基于時間同步和頻率同步的無線自組織網絡管理方法技術

本發明專利技術涉及無線自組織網絡技術領域，尤其涉及基于時間同步和頻率同步的無線自組織網絡管理方法，包括步驟，首先形成樹形拓撲結構，然后根節點在頻率F1發出第一個時隙即組播發送時隙。直接關聯到根節點的節點同時在頻率F1進入組播接收時隙，以接收根節點信息；組播時隙結束后，根節點進入單播時隙。與根節點直接關聯的節點中，若是終端節點，則進入單播時隙。若是父節點，即路由節點，轉到頻率F2進入組播發送時隙，發送組播信息。最后樹形拓撲結構中的每一層節點執行同步過程，直到距離根節點最遠的節點完成單播時隙，一次循環結束。本發明專利技術在三個時隙里以跳頻通信的方式避開和附近節點的沖突，提高了通信的成功率。

Management Method of Wireless Self-Organizing Network Based on Time Synchronization and Frequency Synchronization

【技術實現步驟摘要】
基于時間同步和頻率同步的無線自組織網絡管理方法
本專利技術涉及無線自組織網絡
，尤其涉及基于時間同步和頻率同步的無線自組織網絡管理方法，可以對節點之間的通信過程進行控制和管理。
技術介紹
基于無線自組織網絡的應用越來越廣泛，比如智能家居應用，智能農業，環境監測，智能燈光控制等，可以讓每一個終端設備都處于可監測和可控制狀態是使用無線自組織網絡的重要目的之一。以智能家居為例，一個家庭可能有數十個或者更多的設備需要被控制，比如冰箱，洗衣機，暖氣閥門，臺燈，窗簾，熱水器等等。為了讓一套適用于智能家居的算法或者策略能夠自動完成各項調節工作，必須為算法和設備之間提供一個基于物理連接的接口。當室內溫度過高時，算法需要打開通風設備來散熱，當室內過于干燥時，算法需要打開加濕設備來調節空氣濕度等等。最簡單的實現控制的方式是建立從終端設備到服務器的有線連接。算法可以運行在服務器上，當需要操作設備時，通過有線連接發送控制信號。可是當越來越多的設備接入智能家居環境時候，有兩個問題需要考慮，一是設備越多，線纜連接越復雜。二是設備可能處在任何位置，而過長的線纜可能導致信號衰減到有效范圍以下，或者有時候因為建筑物結構的問題無法鋪線。這兩種情況在很多場合都會遇到。因此，使用無線自組織網絡來解決問題是一個合適的方案。圖11簡要展示了無線自組織網絡的基本結構，路由節點作為網絡的骨干部分連通著分布在不同位置的網絡設備。路由節點可以是固定安裝，也可以是由網絡協議計算選擇產生。如果網絡在安裝后很少改變設備位置，路由節點可以和主電源相連，工作過程中不采取休眠模式，確保隨時可以收取數據并執行轉發任務。終端設備通常指需要被監測或者控制的設備，比如智能家居中的臺燈，或者溫度傳感器。終端設備不直接參與路由過程，因為很多情況下終端設備的無線電收發機是用電池供電的，所以設備在大多數時候處于休眠狀態以節省電能。當有應用需求的時候，設備會被喚醒完成預定任務，然后將任務結果交給路由設備傳遞到目的地。網關設備通常也是一個路由設備，同時具備在自組織網絡內轉發數據和連通自組織網絡和外網的能力。通過使用無線自組織網絡，系統允許分布在不同位置的設備連入網絡。當設備間的物理距離超過無線收發機點對點通信距離時，通過增加路由節點的方法，可以低成本地實現快速擴展。由于使用無線通信，可以不受設備本身物理接口數量的限制，在不超出無線通信處理能力的前提下可以任意增減連接設備的數量。雖然無線通信在使用中有明顯的優勢，但還是有很多問題。由于不使用線纜連接，節點之間的通信只能依靠無線的方式來實現，其抗干擾的能力不及有線系統。無線自組織網絡的分布式結構，使得網絡內沒有某一個節點可以成為中心控制器來安排其他所有節點通信順序，也就很難實現全局的流量控制。無線自組織網絡在應用中遇到的問題可以總結如下：1、因為無線通信的過程發生在空中，沒有辦法對物理信號進行保護，所以很容易發生信號間的干擾和沖突。2、每個節點只和自己的鄰居節點進行通信，當節點之間的距離超過無線收發機的直接通信距離時，就必須依賴中間節點進行轉發。這個方式雖然擴展了網絡覆蓋范圍，但使得網絡中無法產生一個中心控制點可以直接聯系到所有其它節點。所以，在網絡中發生的各種通信從總體上來看處于隨機狀態，進一步增加了干擾/沖突的幾率，導致通信失敗。3、可靠的廣播/組播通信。這個問題在有線網絡中相對簡單，因為設備和設備間是通過線纜連接，一個設備在某個端口上發送數據，必然被這個端口另一端連接的設備接收到。而在無線網絡中，發送廣播的節點很難完全掌握附近所有鄰居的信息，而又因為廣播/組播通信通常不要求接收方發送回執以確認接收，所以發送方無法確認消息是否成功發送。4、在無線自組織網絡中使用廣播/組播還有一個問題，即轉發節點的確定。如果每個節點都參與到轉發過程中，會形成網絡風暴。但如果參與轉發的節點覆蓋面不足以達到全部網絡，轉發就會變得無效或者部分無效。
技術實現思路
本專利技術針對無線自組網絡在使用中的問題，提供了一種基于時間同步和頻率同步的無線自組織網絡管理方法，避免了信號之間的干擾，提高了通信的可靠性。為了實現本專利技術的目的，所采用的技術方案是：基于時間同步和頻率同步的無線自組織網絡管理方法，包括以根節點開始的全網組播過程和以非根節點開始的全網組播過程，根節點、終端節點和路由節點形成樹形拓撲結構，上層被關聯的節點稱為父節點，下層關聯的節點稱為子節點；以根節點開始的全網組播過程包括如下步驟：1)根節點在頻率F1上進入組播發送時隙，直接關聯到根節點的子節點同步在頻率F1上進入組播接收時隙，以接收根節點發送的信息；2)根節點結束組播發送時隙，進入單播時隙，與根節點直接關聯的子節點中，若是終端節點，則進入單播時隙，若是路由節點，則該節點在頻率F1上的組播接收時隙結束后，轉到頻率F2上進入組播發送時隙進行組播消息的發送，和該路由節點關聯的子節點同步轉到頻率F2進入組播接收時隙接收組播信息，該路由節點完成組播發送時隙后，進入單播時隙，在拓撲結構上如果和該路由節點處在相同層的路由節點有多個，則每個路由節點進行組播發送的頻率F2是有差異的；3)樹形拓撲結構中的每一層節點執行步驟2)中的同步過程，直到距離根節點最遠的節點完成單播時隙，一次循環結束；以非根節點開始的全網組播過程包括如下步驟：A、非根節點為終端節點時，終端節點在單播時隙將組播消息發送給關聯的路由節點，即該終端節點的父節點，路由節點在組播發送時隙將組播消息向下行方向組播，如果該路由節點有父節點，則該路由節點在單播時隙將組播消息發送到父節點，由父節點繼續在組播發送時隙向下行方向組播，并且在其單播時隙向上一級父節點發送組播消息，該過程持續進行，直到最上一級父節點，即根節點收到消息，并完成向與其關聯的其它路由節點和終端節點發送組播消息的過程；B、非根節點為路由節點時，該路由節點既要在單播時隙向其父路由節點發送組播消息，也要在組播發送時隙開始下行組播，在單播時隙收到組播消息的父節點既要向下行發現組播，也要在單播時隙向自己的父節點發送組播消息，直到到達根節點，并由根節點完成與其關聯的其它路由節點和終端節點發送組播消息的過程。作為本專利技術的優化方案，頻率F2的值由節點的地址或者本節點所處拓撲結構的層次確定。作為本專利技術的優化方案，基于時間同步和頻率同步的無線自組織網絡管理方法還包括在單播時隙的通信方法，包括如下步驟：a、所有節點在單播時隙內在頻率F3上偵聽，通信發起方在頻率F3上發送包含通信目的節點地址和通信頻率F4的數據請求，然后通信發起方跳轉到通信頻率F4上保持接收狀態，通信頻率F4由通信發起方在發送數據請求前按隨機或者指定方式產生，即每次產生數據請求時，F4是有區別的；b、通信目的節點如果成功接收到數據請求，并且判斷在單播時隙剩余的時間可以完成通信，則跳轉到通信頻率F4上，然后發出讓通信發起方發送數據的提示，通信發起方收到提示后，通信發起方開始發送數據；c、通信發起方發送數據結束后，如果通信發起方不要求確認，則通信結束，通信發起方返回到頻率F3上；如果通信發起方要求接收確認，則等待一段時間，確認收到，通信成功，如果沒有收到確認，通信失敗，無論是否成功，通信發起方返回頻率F3上；返回后，如果通信失敗，通信發起方在頻率F3本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.基于時間同步和頻率同步的無線自組織網絡管理方法，其特征在于：包括以根節點開始的全網組播過程和以非根節點開始的全網組播過程，根節點、終端節點和路由節點形成樹形拓撲結構，上層被關聯的節點稱為父節點，下層關聯的節點稱為子節點；以根節點開始的全網組播過程包括如下步驟：1)根節點在頻率F1上進入組播發送時隙，直接關聯到根節點的子節點同步在頻率F1上進入組播接收時隙，以接收根節點發送的信息；2)根節點結束組播發送時隙，進入單播時隙，與根節點直接關聯的子節點中，若是終端節點，則進入單播時隙，若是路由節點，則該節點在頻率F1上的組播接收時隙結束后，轉到頻率F2上進入組播發送時隙進行組播消息的發送，和該路由節點關聯的子節點同步轉到頻率F2進入組播接收時隙接收組播信息，該路由節點完成組播發送時隙后，進入單播時隙，在拓撲結構上如果和該路由節點處在相同層的路由節點有多個，則每個路由節點進行組播發送的頻率F2是有差異的；3)樹形拓撲結構中的每一層節點執行步驟2)中的同步過程，直到距離根節點最遠的節點完成單播時隙，一次循環結束；以非根節點開始的全網組播過程包括如下步驟：A、非根節點為終端節點時，終端節點在單播時隙將組播消息發送給關聯的路由節點，即該終端節點的父節點，路由節點在組播發送時隙將組播消息向下行方向組播，如果該路由節點有父節點，則該路由節點在單播時隙將組播消息發送到父節點，由父節點繼續在組播發送時隙向下行方向組播，并且在其單播時隙向上一級父節點發送組播消息，該過程持續進行，直到最上一級父節點，即根節點收到消息，并完成向與其關聯的其它路由節點和終端節點發送組播消息的過程；B、非根節點為路由節點時，該路由節點既要在單播時隙向其父路由節點發送組播消息，也要在組播發送時隙開始下行組播，在單播時隙收到組播消息的父節點既要向下行發現組播，也要在單播時隙向自己的父節點發送組播消息，直到到達根節點，并由根節點完成與其關聯的其它路由節點和終端節點發送組播消息的過程。...

【技術特征摘要】
1.基于時間同步和頻率同步的無線自組織網絡管理方法，其特征在于：包括以根節點開始的全網組播過程和以非根節點開始的全網組播過程，根節點、終端節點和路由節點形成樹形拓撲結構，上層被關聯的節點稱為父節點，下層關聯的節點稱為子節點；以根節點開始的全網組播過程包括如下步驟：1)根節點在頻率F1上進入組播發送時隙，直接關聯到根節點的子節點同步在頻率F1上進入組播接收時隙，以接收根節點發送的信息；2)根節點結束組播發送時隙，進入單播時隙，與根節點直接關聯的子節點中，若是終端節點，則進入單播時隙，若是路由節點，則該節點在頻率F1上的組播接收時隙結束后，轉到頻率F2上進入組播發送時隙進行組播消息的發送，和該路由節點關聯的子節點同步轉到頻率F2進入組播接收時隙接收組播信息，該路由節點完成組播發送時隙后，進入單播時隙，在拓撲結構上如果和該路由節點處在相同層的路由節點有多個，則每個路由節點進行組播發送的頻率F2是有差異的；3)樹形拓撲結構中的每一層節點執行步驟2)中的同步過程，直到距離根節點最遠的節點完成單播時隙，一次循環結束；以非根節點開始的全網組播過程包括如下步驟：A、非根節點為終端節點時，終端節點在單播時隙將組播消息發送給關聯的路由節點，即該終端節點的父節點，路由節點在組播發送時隙將組播消息向下行方向組播，如果該路由節點有父節點，則該路由節點在單播時隙將組播消息發送到父節點，由父節點繼續在組播發送時隙向下行方向組播，并且在其單播時隙向上一級父節點發送組播消息，該過程持續進行，直到最上一級父節點，即根節點收到消息，并完成向與其關聯的其它路由節點和終端節點發送組播消息的過程；B、非根節點為路由節點時，該路由節點既要在單播時隙向其父路由節點發送組播消息，也要在組播發送時隙開始下行組播，在單播時隙收到組播消息的父節點既要向下行發現組播，也要在單播時隙向自己的父節點發送組播消息，直到到達根節點，并由根節點完成與其關聯的其它路由節點和終端節點發送組播消息的過程。2.根據權利要求1所述的基于時間同步和頻率同步的無線自組織網絡管理...

【專利技術屬性】
技術研發人員：姚方，施鐘鳴，
申請(專利權)人：無錫士康通訊技術有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32