一种基于异构网状网络融合的地址分配方法
【专利摘要】本发明提供一种基于异构网状网络融合的地址分配方法，所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法根据新加入传感节点自身相关信息及路由节点信息计算出一条最优的路径来为其提供接入服务；通过基站提供的地址映射表尽快从网关获得网络分配地址及接入相关信息；所述地址映射表用于描述在蜂窝网与传感网融合架构下，移动终端成为移动网关后蜂窝端通信地址与传感网络端通信地址和通信信道之间的映射关系。通过本发明所述方法，不仅可以减少传感网之间的能量消耗及信令消耗，而且可以减少入网时延，以及保证偏远节点的快速入网。
【专利说明】一种基于异构网状网络融合的地址分配方法
【技术领域】
[0001]本发明属于移动无线通信【技术领域】，涉及一种地址分配方法，特别涉及一种基于异构网状网络融合的地址分配方法。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络是一种新兴的、极具发展潜力的网络技术，这种网络可以将大量简单的节点大冗余地随机部署在某个地区，节点之间通过自组织地组网，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种复杂环境或监测对象的信息，并对这些信息进行网内处理，从而获得详尽而准确的信息并传送给后台骨干网服务器或者相关观测者。
[0003]在无线传感网络应用中，传感节点入网需要获得网关或协调器许可并分配网络地址。一般而言，网状网络的覆盖范围远远大于其他拓扑结构网络，因此，随着网络规模的扩大，当网络边缘处有节点需要加入时，接入请求消息需要经过多跳到达网关或者协调器，这样将消耗大量的能量和信道资源，增加了网络冲突概率，端到端接入延时也相应增大，导致中间路由节点能量的过快消耗，影响网络生命周期，使网络性能下降。
[0004]通常，网状结构的无线传感网络覆盖范围都相对较大，且由网关/协调器集中为传感节点分配16位网络地址。当与网关距离相对较远的节点入网时，需要发送接入请求到网关，网关决定是否接收新节点的加入并分配网络地址。接入请求信令通过多跳的路由到达网关，这便使接入过程的延时增大，而且将消耗较多的信令传输能量，加速了中间路由节点的能量消耗，影响网络的生命周期。
[0005]传统算法的一般步骤包括:
[0006]1.当有新加入的传感节点入网时,广播接入请求。
[0007]2.收到接入请求的所有路由节点或网关将回复个域网(PAN, Personal AreaNetwork)地址和LQI值。
[0008]3.中继的路由节点根据LQI值选择最优的下一跳节点并发送接入请求。
[0009]4.下一跳节点根据路由表将接入请求发送给网关。
[0010]5.如果网内节点数量超过阈值，网关将发送拒绝回复，否则，网关将发送接收回复并分配16位网络地址。
[0011]其中，无线网状传感网络是由散布在一定地理区域的大量静态节点组成，由网关发起初始组网，传感节点根据链路质量(LQI, Link Quality Indication)以自组织方式选择一条最优的路由路径，经过多跳传递入网请求到远端网关节点。通常情况下，这些节点具备类似的能量、储存、计算和传输能力，即节点是同构的，其数据流向多表现出“多对一”的特征。
[0012]随着网络规模的扩大及传输入网请求跳数的增多，传统算法将不可避免地在网关处形成瓶颈节点，使接入延时增大，导致网络性能下降。
【发明内容】
[0013]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于异构网状网络融合的地址分配方法，用于解决现有技术中入网请求跳数增多会消耗大量能量和信道资源、增加网络冲突概率、增大端到端接入延时而导致中间路由节点能量的过快消耗的问题。
[0014]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于异构网状网络融合的地址分配方法，包括:
[0015]步骤I,新加入传感节点广播入网请求信令；
[0016]步骤2，收到入网请求信令的路由节点计算所述新加入传感节点到达网关的最小跳数；所述路由节点计算出最小跳数后，发送入网请求回复信令给所述新加入传感节点；
[0017]所述路由节点根据功能函数计算所述新加入传感节点到所述路由节点的最小跳数；所述功能函数为:
[0018]Hc (i) = Function (Flagu (i), Flag0 (i))
[0019]Hg(i) = min(Hff(i), Hc(i))
[0020]其中，N是发送入网请求回复信令的路由节点的个数；i大于等于I且小于等于N ；Flagu(i)表示发送入网请求回复信令的路由节点i是否为UE，如果路由节点i为UE，则FlaguQ) = I,否则为Flagdi) = O ；Flag0 (i)表示入网请求回复信令的路由节点i 一跳范围内是否存在UE，如果存在UE，则Flag。(i) = 1，否则FlagQ(i) = O ;如果路由节点i本身为UE，FlagQ(i) = O ；Hc(i)为路由节点i通过蜂窝网到达网关的最小跳数；HW⑴为路由节点i通过传感网到达网关的最小跳数，如果路由节点i为网关，则HJi) =0;He(i)为路由节点i当前能到达网关的最小跳数，如果HJi) = Hc(i)，则将选择有UE参与传输的路径作为路由节点i的地址分配路径；
[0021]步骤3，所述新加入传感节点收到入网请求回复信令后，选择到达网关跳数最少的路径上的路由节点作为入网节点，并向所述入网节点发送地址请求信令；
[0022]步骤4，当所述入网节点收到地址请求信令后，将所述地址请求信令通过到达网关跳数最少的路径传递给网关；如果到达网关跳数最少的路径为蜂窝网链路，则执行步骤5 ；如果到达网关跳数最少的路径中不存在UE或没有选择到合适的传输路径，那么入网节点将运用传统方法通过普通的路由节点传递地址请求信令给地址分配节点；
[0023]步骤5，所述入网节点将所述地址请求信令传输给位于所述蜂窝网链路中的UE，UE通过蜂窝网端口发送地址请求信令给地址分配节点，从所述地址分配节点获取地址；
[0024]步骤6，如果所述网关发现负载已经超出阈值，则向地址分配节点回复拒绝响应信令，否则向地址分配节点回复接受响应信令；
[0025]步骤7，所述UE通过传感网端口将所述接受响应信令发送给所述新加入传感节点。
[0026]优选地，所述地址分配节点为基站或网关。
[0027]优选地，所述地址分配节点为基站时，所述基于异构网状网络融合的地址分配方法属于非D2D通信模式，步骤5至7的实现过程为:
[0028]步骤Al，位于所述蜂窝网链路中的UE通过蜂窝网端口发送地址请求信令给基站；
[0029]步骤A2，基站收到所述地址请求信令后，查询基站自身存储的地址映射表，找到被请求的网关地址后，将所述地址请求信令发送给所述被请求的网关；所述地址映射表包括网关地址、个域网信道和个域网地址；其中，所述网关地址为网关在蜂窝网络端口的通信地址；所述个域网信道为网关及其所在的个域网在传感网络中所占用的信道；信道与Zigbee 标准一致，用于传感节点传输数据和相关控制信令；所述个域网地址为16位个域网地址；[0030]步骤A3，如果所述网关发现负载已经超出阈值，则向基站回复拒绝响应信令，否则向基站回复接受响应信令,所述接受响应信令包括分配给所述新加入传感节点的地址；[0031]步骤A4，基站将所述接受响应信令发送给所述UE ；[0032]步骤A5，所述UE通过传感网端口将所述接受响应信令发送给所述新加入传感节点。[0033]优选地，所述地址分配节点为网关时，所述基于异构网状网络融合的地址分配方法为D2D通信模式，步骤5至7的实现过程为:[0034]步骤BI，所述UE通过D2D模式向网关发送地址请求信令；[0035]步骤B2，如果所述网关发现负载已经超出阈值，则向UE回复拒绝响应信令，否则将回复接受响应信令并分配地址，所述接受响应信令包括分配给所述新加入传感节点的地址；[0036]步骤B3，所述UE通过传感网端口将所述接受响应信令发送给所述新加入传感节点。优选地，所述地址请求信令包括信道信息、网关所在个域网地址、新加入传感节点的父节点地址以及新加入传感节点的扩展地址。[0037]优选地,所述路由节点包括UE和网关。[0038]优选地,所述入网请求回复信令包含参数He(i)和Flagp(i) ;FlagP(i)表示路由节点i是否选择通过蜂窝网路径模式进行地址分配，如果是，则FlagP(i) = I ;否则FlagP(i) =O。[0039]优选地,所述接受响应信令包括分配给所述新加入传感节点的地址。[0040]优选地所述新加入传感节点成功接收所述接受响应信令后,所述接受响应信令中包含分配的16位网络地址。[0041]如上所述，本发明所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法，在蜂窝网与传感网融合的架构下，移动终端的引入具有以下有益效果:[0042]1、减少由于接入带来的传感网能量的消耗及信令的消耗；[0043]2、减少入网时延；[0044]3、保证偏远节点的快速 入网。【专利附图】
【附图说明】 [0045]图1显示为本发明蜂窝网与传感网融合的地址分配方法的应用场景示意图；[0046]图2显示为本发明非D2D模式入网及分配地址方法的应用场景示意图；[0047]图3显示为本发明非D2D模式入网及地址分配方法信令流程图；[0048]图4显示为本发明D2D模式入网及分配地址方法的应用场景示意图；[0049]图5显示为本发明D2D模式入网及地址分配方法信令流程图。[0050]元件标号说明[0051]I基站[0052]2服务器[0053]3移动终端[0054]4网关/协调器
[0055]5路由节点
[0056]6新加入传感节点
【具体实施方式】
[0057]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0058]请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0059]本发明所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法具有两种实现模式:一种为UE通过蜂窝网端口向基站请求获取地址，即非D2D模式；另一种是UE通过蜂窝网向网关直接请求获取地址，即D2D模式。下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
[0060]实施例一
`[0061]本实施例以图1所示的应用场景为例对非D2D模式的基于异构网状网络融合的地址分配方法进行具体说明。图1所示应用场景中包括基站1、服务器2、移动终端3、网关/协调器4、路由节点5及新加入传感节点6，如图1所示，小节点代表路由节点5，大节点代表新加入传感节点6。
[0062]请参阅图2和图3，分别为非D2D模式入网及分配地址方法的应用场景示意图和信令流程图，图2所示应用场景中包括服务器基站1、基站服务器2、移动终端3、网关/协调器
4、路由节点5及终端新加入传感节点6,其中，小节点代表路由节点5,大节点代表新加入传感节点6,如图所示,步骤包括:
[0063]Sll,新加入传感节点向路由节点广播入网请求信令；
[0064]S12，收到入网请求信令的路由节点计算所述新加入传感节点到达网关的最小跳数；所述路由节点可以是UE，也可以是网关或普通路由节点，即UE可以接收到入网请求信令，网关也可以接收到入网请求信令；路由节点计算出最小跳数后，发送入网请求回复信令给所述新加入传感节点；
[0065]路由节点根据功能函数和相关参数计算所述新加入传感节点到所述路由节点的最小跳数，计算过程如下:
[0066]所述功能函数为:
[0067]Hc (i) = Function (Flagu (i), Flag0 (i)) (I ^ i ^ N) (I)
[0068]Hg(i) = min(Hff(i), Hc(i)) (I ^ i ^ N) (2)
[0069]其中，N是发送入网请求回复信令的路由节点的个数；Flagu(i)表示发送入网请求回复信令的路由节点i是否为UE，如果路由节点i为UE JUFlagJi) = 1，否则为FlagJi)=O ；Flag0(i)表示入网请求回复信令的路由节点i 一跳范围内是否存在UE，如果存在UE，则Flag。⑴=1，否则FlagQ(i) = O ;如果路由节点i本身为UE，Flag。(i) = O ；Hc(i)为路由节点i通过蜂窝网到达网关的最小跳数，最小跳数是通过Flagu(i)和Flag^i)的值及上述功能函数(I)和(2)计算得到；Hw(i)为路由节点i通过传感网到达网关的最小跳数， 如果路由节点i为网关，则HJi) = O ；HG(i)为路由节点i当前能到达网关的最小跳数，如果Hw(i) = Hc (i)，则将选择有UE参与传输的路径为路由节点i的地址分配路径。本发明所述相关参数包括但不限于本实施例所述内容。所述入网请求回复信令包含但不限于参数 Hg(i)和FlagP(i) ；FlagP(i)表示路由节点i是否选择通过蜂窝网路径模式进行地址分配， 如果是，则 FlagP(i) = I ;否则 FlagP(i) =0。[0070]S13，所述新加入传感节点收到入网请求回复信令后，选择到达网关跳数最少的路径上的路由节点作为入网节点，并向所述入网节点发送地址请求信令。[0071]S14，当所述入网节点收到地址请求信令后，将所述地址请求信令通过已选的传输路径(即到达网关跳数最少的路径)传递给网关；如果所述已选的传输路径为蜂窝网链路 Flagp(i)，则执行步骤S15 ;如果所述已选的传输路径中不存在UE或没有选择到合适的传输路径，那么入网节点将运用传统方法通过普通的路由节点传递地址请求信令给基站，获取地址进而加入传感网。[0072]S15，所述入网节点将所述地址请求信令传输给位于所述蜂窝网链路中的UE，所述 UE通过蜂窝端口发送地址请求信令给基站，从所述基站获取地址。所述地址请求信令包括信道信息、网关所在个域网地址、新加入传感节点的父节点地址以及新加入传感节点的扩展地址。[0073]S16，基站收到所述地址请求信令后，查询基站自身存储的地址映射表，找到被请求的网关地址后，将所述地址请求信令发送给所述被请求的网关。所述地址映射表用于描述在蜂窝网与传感网融合架构下，所述移动终端成为移动网关后蜂窝端通信地址与传感网络端通信地址和通信信道之间的映射关系。网络初始化时，所述网关向基站汇报个域网消息，基站通过地址映射表管理网络消息，所述地址映射表包括网关地址、个域网信道和个域网地址，如表1所示，所述网关地址定义了网关在蜂窝网络端口的通信地址；所述个域网信道为网关及其所在的个域网在传感网络中所占用的信道。信道与Zigbee标准一致，将用于工业，医疗以及科学研究使用的2.4GHz频段划分为16个无重叠的信道，用于传感节点传输数据和相关控制信令；所述个域网地址为16位个域网地址，个域网地址与Zigbee标准一致。[0074]表1:地址映射表[0075]
【权利要求】
1.一种基于异构网状网络融合的地址分配方法，其特征在于，所述基于异构网状网络融合的地址分配方法包括: 步骤1，新加入传感节点广播入网请求信令； 步骤2，收到入网请求信令的路由节点计算所述新加入传感节点到达网关的最小跳数； 路由节点计算出最小跳数后，发送入网请求回复信令给所述新加入传感节点； 所述路由节点根据功能函数计算所述新加入传感节点到所述路由节点的最小跳数；所述功能函数为:
HcQ) = Function (Flagu(I), Flag0(i))
Hg(i) = min(Hff(i), Hc(i)) 其中，N是发送入网请求回复信令的路由节点的个数；i大于等于I且小于等于N ；FlaguQ)表示发送入网请求回复信令的路由节点i是否为UE,如果路由节点i为UE,则FlagJi) = 1，否则为FlagJi) =0 ；Flag0(i)表示入网请求回复信令的路由节点i 一跳范围内是否存在UE，如果存在UE，则Flag。(i) = 1，否则FlagQ(i) = O ;如果路由节点i本身为UE，FlagQ(i) = O ；Hc(i)为路由节点i通过蜂窝网到达网关的最小跳数；HW⑴为路由节点i通过传感网到达网关的最小跳数，如果路由节点i为网关，则HJi) =0;He(i)为路由节点i当前能到达网关的最小跳数，如果HJi) = Hc(i)，则将选择有UE参与传输的路径作为路由节点i的地址分配路径； 步骤3，所述新加入传感节点收到入网请求回复信令后，选择到达网关跳数最少的路径上的路由节点作为入网节点，并`向所述入网节点发送地址请求信令； 步骤4，当所述入网节点收到地址请求信令后，将所述地址请求信令通过到达网关跳数最少的路径传递给网关；如果到达网关跳数最少的路径为蜂窝网链路，则执行步骤5 ;如果到达网关跳数最少的路径中不存在UE或没有选择到合适的传输路径，那么入网节点将运用传统方法通过普通的路由节点传递地址请求信令给地址分配节点； 步骤5，所述入网节点将所述地址请求信令传输给位于所述蜂窝网链路中的UE，UE通过蜂窝网端口发送地址请求信令给地址分配节点，从所述地址分配节点获取地址； 步骤6，如果所述网关发现负载已经超出阈值，则向地址分配节点回复拒绝响应信令，否则向地址分配节点回复接受响应信令； 步骤7，所述UE通过传感网端口将所述接受响应信令发送给所述新加入传感节点。
2.根据权利要求1所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法，其特征在于:所述地址分配节点为基站或网关。
3.根据权利要求2所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法，其特征在于:所述地址分配节点为基站时，所述基于异构网状网络融合的地址分配方法属于非D2D通信模式，步骤5至7的实现过程为: 步骤Al，位于所述蜂窝网链路中的UE通过蜂窝网端口发送地址请求信令给基站； 步骤A2，基站收到所述地址请求信令后，查询基站自身存储的地址映射表，找到被请求的网关地址后，将所述地址请求信令发送给所述被请求的网关；所述地址映射表包括网关地址、个域网信道和个域网地址；其中，所述网关地址为网关在蜂窝网络端口的通信地址；所述个域网信道为网关及其所在的个域网在传感网络中所占用的信道；信道与Zigbee标准一致，用于传感节点传输数据和相关控制信令；所述个域网地址为16位个域网地址； 步骤A3，如果所述网关发现负载已经超出阈值，则向基站回复拒绝响应信令，否则向基站回复接受响应信令，所述接受响应信令包括分配给所述新加入传感节点的地址； 步骤A4，基站将所述接受响应信令发送给所述UE ； 步骤A5，所述UE通过传感网端口将所述接受响应信令发送给所述新加入传感节点。
4.根据权利要求2所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法，其特征在于:所述地址分配节点为网关时，所述基于异构网状网络融合的地址分配方法为D2D通信模式，步骤5至7的实现过程为: 步骤B1，所述UE通过D2D模式向网关发送地址请求信令； 步骤B2，如果所述网关发现负载已经超出阈值，则向UE回复拒绝响应信令，否则将回复接受响应信令并分配地址，所述接受响应信令包括分配给所述新加入传感节点的地址； 步骤B3，所述UE通过传感网端口将所述接受响应信令发送给所述新加入传感节点。
5.根据权利要求1所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法，其特征在于:所述地址请求信令包括信道信息、网关所在个域网地址、新加入传感节点的父节点地址以及新加入传感节点的扩展地址。
6.根据权利要求1所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法，其特征在于:所述路由节点包括UE和网关。
7.根据权利要求1所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法，其特征在于:所述入网请求回复信令包含参数HG(i)和Flagp(i)；FlagP(i)表示路由节点i是否选择通过蜂窝网路径模式进行地址分配，如果是，则FlagP(i) = 1 ;否则FlagP(i) = O。
8.根据权利要求1所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法，其特征在于:所述接受响应信令包括分配给所述新加入传感节点的地址。
9.根据权利要求1所述的基于异构网状网络融合的地址分配方法，其特征在于:所述新加入传感节点成功接收所述接受响应信令后，所述接受响应信令中包含分配的16位网络地址。
【文档编号】H04W8/24GK103516818SQ201210206339
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2012年6月20日
【发明者】欧阳玉玲, 胡宏林, 袁芝, 郦振红, 王海峰, 尹菲 申请人:上海无线通信研究中心