一种基于时间同步的自组织网络流量控制方法与流程

[0001]
本发明涉及自组织网络流量控制技术领域，具体涉及一种基于时间同步的自组织网络流量控制方法。


背景技术：

[0002]
在物联网领域，无线自组织网络技术在很多场景下，尤其是基础通信设施不全或基础通信设施支持受限的时候，其可以将不同的设备即时网络化，实现网络通信。图1展示了物联网应用中无线自组织网络建网通信的典型场景，具体为无线自组织网络在楼宇自动化场景的使用示意图，各种楼宇自动化场景中需要使用到的传感器、控制器以及路由器通过无线自组织网络技术自动连接成网，对于传感器等平时处于低功耗状态，但是整个自动化场景中需求量又比较大的设备，就可以不用铺设线缆，而是按照实际需要，在指定位置方便架设，每个网络内的设备通过无线自组织网络协议寻找到从设备到网关的路径，数据通过中间设备转发的方式在网络内传递。比如一氧化碳传感器3的数据，可以通过红外线探头3、温湿度传感器3、路由器2和路由器1最终到达网关，如果网关需要修改一氧化碳传感器3的采样间隔，其指令也可以通过反向路由到达一氧化碳传感器3。
[0003]
基于自组织网络技术的物联网的特点在于，用户有可能在大量终端连接的场景里使用，比如楼宇自动化，环境监测等。大量的微型终端在不同的位置将数据采集后汇聚到网关，网关统一发送到远端服务器。数量众多的终端在低速率的情况下，有可能产生网络阻塞，原因在于如果用户定义的数据上报间隔比较短，而每个终端每次上报都需要占用很长时间的带宽，那么无线传输就极为容易产生冲突。此时最直接的方式就选择不同的路径发送数据。
[0004]
如图2所示，如果温度传感器3正处于高流量状态，原先从一氧化碳传感器3到网关的路径就会在此遇到阻碍。此时如果一氧化碳传感器3能够选择从一氧化碳传感器2，红外线探头1，温湿度传感器1这条路径进行到网关的通信，就能避开阻塞(假设新的路径可以顺利使用)。如果一氧化碳传感器3能够预先知道温湿度传感器3存在阻塞，那么就有可能提前选择备选路径。但是对路径的阻塞判断是自组织网络中的一个难点，因为自组织网络的重要概念就是不使用中心节点来管理网络，而是由每个网络中的节点自我管理，这导致了每个节点对周边设备的拥塞情况所知有限，很难获得全局的流量信息。同时，即使能够获得全局的流量信息，其消耗的代价可能会很大，需要占用大量的带宽来完成每个节点的信息的全网传播，时效性也会很差。因此亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种基于时间同步的自组织网络流量控制方法，能有效解决现有通信方法难以获得周边设备的拥塞情况，以及即使获取到也存在带宽消耗大、时效性差的问题。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
[0007]
一种基于时间同步的自组织网络流量控制方法，包括以下步骤：
[0008]
1)进行无线自组织网络中网关和所有节点的时间同步，然后将时间划分为固定长度的时间隙；
[0009]
2)打开网关，之后网关定期发布同步信息，其它节点逐个加入网络；其中同步信息包括当前时隙的编号，网关自身的流量信息，网关同步信息的发布周期；
[0010]
3)其它节点逐个开启；节点开启后，在所有可用的频率资源内选择一个频点作为开始，节点在每个频点上侦听，收集所有可用邻居节点的流量信息，之后根据流量信息中所携带的内容，节点选择某一邻居节点作为自己接入网络的接入点、并完成与该接入点的同步，之后节点向该接入点发送入网请求，接入点接收到请求后，将请求转发到网关，经过网关同意后再将确认回复返回给该节点，该节点完成入网过程；其中侦听时间小于等于预先定义的流量信息发布最大周期；
[0011]
4)节点完成入网后，从收集到的所有可用邻居节点信息中选择出与其它节点不同的频率或周期，并将其作为该节点的流量信息发布规则固定下来；
[0012]
5)节点开始工作状态后，根据收集到的邻居节点信息，周期性更新邻居节点的流量信息，根据邻居节点的繁忙程度更新自身的路由表选项，完成流量自动控制。
[0013]
其中，步骤1)中时间隙的固定长度是根据所采用的无线设备的通信速率来确定的。
[0014]
其中，步骤2)中若其它节点早于网关打开，则其它节点扫描信道，直至网关打开。
[0015]
其中，步骤2)中流量信息是在发布周期到期时在当前时间隙的指定位置发送的，且流量信息至少包括网关的繁忙程度。
[0016]
其中，步骤3)中节点接入网络时候的发送周期不同于该节点选择的接入点的发送周期。
[0017]
其中，步骤5)中若节点的发布周期到期，则节点在时隙的指定位置发送最近周期内统计的流量信息；
[0018]
若接入节点的发布周期到期，当前接线在时隙的指定位置转到接入节点的发布频率接收其流量信息，并做同步校准；
[0019]
若其它邻居节点的发布周期到期，当前接线在时隙的指定位置转到邻居节点的发布频率接收流量信息；
[0020]
若邻居节点的流量信息显示其忙碌程度超过指定阈值，则当前节点更新本地的路由选项；
[0021]
若所有节点的发布周期均未到期，则结束当前时隙的工作，等待下一个周期。
[0022]
上述技术方案中提供的基于时间同步的自组织网络流量控制方法，通过建立时间同步机制，为每个网络节点安排合理的流量信息发布机制，使得在自组织网络内的节点可以获取邻居节点当前的流量阻塞情况，提前安排后续通信时的路由选择，实现网络内的流量控制。
[0023]
为了获取邻居节点当前的流量阻塞情况，需要让每个节点有机会主动发送当前自身的通信情况，包括从自身到网关的通信成功状态，内部发送缓存的状态等，附近的邻居节点通过检查收到的信息，决定是否选取某个节点作为到达目的地(比如网关)的下一个转发
节点，从而实现网络内的流量管理。这样就需要保证节点流量信息的发送本身避免互相冲突。因此建立时间同步机制，是为了在相同的时间基础上，合理安排发射方的发射参数，比如相同时间内如果有多个发射方要工作，必须安排在不同的频率，或者多个发射方必须在不同的时间发送，以此避免无线通信之间的冲突，提高信道利用率。
[0024]
本发明采用的基于时间同步的自组织网络流量控制方法，就是基于同步网络的流量信息发送，且不影响网络内原本的数据通信，同时以无冲突的方式将每个节点自身的繁忙程度通知给周围的邻居，使得其它节点可以预先调整路由选项，实现流量自动控制的目的。有效解决背景技术中存在的现有通信方法难以获得周边设备的拥塞情况，以及即使获取到也存在带宽消耗大、时效性差的问题。
附图说明
[0025]
图1为本发明背景技术中涉及的无线自组织网络在楼宇自动化场景的使用示意图；
[0026]
图2为本发明背景技术中涉及的无线自组织网络在楼宇自动化场景路径切换的示意图；
[0027]
图3为本发明网关启动和工作的流程图；
[0028]
图4为本发明节点入网和流量管理的流程图。
具体实施方式
[0029]
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
[0030]
本发明采取的技术方案如图3～4所示，一种基于时间同步的自组织网络流量控制方法，包括以下步骤：
[0031]
1)进行无线自组织网络中网关和所有节点的时间同步，将时间划分为固定长度的时间隙；
[0032]
具体地，无线自组织网络以网关为时间源，建立全网同步机制，每个节点通过直接和网关相连或通过和某个中间节点相联系，周期性和网络保持同步；因为整个网络的时间源统一为网关，所以所有的网络节点最终都是和网关保持时间同步。在时间同步的基础上，将时间划分为固定长度的时间隙。时间隙的长度需要根据所采用的无线设备的通信速率来确定，比如在类似于zigbee技术的网络内，假设一个最大长度的数据包为128字节，空中速率为250kbps，那么时隙的最短长度为4.096毫秒。为了容纳流量信息的发送，假设流量信息包的数据长度也为128字节，那么时隙的长度需要再增加4.096毫秒，即一个时隙最短为8.192毫秒。在每个时隙的前4.096毫秒，节点和节点之间进行正常的网络通信。在后4.096毫秒，如果有流量信息需要发布，发布节点需要在这个时间段里发布流量信息。为了节省带宽，如果节点有通信回执需要发送，也可以安排在后4.096毫秒发送。如果有节点需要检查其某个邻居节点的流量信息，该节点需要在后4.096毫秒将接收机切换到指定的频率去接收发布节点的信息。
[0033]
时间同步网络的作用是为了在相同的时间基础上，合理安排发射方的发射参数，
比如相同时间内如果有多个发射方要工作，必须安排在不同的频率；或者多个发射方必须在不同的时间发送，以此避免无线通信之间的冲突，提高信道利用率；
[0034]
2)打开网关，之后网关定期发布同步信息，其它节点逐个加入网络；其中同步信息包括当前时隙的编号，网关自身的流量信息i
gateway
(即繁忙程度)，网关同步信息的发布周期t
gateway
；
[0035]
整个自组织网络的无线工作频率为f
work
，但是流量信息需要在不同的频率上发布，以防止不同的节点在相同的时间同时发布流量信息。所以网关会在所有可用的频率资源内选择一个频点，并在周期t
gateway
到期时在当前时隙的后半部分(或者统一的指定时间隙的某个位置)发送流量信息。
[0036]
如图3所示，网关启动后，先确定时隙的长度，流量信息、发布周期以及频率，确定后网关开始工作，每次发布周期到期时，网关在当前时隙的指定位置发送流量信息，其中发布周期t
gateway
必须小于流量信息发布周期最大值t
max
，频率f
gateway
从频率资源池中选择，流量信息至少包括在最近周期内网关的繁忙程度。
[0037]
3)其它节点在网关开始工作后，挨个开启；节点开启后，在所有可用的频率资源内选择一个频点作为开始，在每个频点上侦听一段时间，时间长度以预先定义的流量信息发布最大周期为上限。比如所有节点选择的流量信息发布周期最大为t
max
，那么侦听的最长时间为t
max
。注意，每个节点选定的发布周期可以小于t
max
。当所有的频率资源都被选择侦听后，节点可以收集到所有可用邻居的流量信息。根据流量信息中所携带的内容，节点选择某一个邻居节点作为自己接入网络的接入点。因为流量信息的发送是严格遵守指定规则的，比如必须是在当前时间隙的中间位置发送，或者其它可以和时间相互关联的规则。当前节点可以利用这个规则完成和该接入点的同步，并向该接入点发送入网请求。接入点接收到请求后，将请求转发到网关，经过网关同意，再将确认回复返回给请求节点，请求节点完成入网过程。
[0038]
这里节点需要遵循两个规则：
[0039]
一是每个节点尽可能选择和邻居节点不同的无线电频率发送；另一个是每个节点尽可能选择和邻居节点不同的发送时间。因此在每个节点进行初始化完成，加入网络前，需要确定自身的发送频率和时间是和邻居节点不同的。
[0040]
当流量信息被成功接收到后，每个节点根据既定的策略决定在之后的周期内是否选用某个邻居节点作为自己到达目的地的转发节点。这个策略将使用阈值来判定，阈值的确定要根据应用的需求而定。比如当节点的忙碌程度达到50％以上，其它节点就要选择不同的节点作为转发节点，直到流量信息显示当前节点的忙碌程度低于50％。考虑的因素要综合应用的延迟，紧急程度，丢包率等各种因素。
[0041]
4)请求节点完成入网后，从收集到的所有可用邻居节点信息中选择出与其它节点不同的频率或周期，并将其作为请求节点的流量信息发布规则固定下来；
[0042]
比如周围节点使用了周期t1，t2作为发送周期，那么当前节点可以选择t3作为周期，只要确保t3小于流量信息发布周期最大值t
max
。或者其它节点选择周期t1，频率f1为流量信息发送的条件，当前节点可以选择周期t1，频率f2作为自己的流量信息发送条件。还有一个条件需要满足的是，当前节点必须选择和自己接入网络时候通过的接入点不同的发送周期，因为当前节点必须在接入点发送流量信息的时候转到该接入点指定的频率上去接收，
以确保周期性的同步信号校准。
[0043]
5)节点开始工作状态后，根据收集到的邻居节点信息，周期性更新邻居节点的流量信息，同时更新自身的路由表选项。如果有必要，可以随时调整转发节点的选择。比如某个邻居节点的流量信息表示节点比较繁忙，即i>threshold，当前节点如果在最近的周期内有消息需要发送(转发)，则尽可能不选择繁忙的节点。当前节点在入网时候确定的周期和频率上定期发布自身的流量情况，包括自身的繁忙程度等信息。
[0044]
其中，每个邻居节点周期性统计关于本节点的通信数据，可以包括：
[0045]
(1)在上一个周期内发送(包括转发)的数据的成功率，成功率可以用通信中选择的转发节点的返回的确认帧的数量来标记；
[0046]
(2)本节点已经缓存的需要发送的数据数量，该数据表示本节点在下一个周期内可能的繁忙程度；
[0047]
(3)以及其它可以用来标记当前节点流量情况的信息。
[0048]
这些信息汇集在一起，由节点在系统指定的时间和频率广播给邻居节点，由邻居节点自己判断是否适合与之通信。
[0049]
上述步骤3)到步骤5)的具体工作流程如图4所示：
[0050]
节点启动后，首先重置各参数，准备入网。首先检查是否所有的频率都侦听过，如果没有，选出一个没有使用过的频率，在该频率上侦听流量信息发布周期最大值t
max
，并记录下侦听到的邻居节点的流量信息；如果频率已经全都侦听过，则检查是否收集到邻居节点信息；如果没有，重新开始侦听过程。如果已经收集到邻居节点信息，则从收集到的信息中选取一个节点作为接入节点。根据流量信息接收到的时间，和该接入节点进行同步。完成同步后，向该接入节点发送入网请求，由接入节点转发给网关(如果当前请求节点和网关距离靠近，接入节点可能就是网关)，网关完成对入网请求的处理后，将入网回复发送给请求节点，请求节点完成入网过程。
[0051]
请求节点对所有收集到的邻居节点信息进行分析，选择出不重复的发布周期和频率的组合，发布周期必须小于流量信息发布周期最大值t
max
，频率从频率资源池中选取，选出的发布周期不能和接入节点的发布周期相同。
[0052]
之后节点开始正常工作，如果节点的发布周期t
node
到期，节点在时隙的指定位置发送最近周期内统计的流量信息。如果接入节点的发布周期t
parent
到期，当前接线在时隙的指定位置转到接入节点的发布频率接收其流量信息，并做同步校准。如果有其它邻居节点的发布周期到期，转到邻居节点的发布频率接收流量信息。如果邻居节点的流量信息显示其忙碌程度超过指定的阈值threshold，当前节点需要更新本地的路由选项。如果没有节点的周期到期，结束当前时隙的工作，等待下一个周期。
[0053]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。