，否则，中继节点在不停止其它工作的前提下继续询问，X次无回复，则通过以太网上报，将该路由节点定为故障处理。

5、路由节点跳频跟踪共用频道及最佳发射功率设置原则

采用循环跳频，搜索、跟踪信标的方法，设计原则如下：

(1)跳频时隙设置：路由节点处于接收状态，其每个频率的接收时隙设置为T3，以确保N个不同频率的时隙下一定能够跟踪到任何频率上的信标。当连续收到P个以上信标数据包后，则锁定接收频率，进入共用频道。

(2)路由节点最佳发射功率的设置：中继节点将路由节点回复数据时检测出的RSSI数据再发回路由节点，由路由节点调整其发射功率到最佳发射功率值。

(3)第二数据时隙传送时隙设置：当P个不同频率的时隙过后仍没收到信标，说明中继节点没发信标或发射功率小，这时，则进入搜索状态，搜索状态下除完成对N个频道的搜索，后加有路由节点与其终端节点的第二数据时隙，用于实现路由节点对终端节点的周期控制。同时，在搜索一个周期后，将路由节点的功率增加一级。当增加到最大时，还没接收到信标，则认为中继节点没有发信标。

(4)跳频初始值设置：当路由节点频率处于锁定频率状态下，突然收不到信标数据包时，则以当前频率作为跳频搜索的初始值开始搜索。参见图3，中继节点按照一定的发射时序发射信标，其中路由节点工作在fN频率上，一旦突然收不到信标数据包，则该路由节点从fN频率开始，进行跳频搜索。

二、路由节点控制层

采用双频工作机制。主要实现终端节点的入网通信及频率及功率设置和动态调整。

(一)路由节点与终端节点的入网通信

1、路由节点同步信标的产生及起始频率的选定

对于某个路由节点，当中继节点工作在第二数据时隙时，由中继节点向终端节点发出共用频率信标，用以将各终端节点同步到共用频率上，方法和原则与中继节点的跳频跟踪相同，这里不再重述。最后将路由节点与其各终端节点的工作频率建立在共用频道上。

2、路由节点最佳功率设置(在共用频率上设置)

路由节点在第二数据时隙内以轮询的方式分别与各终端节点进行通信，在数据传送过程中同中继节点与路由节点的功率设置一样，则可分别得到与终端节点通信的最佳功率值，Ps1,Ps2,…..Psk。其中，Psk为第k个终端节点的最佳功率值，取其中的最大值Psimax，即为该路由节点的最佳值。

3、终端节点最佳功率设置(在共用频率上设置)

路由节点在第二数据时隙内以轮询的方式分别与各终端节点进行通信，在数据传送过程中同中继节点与路由节点的功率设置一样，终端节点可分别得到与路由节点通信的最佳功率值，Pe1,Pe2,…..Peu。其中，Peu为第u个终端节点的最佳功率值，设置各终端节点功率为最佳值即可。

4、将各终端节点最佳功率设置上报给中继节点。

(二)路由节点频率分配原则

即：在节点发射功率为最佳的前提下，实现各个路由节点频率不重合覆盖。

1、频率覆盖测试(在共用频率下)

中继节点广播，各路由节点接收到TEST测试字符上报，并指令第1号路由节点用TEST测试字符轮询1号路由节点对应的各终端节点，回复也用TEST测试字符。则可测出1号路由节点与其它路由节点区域的频率冲突的路由号，上传中继节点并列入相应冲突表中。同理可测出所有路由与其它路由节点频率冲突的路由编号。

2、形成路由频率冲突表。如下表1所示。

表1路由频率冲突表

3、频率分配原则

按路由号数，将频率按照下列顺序分配：F1，F3，F5…F49,F2,F4,F6…F50，扫描冲突路由编号内是否有与所设频率相同的路由编号，如果有，则按从小到大换频继续扫描，直到频率不同为止。

4、频率载入

中继节点将路由节点号的频率数从1号路由节点开始载入，当路由节点收到频率值后，先在共用信道上通知各终端节点换频，并确认每个终端节点都收到换频数据后，再自己将频率由共用频率换到当前频率上。在新频率上再对各个终端节点进行轮询测试后，上报中继节点频率载入成功。进行下个路由节点频率的载入。所有要入网的路由节点完成频率载入后，网络进入正常工作状态。

(三)路由节点控制层信道干扰自动换频

当路由节点的第二数据时隙受到干扰时，需要自动换频。

1、干扰性质的区分

当某路由节点受到干扰，可通过RSSI及接收数据格式是否属本网络系统频率干扰。

(1)路由节点的RSSI门限的设定

设定原则与中继节点相似，只是在设定的单一频率下，在通信正常的情况下对当前RSSI连续三次采样，取其平均值作为当前RSSI门限，每一分钟更新一次RSSI门限。

(2)干扰的区分

当实时检测到的RSSI高于RSSI门限值时，认为本路由节点受到干扰。如果路由节点接收到的数据为本网络系统标识，则认为当前干扰是本网络系统干扰；如果路由节点接收到的是乱码，则认为当前干扰是外界干扰。

2、本网络系统干扰处理原则

当确认路由节点的频率干扰属本网络系统，则上报中继节点，中继节点则调用路由节点频率冲突表，查出受干扰的路由节点号的频率，按顺序更换一个本网络没使用的新频率，再进行测试是否干扰消除。更换到干扰消除，此时的频率为该路由节点的新频率，将更新后的频率编号进行记录，例如可在表1的基础上补充建立表2所示的路由频率冲突表，将更新后的频率编号写入“频率更新”一栏中。

3、外界干扰处理原则

当确认路由节点的频率干扰属外界干扰，则上报中继节点，中继节点则调用路由节点频率冲突表，查出受干扰的路由号的频率，按顺序更换一个本网络没使用的新频率，再进行测试是否干扰消除，直到更换到干扰消除为止。此时的频率为该路由节点的动态新频率，将更新后的动态新频率进行记录，例如，可将更新后的频率编号写入表2所示的路由频率冲突表中“跳频更新”一栏中。当确认该路由节点再次受到外界频率干扰时，路由节点将自动回跳到原频率上，可有效消除外界点频干扰。当频率更新后的路由节点还受到外界干扰时，同上，只是回跳的频率不是原频率，而是更新后的频率。

表2补充的路由频率冲突表

三、终端节点控制层

实现与路由节点的无线接入，终端节点只有应答功能，其工作频率由路由节点控制，同样终端节点也具有频率搜索及功率自动调整功能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。