CN105072659B - 一种高传输率多跳无线传感器网络 - Google Patents

一种高传输率多跳无线传感器网络 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高传输率多跳无线传感器网络，该组网由一个具有在N条信道上通信的N个独立射频模块的无线网关、N个具有双射频模块的路由节点、不同信道的N个簇上的叶子节点组成。由于N个路由节点具有对应不同信道的第一射频模块和第二射频模块，因此每一个路由节点能够同时进行数据包的接收和发送，从而能够极大的提高数据的传输效率。不同信道的N个簇上的叶子节点将数据发送到对应信道上的N个路由节点，由这N个路由节点将数据逐级传递发送给第M级路由节点，然后由第M级路由节点将数据转发给有N个信道的无线网关。真正实现了远距离、高传输率的数据传输方式。

Description

一种高传输率多跳无线传感器网络
技术领域
本发明涉及一种无线传感技术领域，具体涉及一种高传输率多跳无线传感器网络。
背景技术
无线传感网络***有很广泛的应用领域，例如结构健康监测、视频监控、车辆监控、生产环境及设备状态监控、人体健康监测等。其中，许多应用领域对无线传感网络所具备的远距离数据传输效率提出了更高要求，需要无线传感器网络***在多跳远距离传输下能够有更高的数据传输率。
如多媒体数据传输，结构健康监测等无线传感网络都是面向高传输率、大数据量的无线传感器网络***的应用领域。以美国金门大桥的结构健康监测为例，大桥上布置了64个加速度传感器。在一个周期的采样后，***会产生20MB的数据，数据量非常大。在多媒体数据传输中，为了保持数据的流畅性，更需要高数据传输率。但是基于IEEE802.15.4协议的传输速率最大才能达到250kbps，当组网网络的数据量变大时，该网络速率已经无法满足要求。因此需要多信道网络来提高网络带宽，增加多个信道以提高网络的传输率。但多信道协议不能解决节点单射频模块结构带来的限制，常用无线节点如Micaz、Telosb及Imote等，均为单控制芯片单射频模块结构，不能同时处理多个信道内数据，实时性不足，数据容量受限于IEEE 802.15.4协议规定的250kbps，多个信道传输的数据仍需由基站通过依次切换信道进行接收；大多数多信道协议需要节点以较高频率发送信标帧控制信道，占用数据帧的发送时隙，加大了数据容量的负担。因此单射频模块多信道网络的数据传输率仍然受到了单射频模块的严重制约。
当网络传输范围较大时，如何在不影响网络高传输率的情况下，实现网络的数据传输的距离延伸，也是一个需要解决的问题。目前，为实现多跳远距离的连续传输，国内外许多科研机构通过部署具有复杂路由协议的路由节点进行网络的数据传输延伸。这些路由节点虽然能够延伸传输距离，但是路由节点的引入却极大降低了网络的传输率和网络吞吐量。首先，路由节点上的复杂的路由软件协议会极大占用节点资源和运行效率；其次，路由节点一般都是单射频模块节点，无法在同一时刻实现并行接收和发送数据，从而导致数据不能实时地进行中转。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中无线传感器网络在长距离时传输率低、在多节点时网络传输带宽利用率低。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高传输率多跳无线传感器网络，包括N条信道、N簇叶子节点、N组路由节点和一个无线网关；每一组路由节点中包括M级路由节点，N和M均为大于1的自然数；其中：
同一个信道里面的叶子节点将数据包在各自的发送信道上发到对应接收信道上的第一级路由节点，第一级路由节点逐级将数据包发送到第M级路由节点，最后第M级路由节点将数据发送给无线网关；无线网关将控制命令发送给第M级路由节点，第M级路由节点将控制命令逐级发送到第一级的路由节点上，然后第一级路由节点将控制命令广播到对应信道的所有叶子节点，每一叶子节点根据控制指令执行相应动作。
优选地，所述的高传输率多跳无线传感器网络中，每一路由节点利用发送数据包的空隙时间接收相应信道上的控制指令，利用接收数据包的空隙时间将控制指令发送至与其对应相同信道的上一级路由节点。
优选地，所述的高传输率多跳无线传感器网络中，每一路由节点包括对应不同信道的第一射频模块和第二射频模块；
第一射频模块用于接收相应信道上的数据包，并利用接收数据包的空隙时间将控制指令转发至与其对应相同信道的上一级路由节点或者叶子节点；
第二射频模块用于接收相应信道上的控制指令，并利用接收控制指令的空隙时间将数据包转发至与其对应相同信道的下一级路由节点或者无线网关。
优选地，所述的高传输率多跳无线传感器网络中，无线网关包括N个独立射频模块和一个控制射频模块；
每一独立射频模块，用于接收相应信道上的M级路由节点发送的数据包；
控制射频模块，用于周期性地发出用于保证所有叶子节点的时间同步的控制指令。
优选地，所述的高传输率多跳无线传感器网络中，无线网关、每一路由节点以及每一叶子节点均工作在相同频段。
优选地，所述的高传输率多跳无线传感器网络中，相同频段为2.42-2.4835GHZ或者频段233MHZ-928MHZ或者频段5.725-5.850GH。
优选地，所述的高传输率多跳无线传感器网络中，频段2.42-2.4835GHZ下，叶子节点与第一级路由节点之间、相邻两级路由节点之间、第M级路由节点与无线网关之间的最大传输距离为100米；
频段2.42-2.4835GHZ和频段233MHZ-928MHZ下，叶子节点与第一级路由节点之间、相邻两级路由节点之间、第M级路由节点与无线网关之间的最大传输距离为7000米。
优选地，所述的高传输率多跳无线传感器网络中，每一叶子节点采用CSMA机制发送状态或者TDMA机制发送状态；
采用CSMA机制发送状态发送数据包时，只要叶子节点检测到相应信道空闲即发送数据包；
采用TDMA机制发送状态时，叶子节点按照预设的时序发送数据包。
优选地，所述的高传输率多跳无线传感器网络中，无线网关，还用于通过检测数据包的帧格式和包长度过滤错误数据包或者乱码数据包。
优选地，所述的高传输率多跳无线传感器网络中，无线网关，还用于在接收到的数据包尾部增加CRC校验码。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的高传输率多跳无线传感器网络，包括具有在N条信道上通信的N个独立射频模块的无线网关、N个具有双射频模块的路由节点、不同信道的N个簇上的叶子节点成。由于路由节点具有对应不同信道的第一射频模块和第二射频模块，因此可以同时利用两个射频模块分别进行数据包的接收和发送。第一射频模块可以利用接收上一级路由节点数据的空隙时间发送控制指令，第二射频模块可以利用向下一级路由节点发送数据的空隙时间接收控制指令，从而能够极大的提高数据的传输效率。第一射频模块和第二射频模块可以同时接收来自上一级路由节点的数据包和来自下一级路由节点的控制命令。
本发明中，不同信道的N个簇上的叶子节点根据TDMA(Time Division MultipleAccess)协议或者CSMA(Carrier Sense Multiple Access)协议将数据发送到对应信道上的N个第一级路由节点，由这N个第一级路由节点将数据逐级传递给第M级路由节点，然后由第M级路由节点将数据转发给有N个信道的无线网关。采用上述方案，如果是2.4GHZ网络在一跳为40-70m的情况下，N个信道中每个信道最大传输率可达到1Mbps左右，整个网络最大传输率可到N*1Mbps左右。如果是1GHZ以下网络则能够实现在一跳为3km-7km的情况下，N个信道中每个信道最大传输率可达到1Mkbps左右，整个网络最大传输率可到N*1Mbps左右。实现了远距离、高传输率的数据传输方式。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明一个实施例所述无线传感器网络的组网示意图；
图2为本发明一个实施例所述无线网关硬件核心架构示意图；
图3为本发明一个实施例所述无线网关高速接收数据包FIFO架构示意图；
图4为本发明一个实施例所述无线网关快速统计有效数据包示意图；
图5为本发明一个实施例所述基于2.4G频段的叶子节点的发包格式；
图6为本发明一个实施例所述基于2.4G频段的无线网关数据收包包校验流程图；
图7为本发明一个实施例所述1GHZ频段以下叶子节点最大装载有效数据包格式图；
图8为本发明一个实施例所述1GHZ频段以下无线网关数据收包包校验流程图；
图9为本发明一个实施例所述路由节点核心模块示意图；
图10为本发明一个实施例所述路由节点架构示意图；
图11为本发明一个实施例所述叶子节点的极限情况下的发包流程图；
图12为本发明一个实施例所述叶子节点的TDMA机制下的发包流程图；
图13为本发明一个实施例所述所有信道下的丢包率统计图。
具体实施方式
本实施例提供一种高传输率多跳无线传感器网络，如图1所示，包括N条信道、N簇叶子节点、N组路由节点和一个无线网关；每一组路由节点中包括M级路由节点，N和M均为大于1的自然数；其中：同一个信道里面的叶子节点将数据包在各自的发送信道上发到对应接收信道上的第一级路由节点，第一级路由节点逐级将数据包发送到第M级路由节点，最后第M级路由节点将数据发送给无线网关；无线网关将控制命令发送给第M级路由节点，第M级路由节点将控制命令逐级发送到第一级的路由节点上，然后第一级路由节点将控制命令广播到对应信道的所有叶子节点，每一叶子节点根据控制指令执行相应动作。
具体地，每一个路由节点包括对应不同信道的第一射频模块和第二射频模块，第一射频模块用于接收相应信道上的数据包，第二射频模块用于将数据包发送至与其对应相同信道的下一级路由节点。其中，第一级路由节点接收相应信道上的叶子节点发送的数据包，第M级路由节点将数据包发送至无线网关。无线网关，包括N个独立射频模块和一个控制射频模块，每一独立射频模块接收相应信道上的M级路由节点发送的数据包；控制射频模块，周期性地发出用于保证所有叶子节点的时间同步的控制指令至对应信道上的M级路由节点；M级路由节点将控制指令发送至对应信道上的上一级路由节点，每一路由节点的第二射频模块用于接收相应信道上的控制指令，第一射频模块用于将控制指令发送至与其对应相同信道的上一级路由节点，直至第一级路由节点接收到控制指令；第一级路由节点将控制指令发送至对应簇中的所有叶子节点，每一叶子节点根据控制指令执行相应动作。其中的控制指令包括进行配置节点初始化，参数配置，时间同步调节，晶振漂移误差消除等。
上述方案中，每一路由节点中，第一射频模块可以利用接收上一级路由节点数据的空隙时间发送控制指令，第二射频模块可以利用向下一级路由节点发送数据的空隙时间接收控制指令，大大提高了数据传输效率。其中第一级路由节点通过第一射频模块接收来自属于该信道中的所有叶子节点的数据包，然后通过第二射频模块将数据包发送到下一级路由节点。第M级路由节点将数据包通过第二射频模块最后发送给无线网关。其他路由节点通过第一射频模块接收上一级路由节点的数据包，并通过第二射频模块将数据包发送到下一级路由节点的第一射频模块。在上述的数据包发送和传输过程中，每个路由节点对数据包包不进行任何校验，也不进行包长度的统计。
本实施例中，如图2所示，无线网关在N条信道上通信，无线网关包括一个射频子***，射频子***中包括N个独立射频模块，用于接收来自第M级路由节点上的数据，还包括一个控制射频模块用于发送控制命令给第M级路由节点。
无线网关高速接收数据包FIFO(First Input First Output)架构如图3所示。软件结构从下至上经过射频接收层即包括N个独立射频模块、射频管理层即包括射频管理状态机、数据处理缓存层包括数据处理状态机、FIFO管理控制层及USB数据通信层。射频管理状态机主要功能包括：(1)上电初始化独立射频模块；(2)响应独立射频模块接收到数据后发出的中断信号，读取数据包；(3)状态异常时复位独立射频模块。数据处理状态机的主要功能包括：(1)按照HDLC协议处理读取的数据包；(2)在数据包尾部增加CRC校验码，用于监控中心的数据传输正确性校验；(3)将处理完的数据包存入数据存储单元中相应的FIFO；FIFO的读写使能受FIFO管理控制层控制。当FIFO管理控制层从FIFO中读取数据时，关闭FIFO的写使能，直到FIFO内的数据被完全移出。FIFO管理控制层包括FIFO扫查状态机、FIFO管理状态机和数据流模块。FIFO扫查状态机不断依次扫查所有通道内FIFO的空满情况，FIFO管理状态机根据扫查结果，对FIFO进行控制。
无线网关中的FIFO模块通过FPGA芯片校验帧格式和包长及时过滤错误数据包和乱码数据包，保证接收有效数据包。无线网关快速统计数据包如图4所示。首先，无线网关初始化所有内部状态机和射频模块，然后启动所有射频模块并行等待数据到来触发，当任何一个独立射频模块检测到该独立射频模块上的FIFOP管脚为高，则表示有一次数据包到来。无线网关对该数据包的大小和帧格式进行校验，如果该包校验正确则将数据包统计加一，并将统计个数上传至上位机；反之，则丢弃该数据包也不进行统计。整个流程保证无线网关上传的数据包都是正确的，从而减少了上位机校验错包所耽误的时间。
上述实施例中，每一无线网关、每一路由节点以及每一叶子节点均工作在相同频段，即频段2.42-2.4835GHZ或者频段233MHZ-928MHZ或者频段5.725-5.850GH。如果网络工作在2.4GHZ频段下，那么叶子节点有效装载最大包长一般为125字节，如图5所示。无线网关收到这个频段下叶子节点的数据包后进行包校验流程图如图6所示。无线网关收到一个数据包后，进行校验帧1和校验帧2的校验，然后再进行数据包长度的校验，以上任何一次校验错误都丢弃该包的接收并进行下一次接收。如果这些校验正确开始以字节为单位循环接收数据包并开始计数，当计数值增加到125字节时进行校验帧3的校验。如果校验正确则继续接收校验码，反之丢弃该包。其中，校验帧1、校验帧2、校验帧3为用户自定义帧，与图5中的数据包格式一致。如果网络工作在1GHZ频段以下，那么叶子节点有效装载最大包长一般为64字节，如图7所示。无线网关收到这个频段下叶子节点的数据包后进行包校验流程图如图8所示。无线网关收到一个数据包后，进行TX头和包长的校验，以上任何一次校验错误都丢弃该包的接收并进行下一次接收。如果这些校验正确开始以字节为单位循环接收数据包并开始计数，当计数值增加到64字节时进行校验帧3的校验。如果校验正确则继续接收校验码，反正丢弃该包。其中，校验帧3为用户自定义帧。
路由节点核心模块示意图如图9所示。路由节点上有两个信道不同的射频模块，这两个模块分别为第一射频模块和第二射频模块。双射频模块路由节点软件架构如图10所示。软件结构从下至上经过射频接收层即包括第一射频模块和第二射频模块、射频管理层包括射频管理状态机、数据处理层包括
控制命令报处理状态机和传感数据包处理状态机、FIFO管理控制层。射频管理状态机主要功能包括：(1)上电初始化射频模块；(2)响应射频模块接收传感数据或者同步数据包发出的中断信号，读取传感数据包或者同步数据包；数据处理状态机的主要功能包括：(1)将传感数据或者同步数据包从射频模块中写入到FIFO；(2)从FIFO中取出传感数据或者同步数据包写入到射频模块。除了第一级和第M级路由节点外，其他路由节点的接收信道与上一个路由节点的发送信道值相同、发送信道与下一个路由节点的接收信道值相同。第一级路由节点通过第一射频模块接收来自属于其接收信道中的所有叶子节点的数据，并通过第二射频模块将数据发送到下一级路由节点的第一射频模块上。此后，以此类推，上一级的路由节点通过第二射频模块将数据发送到下一级双射频模块路由节点的第一射频模块上，直到第M级路由节点。第M级路由节点将数据通过第二射频模块发送给具有在N种信道上通信的N个独立射频模块的无线网关。叶子节点与第一级路由节点之间、每一级(非第一级和第M级)路由节点之间、第M级路由节点与无线网关之间的最大传输距离在频段2.42-2.4835GHZ和频段233MHZ-928MHZ时分别为100米和7000米。每个路由节点的发送信道与接收信道值不同，从而保证了每个路由节点可以同时进行数据的接收和发送。
本实施例中，每一叶子节点采用CSMA机制发送状态即最大发送率状态或者TDMA机制发送状态。在最大发送率状态下叶子节点需要尽量提高数据包中有效包的长度和单位时间内叶子节点的发包个数，因此不采用任何操作***、路由协议MAC(Multiple AccessControl)层协议和路由协议，而是直接采用硬件触发的方式只要检测到CCA(ClearChannel Assessment)空闲就按照CSMA侦测规则去发送数据包，叶子节点极限发送数据包流程如图11所示。当叶子节点节点初始化完成后，叶子节点把首尾校验帧、满载数据包以及包长写入到射频模块的TXFIFO时，叶子节点就开始侦测CCA空闲状态，如果CCA处于空闲状态时，叶子节点将首尾校验帧、满载数据包发送出去。另外一种是节点处于TDMA机制的数据发送状态，在这种状态下每个叶子节点把首尾校验帧、满载数据包以及包长写入到射频模块的TXFIFO时，叶子节点就开始侦测是否到达时隙发包时间，如果达到发包时间，叶子节点将首尾校验帧、满载数据包发送出去，如图12所示。
采用本实施例中的上述方案，以8个信道为例的无线传感器网络为例进行试验，经过24小时测试，如图13所示，在无线网关上最后测试得到的每个信道的丢包率在千分之一以下，具有非常高的准确率。
采用本实施例中的上述方案，如果是2.4GHZ网络则能够实现在一跳为40-70m的多跳情况下，N信道中每个信道下最大传输率可达到1Mbps左右，整个网络最大传输率可到N*1Mbps左右。如果是1GHZ以下网络则能够实现在一跳为3km-7km的多跳情况下，N信道中每个信道下最大传输率可达到1Mkbps左右，整个网络最大传输率可到N*1Mbps左右。实现了远距离、高传输率的数据传输方式。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种高传输率多跳无线传感器网络，其特征在于，包括N条信道、N簇叶子节点、N组路由节点和一个无线网关；每一组路由节点中包括M级路由节点，N和M均为大于1的自然数；其中：
同一个信道里面的叶子节点将数据包在各自的发送信道上发到对应接收信道上的第一级路由节点，第一级路由节点逐级将数据包发送到第M级路由节点，最后第M级路由节点将数据发送给无线网关；无线网关将控制命令发送给第M级路由节点，第M级路由节点将控制命令逐级发送到第一级的路由节点上，然后第一级路由节点将控制命令广播到对应信道的所有叶子节点，每一叶子节点根据控制指令执行相应动作；
每一路由节点利用发送数据包的空隙时间接收相应信道上的控制指令，利用接收数据包的空隙时间将控制指令发送至与其对应相同信道的上一级路由节点；每一路由节点包括对应不同信道的第一射频模块和第二射频模块；第一射频模块用于接收相应信道上的数据包，并利用接收数据包的空隙时间将控制指令转发至与其对应相同信道的上一级路由节点或者叶子节点；第二射频模块用于接收相应信道上的控制指令，并利用接收控制指令的空隙时间将数据包转发至与其对应相同信道的下一级路由节点或者无线网关；
无线网关包括N个独立射频模块和一个控制射频模块；每一独立射频模块，用于接收相应信道上的M级路由节点发送的数据包；控制射频模块，用于周期性地发出用于保证所有叶子节点的时间同步的控制指令。
2.根据权利要求1所述的高传输率多跳无线传感器网络，其特征在于：
无线网关、每一路由节点以及每一叶子节点均工作在相同频段。
3.根据权利要求2所述的高传输率多跳无线传感器网络，其特征在于：
相同频段为2.42-2.4835GHZ或者频段233MHZ-928MHZ或者频段5.725-5.850GH。
4.根据权利要求3所述的高传输率多跳无线传感器网络，其特征在于：
频段2.42-2.4835GHZ下，叶子节点与第一级路由节点之间、相邻两级路由节点之间、第M级路由节点与无线网关之间的最大传输距离为100米；
频段233MHZ-928MHZ下，叶子节点与第一级路由节点之间、相邻两级路由节点之间、第M级路由节点与无线网关之间的最大传输距离为7000米。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高传输率多跳无线传感器网络，其特征在于：
每一叶子节点采用CSMA机制发送状态或者TDMA机制发送状态；
采用CSMA机制发送状态发送数据包时，只要叶子节点检测到相应信道空闲即发送数据包；
采用TDMA机制发送状态时，叶子节点按照预设的时序发送数据包。
6.根据权利要求5所述的高传输率多跳无线传感器网络，其特征在于：
无线网关，还用于通过检测数据包的帧格式和包长度过滤错误数据包或者乱码数据包。
7.根据权利要求6所述的高传输率多跳无线传感器网络，其特征在于：
无线网关，还用于在接收到的数据包尾部增加CRC校验码。
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