一种提升Wi-SUN网络带宽的组网方法及其Wi-SUN网络

摘要

本发明公开了一种提升Wi‑SUN网络带宽的组网方法及其Wi‑SUN网络，涉及物联网技术领域，包括如下步骤：配置Wi‑SUN网络的网络参数，启动所有网络节点以及未入网节点，发送PAN广播帧，未入网节点接收到PAN广播帧后检索到可以建立连接的网络节点并与之建立连接，以加入Wi‑SUN网络，并进行网络配置。本发明所提供的方法兼顾了大规模高带宽又具备良好通信质量。

说明书

【技术领域】

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种提升Wi-SUN网络带宽的组网方法及其Wi-SUN网络。

【背景技术】

Wi-SUN是一种网状网络协议，网络中每个设备节点都可以与相邻设备节点通信，相邻节点间的路由转发使得网络中的每个节点都可以进行非常远距离的跳转，具备Mesh组网与主动跳频能力。随着Wi-SUN技术的推广，Wi-SUN在物联网领域表现出巨大的潜力。但是Wi-SUN是一种单一速率的mesh网络，当使用较低速率时，可能限制网络带宽，而且网络带宽又会影响网络时延及网络规模；当使用较高速率时，链路质量较差的节点间通信可能影响通信距离和通信成功率。目前Wi-SUN网络采用FSK调制模式，支持的速率最大仅为300kbp，实际应用中由于要确保所有的未入网节点都能正常入网，所以网络中要考虑存在着通信链路质量较差的未入网节点，这往往需要使用较低的通信速率才能保证较好的通信效果。而单一速率的限制使这种情况成为制约整个网络速率的瓶颈，极大的影响了整个网络的带宽。当网络规模较大时，选择较低的通信速率会延长服务端响应时间，另外，大规模网络时使用低速率会增加数据冲撞的概率，增加了网络时间管理的难度。因此，提供兼具大规模高带宽又具备良好通信质量是当前Wi-SUN网络必须面对的问题。

【发明内容】

为解决前述问题，本发明提供了一种提升Wi-SUN网络带宽的组网方法，兼顾了大规模高带宽又具备良好通信质量。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提升Wi-SUN网络带宽的组网方法，所述Wi-SUN网络包括已入网节点，所述提升Wi-SUN网络带宽的组网方法用以将需要加入Wi-SUN网络的未入网节点纳入Wi-SUN网络，并根据其在加入Wi-SUN网络的过程中获取到的与Wi-SUN网络中的已入网节点通信时的链路质量情况选取通信速率，与Wi-SUN网络中的已入网节点建立连接，包括如下步骤：

配置Wi-SUN网络的网络参数，启动Wi-SUN网络，已入网节点(最初为borderrouter)发送PAN广播帧，未入网节点接收到已入网节点发出的PAN广播帧后，检索到可以建立连接的已入网节点并与之建立连接，以加入Wi-SUN网络，加入Wi-SUN网络后，进行网络配置。

可选的，加入Wi-SUN网络时，路由拓扑的建立通过RPL协议完成；未入网节点加入网络后进行网络配置后，根据与其相邻的已入网节点的rssi，配置其与相邻的已入网节点之间的通信速率。

可选的，路由拓扑包括上行路由和下行路由，上行路由时，已入网节点从所有与该已入网节点相邻的其他已入网节点中选取该已入网节点的最优父节点，根据被选中的最优父节点的rssi，配置该已入网节点与最优父节点之间的上行通信速率。

可选的，下行路由时，最优父节点根据与其相邻的已入网节点的rssi，配置该最优父节点与相邻的已入网节点之间的下行通信速率。

可选的，选取最优父节点时，基于RPL协议，根据已入网节点的层级序数和rssi计算所有与该已入网节点相邻的其他已入网节点的rank值，以rank值最小的已入网节点作为最优父节点。

可选的，Wi-SUN网络中所有节点以最低通信速率在broadcast channel发送PAN广播帧。

可选的，未收到已入网节点发送的PAN广播帧的未入网节点，向已入网节点发送PAN广播帧请求帧，已入网节点收到未入网节点发出的PAN广播帧请求帧后，向发出PAN广播帧请求帧的未入网节点发送PAN广播帧。

可选的，Wi-SUN网络中所有未入网节点以最低通信速率在broadcast channel发送PAN广播帧请求帧。

可选的，未入网节点通过密钥认证的方式检索到可以建立连接的已入网节点并与之建立连接。

可选的，未入网节点与已入网节点之间的密钥认证使用802.1X协议。

可选的，Wi-SUN网络具有PANID和网络名，已入网节点发出的PAN广播帧中包括Wi-SUN网络的PANID和网络名。

可选的，配置Wi-SUN网络的网络参数包括：

配置Wi-SUN网络的调制模式为OFDM模式；

配置Wi-SUN网络的OFDM模式的PHY option为option2，以及option2对应的不同调制方案能达到的灵敏度及数据率；

配置Wi-SUN网络中各个已入网节点的rssi对应的通信速率映射关系；

配置Wi-SUN网络的最低通信速率。

可选的，Wi-SUN网络中每个已入网节点与相邻已入网节点通信时，已入网节点获取该相邻的已入网节点的rssi，根据rssi对应的通信速率映射关系调整已入网节点与该相邻已入网节点之间的通信速率。

可选的，Wi-SUN网络中每个已入网节点与相邻已入网节点均以可变通信速率在unicast channel通信。

本发明具有如下有益效果：

本发明的技术方案，通过相邻节点间的rssi值调节已入网节点间的通信速率，不仅可以增加网络带宽，减少数据冲撞的概率，增强了整个网络健壮性和鲁棒性，同时还可降低延时，减少数据冲撞的概率，增大了网络规模；同时又能减少因通信速率慢占用较长的网络通信时间而引起的网络数据冲撞问题。另一方面，灵活的速率选择也不会因较差链路质量使用高速率而导致通信成功率差。

此外，本发明还提供了一种Wi-SUN网络，所述Wi-SUN网络由上述任意一项所述的提升Wi-SUN网络带宽的组网方法进行组网。

本发明所提供的Wi-SUN网络的有益效果，其推理过程与前述Wi-SUN网络的组网方法的有益效果推理过程相类似，在此不再赘述。

本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式中进行详细的揭露。本发明最佳的实施方式或手段将详尽表现，但并非是对本发明技术方案的限制。另外，在每个下文中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。

【具体实施方式】

下面对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。

实施例一

本实施例提供一种提升Wi-SUN网络带宽的组网方法，Wi-SUN网络由已入网节点，即边界路由，路由节点和叶子节点组成已入网节点，具有PANID和Wi-SUN网络名，由已入网节点边界路由配置或生成。路由节点即具备路由转发能力的已入网节点；叶子节点即不具备路由转发能力的已入网节点。硬件方面：使用ATMEL的AT86RF215M芯片，具备多速率和多地区频移键控(MR-FSK)、正交频分复用(MR-OFDM)和偏移四相相移键控(MR-O-QPSK)及接收速率自适应能力。软件方面：使用arm公司开源的mbed-os，遵循Apache-2.0协议，应用层以c++开发，核心层封装有RTOS及网络协议栈nanostack，其中nanostack包含实现了Wi-SUN协议栈，并已支持FSK调制模式。

本实施例所提供的提升Wi-SUN网络带宽的组网方法用以将需要加入Wi-SUN网络的未入网节点纳入Wi-SUN网络，并根据其在加入Wi-SUN网络的过程中获取到的与Wi-SUN网络中节点，即已入网节点和/或未入网节点通信时的链路质量情况选取适当的速率，与Wi-SUN网络中的已入网节点建立连接，包括如下步骤：

配置Wi-SUN网络的网络参数，具体包括：

配置Wi-SUN网络的调制模式为OFDM模式，采用OFDM调制模式时，同一PHY option下不同的调制方案(MCS)最多可提供七种不同的速率，速率范围可从50Kbps到2.4Mbps；

配置Wi-SUN网络的调制方式为option2，以及option2对应的不同调制方案下能达到的灵敏度及数据率，如表1所示：

选择AT86RF215M射频芯片的OFDM调制模式下的option2，一方面最低速率能达到最低50Kpbs，有助于增大一跳传输的范围；同时最大速率又能达到1.2Mbps，可有效增加网络带宽，因此选择option2在提高通信速率的同时又能保障必要的通信质量。

配置Wi-SUN网络中各个已入网节点的rssi对应的通信速率映射关系，如表2所示：

配置Wi-SUN网络的最低通信速率，具体到本实施例中，最低通信速率即MCS0，对应50Kpbs。

配置好网络参数后，启动WI-SUN网络已入网节点，已入网节点在broadcastchannel，以最低通信速率，即50Kpbs发送PAN广播帧，通告有效的未入网节点加入网络。以最低速率发送可增加一跳间的传输范围，避免因链路质量差而使未入网节点无法加入网络。已入网节点发出的PAN广播帧中包括Wi-SUN网络的PANID和网络名。未入网节点接收到已入网节点发出的PAN广播帧后，通过密钥认证的方式检索到可以建立连接的已入网节点并与之建立连接，以加入Wi-SUN网络。未入网节点与已入网节点之间的密钥认证使用802.1X协议。如果有未入网节点长时间未收到已入网节点发送的PAN广播帧，说明该未入网节点长时间处于无网络状态，因此该未入网节点向已入网节点发送PAN广播帧请求帧，已入网节点收到未入网节点发出的PAN广播帧请求帧后，向发出PAN广播帧请求帧的未入网节点发送PAN广播帧。PAN广播帧请求帧同样在broadcast channel以最低通信速率发送。未入网节点接收到PAN广播帧后，读取发送PAN广播帧的已入网节点对应的rssi，并将读取的rssi以及对应的已入网节点保存在未入网节点自己的邻居节点表中。

加入Wi-SUN网络时，路由拓扑的建立通过RPL协议完成；未入网节点加入Wi-SUN网络过程中同步完成通信速率配置。已入网节点根据其相邻的路由节点的rssi配置与相邻的路由节点之间的通信速率，路由拓扑包括上行路由和下行路由：

上行路由时，由于将要选取的最优父节点总是在已入网节点的邻居节点表中，因此，已入网节点从所有与其相邻的路由节点中选取该已入网节点的最优父节点，根据被选中的最优父节点的rssi配置该已入网节点与已入网节点最优父节点之间的上行通信速率，即根据表2选定与rssi相匹配的通信速率作为该已入网节点与最优父节点已入网节点之间的上行通信速率。

下行路由时，由于子节点同样也在最优父节点的邻居节点表中，因此，最优父节点根据子节点的rssi配置与该子已入网节点已入网节点之间的下行通信速率，即根据表2选定与rssi相匹配的通信速率作为已入网节点已入网节点最优父节点与该子节点之间的下行通信速率。

最优父节点的选取基于RPL协议，根据路由节点的层级序数和rssi计算所有与未入网节点相邻的已入网节点rank值，以rank值最小的路由节点作为最优父节点。

已入网节点加入Wi-SUN网络已入网节点后，每个已入网节点与相邻已入网节点均以可变通信速率在unicast channel中通信。网络中所有的已入网节点会间隔地发送PAN广播帧及PAN Configuration广播帧，由于网路链路可能随着时间变化，已入网节点会通过接收的广播来更新与之通信的已入网节点的rssi。另外，为保证选取的通信速率能达到较好的通信成功率，已入网节点需不停的统计一段时间内与相邻的上下行已入网节点交互的需应答的数据帧的通信成功率。如果一段时间内，通信成功率低、丢包率增加，说明通信质量愈加糟糕，则适当降低通信速率来补偿通信成功率；如果一段时间内，通信成功率高、丢包率提高，说明通信成功率愈加好转，则可保持当前通信速率或者适当提高通信速率。因此，已入网节点需要不停地采集周围相邻的已入网节点的广播帧中的rssi值，并结合一段时间内的通信情况重新评估新的通信速率。已入网节点。通过相邻节点间的rssi值及通信成功率调节已入网节点间的通信速率，可以有效提升网络带宽，同时又能减少因通信速率慢占用较长的网络通信时间而引起的网络数据冲撞问题。另一方面，灵活的速率选择也不会因较差链路质量使用高速率而导致通信成功率差的问题，保证了网络的稳定性。

本实施例所提供的技术方案，不仅可以增加网络带宽，减少数据冲撞的概率，增强了整个网络健壮性和鲁棒性，同时还可降低延时，减少数据冲撞的概率，增大了网络规模。

实施例二

本实施例提供了一种提升Wi-SUN网络带宽的方法，本实施例所提供的Wi-SUN网络由实施例一所述的Wi-SUN网络的组网方法进行组网，或进行通信速率调节。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。