一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法，在組網(wǎng)過程中包括以下步驟：在超幀中部增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)廣播時(shí)隙，使單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)關(guān)發(fā)送廣播報(bào)文的數(shù)量增加；待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收該廣播報(bào)文添加為候選鄰居；選定同步點(diǎn)，進(jìn)行時(shí)間同步；采用沖突檢測進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，找出雙向鄰居節(jié)點(diǎn)；待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)從鄰居表中選出排列在最前面的雙向鄰居節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn)，向其發(fā)送加入請求報(bào)文，代理節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該請求報(bào)文到網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)收到加入請求報(bào)文后為待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)資源，并以無線報(bào)文的形式下發(fā)到節(jié)點(diǎn)；所有資源分配報(bào)文都發(fā)送完畢，組網(wǎng)過程結(jié)束；本發(fā)明大幅度的縮短了組網(wǎng)時(shí)間，提高了加入時(shí)隙資源的使用效率，使網(wǎng)絡(luò)資源分配更加合理。
【專利說明】—種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)，具體地說明了一種對WIA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程進(jìn)行優(yōu)化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技術(shù)是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所推出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠、超低功耗的智能多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)提供一種自組織、自治愈的智能Mesh網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，能夠針對應(yīng)用條件和環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，保持網(wǎng)絡(luò)性能的高可靠性和強(qiáng)穩(wěn)定性。
[0003]WIA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)組建過程，即所有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，具備數(shù)據(jù)傳輸能力和路由中轉(zhuǎn)能力的過程。單個(gè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的主要流程為:節(jié)點(diǎn)加電，軟件系統(tǒng)啟動(dòng)；完成初始化后，無線節(jié)點(diǎn)的射頻模塊連續(xù)接收一個(gè)超幀的廣播報(bào)文，超幀是一定數(shù)量時(shí)間單位(即時(shí)隙)的集合，例如256超幀，就是256個(gè)時(shí)隙的集合，每個(gè)超幀都是256個(gè)時(shí)隙的循環(huán)。廣播報(bào)文是無線設(shè)備發(fā)送的包含發(fā)送方地址和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間信息的報(bào)文，節(jié)點(diǎn)收到廣播報(bào)文后，提取出其中包含的地址，即添加為候選鄰居；由于所有在網(wǎng)設(shè)備都需要統(tǒng)一時(shí)間才能工作，需要在候選鄰居中，選定同步點(diǎn)，進(jìn)行時(shí)間同步:即連續(xù)定向收取同步節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播報(bào)文，提取其中的時(shí)間信息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間對應(yīng)關(guān)系，得到網(wǎng)絡(luò)時(shí)間；這樣入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步時(shí)間較長；進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn):發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文給各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，如果收到鄰居節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)報(bào)文，即可確認(rèn)雙向鄰居；這樣網(wǎng)絡(luò)加入時(shí)隙空閑的時(shí)候還要進(jìn)行多個(gè)超幀的等待，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)的加入資源，延長網(wǎng)絡(luò)的組建時(shí)間；從鄰居表中選出排列在最前面的雙向鄰居節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn)，向其發(fā)送加入請求報(bào)文，代理節(jié)點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)該請求報(bào)文到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到節(jié)點(diǎn)的加入請求報(bào)文會(huì)為其分配網(wǎng)絡(luò)資源并以無線報(bào)文的形式下發(fā)到節(jié)點(diǎn)；現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源分配存在分配時(shí)間長，網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性低的問題；所有資源分配報(bào)文都發(fā)送完畢，即可加入完成；這里的一個(gè)資源報(bào)文只包括一個(gè)類型的報(bào)文，報(bào)文數(shù)量多，交互過程長；節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程如圖1所示。以上過程中，存在交互過程冗余，交互報(bào)文數(shù)量較多，并存在非必要的隨機(jī)等待時(shí)間等問題，導(dǎo)致整個(gè)加入過程時(shí)間較長。有待優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了提高WIA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)組建速度，縮短網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的時(shí)間，合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，并提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，本發(fā)明提出一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法，從單點(diǎn)及全網(wǎng)資源的角度考慮，對單點(diǎn)入網(wǎng)流程進(jìn)行優(yōu)化，對網(wǎng)絡(luò)資源分配進(jìn)行優(yōu)化，提高單點(diǎn)的入網(wǎng)速度及全網(wǎng)的組建速度，并增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案包括以下內(nèi)容:
[0006]一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法，在組網(wǎng)過程中包括以下步驟:在超幀中部增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)廣播時(shí)隙，使單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)關(guān)發(fā)送廣播報(bào)文的數(shù)量增加；待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收該廣播報(bào)文并提取出其中的地址，即添加為候選鄰居；待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選定同步點(diǎn)，進(jìn)行時(shí)間同步；待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文時(shí)，采用沖突檢測進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，找出雙向鄰居節(jié)點(diǎn)；待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)從鄰居表中選出排列在最前面的雙向鄰居節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn)，向其發(fā)送加入請求報(bào)文，代理節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該請求報(bào)文到網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)收到加入請求報(bào)文后為待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)資源，并以無線報(bào)文的形式下發(fā)到節(jié)點(diǎn)；所有資源分配報(bào)文都發(fā)送完畢，組網(wǎng)過程結(jié)束。
[0007]所述待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選定同步點(diǎn)，進(jìn)行時(shí)間同步包括以下步驟:
[0008]待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收廣播報(bào)文I，保存本地收取時(shí)間XI和報(bào)文中的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間yI ;
[0009]接收收廣播報(bào)文2，保存本地收取時(shí)間x2和報(bào)文中的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間y2 ；
[0010]本地時(shí)間X與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間y之間的關(guān)系為y=ax+b,帶入已保存的兩組時(shí)間，求解出參數(shù)a和b ;
[0011]根據(jù)計(jì)算得到的a和b，利用公式換算本地時(shí)間為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，完成時(shí)間同步。
[0012]所述待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文時(shí)，采用沖突檢測進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)包括以下步驟:
[0013]待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的射頻模塊地址計(jì)算crc，得出時(shí)隙內(nèi)退避時(shí)間；
[0014]待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙內(nèi)退避時(shí)間時(shí)刻發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文給候選鄰居；判斷報(bào)文發(fā)送是否成功；
[0015]如果是，收取候選鄰居的響應(yīng)報(bào)文；如果為否，則等待該候選鄰居的下一個(gè)可發(fā)送的時(shí)隙，并返回待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙內(nèi)退避時(shí)間時(shí)刻發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文給候選鄰居步驟；
[0016]待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收取候選鄰居的響應(yīng)報(bào)文；判斷是否收到響應(yīng)；
[0017]如果是，確認(rèn)雙向鄰居；如果為否，則等待下一個(gè)候選鄰居的可發(fā)送時(shí)隙，并返回待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙內(nèi)退避時(shí)間時(shí)刻發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文給候選鄰居步驟。
[0018]所述網(wǎng)絡(luò)資源的分配方法為:
[0019]4-1)網(wǎng)關(guān)的下行管理中:代理節(jié)點(diǎn)對加入節(jié)點(diǎn)的加入發(fā)時(shí)隙滯后網(wǎng)關(guān)對代理節(jié)點(diǎn)的下行管理時(shí)隙若干時(shí)隙；
[0020]網(wǎng)關(guān)的上行管理中:代理節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)關(guān)的上行管理時(shí)隙相對于加入節(jié)點(diǎn)對代理節(jié)點(diǎn)的加入收時(shí)隙滯后若干時(shí)隙。
[0021]4-2)數(shù)據(jù)時(shí)隙分布:中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)關(guān)的第2跳數(shù)據(jù)時(shí)隙相對于終端節(jié)點(diǎn)對中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的第I跳數(shù)據(jù)時(shí)隙滯后若干時(shí)隙。
[0022]所述若干時(shí)隙為至少3個(gè)時(shí)隙。
[0023]所述資源分配報(bào)文為不同類型的報(bào)文首尾連接合并成的一個(gè)報(bào)文。
[0024]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn):
[0025]1.本發(fā)明提出的對WIA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法，是在深入分析網(wǎng)絡(luò)組建過程的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)的前提下提出的，相對于原有組網(wǎng)過程，大幅度的縮短了組網(wǎng)時(shí)間，提高了加入時(shí)隙資源的使用效率，使網(wǎng)絡(luò)資源分配更加合理，
[0026]2.對節(jié)點(diǎn)上電后同步過程的優(yōu)化，在多數(shù)節(jié)點(diǎn)選擇網(wǎng)關(guān)作為同步源的情況下，可以縮短節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)間，由原來需要I至2個(gè)超幀長度，縮短至0.5至I個(gè)超幀長度，進(jìn)而減少節(jié)點(diǎn)整體入網(wǎng)時(shí)間；
[0027]3.對同步完成后退避機(jī)制的優(yōu)化，可以充分利用網(wǎng)絡(luò)的加入資源，減少?zèng)]有必要的等待時(shí)間。在單點(diǎn)入網(wǎng)的情況下，等待時(shí)間可由原來的O至6個(gè)超幀的隨機(jī)退避，減少至
無需等待；[0028]4.對網(wǎng)關(guān)資源分配合理性的優(yōu)化，可以減少數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)难訒r(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性；可以使加入節(jié)點(diǎn)、代理節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)在I個(gè)超幀內(nèi)完成一次加入過程報(bào)文的交互，優(yōu)化前需要I至3個(gè)超幀的時(shí)間；
[0029]5.對網(wǎng)關(guān)發(fā)送分配資源報(bào)文的整合優(yōu)化，可以減少資源分配過程的報(bào)文交互次數(shù)，由原來的平均4次交互減少至平均2次交互即可完成節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的無線節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程圖；
[0031]圖2為節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步方法流程圖；
[0032]圖3為優(yōu)化后的鄰居發(fā)現(xiàn)退避時(shí)間優(yōu)化方法流程圖；
[0033]圖4為優(yōu)化后的加入和管理時(shí)隙分布示意圖；
[0034]圖5為優(yōu)化后的數(shù)據(jù)時(shí)隙分布示意圖；
[0035]圖6為優(yōu)化前后的資源報(bào)文格式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0037]本發(fā)明中涉及到的概念如下:
[0038]I)時(shí)間同步:由于WIA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)使用的是時(shí)分復(fù)用通信模式，全網(wǎng)所有設(shè)備都要按照同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間進(jìn)行時(shí)隙操作。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間為網(wǎng)關(guān)的廣播報(bào)文中攜帶的絕對時(shí)間。節(jié)點(diǎn)通過連續(xù)收到的來自同步時(shí)間源的若干個(gè)廣播報(bào)文，解析出其中絕對網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，并使用FTSP同步算法完成時(shí)間同步。
[0039]2)CCA沖突檢測:射頻模塊發(fā)送無線報(bào)文時(shí)，首先檢測是否存在其他節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送報(bào)文，如果已經(jīng)有節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送報(bào)文的過程中，CCA檢測會(huì)反饋沖突。根據(jù)沖突的情況，使用退避機(jī)制進(jìn)行發(fā)送等待。
[0040]3)時(shí)隙:WIA網(wǎng)絡(luò)中的基本時(shí)間資源，單信道情況下，每個(gè)時(shí)隙內(nèi)只完成一個(gè)設(shè)備的廣播發(fā)送任務(wù)，或者一對設(shè)備之間的報(bào)文收發(fā)任務(wù)。
[0041]4)超幀:是一組循環(huán)出現(xiàn)的時(shí)隙集合，時(shí)隙的數(shù)目決定了超幀循環(huán)的速度。
[0042]5) Link:是描述網(wǎng)絡(luò)中某一條路徑上相鄰兩個(gè)設(shè)備之間的通信必要參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括發(fā)送方地址，接收方地址，收發(fā)使用的時(shí)隙和信道，所屬路徑的路徑號。
[0043]本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0044]A.同步時(shí)間優(yōu)化:增加單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)關(guān)發(fā)送廣播報(bào)文的數(shù)量，縮短入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步時(shí)間；提高網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)速度。
[0045]B.退避時(shí)間優(yōu)化:增加沖突檢測機(jī)制，縮短鄰居發(fā)現(xiàn)的等待時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò)加入資源的利用率；
[0046]C.時(shí)隙資源分配的合理性優(yōu)化:增加資源分配報(bào)文的長度，同時(shí)整合不同類型的資源放在同一個(gè)報(bào)文發(fā)送。提高各種時(shí)隙資源的分配合理性，更好的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，縮短節(jié)點(diǎn)作為代理節(jié)點(diǎn)時(shí)對其代理的加入相關(guān)報(bào)文的傳輸時(shí)間；
[0047]D.資源分配報(bào)文的優(yōu)化:整合網(wǎng)關(guān)為節(jié)點(diǎn)分配的各種資源；
[0048]本發(fā)明面向WIA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)組建的各個(gè)過程進(jìn)行分析及優(yōu)化，提高組網(wǎng)速度及網(wǎng)絡(luò)資源分配的合理性。本發(fā)明所述工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件由無線網(wǎng)關(guān)、無線節(jié)點(diǎn)等設(shè)備構(gòu)成。
[0049]本優(yōu)化方法主要針對的關(guān)鍵過程為:
[0050]節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步過程:待加入節(jié)點(diǎn)連續(xù)監(jiān)聽時(shí)間源的廣播信息。當(dāng)收到廣播信息后，獲取廣播中的時(shí)間戳和時(shí)間偏差，保存到表格中。當(dāng)表格中的時(shí)間戳達(dá)到2個(gè)以上，就可以進(jìn)行時(shí)間同步的計(jì)算，擬合出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的偏差，得出本地時(shí)間到網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的線性換算，達(dá)到時(shí)間同步的目的。當(dāng)本地時(shí)間同網(wǎng)絡(luò)時(shí)間達(dá)到同步之后，還要進(jìn)行時(shí)隙同步，通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)隙起始時(shí)間，同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)全局時(shí)間，計(jì)算當(dāng)前所在時(shí)隙的時(shí)隙編號以及當(dāng)前時(shí)隙的起始時(shí)間，并周期性的開始時(shí)隙定時(shí)。時(shí)間同步過程如圖2所示。
[0051]節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避過程:節(jié)點(diǎn)完成同步后，到發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文前，為了避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)使用同一個(gè)加入時(shí)隙資源，造成沖突，在這兩個(gè)關(guān)鍵過程之間增加的隨機(jī)時(shí)間長度的等待過程。對節(jié)點(diǎn)長地址計(jì)算CRC，根據(jù)CRC數(shù)值確定時(shí)隙內(nèi)隨機(jī)退避的時(shí)間，降低多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)報(bào)文弓I起沖突的可能性。
[0052]網(wǎng)關(guān)資源分配過程:在節(jié)點(diǎn)完成時(shí)間同步和鄰居發(fā)現(xiàn)后，就會(huì)通過選定的代理節(jié)點(diǎn)的加入時(shí)隙資源，給網(wǎng)關(guān)發(fā)送加入請求，網(wǎng)關(guān)會(huì)為其分配空閑的網(wǎng)絡(luò)資源，包括用于傳遞網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理報(bào)文的上下行管理時(shí)隙，用于傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文的數(shù)據(jù)時(shí)隙，用于發(fā)送廣播報(bào)文的廣播時(shí)隙，用于轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)加入交互報(bào)文的加入收發(fā)時(shí)隙。節(jié)點(diǎn)獲得各種網(wǎng)絡(luò)資源后，才能正常在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行無線通信。用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙盡量保證均勻分布于整個(gè)超幀；用于資源傳遞、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的管理時(shí)隙和負(fù)責(zé)其他節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的加入時(shí)隙的相對位置要有利于報(bào)文的最快傳遞。下行管理和上行管理相對分布于超幀的兩端，加入發(fā)和加入收相對分布于管理時(shí)隙內(nèi)側(cè)靠近超幀中部的位置。
[0053]網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)寫資源的過程:網(wǎng)關(guān)為待加入節(jié)點(diǎn)分配好可用的網(wǎng)絡(luò)資源后，要按照一定的格式將這些資源放入寫資源報(bào)文中，然后經(jīng)由代理節(jié)點(diǎn)，發(fā)送到待加入節(jié)點(diǎn)，待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)關(guān)寫資源報(bào)文需要給網(wǎng)關(guān)端到端應(yīng)答，以確認(rèn)收到了該報(bào)文，網(wǎng)關(guān)繼續(xù)發(fā)送下一條寫資源報(bào)文，直至全部資源都成功下發(fā)到請求入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)。
[0054]以下為優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)方式和工作模式:
[0055]在分析了節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵流程后，根據(jù)各流程的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。時(shí)間同步過程的關(guān)鍵步驟就是收取來自同步源的廣播，達(dá)到一定數(shù)量后，即可使用時(shí)間同步算法完成同步，那么增加單位時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)能收到的廣播報(bào)文數(shù)量，可以縮短同步時(shí)間。由于網(wǎng)關(guān)的時(shí)間是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的基準(zhǔn)，所以只要節(jié)點(diǎn)能聽到網(wǎng)關(guān)的廣播，都會(huì)選擇網(wǎng)關(guān)作為時(shí)間源，所以網(wǎng)關(guān)作為同步源的情況最多。因此在網(wǎng)絡(luò)組建期間，在超幀中部增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)廣播時(shí)隙，可以縮短以網(wǎng)關(guān)為同步源的節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)間，從而加快節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)速度。
[0056]退避過程的關(guān)鍵考慮因素是既能減少多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)給某一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文的情況，又能保證網(wǎng)絡(luò)加入資源不會(huì)空閑。因此采用沖突檢測機(jī)制進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文的發(fā)送，保證有加入時(shí)隙資源空閑的情況下，節(jié)點(diǎn)不會(huì)等待，而是立即占用該資源進(jìn)行加入流程，其他節(jié)點(diǎn)檢測到該加入資源已經(jīng)被使用，則進(jìn)行退避等待。直到該資源釋放，等待該資源的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)使用此資源，保證組網(wǎng)過程中加入資源始終被使用。
[0057]資源分配過程的關(guān)鍵因素是資源分配是否合理，是否有利于數(shù)據(jù)報(bào)文的實(shí)時(shí)傳輸；是否有利于為其他節(jié)點(diǎn)做代理的時(shí)候，能最快速的傳遞交互報(bào)文。數(shù)據(jù)報(bào)文能否實(shí)時(shí)傳輸，取決于節(jié)點(diǎn)報(bào)文產(chǎn)生后能否最快的傳輸給網(wǎng)關(guān)，這就需要某一節(jié)點(diǎn)的某條路徑的多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙均勻的分布在整個(gè)超幀，數(shù)據(jù)報(bào)文能及時(shí)的傳遞出去，而不會(huì)造成報(bào)文的堆積。且同一條路徑相鄰節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙間隔3個(gè)時(shí)隙以上，保證節(jié)點(diǎn)收到上一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，本節(jié)點(diǎn)有足夠的時(shí)間處理完，又能在最短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。加入時(shí)隙的分配合理性，取決于該節(jié)點(diǎn)代理其他節(jié)點(diǎn)加入過程報(bào)文時(shí)，是否能以最短的時(shí)間進(jìn)行傳遞。代理節(jié)點(diǎn)與待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間使用自身加入時(shí)隙進(jìn)行通信，代理節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間使用自身的管理時(shí)隙進(jìn)行通信，因此上下行管理時(shí)隙和加入收發(fā)時(shí)隙的相對位置是否合理，會(huì)影響加入過程報(bào)文的傳遞時(shí)間。
[0058]寫資源過程的關(guān)鍵因素是能否通過對資源的整合，以最少的報(bào)文數(shù)量，最少的交互次數(shù)，傳遞所有分配到節(jié)點(diǎn)的資源。網(wǎng)關(guān)給待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)寫資源的過程，都有端到端應(yīng)答報(bào)文，減少一個(gè)報(bào)文，就能減少一對報(bào)文的交互時(shí)間?？梢詫Ψ峙涞母鞣N資源進(jìn)行合理的組合，整合不同類型的資源，放入同一個(gè)報(bào)文中發(fā)送，減少交互次數(shù)，縮短加入時(shí)間。
[0059]本發(fā)明的具體實(shí)施步驟:
[0060]1、節(jié)點(diǎn)同步過程優(yōu)化方法:
[0061]可以在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行初始的前30分鐘，給網(wǎng)關(guān)增加分配一個(gè)廣播時(shí)隙，該時(shí)隙位于整個(gè)超幀的中間，這樣可以均勻增加單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)關(guān)發(fā)布的廣播報(bào)文數(shù)量。以網(wǎng)關(guān)為時(shí)間源的待加入節(jié)點(diǎn)，可以在單位時(shí)間內(nèi)收到更多的包含網(wǎng)絡(luò)時(shí)間信息的廣播報(bào)文，縮短同步時(shí)間，由于該方法需要多占用一個(gè)時(shí)隙資源，可以在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后回收該時(shí)隙資源。
[0062]2、節(jié)點(diǎn)退避機(jī)制優(yōu)化方法:
[0063]節(jié)點(diǎn)在完成時(shí)間同步后，使用沖突檢測模式進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)過程，即發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文時(shí)，啟用射頻沖突檢測(即CCA沖突檢測)，這樣就可以避免在網(wǎng)絡(luò)加入時(shí)隙空閑的時(shí)候還要進(jìn)行多個(gè)超幀的退避等待，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)的加入資源，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建時(shí)間。但是僅僅啟用沖突檢測，在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送帶有沖突檢測的鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文時(shí)，各節(jié)點(diǎn)仍然無法檢測到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文，這樣仍然會(huì)引起沖突，導(dǎo)致多個(gè)節(jié)點(diǎn)都無法成功發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文。解決方法是在時(shí)隙內(nèi)部增加毫秒級的隨機(jī)退避，保證多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文有微小的時(shí)間差，以便后發(fā)送的節(jié)點(diǎn)能夠檢測到已經(jīng)有節(jié)點(diǎn)使用了該加入資源進(jìn)行報(bào)文發(fā)送，從而進(jìn)行退避。
[0064]通過這樣的優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)中的加入時(shí)隙資源將被最大限度的利用，從而大幅度的縮短無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)時(shí)間；優(yōu)化后的鄰居發(fā)現(xiàn)退避機(jī)制如圖3所示。
[0065]3、時(shí)隙資源分配優(yōu)化方法:
[0066]現(xiàn)有的時(shí)隙分配機(jī)制，會(huì)導(dǎo)致一跳代理節(jié)點(diǎn)的加入時(shí)隙和管理時(shí)隙的分布，對于加入過程的交互報(bào)文的傳輸時(shí)延有影響:例如256超巾貞情況下,某代理節(jié)點(diǎn)的5號時(shí)隙為加入發(fā)，6號時(shí)隙為下行管理，7號時(shí)隙為上行管理，133號時(shí)隙為加入收，這樣的時(shí)隙分布對于一個(gè)網(wǎng)關(guān)下發(fā)的資源分配報(bào)文的傳輸和應(yīng)答，需要涉及3個(gè)超幀才能完成:即第一個(gè)超幀的6號時(shí)隙，網(wǎng)關(guān)發(fā)寫資源報(bào)文到代理節(jié)點(diǎn)，第二個(gè)超幀的5號時(shí)隙，代理節(jié)點(diǎn)發(fā)寫資源報(bào)文到待加入節(jié)點(diǎn)，第二個(gè)超幀的133號時(shí)隙，待加入節(jié)點(diǎn)發(fā)應(yīng)答報(bào)文到代理節(jié)點(diǎn)，第三個(gè)超幀的7號時(shí)隙，代理節(jié)點(diǎn)發(fā)應(yīng)答報(bào)文到網(wǎng)關(guān)，完成一次交互。
[0067]可以優(yōu)化時(shí)隙分配使之在一個(gè)超幀內(nèi)完成；縮短資源分配的時(shí)間，加快節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程；管理和加入時(shí)隙的分配原則為:管理下和管理上相對分布在超幀的兩端附近，加入發(fā)和加入收相對分布在管理時(shí)隙的內(nèi)側(cè)靠近超幀中部的位置。優(yōu)化后的管理加入時(shí)隙分布如圖4所示。
[0068]數(shù)據(jù)時(shí)隙的分配原則為:根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)率，起始分配時(shí)隙均勻分布于超幀，而不是以上一次成功分配的最后一跳的時(shí)隙為下一次的分配起始位置。優(yōu)化后的數(shù)據(jù)時(shí)隙分布如圖5所示。
[0069]4、資源報(bào)文整合優(yōu)化方法:
[0070]在網(wǎng)關(guān)為節(jié)點(diǎn)分配了網(wǎng)絡(luò)資源后，要以資源報(bào)文的形式發(fā)送到待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，原有的資源分配報(bào)文分別為:寫短地址、廣播和加入時(shí)隙的報(bào)文、寫時(shí)隙報(bào)文、寫路徑號報(bào)文。其中，寫時(shí)隙報(bào)文又分為:管理時(shí)隙報(bào)文、數(shù)據(jù)時(shí)隙報(bào)文。因此原來的加入過程，最少需要4次網(wǎng)關(guān)到節(jié)點(diǎn)的報(bào)文交互，也就是需要至少4個(gè)超幀的時(shí)間才能完成網(wǎng)關(guān)分配好的資源發(fā)送到待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。
[0071]對于這一過程可以進(jìn)行如下優(yōu)化:在寫時(shí)隙資源的過程中，對不同類型的資源進(jìn)行整合，在同一個(gè)報(bào)文中發(fā)送，這樣修改可以減少寫資源報(bào)文的個(gè)數(shù)，減少交互過程。合并的方案為:第一個(gè)報(bào)文寫短地址、廣播和加入時(shí)隙的報(bào)文不變；第二個(gè)報(bào)文將寫時(shí)隙報(bào)文和寫路徑號報(bào)文合并，即將管理上、下行時(shí)隙、數(shù)據(jù)時(shí)隙以及路徑號等資源，全都合并到一個(gè)寫資源報(bào)文。經(jīng)過不同類型資源的整合，最少使用2個(gè)資源報(bào)文就可以完成網(wǎng)關(guān)對節(jié)點(diǎn)的寫資源操作。合并前后的寫時(shí)隙報(bào)文格式如圖6所示。
【權(quán)利要求】
1.一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法，其特征在于，在組網(wǎng)過程中包括以下步驟:在超幀中部增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)廣播時(shí)隙，使單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)關(guān)發(fā)送廣播報(bào)文的數(shù)量增加；待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收該廣播報(bào)文并提取出其中的地址，即添加為候選鄰居；待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選定同步點(diǎn)，進(jìn)行時(shí)間同步；待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文時(shí)，采用沖突檢測進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，找出雙向鄰居節(jié)點(diǎn)；待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)從鄰居表中選出排列在最前面的雙向鄰居節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn)，向其發(fā)送加入請求報(bào)文，代理節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該請求報(bào)文到網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)收到加入請求報(bào)文后為待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)資源，并以無線報(bào)文的形式下發(fā)到節(jié)點(diǎn)；所有資源分配報(bào)文都發(fā)送完畢，組網(wǎng)過程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法，其特征在于:所述待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選定同步點(diǎn)，進(jìn)行時(shí)間同步包括以下步驟: 待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收廣播報(bào)文1，保存本地收取時(shí)間xl和報(bào)文中的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間yl ； 接收收廣播報(bào)文2，保存本地收取時(shí)間x2和報(bào)文中的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間y2 ； 本地時(shí)間X與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間y之間的關(guān)系為y=ax+b，帶入已保存的兩組時(shí)間，求解出參數(shù)a和b ； 根據(jù)計(jì)算得到的a和b，利用公式換算本地時(shí)間為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，完成時(shí)間同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法，其特征在于:所述待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文時(shí)，采用沖突檢測進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)包括以下步驟: 待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的射頻模塊地址計(jì)算crc，得出時(shí)隙內(nèi)退避時(shí)間； 待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙內(nèi)退避時(shí)間時(shí)刻發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文給候選鄰居；判斷報(bào)文發(fā)送是否成功； 如果是，收取候選鄰居的響應(yīng)報(bào)文；如果為否，則等待該候選鄰居的下一個(gè)可發(fā)送的時(shí)隙，并返回待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙內(nèi)退避時(shí)間時(shí)刻發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文給候選鄰居步驟； 待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收取候選鄰居的響應(yīng)報(bào)文；判斷是否收到響應(yīng)； 如果是，確認(rèn)雙向鄰居；如果為否，則等待下一個(gè)候選鄰居的可發(fā)送時(shí)隙，并返回待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙內(nèi)退避時(shí)間時(shí)刻發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)報(bào)文給候選鄰居步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法，其特征在于:所述網(wǎng)絡(luò)資源的分配方法為: 4-1)網(wǎng)關(guān)的下行管理中:代理節(jié)點(diǎn)對加入節(jié)點(diǎn)的加入發(fā)時(shí)隙滯后網(wǎng)關(guān)對代理節(jié)點(diǎn)的下行管理時(shí)隙若干時(shí)隙； 網(wǎng)關(guān)的上行管理中:代理節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)關(guān)的上行管理時(shí)隙相對于加入節(jié)點(diǎn)對代理節(jié)點(diǎn)的加入收時(shí)隙滯后若干時(shí)隙。 4-2)數(shù)據(jù)時(shí)隙分布:中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)關(guān)的第2跳數(shù)據(jù)時(shí)隙相對于終端節(jié)點(diǎn)對中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的第I跳數(shù)據(jù)時(shí)隙滯后若干時(shí)隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法，其特征在于:所述若干時(shí)隙為至少3個(gè)時(shí)隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)優(yōu)化方法，其特征在于:所述資源分配報(bào)文為不同類型的報(bào)文首尾連接合并成的一個(gè)報(bào)文。
【文檔編號】H04W16/18GK103781094SQ201210403494
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月19日
【發(fā)明者】鄭軍, 曾鵬, 肖金超, 趙曉全, 張瓊, 李德威 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所