一种工业无线网络的组网优化方法技术

本发明专利技术涉及一种工业无线网络的组网优化方法，在组网过程中包括以下步骤：在超帧中部增加一个网关广播时隙，使单位时间内网关发送广播报文的数量增加；待入网节点接收该广播报文添加为候选邻居；选定同步点，进行时间同步；采用冲突检测进行邻居发现，找出双向邻居节点；待入网节点从邻居表中选出排列在最前面的双向邻居节点为代理节点，向其发送加入请求报文，代理节点转发该请求报文到网关；网关收到加入请求报文后为待入网节点分配网络资源，并以无线报文的形式下发到节点；所有资源分配报文都发送完毕，组网过程结束；本发明专利技术大幅度的缩短了组网时间，提高了加入时隙资源的使用效率，使网络资源分配更加合理。

【技术实现步骤摘要】
一种工业无线网络的组网优化方法
本专利技术涉及无线通信技术，具体地说明了一种对WIA工业无线网络的组网过程进行优化的方法。
技术介绍
工业无线网络WIA(WirelessNetworksforIndustrialAutomation)技术是由中国科学院沈阳自动化研究所推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器网络技术，该技术提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制，能够针对应用条件和环境的动态变化，保持网络性能的高可靠性和强稳定性。WIA工业无线网络组建过程，即所有节点加入网络，具备数据传输能力和路由中转能力的过程。单个节点入网的主要流程为：节点加电，软件系统启动；完成初始化后，无线节点的射频模块连续接收一个超帧的广播报文，超帧是一定数量时间单位（即时隙）的集合，例如256超帧，就是256个时隙的集合，每个超帧都是256个时隙的循环。广播报文是无线设备发送的包含发送方地址和网络时间信息的报文，节点收到广播报文后，提取出其中包含的地址，即添加为候选邻居；由于所有在网设备都需要统一时间才能工作，需要在候选邻居中，选定同步点，进行时间同步：即连续定向收取同步节点发送的广播报文，提取其中的时间信息，计算节点本地时间与网络时间对应关系，得到网络时间；这样入网节点的时间同步时间较长；进行邻居发现：发送邻居发现报文给各个邻居节点，如果收到邻居节点的响应报文，即可确认双向邻居；这样网络加入时隙空闲的时候还要进行多个超帧的等待，浪费网络的加入资源，延长网络的组建时间；从邻居表中选出排列在最前面的双向邻居节点为代理节点，向其发送加入请求报文，代理节点会转发该请求报文到网关，网关收到节点的加入请求报文会为其分配网络资源并以无线报文的形式下发到节点；现有的网络资源分配存在分配时间长，网络实时性低的问题；所有资源分配报文都发送完毕，即可加入完成；这里的一个资源报文只包括一个类型的报文，报文数量多，交互过程长；节点入网过程如图1所示。以上过程中，存在交互过程冗余，交互报文数量较多，并存在非必要的随机等待时间等问题，导致整个加入过程时间较长。有待优化。
技术实现思路
为了提高WIA工业无线网络的网络组建速度，缩短网络恢复的时间，合理分配网络资源，并提高数据传输的实时性，本专利技术提出一种工业无线网络的组网优化方法，从单点及全网资源的角度考虑，对单点入网流程进行优化，对网络资源分配进行优化，提高单点的入网速度及全网的组建速度，并增强网络的运行稳定性和实时性。为了实现上述目的，本专利技术技术方案包括以下内容：一种工业无线网络的组网优化方法，在组网过程中包括以下步骤：在超帧中部增加一个网关广播时隙，使单位时间内网关发送广播报文的数量增加；待入网节点接收该广播报文并提取出其中的地址，即添加为候选邻居；待入网节点选定同步点，进行时间同步；待入网节点在发送邻居发现报文时，采用冲突检测进行邻居发现，找出双向邻居节点；待入网节点从邻居表中选出排列在最前面的双向邻居节点为代理节点，向其发送加入请求报文，代理节点转发该请求报文到网关；网关收到加入请求报文后为待入网节点分配网络资源，并以无线报文的形式下发到节点；所有资源分配报文都发送完毕，组网过程结束。所述待入网节点选定同步点，进行时间同步包括以下步骤：待入网节点接收广播报文1，保存本地收取时间x1和报文中的网络时间y1；接收收广播报文2，保存本地收取时间x2和报文中的网络时间y2；本地时间x与网络时间y之间的关系为y=ax+b，带入已保存的两组时间，求解出参数a和b；根据计算得到的a和b，利用公式换算本地时间为网络时间，完成时间同步。所述待入网节点在发送邻居发现报文时，采用冲突检测进行邻居发现包括以下步骤：待入网节点根据自身的射频模块地址计算crc，得出时隙内退避时间；待入网节点在时隙内退避时间时刻发送邻居发现报文给候选邻居；判断报文发送是否成功；如果是，收取候选邻居的响应报文；如果为否，则等待该候选邻居的下一个可发送的时隙，并返回待入网节点时隙内退避时间时刻发送邻居发现报文给候选邻居步骤；待入网节点收取候选邻居的响应报文；判断是否收到响应；如果是，确认双向邻居；如果为否，则等待下一个候选邻居的可发送时隙,并返回待入网节点时隙内退避时间时刻发送邻居发现报文给候选邻居步骤。所述网络资源的分配方法为：4-1）网关的下行管理中：代理节点对加入节点的加入发时隙滞后网关对代理节点的下行管理时隙若干时隙；网关的上行管理中：代理节点对网关的上行管理时隙相对于加入节点对代理节点的加入收时隙滞后若干时隙。4-2）数据时隙分布：中转节点对网关的第2跳数据时隙相对于终端节点对中转节点的第1跳数据时隙滞后若干时隙。所述若干时隙为至少3个时隙。所述资源分配报文为不同类型的报文首尾连接合并成的一个报文。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术提出的对WIA工业无线网络的组网优化方法，是在深入分析网络组建过程的各个技术环节的前提下提出的，相对于原有组网过程，大幅度的缩短了组网时间，提高了加入时隙资源的使用效率，使网络资源分配更加合理，2.对节点上电后同步过程的优化，在多数节点选择网关作为同步源的情况下，可以缩短节点的同步时间，由原来需要1至2个超帧长度，缩短至0.5至1个超帧长度，进而减少节点整体入网时间；3.对同步完成后退避机制的优化，可以充分利用网络的加入资源，减少没有必要的等待时间。在单点入网的情况下，等待时间可由原来的0至6个超帧的随机退避，减少至无需等待；4.对网关资源分配合理性的优化，可以减少数据报文传输的延时，提高网络实时性；可以使加入节点、代理节点、网关在1个超帧内完成一次加入过程报文的交互，优化前需要1至3个超帧的时间；5.对网关发送分配资源报文的整合优化，可以减少资源分配过程的报文交互次数，由原来的平均4次交互减少至平均2次交互即可完成节点的入网。附图说明图1为本专利技术的无线节点入网流程图；图2为节点时间同步方法流程图；图3为优化后的邻居发现退避时间优化方法流程图；图4为优化后的加入和管理时隙分布示意图；图5为优化后的数据时隙分布示意图；图6为优化前后的资源报文格式示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术中涉及到的概念如下：1)时间同步：由于WIA工业无线网络使用的是时分复用通信模式，全网所有设备都要按照同一个网络时间进行时隙操作。整个网络的时间为网关的广播报文中携带的绝对时间。节点通过连续收到的来自同步时间源的若干个广播报文，解析出其中绝对网络时间，并使用FTSP同步算法完成时间同步。2)CCA冲突检测：射频模块发送无线报文时，首先检测是否存在其他节点正在发送报文，如果已经有节点处于发送报文的过程中，CCA检测会反馈冲突。根据冲突的情况，使用退避机制进行发送等待。3)时隙：WIA网络中的基本时间资源，单信道情况下，每个时隙内只完成一个设备的广播发送任务，或者一对设备之间的报文收发任务。4)超帧：是一组循环出现的时隙集合，时隙的数目决定了超帧循环的速度。5)Link：是描述网络中某一条路径上相邻两个设备之间的通信必要参数的数据结构，包括发送方地址，接收方地址，收发使用的时隙和信道，所属路径的路径号。本专利技术提供如下技术方案：A．同步时间优化：增加单位时间内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业无线网络的组网优化方法，其特征在于，在组网过程中包括以下步骤：在超帧中部增加一个网关广播时隙，使单位时间内网关发送广播报文的数量增加；待入网节点接收该广播报文并提取出其中的地址，即添加为候选邻居；待入网节点选定同步点，进行时间同步；待入网节点在发送邻居发现报文时，采用冲突检测进行邻居发现，找出双向邻居节点；待入网节点从邻居表中选出排列在最前面的双向邻居节点为代理节点，向其发送加入请求报文，代理节点转发该请求报文到网关；网关收到加入请求报文后为待入网节点分配网络资源，并以无线报文的形式下发到节点；所有资源分配报文都发送完毕，组网过程结束。2.根据权利要求1所述的一种工业无线网络的组网优化方法，其特征在于：所述待入网节点选定同步点，进行时间同步包括以下步骤：待入网节点接收广播报文1，保存本地收取时间x1和报文中的网络时间y1；接收收广播报文2，保存本地收取时间x2和报文中的网络时间y2；本地时间x与网络时间y之间的关系为y＝ax+b，代入已保存的两组时间，求解出参数a和b；根据计算得到的a和b，利用公式换算本地时间为网络时间，完成时间同步。3.根据权利要求1所述的一种工业无线网络的组网优化方法，其特征在于：所述待入网节点在发送邻居发现报文时，采用冲突检测进行邻居发现包括以...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑军，曾鹏，肖金超，赵晓全，张琼，李德威，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：