一种基于beacon的树状多级网络的组网方法与流程

本发明涉及无线传感器网络中的树状多级网络领域。更具体地，涉及一种基于beacon(信标)的树状多级网络的组网方法。

背景技术：

多级网络在运行中存在三种数据传输流：设备发送到协调器的上行数据、协调器发送给设备的下行数据、对等设备之间的数据传输。

星形拓扑网络由于是一个单跳的集中式网络，数据仅在协调器和设备之间进行传输，因此只存在前两种数据传输流，而对等拓扑网络由于与普通的mesh网络基本相同，存在三种数据传输流。不同的数据传输方式分别利用不同的数据传输模型，根据使用的数据传输模型，数据传输的质量也不同。

树状无线传感器网络是一种常见的树状多级网络，对于树状无线传感器网络，对数据传输质量要求由低到高分别为对等数据传输，子节点上行数据传输，协调器下行数据传输。这与无线传感器网络的功能是密不可分的，传感器网络首先要保证网络正常运行，这是网络能够进行其他数据传输的前提，对于网络的管理来说，协调器下行的数据是最重要的，因此协调器下行的数据需要有一定保证，这也是在超帧结构中专门分出一个时隙来发送信标帧的原因。组网稳定后另外一个重要的方面则是功能保证，要保证功能就需要控制消息的交互，包括子节点的各种功能申请，因此子节点上行数据也是需要保证的数据流。对等设备之间的数据传输属于最低等级的质量保证，在ieee802.15.4无线传感器网络中，这部分数据仅能使用csma/ca进行通信，这是因为对等设备间的通信对网络整体运行没有较大的影响，尤其在星形组网上，这种传输属于非必须的。

数据流的类型并不是固定的，根据节点类型的更改节点数据传输类型也会改变，因此节点应能同时支持所有数据传输类型，而不能满足某一类数据传输类型的节点不能成为特定的节点类型。比如rfd设备无法成为协调器节点，就是因为其无法满足信标帧的发送和网络参数的计算因此无法完成协调器下行数据的传输。

树状多级网络组网时，一个节点需要同时完成与上级节点交互和管理下级节点的任务，节点的整体运行时间会增加，并且休眠时间会相对减少，因此能耗会有所增加，此时需要尽可能完成睡眠同步机制。

因此，需要提供一种基于beacon的树状多级网络的组网方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于beacon的树状多级网络的组网方法，以解决树状多级网络的组网时beacon的碰撞问题，增强树状多级网络的组网的鲁棒性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于beacon的树状多级网络的组网方法，该方法包括如下步骤：

选取信标偏移量starttime，选取原则为：starttime的取值大于节点的一个活跃周期且小于信标间隔减去节点的一个活跃周期的差值，或starttime的取值为信标跨时隙偏移量的整倍数；

网络中的下级节点向上级节点发送连接请求；

从最上级节点开始，上级节点为其下级节点分配starttime并向其下级节点发送携带starttime的连接回复，starttime的分配规则为：不与其他节点分配的starttime重合，不等于信标间隔与上级节点自身的starttime的差值；

下级节点根据连接回复中携带的starttime初始化该下级节点的信标发送时间为该下级节点自身的信标接收时间加starttime。

优选地，该方法还包括如下步骤：

下级节点在收到上级节点发送的信标后，更新并调整该下级节点的信标接收时间，若该下级节点未在信标接收周期内收到上级节点发送的信标，则判断该下级节点的信标发送错位时间是否超过休眠期到该下级节点的初始化信标发送时间之间的时间：若超过则该下级节点进入休眠期，之后在与上级节点同步后通过该下级节点发送信标的失步使得该下级节点的下级节点逐级进入休眠期；若不超过则根据更新前后的信标接收时间差对该下级节点自身的starttime进行调整，使该下级节点的信标发送时间保持不变。

优选地，上级节点为其下级节点分配starttime时，为下级节点预留预测最大信标偏移时隙tn。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案能够实现基于beacon的树状多级网络的组网，并且通过starttime机制有效降低树状多级网络组网时各级节点发送的beacon的碰撞概率，使树状多级网络的组网更加健壮可靠，实用性更强。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出基于beacon的树状多级网络的组网方法流程图。

图2示出设备节点的超帧的完整结构示意图。

图3示出中间协调器节点的超帧结构示意图。

图4示出starttime选取原则示意图。

图5示出starttime自适应示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开的基于beacon的树状多级网络的组网方法，包括如下步骤：

选取信标偏移量starttime，选取原则为：starttime的取值大于节点的一个活跃周期且小于信标间隔减去节点的一个活跃周期的差值，或starttime的取值为信标跨时隙偏移量的整倍数；其中，通过网络规模可以确定需要支持的邻节点数，由此可得so(superframeorder，超帧指数)与bo(beaconorder，信标指数)的差值，根据数据周期要求可以得到帧长的大致范围，由此确定bo的值，从而得到so的值。而由于beacon有可能跨时隙，若以时隙为单位进行偏移，则需要保证starttime取信标跨时隙偏移量(即信标偏移时隙数)的整倍数；

网络中的下级节点向上级节点发送连接请求；

从最上级节点开始，上级节点为其下级节点分配starttime(进行starttime协调)并向其下级节点发送携带starttime的连接回复，starttime的分配规则为：不与其他节点分配的starttime重合，不等于bi(beaconinterval，信标间隔)与上级节点自身的starttime的差值；其中，分配starttime及向下级节点发送携带starttime的连接回复是从最上级节点开始逐级向下进行直到最下级节点的。分配starttime的原则为：避开下级节点beacon的碰撞；避开本节点接收beacon的时间；

下级节点根据连接回复中携带的starttime初始化该下级节点的信标发送时间为该下级节点自身的预测信标接收时间加starttime。

该方法还包括同步优化步骤：

若下级节点在信标接收周期内收到上级节点发送的信标，则该下级节点更新并调整该下级节点的信标接收时间；

若该下级节点未在信标接收周期内收到上级节点发送的信标，则判定为失步，该下级节点也更新并调整该下级节点的信标接收时间，但此时，如果该下级节点直接进入休眠期，并与上级进行同步，同步过后该下级节点发送的信标同样会失步，也会停止一个周期，如此传递到最下级节点，即同步后通过该下级节点发送信标的失步使得该下级节点的下级节点逐级休眠一个活跃周期，则这种失步的传递会导致整个网络响应时间集体滞后，影响发送数据的时延甚至有可能导致数据发送失败。因此，本发明提出一种starttime自适应的方法：根据更新前后的信标接收时间差对该下级节点自身的starttime进行调整，使该下级节点的信标发送时间保持不变，这样做防止了失步的传递，使重同步限制于一级之内。但这种方法需要信标发送错位时间不超过休眠期到该下级节点的初始化信标发送时间之间的时间，因此，本发明采用下述方法：

若该下级节点未在信标接收周期内收到上级节点发送的信标，则判断该下级节点的信标发送错位时间是否超过休眠期到该下级节点的初始化信标发送时间之间的时间：若超过则该下级节点进入休眠期，之后在与上级节点同步后通过该下级节点发送信标的失步使得该下级节点的下级节点逐级进入休眠期；若不超过则根据更新前后的信标接收时间差对该下级节点自身的starttime进行调整，使该下级节点的信标发送时间保持不变。

而在上级节点为其下级节点分配starttime时，为下级节点预留时间tn，(预测最大信标偏移时隙)，令休眠期能够达到自适应的要求。当自适应无法达到要求时节点将重新进行连接，但即使如此，自适应也能够大大减少失步的传递。

下面以树状无线传感器网络为例对本发明公开的基于beacon的树状多级网络的组网方法作进一步地说明。

首先对树状无线传感器网络进行拓扑控制：为了保证数据传输质量，树状无线传感器网络中的节点的挂载将参考三个参数，分别是：

(1)链路质量

树状无线传感器网络作为无线网络中的一个特例，依然离不开无线网络的特点，无线链路的特性使得链路质量对数据传输影响巨大，若节点挂载时选择了链路质量较差的节点，不仅对自身的数据传输、组网控制不利，同时会将影响传到下级所有节点，子树的工作效率将大大降低。

(2)子节点数目

树状无线传感器网络采用csma/ca与gts共用的数据传输模式，对于csma/ca模式，过多的子节点会降低数据竞争接入的概率，甚至会造成数据时延的无限延长；对于gts传输模式，由于帧长固定，帧结构固定，gts的资源相应的也是固定的，子节点数过多会导致gts申请失败次数增加。

(3)深度

树状无线传感器网络的数据传输大多采用csma/ca进行数据传输，gts传输作为数据保证的时隙分配的资源较少，通常只用来传输较重要的数据，基于此种情况，节点到源节点的跳数越大，数据传输失败的概率会逐渐累积。为了降低数据传输时延，对子节点深度也应该有所控制。另外树的深度决定了整个网络的大小，树状组网的规模太大对管理会有不利影响，同时有可能对节点的路由编址有影响，因此深度也是挂载子节点需要考虑的因素之一。

综上所述，树状最优化评价函数应为：

f(v)＝lqi(链路质量)+childnum(子节点数目)+depth(深度)

拓扑控制策略如下：

初始化：节点检测剩余能量，若剩余能量小于emin(cor)(最小协调器能量)，则成为最下级节点(最下级节点称为叶子节点)，否则成为可选协调器节点。

信息收集：节点扫描并获取beacon，从beacon中获取lqi信息、深度信息并向最优节点发起连接请求。

子节点数目反馈：子节点请求中会添加数目反馈信息，主节点通过反馈信息决定是否允许加入。

累计评价参数收集：加入后主节点计算树结构累计评价参数fv，向上级发送，最终汇集到pan协调器，对整个网络拓扑进行评估。

至此，节点挂载达到最优，并且主节点均掌握了自身下级子树的拓扑质量，当因为节点移动、能量消耗完毕导致拓扑结构变化时，只需要更新自身评价函数值并汇报即可，上级节点根据自身情况决定子节点是否重新挂载。

进行树状多级网络组网睡眠同步，睡眠同步机制为：节点根据参数starttime进行休眠与激活的切换，在激活与上层交互时隙后经过starttime的时间开始与下层交互，各级协调器以此类推，最后形成网络完整的帧结构。下层交互利用了上层休眠的时间，因此网络参数bo与so的差值不能为0，并且差值越大，休眠时间越大，帧周期越长，根据实际工作情况，需要调整网络的参数值，令数据周期能量消耗达到平衡。具体来说，规定协调器节点使用相同的帧结构，“超帧”也是实现基本时间同步的保证。因此超帧结构如图2所示。节点在一个活跃周期sd分别使用csma/ca进行竞争通信cap(contentionaccessperiod)和进行预约通信cfp(contentionfreeperiod)并在休眠时期进入休眠状态。由于工作在多级协调器的拓扑结构，协调器节点需要在周期内同时完成与上下层的交互，因此帧结构如图3所示。节点根据参数starttime进行休眠与激活的切换，在激活与上层交互时隙后经过starttime的时间开始与下层交互，各级协调器以此类推，最后形成网络完整的帧结构。下层交互利用了上层休眠的时间，因此网络参数bo与so的差值不能为0，并且差值越大，休眠时间越大，帧周期越长，根据实际工作情况，需要调整网络的参数值，令数据周期能量消耗达到平衡。

选取信标偏移量starttime，如图4所示，选取原则为：starttime的取值大于节点的一个活跃周期且小于信标间隔减去节点的一个活跃周期的差值，或starttime的取值为信标跨时隙偏移量的整倍数；其中，通过网络规模可以确定需要支持的邻节点数，由此可得so与bo的差值，根据数据周期要求可以得到帧长的大致范围，由此确定bo的值，从而得到so的值。另外由于beacon有可能跨时隙，若以时隙为单位进行偏移，则需要保证starttime取信标偏移时隙数的整倍数；

网络中的下级节点向上级节点发送连接请求(associationrequestcommand)；

从最上级节点开始，上级节点为其下级节点分配starttime(进行starttime协调)并向其下级节点发送携带starttime的连接回复(associationresponsecommand)，starttime的分配规则为：不与其他节点分配的starttime重合，不等于bi(beaconinterval，信标间隔)与上级节点自身的starttime的差值；其中，分配starttime及向下级节点发送携带starttime的连接回复是从最上级节点开始逐级向下进行直到最下级节点的。分配starttime的原则为：避开下级节点beacon的碰撞；避开本节点接收beacon的时间；

该方法还包括同步优化步骤：

若下级节点在信标接收周期内收到上级节点发送的信标，则该下级节点更新并调整该下级节点的信标接收时间；

若该下级节点未在信标接收周期内收到上级节点发送的信标，则判断该下级节点的信标发送错位时间是否超过休眠期到该下级节点的初始化信标发送时间之间的时间：若超过则该下级节点进入休眠期，之后在与上级节点同步后通过该下级节点发送信标的失步使得该下级节点的下级节点逐级进入休眠期；若不超过则根据更新前后的信标接收时间差对该下级节点自身的starttime进行调整，使该下级节点的信标发送时间保持不变

图5中虚线为重新同步之后下级节点的信标接收时间，该下级节点检测到接收信标接收时间变化后，将自动调整starttime大小，令自身的信标发送时间仍然不变。这样做防止了失步的传递，使重同步限制于一级之内。

而在上级节点为其下级节点分配starttime时，为下级节点预留时间tn，(预测最大信标偏移时隙)，令休眠期能够达到自适应的要求。当自适应无法达到要求时节点将重新进行连接，但即使如此，自适应也能够大大减少失步的传递。

本发明能够实现树状多级网络的组网并稳定运行，为数据收集回传路由提供链路质量保证，并具有一定的自我修复能力。本本发明提出了starttime的选取原则、同步机制的优化、帧格式的改进等，确保协议整体的运行速率同时也做到了最小化控制消息增加。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。