[發(fā)明專利]基于LoRa的無中心自組織網絡的實現(xiàn)方法

在審

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• 申請日: 2017-07-10
• 公開（公告）號: CN107396418A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設計）人: 劉乃安;陳方亭
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W40/24;H04W84/18
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心61205
• 代理人: 王品華,朱紅星

技術領域

本發(fā)明屬于通信技術領域，特別涉及一種無中心自組織網絡的實現(xiàn)方法，可用于LoRa無線自組織網絡中多個節(jié)點之間的遠距離通信。

背景技術

典型的無線傳感器網絡中，一般采用兩級組網方案，傳感器節(jié)點僅作為數(shù)據(jù)采集器，將數(shù)據(jù)傳遞給網關進行存儲和進一步處理。這種方式的弊端在于：當網關出現(xiàn)故障時，所有連接在此網關的節(jié)點將不能進行正常通信，網絡魯棒性較差，配置復雜、維護/使用門檻高。并且傳感器節(jié)點通常采用電量十分有限的電池來提供能量，有限的能量必然導致通信能力的受限，通信距離較短。LoRa作為一種低功耗無線技術，基于Sub-GHz的頻段使其更易以較低功耗遠距離通信，可以使用電池供電或者其他能量收集的方式供電。較低的數(shù)據(jù)速率也延長了電池壽命，增加了網絡的容量。而且LoRa信號對建筑的穿透力也很強，成本較低?；贚oRa的低功耗遠距離無線自組網，能夠解決目前物聯(lián)網中存在的節(jié)點供電不足、能耗較大、范圍受限的問題。

無線傳感器網絡WSN是由部署在特定區(qū)域內大量的靜止或移動的微型傳感器節(jié)點通過無線通信的方式形成的一個多跳分布式自組織網絡系統(tǒng)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網絡的所有者。由于其功耗、成本等技術的限制，現(xiàn)有的無線傳感器網絡大都使用zigbee技術，傳輸距離300米左右，必須采用多跳才能覆蓋較大的區(qū)域?，F(xiàn)有的無線傳感器網路的缺點是：要想擴大覆蓋的范圍需要復雜的路由轉發(fā)技術，功耗較大，降低了傳感器節(jié)點的使用壽命。降低節(jié)點的能量消耗成為WSN首要考慮的因素。

傳統(tǒng)的Ad hoc網絡中，各個節(jié)點對數(shù)據(jù)轉發(fā)依靠傳統(tǒng)的IP路由技術，在收到數(shù)據(jù)包時，要先把數(shù)據(jù)包拆封，送到網絡層處理此包，找到包中包含的IP地址與自身節(jié)點的路由表匹配，確定是否有到達目的節(jié)點的路由，若有就直接把數(shù)據(jù)包轉發(fā)出去，若沒有則要發(fā)起路由包建立路由，利用逐跳的方式發(fā)送請求，又以逐跳的方式返回路由，最終建立起一個傳輸路徑，但在路徑建立之后，數(shù)據(jù)包的轉發(fā)中每個節(jié)點都要把數(shù)據(jù)包頭的IP地址拆分出來進行路由匹配之后再轉發(fā)。這個過程還是比較費時的，數(shù)據(jù)包要傳到路由層才能夠做出處理。而且IP包頭的一般固定部分長度是20個字節(jié)，網絡開銷較大。

LoRaWAN是由LoRa聯(lián)盟推出的一個低功耗廣域網規(guī)范，LoRaWAN網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，在這個網絡架構中，LoRa網關是一個透明的中繼，連接終端設備和服務器。網關與服務器通過標準IP連接，而終端設備采用單跳與一個或多個網關通信，所有的節(jié)點均是雙向通信。這種實現(xiàn)方式的優(yōu)點是：網關可以實現(xiàn)多通道并行接收,同時處理多路信號，這大大增加了網絡容量。缺點是：對于網關的技術要求極高，也因此限制了LoRa的應用，而且網關出現(xiàn)故障時，所有連接在此網關的節(jié)點將不能進行正常通信，網絡魯棒性較差。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術存在的缺陷，提出一種基于LoRa的無線自組織無中心網絡的實現(xiàn)方法，以降低無線傳感器網絡IP層路由協(xié)議的網絡開銷和功耗，提高網絡的魯棒性。

本發(fā)明的技術思路是：通過在物理層采用LoRa技術，在mac層實現(xiàn)路由協(xié)議建立LoRa的無中心自組織網絡。

根據(jù)上述技術思路，實現(xiàn)本發(fā)明目的采取的技術方案，包括如下：

(1)在mac層發(fā)送節(jié)點發(fā)送三種消息幀，即域定時器幀、鏈路狀態(tài)幀和數(shù)據(jù)幀；

(2)在mac層接收節(jié)點接收消息幀，并判斷幀類型，若接收的為定時器幀，則執(zhí)行步驟(2a),若接收的為鏈路狀態(tài)幀，則執(zhí)行步驟(2b)，若接收的為數(shù)據(jù)幀，則執(zhí)行步驟(2c)；

2a)對域定時器幀進行如下處理：

2a1)從域定時器幀中獲取當前“域級”的信息；

2a2)檢查鄰居節(jié)點表是否存在過期的鄰居節(jié)點，若有，刪除過期鄰居節(jié)點，并采用迪杰斯特拉Dijkstra算法計算最短路徑，更新拓撲結構表中的鄰居節(jié)點信息，并將需發(fā)送標志設為真，再執(zhí)行(2a3)；否則，直接執(zhí)行步驟(2a3)；

2a3)判斷拓撲結構表中的節(jié)點是否位于該域級內，將“域級”內節(jié)點的鏈路狀態(tài)信息插入鏈路狀態(tài)幀中，并將鏈路狀態(tài)幀廣播給鄰居節(jié)點；

2a4)待所有需要發(fā)送的鏈路狀態(tài)信息都處理完后，再預約下一次“域級”定時器，執(zhí)行步驟(3)；

2b)對鏈路狀態(tài)幀進行如下處理：