基于时间同步和频率同步的无线自组织网络管理方法与流程

本发明涉及无线自组织网络技术领域，尤其涉及基于时间同步和频率同步的无线自组织网络管理方法，可以对节点之间的通信过程进行控制和管理。

背景技术：

基于无线自组织网络的应用越来越广泛，比如智能家居应用，智能农业，环境监测，智能灯光控制等，可以让每一个终端设备都处于可监测和可控制状态是使用无线自组织网络的重要目的之一。以智能家居为例，一个家庭可能有数十个或者更多的设备需要被控制，比如冰箱，洗衣机，暖气阀门，台灯，窗帘，热水器等等。为了让一套适用于智能家居的算法或者策略能够自动完成各项调节工作，必须为算法和设备之间提供一个基于物理连接的接口。当室内温度过高时，算法需要打开通风设备来散热，当室内过于干燥时，算法需要打开加湿设备来调节空气湿度等等。最简单的实现控制的方式是建立从终端设备到服务器的有线连接。算法可以运行在服务器上，当需要操作设备时，通过有线连接发送控制信号。可是当越来越多的设备接入智能家居环境时候，有两个问题需要考虑，一是设备越多，线缆连接越复杂。二是设备可能处在任何位置，而过长的线缆可能导致信号衰减到有效范围以下，或者有时候因为建筑物结构的问题无法铺线。这两种情况在很多场合都会遇到。因此，使用无线自组织网络来解决问题是一个合适的方案。

图11简要展示了无线自组织网络的基本结构，路由节点作为网络的骨干部分连通着分布在不同位置的网络设备。路由节点可以是固定安装，也可以是由网络协议计算选择产生。如果网络在安装后很少改变设备位置，路由节点可以和主电源相连，工作过程中不采取休眠模式，确保随时可以收取数据并执行转发任务。终端设备通常指需要被监测或者控制的设备，比如智能家居中的台灯，或者温度传感器。终端设备不直接参与路由过程，因为很多情况下终端设备的无线电收发机是用电池供电的，所以设备在大多数时候处于休眠状态以节省电能。当有应用需求的时候，设备会被唤醒完成预定任务，然后将任务结果交给路由设备传递到目的地。网关设备通常也是一个路由设备，同时具备在自组织网络内转发数据和连通自组织网络和外网的能力。通过使用无线自组织网络，系统允许分布在不同位置的设备连入网络。当设备间的物理距离超过无线收发机点对点通信距离时，通过增加路由节点的方法，可以低成本地实现快速扩展。由于使用无线通信，可以不受设备本身物理接口数量的限制，在不超出无线通信处理能力的前提下可以任意增减连接设备的数量。

虽然无线通信在使用中有明显的优势，但还是有很多问题。由于不使用线缆连接，节点之间的通信只能依靠无线的方式来实现，其抗干扰的能力不及有线系统。无线自组织网络的分布式结构，使得网络内没有某一个节点可以成为中心控制器来安排其他所有节点通信顺序，也就很难实现全局的流量控制。无线自组织网络在应用中遇到的问题可以总结如下：

1、因为无线通信的过程发生在空中，没有办法对物理信号进行保护，所以很容易发生信号间的干扰和冲突。

2、每个节点只和自己的邻居节点进行通信，当节点之间的距离超过无线收发机的直接通信距离时，就必须依赖中间节点进行转发。这个方式虽然扩展了网络覆盖范围，但使得网络中无法产生一个中心控制点可以直接联系到所有其它节点。所以，在网络中发生的各种通信从总体上来看处于随机状态，进一步增加了干扰/冲突的几率，导致通信失败。

3、可靠的广播/组播通信。这个问题在有线网络中相对简单，因为设备和设备间是通过线缆连接，一个设备在某个端口上发送数据，必然被这个端口另一端连接的设备接收到。而在无线网络中，发送广播的节点很难完全掌握附近所有邻居的信息，而又因为广播/组播通信通常不要求接收方发送回执以确认接收，所以发送方无法确认消息是否成功发送。

4、在无线自组织网络中使用广播/组播还有一个问题，即转发节点的确定。如果每个节点都参与到转发过程中，会形成网络风暴。但如果参与转发的节点覆盖面不足以达到全部网络，转发就会变得无效或者部分无效。

技术实现要素：

本发明针对无线自组网络在使用中的问题，提供了一种基于时间同步和频率同步的无线自组织网络管理方法，避免了信号之间的干扰，提高了通信的可靠性。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：基于时间同步和频率同步的无线自组织网络管理方法，包括以根节点开始的全网组播过程和以非根节点开始的全网组播过程，

根节点、终端节点和路由节点形成树形拓扑结构，上层被关联的节点称为父节点，下层关联的节点称为子节点；

以根节点开始的全网组播过程包括如下步骤：

1)根节点在频率f1上进入组播发送时隙，直接关联到根节点的子节点同步在频率f1上进入组播接收时隙，以接收根节点发送的信息；

2)根节点结束组播发送时隙，进入单播时隙，与根节点直接关联的子节点中，若是终端节点，则进入单播时隙，若是路由节点，则该节点在频率f1上的组播接收时隙结束后，转到频率f2上进入组播发送时隙进行组播消息的发送，和该路由节点关联的子节点同步转到频率f2进入组播接收时隙接收组播信息，该路由节点完成组播发送时隙后，进入单播时隙，在拓扑结构上如果和该路由节点处在相同层的路由节点有多个，则每个路由节点进行组播发送的频率f2是有差异的；

3)树形拓扑结构中的每一层节点执行步骤2)中的同步过程，直到距离根节点最远的节点完成单播时隙，一次循环结束；

以非根节点开始的全网组播过程包括如下步骤：

a、非根节点为终端节点时，终端节点在单播时隙将组播消息发送给关联的路由节点，即该终端节点的父节点，路由节点在组播发送时隙将组播消息向下行方向组播，如果该路由节点有父节点，则该路由节点在单播时隙将组播消息发送到父节点，由父节点继续在组播发送时隙向下行方向组播，并且在其单播时隙向上一级父节点发送组播消息，该过程持续进行，直到最上一级父节点，即根节点收到消息，并完成向与其关联的其它路由节点和终端节点发送组播消息的过程；

b、非根节点为路由节点时，该路由节点既要在单播时隙向其父路由节点发送组播消息，也要在组播发送时隙开始下行组播，在单播时隙收到组播消息的父节点既要向下行发现组播，也要在单播时隙向自己的父节点发送组播消息，直到到达根节点，并由根节点完成与其关联的其它路由节点和终端节点发送组播消息的过程。

作为本发明的优化方案，频率f2的值由节点的地址或者本节点所处拓扑结构的层次确定。

作为本发明的优化方案，基于时间同步和频率同步的无线自组织网络管理方法还包括在单播时隙的通信方法，包括如下步骤：

a、所有节点在单播时隙内在频率f3上侦听，通信发起方在频率f3上发送包含通信目的节点地址和通信频率f4的数据请求，然后通信发起方跳转到通信频率f4上保持接收状态，通信频率f4由通信发起方在发送数据请求前按随机或者指定方式产生，即每次产生数据请求时，f4是有区别的；

b、通信目的节点如果成功接收到数据请求，并且判断在单播时隙剩余的时间可以完成通信，则跳转到通信频率f4上，然后发出让通信发起方发送数据的提示，通信发起方收到提示后，通信发起方开始发送数据；

c、通信发起方发送数据结束后，如果通信发起方不要求确认，则通信结束，通信发起方返回到频率f3上；如果通信发起方要求接收确认，则等待一段时间，确认收到，通信成功，如果没有收到确认，通信失败，无论是否成功，通信发起方返回频率f3上；返回后，如果通信失败，通信发起方在频率f3上在下一次合适的时间重新尝试发送；

d、通信发起方在通信频率f4上等待一段时间后，如果没有收到通信目的节点发出的让通信发起方发送数据的提示，则通信失败，通信发起方转回频率f3，等待下次尝试；

e、通信目的节点转到通信频率f4上，发送让通信发起方发送数据的提示后，等待一段时间，如果没有收到数据，通信目的节点转回频率f3上。

作为本发明的优化方案，根节点为网关节点。

作为本发明的优化方案，子节点的组播接收时隙是和其关联的父节点组播发送时隙同步的时隙。

作为本发明的优化方案，父节点的单播时隙长度等于该父节点的父节点的单播时隙长度减去该父节点的一个组播发送时隙。

本发明具有积极的效果：1)本发明为了提高通信的成功率，在三个时隙里通信以跳频的方式避开和附近节点的冲突；

2)本发明组播发送时隙和组播接收时隙都在指定的频率上工作，但是单播时隙在全网统一的频率上开始。这样设定的目的是为了让节点，尤其是新加入网络还未完成同步的节点，能够以最快的方式和已有网络节点产生联系，整个过程组网速度快；

3)本发明采用单播和组播的结合的通信方式，保证了可靠的广播/组播通信。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是形成树状拓扑结构的自组织网络示意图；

图2是时隙分布示意图；

图3是单播时隙终端节点和路由节点的通信示意图；

图4是根节点的工作流程图；

图5是终端节点的工作流程图；

图6是父节点的工作流程图；

图7是单播时隙中通信发起方的工作流程图；

图8是单播时隙中通信接收方的工作流程图；

图9是从根节点开始的全网组播流程图；

图10是从非根节点开始的全网组播流程图；

图11是常用的无线自组织网络示意图。

具体实施方式

本发明公开了基于时间同步和频率同步的无线自组织网络管理方法，包括以根节点开始的全网组播过程和以非根节点开始的全网组播过程，

如图1所示，根节点、终端节点和路由节点形成树形拓扑结构，上层被关联的节点称为父节点，下层关联的节点称为子节点；当树形拓扑结构形成后，对父节点和子节点进行时间同步，同步的目的是把时间划分为固定时隙，在拓扑结构上，父节点比子节点更靠近根节点，同步分为3个时间隙，组播接收时隙，组播发送时隙和单播时隙。

以根节点开始的全网组播过程包括如下步骤：

1)根节点在频率f1上进入组播发送时隙，直接关联到根节点的子节点同步在频率f1上进入组播接收时隙，以接收根节点发送的信息；

2)根节点结束组播发送时隙，进入单播时隙，与根节点直接关联的子节点中，若是终端节点，则进入单播时隙，若是若路由节点，该路由节点在频率f1上的组播接收时隙结束后，转到频率f2上进入组播发送时隙进行组播消息的发送，和该路由节点关联的子节点同步转到频率f2进入组播接收时隙接收组播信息，该路由节点完成组播发送时隙后，进入单播时隙。在拓扑结构上如果和该路由节点处在相同层的路由节点有多个，则每个路由节点使用不同的频率f2来进行组播发送。频率f2的具体确定可以由节点的地址或者所处拓扑结构的层次等具体条件来产生；其中，在组播发送时隙里，一个父节点向和它关联的子节点发送组播消息，而这些子节点在这个时隙内只能进行接收，而不能进行发送动作，以避免干扰到父节点的组播消息发送。组播接收时隙是每个节点和其关联的父节点的组播发送时隙同步的时隙。每个处于组播接收时隙的节点只能在无线频率上侦听，不能发送。单播时隙是用来进行点对点的单播通信的。单播可以是从父节点到子节点，也可以是从子节点到父节点。不同于组播的进行，单播通信过程是允许竞争的存在，同时也允许回执确认机制以确保可靠通信。

3)树形拓扑结构中的每一层节点执行步骤2)中的同步过程，直到距离根节点最远的节点完成单播时隙，一次循环结束；

以非根节点开始的全网组播过程包括如下步骤：

a、非根节点为终端节点时，终端节点在单播时隙将组播消息发送给关联的路由节点，路由节点在组播发送时隙将组播消息向下行方向组播，如果该路由节点有父节点，则该路由节点在单播时隙将组播消息发送到父节点，由父节点继续在组播发送时隙向下行方向组播，向上一级父节点发送组播消息的过程持续进行，直到最上一级父节点，即根节点收到消息，并完成向与其关联的其它路由节点和终端节点发送组播消息的过程；

b、非根节点为路由节点时，该路由节点既要在单播时隙向父路由节点发送组播消息，也要在组播发送时隙开始下行组播，在单播时隙收到组播消息的父节点既要向下行发现组播，也要在单播时隙向自己的父节点发送组播消息，直到到达根节点，并由根节点完成与其关联的其它路由节点和终端节点发送组播消息的过程。

基于时间同步和频率同步的无线自组织网络管理方法还包括在单播时隙的通信方法，包括如下步骤：

a、所有节点在单播时隙内侦听在频率f3上。通信发起方在指定的频率f3上发送包含通信目的节点地址和通信频率f4的数据请求，然后通信发起方跳转到通信频率f4上保持接收状态。通信频率f4由通信发起方在发送数据请求前按随机或者指定方式产生，即每次产生数据请求时，f4都是不同的；

b、通信目的节点如果成功接收到数据请求，并且判断在单播时隙剩余的时间可以完成通信，则跳转到通信频率f4上，然后发出让通信发起方发送数据的提示，通信发起方收到提示后，通信发起方开始发送数据；

c、通信发起方发送数据结束后，如果通信发起方不要求确认，则通信结束，通信发起方返回到频率f3上；如果通信发起方要求接收确认，则等待一段时间，确认收到，通信成功，如果没有收到确认，通信失败，无论是否成功，通信发起方返回频率f3上；返回后，如果通信失败，通信发起方在频率f3上在下一次合适的时间重新尝试发送；

d、通信发起方在通信频率f4上等待一段时间后，如果没有收到通信目的节点发出的让通信发起方发送数据的提示，则通信失败，通信发起方转回频率f3，等待下次尝试；

e、通信目的节点转到通信频率f4上，发送让通信发起方发送数据的提示后，等待一段时间，如果没有收到数据，通信目的节点转回频率f3上。

如图2所示，图2是时隙分布的示意图，从循环1开始，在循环1的最开始阶段，根节点在频率1(f1)上进入组播发送时隙。在这个时隙里，如果根节点有消息需要组播发送，它可以进行组播通信。对于以根节点为父节点的其它节点来说，必须和根节点的组播发送时隙同步开始在频率1上进入组播接收时隙。这里以图1中终端节点2和路由节点2为例。在组播接收时隙中，路由节点2和终端节点2不允许发送任何数据，只能在频率1上侦听。这确保了从根节点发出的组播消息可以可靠地传送给子节点。当根节点的组播发送时隙结束(同时也是路由节点2和终端节点2的组播接收时隙结束)，它进入单播时隙。对于终端节点2，因为没有子节点和其关联，所以它不需要向下层发送组播消息。终端节点2和根节点都进入单播时隙。在单播时隙里，终端节点2和根节点2可以互相通信。路由节点2被路由节点3关联并作为其父节点，因此路由节点2需要保留向路由节点3发送组播消息的机会，所以路由节点2在频率1上的组播接收时隙结束后，立刻进入频率2上的组播发送时隙。而路由节点3进入频率2上的组播接收时隙并保持和路由节点2同步。路由节点2完成在频率2上的组播发送时隙后，进入单播时隙。因为路由节点5关联到路由节点3并将其作为父节点，所以路由节点3在完成频率2上的组播接收时隙后进入频率3执行组播发送时隙。相应地路由节点5也同步进入频率3上的组播接收时隙。当路由节点5完成频率3上的组播接收时隙后，因为还有终端节点4与其关联，所以路由节点5进入频率4上的组播发送时隙。当路由节点5完成频率4上的组播发送时隙后，进入单播时隙。而终端节点4因为没有子节点，所以进入单播时隙。当树形拓扑结构上所有节点都完成了一次组播发送时隙，组播接收时隙和单播时隙后，一次循环结束，从根节点开始第二次循环开始。

在树形拓扑结构形成时，每个成为父节点的网络节点需要和自身的父节点沟通来完成组播发送时隙频率的分配。关联到同一个父节点的节点需要使用不同的组播发送频率以避开互相之间的干扰。在图2中以f1，f2，f3等区别表示。

再次，时隙长度分配。组播发送时隙和组播接收时隙长度的定义按照所采用的无线通信技术物理层标准来确定，即发送某个长度的数据包需要消耗的时间。完整数据包发送通常包括前导码，包头，包负载，包尾等内容，额外还可能需要加上射频收发转换，射频稳定时间，以及同步校准等因素。每个节点在一次循环内至少需要执行组播接收时隙和单播时隙，如果其网络角色是父节点，还需要执行组播发射时隙。因此，原则上如果一个节点是终端节点，其单播时隙长度和其父节点的单播时隙长度一致，比如图2中的终端节点2的t2和根节点的t1。如果一个节点是父节点，其单播时隙长度等于其父节点的单播时隙长度减去一个组播发送时隙长度，比如图2中的路由节点2的t3等于根节点的t1减去一个组播发送时隙。

如图3所示，图3为终端节点5和路由节点5单播时隙通信方式，组播发送时隙和组播接收时隙都在指定的频率上工作，但是单播时隙需要在全网统一的频率上开始。这样设定的目的是为了让节点，尤其是新加入网络还未完成同步的节点，能够以最快的方式和已有网络节点产生联系。单播时隙的工作方式分为两部分，一是在指定的全网相同的频率上侦听，二是在指定频率上完成数据收发工作。在单播时隙内，终端节点5有数据需要发送给路由节点5。每个节点在进行单播时隙时都侦听在统一频率x上，所以终端节点首先在频率x上发送一个数据请求，请求内包含通信的目的地址(路由节点5)以及随后将进行数据发送的频率y。如果路由节点成功收到终端节点5的请求，并且判断在单播时隙剩余的时间内可以完成通信，则路由节点5跳转到频率y。发送完数据请求后，终端节点5也跳转到频率y并保持侦听。当路由节点5到达频率y后，发送指示允许终端节点5发送数据。终端节点5如果成功收到这个指示，才开始发送数据。如果数据成功被路由节点5收到，并且作为可选项被要求发送确认，则发送接收确认。然后终端节点5和路由节点5都返回统一频率x，通信完成。在整个通信过程中，任何一次交互如果没有收到对应的回答，则通信失败，节点均返回统一频率x。比如：如果路由节点在频率x上没有收到终端节点5的数据发送请求，那么当终端节点5跳转到频率y后经过固定时间的等待会发现没有收到发送指示，则终端节点5返回频率x。如果路由节点5跳转到频率y并且发出了发送指示，而过了固定时间没有收到终端节点5的数据发送，则路由节点5返回频率x。如果终端节点发送数据后没有收到接收确认，也返回频率x准备第二次尝试，或者如果剩余的单播时隙的时间不足以完成通信，则等待下一次可用的单播时隙。

数据通信的类型分为组播通信和单播通信，其中组播通信又分为从上到下和从下到上。

从上到下的组播通信：假设组播通信的发起方是网络的根节点，通信目的是要将消息分发到网络中所有节点。根节点可以在组播发送时隙将消息发出。其子节点在组播接收时隙将收到消息。如果当前节点是终端节点，组播到此结束。如果当前节点是一个父节点，则在接下来的组播发送时隙将消息转发到其子节点。转发过程以此类推直到网络中所有节点都收到消息。

从下到上的组播通信：假设一个非根节点的节点要进行组播，如果这个节点是一个父节点，那么在节点的组播发射时隙将消息发出，使用从上到下的组播通信方式，对关联到这个父节点的所有子节点以及子节点的子节点进行组播。在该节点的单播时隙内将组播消息可靠地发送给该节点的父节点，由这个父节点在其组播发送时隙和单播时隙分别将消息广播到其他子节点和该父节点的父节点。此过程不断重复，直到网络中所有节点收到组播消息。

如果当前节点是一个终端节点，即没有子节点。在该节点的单播时隙内，节点将消息可靠的发送给自己的父节点。父节点在自己的单播时隙内将消息转发到更上一层的父节点，同时在自己的组播发送时隙将该消息向下行发送，进行从上到下的组播过程。更上层的父节点不断重复相同的过程直到网络中所有节点收到组播消息，其中父节点到上层父节点的单播通信在根节点处停止。

如图4-6所示，时隙同步的步骤为：

(1)首先形成树形拓扑结构，网络内的时间从根节点开始以指定的时隙实现同步；

(2)根节点在频率f1发出第一个时隙即组播发送时隙。直接关联到根节点的节点同时在频率f1进入组播接收时隙，以接收根节点信息；

(3)根节点结束组播发送时隙，进入单播时隙。与根节点直接关联的节点中，若是终端节点，则进入单播时隙。若是父节点，即路由节点，转到频率f2进入组播发送时隙，发送组播信息。和该父节点关联的子节点同步转到频率f2进入组播接收时隙，接收组播信息。当父节点完成组播发送时隙后，进入单播时隙。如果关联到根节点的子节点中有多个路由节点，每个路由节点进行组播发送时隙的频率f2应当互不相同；

(4)树形拓扑结构中的每一层节点执行3中的同步过程，直到距离根节点最远的节点完成单播时隙，一次循环结束。根节点重新开始时隙同步。

如图7-8所示，单播时隙的通信步骤为：

1)通信发起方在指定的统一频率上发送数据发送请求，该请求包含通信目的节点地址和通信频率，其中，通信频率通常不同于统一频率，当请求发出后，通信发起方跳转到数据发送请求中指定的通信频率，保持接收状态；

2)通信目的节点如果成功接收到数据发送请求，对该请求进行分析。如果当前条件可以继续进行通信，比如当前单播时隙内剩余的时间可以完成通信，则跳转到数据发送请求中包含的通信频率。如果通信目的节点没有收到数据发送请求，或者经过判断当前条件不足以进行通信，则不会采取任何动作；

3)通信目的节点跳转到数据通信频率上后，发出数据发送提示。该提示指出允许哪个节点发送数据。当收到提示后，通信发起节点开始发送数据。数据发送结束后，如果通信发起节点不要求确认，则通信结束，发起节点返回到指定的统一频率。如果通信发起节点要求接收确认，则等待一段时间，确认收到，通信成功，如果没有收到确认，通信失败，无论是否成功，发起节点返回统一频率。返回后，如果通信失败，发起节点在下一次合适的时间重新尝试发送；

4)通信发起节点在通信频率上等待一段时间后，如果没有收到通信目的节点的数据发送提示，则通信失败，发起节点转回统一频率，等待下次尝试。

5)通信目的节点转到通信频率上，发送数据发送提示后，等待一段时间，如果没有收到数据，通信目的节点转回统一频率。

如图9所示，从根节点开始的全网组播过程：

1)根节点在进行在频率f1上的组播发送时隙发送组播信息；

2)关联到根节点的子节点在频率f1上与根节点的组播发送时隙同步开始组播接收时隙；

3)如果关联到根节点的子节点同时也是一个父节点，有其它子节点与之关联，则该父节点在频率f1上的组播接收时隙结束后，进入频率f2开始组播发送时隙。在发送时隙内该节点发送组播消息。连接到同一个父节点的不同路由节点应当在不同的频率f2上进行组播发送时隙；

4)如果组播还未到达网络最大深度，执行步骤3)，否则结束。

如图10所示，从非根节点开始的全网组播过程：

(1)如果该节点是终端节点，则把消息在单播时隙发送给关联的父节点。由父节点在其组播发送时隙向下行方向组播。如果父节点有关联的更上一级父节点，则在父节点的单播时隙将消息发送到上级父节点，由上级父节点继续进行下行方向的组播发送时隙。在组播时隙向上级父节点发送组播消息的过程持续进行，直到到达根节点。而每个收到消息的父节点执行下行方向的组播；

(2)如果该节点是路由节点，即一个父节点，则该节点既要在单播时隙内向上级父节点发送组播消息，也要在组播发送时隙开始下行组播过程。在单播时隙收到消息的上级父节点重复在下行方向进行组播发送过程，也要在单播时隙向更上级的父节点发送消息，直到到达根节点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。