專利名稱：一種高效快速的LR-WPAN Mesh網絡節點地址分配方法
技術領域：
本發明屬于WPAN (Wireless Personal Area Network,無線個域網)Mesh 網絡節點地址分配技術，特別涉及低速率無線個域網狀網LR (Low Rate )-ffPAN Mesh的節點地址分配方法。
背景技術：
無線Mesh網絡(Wireless Mesh Networks, WMNs)是一種具有網狀拓撲的分布式無線移動通信網絡。與傳統的無線網絡如蜂窩網、無線局域網等不同，無線Mesh網絡采用自組織的多跳方式通過節點間的協作轉發來傳遞數據。由于不依賴固定的基礎設施、組網靈活便捷、網絡覆蓋面積較廣等優點，無線Mesh網絡在無線接入、應急通信、數據采集、專用組網等領域具有廣闊的應用前景。為了能夠在無線個域網WPAN的基礎上支持Mesh結構， IEEE工作組于2009年提出了 IEEE 802. 15. 5標準(參見文獻IEEE Recommended Practicefor Information Technology-Part 15.5: Mesh Topology Capability in WirelessPersonal Area Networks (WPANs) [S], 2009);該標準繼承了 802. 15. I 802. 15. 4 標準的一些基本思想(如低功耗、低成本等)，提供了一種結構框架，在不需要ZigBee或IP路由支持的情況下，使WPAN設備能夠支持互操作的、穩定的和可擴展的無線網狀拓撲結構。IEEE 802. 15. 5標準由兩部分組成低速率無線個域網狀網LR-WPAN Mesh和高速率無線個域網狀網 HR (High Rate) -WPAN Mesh ;其中 LR-WPAN Mesh 的 MAC 層由 IEEE 802. 15. 4 標準定義(參見文獻IEEE Standard for Information Technology-Part 15. 4: WirelessLAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications forLow-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) [S], 2006),在家庭和工業自動化控制、環境檢測、自動儀表和個人健康監控方面具有廣泛的應用；而HR-WPAN Mesh的MAC層則由IEEE 802. 15. 3/3b定義(參見文獻史曉晨，劉凱明，高錦春，劉元安.無線個域網Mesh網絡標準-IEEE802. 15. 5[J].計算機應用研究，2011，28(1) : 43-246)，可以支持新興的多媒體應用，如視頻會議和家庭環境中的高清晰度電視(HDTV)等。IEEE 802. 15. 5標準為LR-WPAN Mesh中的節點提供了兩種地址全球唯一的64比特的地址(作為MAC地址)和可重復使用的16比特的地址(作為網絡地址)。雖然使用全球唯一的64比特MAC地址可以避免沖突，但由于該類地址偏長，易造成網絡資源的浪費，因此在網絡形成后，可以考慮采用16比特的地址進行通信。在使用16比特的地址之前，需要對LR-WPAN Mesh中的節點進行地址分配。地址分配的主要目的，是通過分配16比特地址到網絡中的每個節點代替64比特MAC地址用于數據通信，減少通信過程中地址域的開銷；同時，在以單播路由方式傳輸數據時，用地址尋找下一跳可以無需路由發現，減少存儲空間占用、能量消耗和通信開銷。為敘述簡便，如無專門說明，下文所述“地址”皆指16比特的短地址。IEEE 802. 15. 5標準中的LR-WPAN部分包括了地址分配功能，其給出的地址分配方法如下
(I)協調器節點(coordinator)初始化后,通過廣播信標巾貞通知周圍節點加入樹。(2)節點通過主動掃描比較信標幀中攜帶的鏈路質量和樹的深度信息選擇一個父節點回復入網申請消息，完成關聯，建立節點之間的父子關系。(3)作為路由設備(Mesh device)的節點加入樹后通過廣播信標幀通知周圍節點加入。(4)每個節點加入網絡后都會設置一個時間閾值；如果等待時間超過了該閾值，但沒有收到任何其他節點發給自己的入網申請消息，則該節點作為葉節點發送地址申請消息到父節點，消息中包括子節點個數(此時為I)和預留地址個數字段。(5)非葉節點的節點收齊所有子節點的地址申請消息后，生成I個地址申請消息，計算子節點個數和預留地址個數之和，將結果填入地址申請消息的子節點個數和預留地址個數字段，然后將該地址申請消息發送到父節點。 (6)協調器收齊所有子節點的地址申請后，根據子節點個數和預留地址個數發送連續的地址塊給每個子節點；地址塊包括起始地址和結束地址，指示子節點可分配地址的范圍，起始地址代表該子節點的地址。未得到短地址的節點采用MAC地址進行通信。目前在IEEE 802. 15系列標準中涉及樹結構地址分配的方案還有IEEE 802. 15. 4標準規定的 ZigBee 地址分配機制 DAAM (Distributed Address Assignment Mechanism)。在DAAM機制中，ZigBee地址分配之前首先要預設3個網絡拓撲參數父節點允許接納的子節點最大個數Cm ;父節點允許接納的路由子節點最大個數Rm ；網絡的最大深度Lm。協調器節點初始化后廣播信標幀通知周圍節點加入樹，并接受入網申請；其他節點通過比較收到的信標幀中樹的深度信息選擇一個父節點回復入網申請消息；當已獲得網絡地址的路由節點收到入網申請消息后，由網絡預設參數Cm、Rm、Lm以及本節點的網絡深度d (協調器的網絡深度為0)，通過公式計算出地址偏移量參數Cskip (d)，再由Cskip (d)和子節點序號計算出子節點地址并發送給該子節點；路由節點獲得網絡地址后，如果計算出的Cskip (d)不為0，則繼續廣播信標幀通知周圍節點加入樹。與LR-WPAN的地址分配機制相比，DAAM機制需要預設網絡拓撲參數Cm、Rm, Lm才能計算出為節點分配的地址；由于在不能完全掌握網絡拓撲信息的情況下難以準確預設Cm、Rm, Lm的值，因此有可能造成部分節點無法加入網絡；而LR-WPAN的地址分配方法在收集節點的需求信息之后才分配地址，不需要預設網絡參數，具有更好的可擴展性。Chunhui Zhu 等比較了 ffiEE 802. 15. 5、ZigBee 和 6LoWPAN 三種技術在 Mesh網絡中的應用(參見文獻C.-H. Zhu, J. -L. Zheng, C. Ngo, et al. Low-Rate WPANMesh Network - An Enabling Technology for Ubiquitous Networks[C]. WirelessCommunications and Networking Conference, 2009: 1-6),指出 IEEE 802. 15. 5 標準定義的地址分配機制在地址空間上有更好的可擴展性。Myung J. Lee等研究了葉節點發送地址申請的等待時間閾值參數的設置(參見文獻M. J. Lee, R. Zhang, J. _L. Zheng,et al. IEEE 802.15.5 WPAN Mesh Standard-Low Rate Part: Meshing the WirelessSensor Networks [J], IEEE, 2010, 28(7) : 973-983.)，設計了計算時間閾值 T 的公式T=N-i ^timeintwval,其中i為當前節點的深度,N和time—根據場景的具體情況設置；該公式表明等待時間閾值隨節點深度的增加而減小，可使離協調器近的路由節點盡可能加入網絡，但N和timeintOTval的值需要人為設置，難以適應不同的網絡情況。Woo Suk Ahn等提出了一種在低速WPAN Mesh網絡進行高效地址管理的節點加入機制(參見文獻:W. S. AhnjD. Y. Hwang, Κ. H. Kim. A joining mechanism for efficient address managementin low-rate WPAN Mesh[C]. International Conference on Advanced CommunicationTechnology, 2011: 67-70)，主要用于解決由于樹的層數增加過大和樹的拓撲不均勻(某些節點含有過多的子節點)造成分配的地址不夠用的問題。對于樹的層數增加過大問題，力口入機制主要是通過參考父節點的信息，優先考慮層數最低的節點作為潛在父節點，如果存在多個最低層數相等的潛在父節點，就參考鏈路質量信息進行選擇；對于樹的拓撲不均勻問題，加入機制通過在每個節點都分配到地址塊后，每個葉節點周期性地檢測除自身父節點以外的潛在父節點，參考樹的深度和鏈路質量進行調整加入新的父節點，避免因節點移動帶來的拓撲變化過大造成過多節點無法獲得地址；但該加入機制對于如何減少地址分配開銷和降低分配時延未給出有效方案。從上述技術狀況可以看出在以IEEE 802. 15. 5標準LR-WPAN部分規定的節點地址分配方法為基礎的相關地址分配方法中，終端節點要發送專門的地址申請消息，這個地址申請操作是冗余的；父節點發送給子節點的地址分配消息中的結束地址信息是冗余信 息；部分父節點發送給子節點的地址分配消息中的起始地址信息是冗余信息；協調器收齊所有子節點地址申請消息才能進行地址分配，在時延上存在冗余；路由節點等待子節點地址申請消息的時間閾值在網絡構建時人為預先設定，無法根據網絡條件和運行機制自適應設置，因而在時延上存在冗余。因此根據IEEE 802. 15. 5標準規定LR-WPAN在節點地址分配的控制開銷和時間方面存在冗余，對地址分配的開銷、時延等性能有不利影響，因此，在本發明中我們將提出一種高效快速的節點地址分配方法，對上述問題加以解決。
發明內容
本發明針對IEEE 802. 15. 5標準LR-WPAN部分規定的節點地址分配方法中存在的上述問題,提出一種高效快速的LR-WPAN Mesh網絡節點地址分配方法，從總體上降低LR-WPAN Mesh網絡地址分配的通信開銷和時延。本發明的技術方案針對地址分配消息和操作中存在的冗余，減少冗余的地址分配消息并精簡冗余的地址分配操作，自適應設置路由節點等待地址申請消息的時間閾值，解決現有地址分配方法中存在的通信開銷和地址分配時延偏大的問題，提高地址分配方法的效率，加快節點地址分配過程，節省無線個域網的帶寬資源并延長網絡壽命。本發明解決上述問題的技術方案是提出一種適用于802. 15. 5 LR-ffPAN Mesh網絡的高效快速地址分配方法，去除終端節點的冗余地址申請操作；去除地址分配消息中的結束地址字段地址分配消息只包含起始地址字段，結束地址由子節點申請的地址個數與起始地址相加(地址遞增)或相減(地址遞減)得到，即結束地址=起始地址+地址申請數(地址遞增)或結束地址=起始地址-地址申請數(地址遞減)，從而無需將結束地址信息裝入地址分配消息。去除部分地址分配消息中的起始地址字段。當滿足條件“節點要分配給子節點的地址與它自身地址的偏移量小于地址分配消息中“命令幀標識”字段(Command FrameIdentifier，一個8位的無符號整數型字段)的保留值數量的1/2”時，地址分配消息中的起始地址信息可以由該消息的“命令幀標識”字段捎帶，從而可以去除地址分配消息中的起始地址字段。具體為當父節點準備發送地址分配消息時，判斷需要分配的地址與本節點地址的偏移量，如果偏移量小于“命令幀標識”字段的保留值數量的1/2時，則用地址分配消息的命令幀標識字段的值表征子節點地址對父節點地址的偏移量，去掉地址分配消息的起始地址字段，然后將該地址分配消息發送給子節點。子節點收到地址分配消息后，根據該消息的“命令幀標識”字段的值，自適應判斷地址分配消息是否壓縮了地址字段；如果是，則根據父節點地址和“命令幀標識”字段的值計算分配給自己的地址。協調器提前分配地址。當協調器收到入網申請時，為第一和第二個申請入網的節點分別分配可分配地址中的最小地址(地址0x0001，“Ox”表示十六進制數，下同)和可分配地址中的最大地址(OxFFFE)；已獲得地址的節點在收到第一個入網申請時，為發出該申請的子節點分配地址，根據公式(I)計算子節點地址
子井占財卜_丨本節點地址+ 1，地址從小到大分配
' =I本節點地址-1，地址從大到小分配(D不滿足提前分配條件的子節點發出地址分配請求時，協調器按現有方法規定的方式記錄該請求并等到地址分配條件滿足后再分配地址。路由節點自適應設置等待時間閾值。路由節點根據網絡條件和運行機制動態自適應地設置等待子節點地址申請消息的時間閾值，既能保證收到所有子節點的申請又能去除等待時間上的冗余。路由節點根據公式T=2maemaxBE MUnitBackoffperiod+τ設置時間閾值Τ，其中，aUnitBackoffperiod為CSMA/CA算法進行退避的單位時間，macMaxBE為退避指數最大值，τ為入網申請消息的傳輸時延。路由節點在時間閾值T內檢測信道，如果在時間T內信道一直空閑，則本路由節點作為子節點發送地址申請消息到父節點；如果有其他節點加入路由節點，收齊子節點地址申請后發送地址申請消息到父節點；在發送地址申請消息時路由節點不申請預留地址，在地址分配時不發送結束地址，通過節點地址申請個數和地址分配消息中的起始地址計算結束地址；協調器根據收到的地址申請消息和子節點信息判斷是否分配地址，如果滿足地址分配條件，協調器為子節點分配地址，直至所有子節點都分配地址；當路由節點收到單播給自己的消息后，根據節點地址增減屬性為子節點分配地址。協調器根據收到的地址申請消息和子節點信息判斷是否分配地址。具體為協調器收到地址申請消息時，對第一和第二個發送地址申請消息的節點分別分配可分配地址中的最小地址0x0001和可分配地址中的最大地址OxFFFE，第三個及以后發來地址申請消息的節點暫不分配地址。當一個路由節點收到父節點發送給自己的地址分配消息時，判斷自己有無子節點，如果有子節點，進一步判斷自己是否存儲有地址申請消息，如果沒有存儲地址申請消息，則根據收到的地址分配消息中的“命令幀標識”字段值或自己的地址與父節點地址的大小關系，得到本節點的地址增減屬性。除協調器以外的其他節點分為地址遞增和地址遞減兩類屬性的節點，地址為0x0001的節點為地址遞增節點，地址為OxFFFE的節點為地址遞減節點。當協調器收到申請數量為η的子節點發送的地址申請消息時，如果是由未分配地址的子節點發出，協調器記錄地址申請；如果是由已分配地址的子節點發出，協調器根據該子節點的地址增或減屬性，為子節點分配地址，如果是地址遞增節點，則協調器為子節點分配的地址分別為k+n、k+n+a、k+n+a+b、k+n+a+b+c、…；如果是地址遞減節點，則協調器分配的地址分別為k-n、k-n-a、k-n_a_b、k_n-a-b_c、.··，其中，未分配地址的子節點個數分別為a、b、C、…，k為子節點地址。當路由節點收到申請數量為η的子節點發送的地址申請消息時，如果地址申請是由地址為q的子節點發出，根據節點的地址增減屬性分配地址，如果本節點為遞增節點，分配地址分別為q+n、q+n+a、q+n+a+b、q+n+a+b、…;如果本節點是遞減節點，分配地址分別為q-n、q-n-a、q-n-a-b、q-n-a_b、…，其中，發出請求的未分配地址的子節點的個數分別為a、b、C、…。路由節點利用地址分配消息中的“命令幀標識”字段未使用的值(OxlS-OxFF)攜帶分配給子節點的地址偏移信息，去掉地址分配消息中的“起始地址”字段，具體為當地址為k的路由節點需要將地址
權利要求
1.一種高效快速的LR-WPAN Mesh網絡節點地址分配方法，其特征是路由節點在時間閾值T內檢測信道，如果在時間T內信道一直空閑，則本路由節點作為子節點發送地址申請消息到協調器，如果有其他節點加入路由節點，收齊子節點地址申請后發送地址申請消息到協調器，在發送地址申請消息時路由節點不申請預留地址，在地址分配時不發送結束地址，通過節點地址申請個數和地址分配消息中的起始地址計算結束地址；協調器根據收到的地址申請消息和子節點信息判斷是否分配地址，如果滿足地址分配條件，協調器為子節點分配地址，直至所有子節點都分配地址；當路由節點收到單播給自己的消息后，根據節點地址增減屬性為子節點分配地址。
2.根據權利要求I所述的地址分配方法，其特征是采用動態自適應的方法設置時間閾值 T,根據公式T=2maeMaxBE · aUnitBackoffperiod+ τ 確定 Τ,其中，aUnitBackoffperiod為CSMA/CA算法進行退避的單位時間，macMaxBE為退避指數最大值，τ為入網申請消息的傳輸時延。
3.根據權利要求I所述的地址分配方法，其特征是協調器根據收到的地址申請消息和子節點信息判斷是否分配地址具體為協調器收到地址申請消息時，對第一和第二個發送地址申請消息的節點分別分配可分配地址中的最小地址0x0001和可分配地址中的最大地址OxFFFE，第三個及以后發來地址申請消息的節點暫不分配地址。
4.根據權利要求I所述的地址分配方法，其特征是當一個路由節點收到父節點發送給自己的地址分配消息時，判斷自己有無子節點；如果有子節點，則進一步判斷自己是否存儲有地址申請消息；如果沒有存儲地址申請消息，則根據收到的地址分配消息中的“命令幀標識”字段值或自己的地址與父節點地址的大小關系，得到本節點的地址增減屬性。
5.根據權利要求3所述的地址分配方法，其特征是除協調器以外的其他節點分為地址遞增和地址遞減兩類屬性的節點，地址為0x0001的節點為地址遞增節點，地址為OxFFFE的節點為地址遞減節點。
6.根據權利要求3所述的地址分配方法，其特征是當協調器收到申請數量為η的子節點發送的地址申請消息時，如果是由未分配地址的子節點發出，協調器記錄地址申請；如果是由已分配地址的子節點發出，協調器根據該子節點的地址增或減屬性，為子節點分配地址，如果是地址遞增節點，則協調器為子節點分配的地址分別為k+n、k+n+a、k+n+a+b、k+n+a+b+c、…；如果是地址遞減節點，則協調器分配的地址分別為k_n、k_n_a、k-n-a-b、k-n-a-b-c、···,其中，未分配地址的子節點個數分別為a、b、c、為子節點地址。
7.根據權利要求4所述的地址分配方法，其特征是當路由節點收到申請數量為η的子節點發送的地址申請消息時，如果地址申請是由地址為q的子節點發出，根據節點的地址增減屬性分配地址，如果本節點為遞增節點，分配地址分別為q+n、q+n+a、q+n+a+b、q+n+a+b、…;如果本節點是遞減節點，分配地址分別為q-n、q-n-a、q-n-a-b、q-n-a_b、…，其中，發出請求的未分配地址的子節點的個數分別為a、b、c、…。
8.根據權利要求4所述的地址分配方法，其特征是路由節點利用地址分配消息中的“命令幀標識”字段未使用的值(OxlS-OxFF)攜帶分配給子節點的地址偏移信息，去掉地址分配消息中的“起始地址”字段，具體為當地址為k的路由節點需要將地址j分配 I R給子節點時，如果2 成立，則該路由節點用“命令幀標識”字段的值f攜帶分配給子節點的地址偏移，且刪除地址分配消息中的“起始地址”字段；根據公式
9.根據權利要求8所述的地址分配方法，其特征是當一個節點收到父節點發來的地址分配消息且該消息中的“命令幀標識”字段的值位于0x18到OxFF之間時，根據公式
全文摘要
本發明提出一種高效快速的LR-WPAN Mesh網絡節點地址分配方法。在地址申請階段去除終端節點的冗余地址申請，并且路由節點自適應設置等待時間閾值；在地址分配階段去除地址分配消息中的“結束地址”字段、去除部分地址分配消息中的“起始地址”字段，并且協調器提前分配地址。本發明通過去除終端節點的冗余地址申請操作和地址分配消息的冗余字段、使協調器無需收齊所有子節點的地址申請消息便能提前為部分節點分配地址以及為路由節點自適應設置等待時間閾值等操作，能夠減少通信開銷，節省網絡帶寬，減小地址分配時延，加快節點地址分配進程。
文檔編號H04L29/12GK102970392SQ20121055171
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者任智, 劉硯, 陳前斌, 徐中浩, 陳紅, 曹亞楠 申請人:重慶郵電大學