本發(fā)明涉及無線自組織網(wǎng)絡技術領域，特別是涉及一種無線自組織網(wǎng)絡構建方法。

背景技術：

無線通信需要劃分物理頻點或者頻段，為各無線設備間的通信提供傳輸媒介。在現(xiàn)階段，以及隨著今后無線通信技術的發(fā)展，通訊頻點或頻段資源也越來越寶貴，而且，即使擁有了合適的通信頻點或頻段，隨著無線設備的不斷加入，設備間通信干擾問題也越來越嚴重，單靠避碰算法不能很好的解決。

在無線自組織網(wǎng)絡中，設備在一定的條件下，自由加入或者離開網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的拓撲結構可能隨時發(fā)生變化，需要有一種方法來解決動態(tài)變化的網(wǎng)絡設備間的通信頻點選擇問題，單一通信頻點或頻段在大規(guī)模網(wǎng)絡應用中會帶來因避碰而導致的網(wǎng)絡延遲。

授權公告號為cn103052147b，一種基于無線傳感網(wǎng)的能量有效性多級環(huán)形組網(wǎng)的方法的發(fā)明專利，提出了根據(jù)接收功率計算兩節(jié)點之間的距離，并根據(jù)節(jié)點所在的環(huán)數(shù)和剩余能量進行組網(wǎng)的方法。該組網(wǎng)方法的適用場景是：有一個中心匯聚節(jié)點，其他節(jié)點在以匯聚節(jié)點為中心，半徑不同的圓環(huán)上。該專利對應用場景具有約束，需要計算節(jié)點間距離，依賴于節(jié)點距離中心匯聚節(jié)點的環(huán)數(shù)。

申請公布號為cn105575092a，一種無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法的發(fā)明專利中，提出的組網(wǎng)方法包含了匯聚節(jié)點，簇頭和簇成員節(jié)點，利用匯聚節(jié)點廣播全局信標幀，根據(jù)請求入網(wǎng)的節(jié)點能量和先后順序，為簇頭節(jié)點分配全局通信時隙及其簇內(nèi)通信子信道；成為簇頭的節(jié)點廣播自身的子信道信息和空閑時隙；簇成員節(jié)點選擇接收信號強度最強的作為簇頭并申請入網(wǎng)；當某個簇頭節(jié)點失效后，再由匯聚節(jié)點重新發(fā)起簇頭節(jié)點的選舉。網(wǎng)絡中允許的最大簇頭節(jié)點數(shù)目、每個子信道頻率以及一個周期所包含的通信時隙數(shù)目是預先設定的。該技術方案需要專門指定基站節(jié)點，當基站節(jié)點失效后需要通過匯聚節(jié)點再發(fā)起選舉。

申請公布號為cn106170142a，一種低功耗無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方法的發(fā)明專利，通過無線節(jié)點發(fā)送廣播，等待周圍網(wǎng)關節(jié)點回復信息，從應答信息中選擇信號強度最優(yōu)的網(wǎng)關節(jié)點入網(wǎng)。該專利只是一種節(jié)點就近入網(wǎng)的方法，沒有從系統(tǒng)的角度考慮網(wǎng)絡自組織方法。

申請公布號為cn106507506a，一種無線傳感網(wǎng)絡組網(wǎng)方法的發(fā)明專利，提出了利用廣播的方式逐步組建無線傳感器網(wǎng)絡的方法，并將接收到的信號強度作為是否入網(wǎng)條件，支持建立的網(wǎng)絡層數(shù)最大為10級。該方法依賴于設備廣播發(fā)送的組網(wǎng)幀，判斷入網(wǎng)條件過于簡單。

授權公開(公告)號為cn102594916b，一種大深度自組織無線傳感網(wǎng)絡的組網(wǎng)方法，提出通過在后臺服務器上根據(jù)節(jié)點地理位置計算每個節(jié)點的最佳路徑，得到整個網(wǎng)絡的最佳拓撲結構，然后根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結構在后臺服務器上分配無線傳感網(wǎng)絡中的每個節(jié)點的網(wǎng)絡邏輯地址，在無線傳感網(wǎng)絡進行廣播消息時，完成網(wǎng)絡路由列表的建立和維護方法。該方法需要以后臺服務器為支持，并且預先需要知道網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量和位置，不適合動態(tài)自組織應用。

申請公布號為cn106454997a，無線傳感網(wǎng)絡拓撲改進方法的發(fā)明專利中提出，無線網(wǎng)絡中包括后臺管理中心、有源無線節(jié)點以及無源無線節(jié)點，無源無線節(jié)點對有源無線節(jié)點進行控制，通過廣播組網(wǎng)幀構建網(wǎng)絡。有源無線節(jié)點接收廣播組網(wǎng)信息幀后，根據(jù)信號強度值判斷自身是否入網(wǎng)及其在網(wǎng)絡中的深度。在每層網(wǎng)絡中選取備用節(jié)點，享有其父節(jié)點所持有的路由信息。父節(jié)點向備用節(jié)點發(fā)送固定周期心跳幀，如果鏈路中斷超過閾值，備用節(jié)點將取代父節(jié)點。該方法中，每層網(wǎng)絡中的每個父節(jié)點都需要一個備份節(jié)點，增加了網(wǎng)絡負載，網(wǎng)絡動態(tài)自組織性不強。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種無線自組織網(wǎng)絡構建方法，能夠?qū)o線設備之間通訊造成的干擾減小到最小，以及合理利用頻點或頻段資源，提高網(wǎng)絡傳輸效率，擴大網(wǎng)絡容量。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種無線自組織網(wǎng)絡構建方法，所述網(wǎng)絡中包括三種無線節(jié)點，分別為：用于負責網(wǎng)絡管理與信息匯聚的根節(jié)點、具有路由和網(wǎng)絡管理能力的復雜功能節(jié)點和普通功能節(jié)點，所述根節(jié)點、復雜功能節(jié)點和普通功能節(jié)點之間采用相同的無線通訊體制進行無線自組網(wǎng)通信，通過自適應選頻占有合適通訊頻點的無線節(jié)點成為根節(jié)點或復雜功能節(jié)點，并擁有掛載子設備的權限；無法占有合適通訊頻點的無線節(jié)點自動轉變?yōu)槠胀üδ芄?jié)點；其中，普通功能節(jié)點的通信頻點取決于其所掛靠的上級設備；復雜功能節(jié)點或普通功能節(jié)點搜尋能夠掛載的上級復雜功能節(jié)點或根節(jié)點，通過分層組網(wǎng)的方式構建樹形無線網(wǎng)絡。

所述自適應選頻包括自適應選擇自己的頻點或頻段和自適應選擇能夠注冊的上級設備的頻點或頻段。

所述自適應選擇自己的頻點或頻段包括以下步驟：

(a)無線節(jié)點將能夠利用的多個頻點或多個頻段進行固定順序排序或者隨機排序；

(b)無線節(jié)點的通信頻段或頻點可調(diào)，依次在排好序的頻點或頻段上監(jiān)聽和查詢，一旦找到能夠使用的頻點或頻段，立即停止監(jiān)聽和查詢；

(c)無線節(jié)點將找到的頻點或頻段確定為自己擁有；

(d)無線節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己擁有的頻點或頻段受到干擾，影響了正常的通信，則放棄當前的頻點或頻段，重新自適應選頻。

所述自適應選擇自己的頻點或頻段時還需要滿足如下條件：

條件1：根節(jié)點具有選頻的優(yōu)先權，若通過自適應選頻選不出合適的頻點或頻段，則強制占用本網(wǎng)內(nèi)其他復雜功能節(jié)點的頻點或頻段，并對其他復雜功能節(jié)點進行驅(qū)逐；

條件2：復雜功能節(jié)點只有先注冊進網(wǎng)絡內(nèi)才能自適應選擇自己的頻點或頻段；

條件3：復雜功能節(jié)點自己的頻點或頻段不能和它的直接上級設備的相同，在除此以外其他的頻點或頻段上選擇能夠使用的頻點或頻段；

條件4：復雜功能節(jié)點選頻失敗自動降級為普通功能節(jié)點。

所述自適應選擇能夠注冊的上級設備的頻點或頻段包括以下步驟：

(a)無線節(jié)點將能夠利用的多個頻點或多個頻段進行固定順序排序或者隨機排序；

(b)無線節(jié)點依次在排好序的頻點或頻段上監(jiān)聽和查詢，查找并獲取占用該頻點或頻段的根節(jié)點或復雜功能節(jié)點的設備信息，計算并量化自該設備到根節(jié)點的網(wǎng)絡通信質(zhì)量；

(c)若網(wǎng)絡通信質(zhì)量達到預定要求，則選擇注冊到該設備上去；

(d)若所有設備的網(wǎng)絡通信質(zhì)量集合都達不到預定要求，并且所有設備的網(wǎng)絡通信質(zhì)量都大于最低網(wǎng)絡通信質(zhì)量門限，則根據(jù)網(wǎng)絡通信質(zhì)量由高到低的順序選擇相對應的設備去注冊，直至選擇最終的上級設備并找到其占用的頻點或頻段；若所有的網(wǎng)絡通信質(zhì)量均小于最低網(wǎng)絡通信質(zhì)量門限，則表明當前整體網(wǎng)絡通信故障，本無線節(jié)點休眠一個隨機或者固定時間段，再次從步驟(a)開始搜尋上級設備注冊。

所述無線節(jié)點能夠發(fā)現(xiàn)可選通信頻段或頻點內(nèi)的干擾噪聲，并給出接收到的噪聲信號強度，且只選擇噪聲信號強度低于設置門限的頻點或頻段進行使用。

所述無線節(jié)點利用接收到的信號的原始發(fā)射功率，接收到的信號強度和自身的接收信號靈敏度來自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率。

當根節(jié)點確定后，復雜功能節(jié)點或者普通功能節(jié)點通過自組織的方式注冊到根節(jié)點上形成網(wǎng)絡，無法注冊到根節(jié)點上的復雜功能節(jié)點或者普通功能節(jié)點再自組織注冊到已經(jīng)加入網(wǎng)絡的復雜功能節(jié)點上，并依次層層構建網(wǎng)絡。

所述無線節(jié)點平常在自己的頻點或頻段工作，若需要主動發(fā)起和其他設備的通信，則跳到其他設備所在的頻點或頻段，通訊完畢后返回自己的頻點或頻段。

所述無線自組織網(wǎng)絡構建完畢后，任意一條上行或下行通信鏈路受到干擾導致通信異常，使得網(wǎng)絡通信質(zhì)量低于最低網(wǎng)絡通信質(zhì)量門限，則該鏈路上的節(jié)點重新啟動自適應選頻流程，直至建立良好的通信鏈路。

有益效果

由于采用了上述的技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果：本發(fā)明將通過自適應選頻占有合適通訊頻點的設備作為中心基站或基站，然后基于選出的中心基站進行自組網(wǎng)，如此將無線設備之間通訊造成的干擾減小到最小，以及合理利用頻點或頻段資源，提高網(wǎng)絡傳輸效率，擴大網(wǎng)絡容量。

附圖說明

圖1是采用本發(fā)明實施方式建立的自組織網(wǎng)絡分層架構圖。

圖2是采用本發(fā)明實施方式的節(jié)點自適應選頻確定功能角色過程圖。

圖3是采用本發(fā)明實施方式的節(jié)點自適應選頻構建網(wǎng)絡與抗干擾過程圖。

圖4是采用本發(fā)明實施方式的節(jié)點自適應選擇上級設備構建網(wǎng)絡過程。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明的實施方式涉及一種無線自組織網(wǎng)絡構建方法，所述網(wǎng)絡中包括三種無線節(jié)點，分別為：用于負責網(wǎng)絡管理與信息匯聚的根節(jié)點、具有路由和網(wǎng)絡管理能力的復雜功能節(jié)點和普通功能節(jié)點，所述根節(jié)點、復雜功能節(jié)點和普通功能節(jié)點之間采用相同的無線通訊體制進行無線自組網(wǎng)通信，通過自適應選頻占有合適通訊頻點的無線節(jié)點成為根節(jié)點或復雜功能節(jié)點，并擁有掛載子設備的權限；無法占有合適通訊頻點的無線節(jié)點自動轉變?yōu)槠胀üδ芄?jié)點；其中，普通功能節(jié)點的通信頻點取決于其所掛靠的上級設備；復雜功能節(jié)點或普通功能節(jié)點搜尋能夠掛載的上級復雜功能節(jié)點或根節(jié)點，通過分層組網(wǎng)的方式構建樹形無線網(wǎng)絡。

在需要構建無線自組織網(wǎng)絡的場合，系統(tǒng)具有多個合法的通信頻點或者頻段，而且無線通訊設備支持頻點或頻段可調(diào)功能，可采用本發(fā)明方法，以構建大容量、大規(guī)模覆蓋范圍的自組織網(wǎng)絡。

圖1是采用本發(fā)明方法建立的自組織網(wǎng)絡分層架構。網(wǎng)絡中包含具有網(wǎng)絡管理與信息匯聚的根節(jié)點(中心基站1)，具有路由和網(wǎng)絡管理能力的復雜功能節(jié)點(基站2)和普通功能節(jié)點(端機3)。

中心基站1、基站2和端機3之間采用相同的無線通訊體制進行無線自組織網(wǎng)絡通信；本無線自組織網(wǎng)絡中，中心基站1通過有線或其他無線通訊體制與外部網(wǎng)絡或者設備連接；為了擴展覆蓋范圍或者用于節(jié)點備份，可以有預設多套(準)中心基站和外部網(wǎng)絡連接。

參考圖2，通過自適應選頻占有合適通訊頻點的(準)中心基站10和11或者(準)基站20和21，才能真正成為中心基站1或基站2，并擁有可掛載子設備的權限；無法占有合適通訊頻點的設備10和20自動轉變?yōu)槎藱C3，原來設置為(準)中心基站10的設備，關閉與外部網(wǎng)絡連接功能；端機的通信頻點取決于它所掛靠的上級設備?；净蚨藱C搜尋可以掛載的上級基站或中心基站，通過分層組網(wǎng)的方式構建樹形無線網(wǎng)絡。

在本實例中，各無線節(jié)點的通信頻段或頻點可調(diào)，能夠發(fā)現(xiàn)可選通信頻段或頻點內(nèi)的干擾噪聲，并給出接收到的噪聲信號強度rssi，設定一個噪聲信號強度門限r(nóng)ssiltd，無線節(jié)點只選擇噪聲信號強度低于噪聲信號強度門限r(nóng)ssiltd的頻點或頻段使用。

各無線節(jié)點的無線發(fā)射功率自動可調(diào)，并利用接收到的信號的原始發(fā)射功率，接收到的信號強度和自身的接收信號靈敏度來自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率，以降低相互干擾。在構建網(wǎng)絡時，各無線節(jié)點都以一定的發(fā)射功率發(fā)送無線信號，并將自己的發(fā)射功率值ptxi(i為節(jié)點的編號)放置于有效數(shù)據(jù)報中；接收到數(shù)據(jù)的目的節(jié)點標記接收信號強度prxi，并根據(jù)接收靈敏度rsense來調(diào)整和源無線節(jié)點通信時的發(fā)射功率ptxj(j為節(jié)點的編號)，其中：

ptxi-prxi+rsense＜ptxj≤ptxi；

當出現(xiàn)通信失敗的情況時，節(jié)點再提高發(fā)射功率ptxi，ptxj，直至調(diào)整到合理的功率區(qū)間，即保障正常通信，又降低相互干擾。

在本實例中，結合圖2，當中心基站1的功能角色確定后，基站2或者端機3通過自組織的方式注冊到中心基站上，其他的基站或者端機再自組織注冊到已經(jīng)加入網(wǎng)絡的基站上，并依次層層構建網(wǎng)絡。中心基站1和基站2節(jié)點分別擁有自己的通信頻點或頻段f10和f11，端機不主動擁有通信頻點或頻段，端機把上級設備(父節(jié)點)的通信頻段設定為自己的通信頻點或頻段。

在本實例中，結合圖2，擁有自己工作頻點或頻段的設備如中心基站1和基站2，若需要主動發(fā)起和其他設備的通信，則跳到其他設備所在的頻點或頻段，通訊完畢后返回自己的頻點或頻段。

本實施方式中提出的自適應選頻包括自適應選擇可以注冊的上級設備(父節(jié)點)的頻點或頻段，自適應選擇自己的頻點或頻段。下面結合圖3進行實例說明。

準基站21和22自適應選擇自己的頻點或頻段的過程包括如下步驟：

步驟1：準基站21和22將可利用的多個頻點或多個頻段進行固定順序排序或者隨機排序；

步驟2：準基站21和22依次在排好序的頻點或頻段上監(jiān)聽和查詢，查找干擾信號強度rssi小于預設門限值rssiltd的頻點或頻段，一旦找到，立即停止監(jiān)聽和查詢，這里準基站21和22分別找到頻點或頻段f11和f21；

步驟3：準基站21和22分別將頻點或頻段f11和f21確定為自己擁有，同時準基站21和22分別轉變?yōu)榛?_1和2_2；

步驟4：基站2_1發(fā)現(xiàn)自己擁有的頻點或頻段f21受到未知干擾源4干擾，影響了正常的通信，則放棄當前的頻點或頻段f21，重新自適應選頻，并找到f22。

該自適應選頻過程，要滿足如下條件：

條件1：中心基站具有選頻的優(yōu)先權，若通過自適應選頻選不出合適的頻點或頻段，可以強制占用本網(wǎng)內(nèi)其他基站的頻點或頻段，并對其他基站進行驅(qū)逐；

條件2：基站只有先注冊進網(wǎng)絡內(nèi)，才能自適應選擇自己的頻點或頻段；

條件3：基站自己的頻點或頻段不能和它的直接上級設備(父節(jié)點)的相同，在除此以外其他的頻點或頻段上選擇可以使用的頻點或頻段，從而即避免通信干擾又實現(xiàn)頻率復用；

條件4：基站選頻失敗自動降級為端機。

結合圖4，給出利用本發(fā)明專利進行自適應選擇可以注冊的上級設備(父節(jié)點)的頻點或頻段的方法：

步驟1：無線節(jié)點3將可利用的多個頻點或多個頻段進行固定順序排序或者隨機排序；

步驟2：無線節(jié)點3依次在排好序的頻點或頻段上監(jiān)聽和查詢，查找并獲取占用該頻點或頻段的中心基站或基站設備的信息，這里分別在頻點或頻段f12和f13查詢到基站2_1和2_2，根據(jù)發(fā)射功率ptx，接收信號強度prx，網(wǎng)絡上行鏈路質(zhì)量qup，網(wǎng)絡下行鏈路質(zhì)量qdown，網(wǎng)絡級別r，網(wǎng)絡負載l等參數(shù)，計算并量化基站2_1和2_2設備到中心基站1的網(wǎng)絡通信質(zhì)量q：

其中,a,b,c和α，β是相應的可變網(wǎng)絡通信質(zhì)量調(diào)整參數(shù)。

在這里，分別計算得到基站2_1和2_2設備到中心基站1的網(wǎng)絡通信質(zhì)量為q1和q2，其中q2＞q1，優(yōu)先選擇基站2_2；

步驟3：若網(wǎng)絡通信質(zhì)量q2達到預定要求qmin，即q2≥qmin，則選擇注冊到該設備上去，同時修改qmin＝q2；

步驟4：若所有設備的網(wǎng)絡通信質(zhì)量集合g＝{qi}(其中，i＝1,2…n，n為當前查詢到的擁有通信頻段或頻點的設備數(shù)量)，都達不到預定要求qmin，在這里即基站2_1和2_2設備到中心基站1的網(wǎng)絡通信質(zhì)量為q1和q2均小于qmin，并且q1和q2都大于最低網(wǎng)絡通信質(zhì)量門限qmin-limit，則從中選擇有最大網(wǎng)絡通信質(zhì)量q2的基站2_2去注冊；若注冊成功，修改qmin＝q2；若注冊不成功，再選具有第二大q值的基站2_1設備去注冊……，依次類推，按照此方法，選擇最終的上級設備并找到其占用的頻點或頻段；若q1和q2均小于最低網(wǎng)絡通信質(zhì)量門限qmin-limit，則表明當前整體網(wǎng)絡通信故障，本無線節(jié)點3休眠一個隨機或者固定時間段，再次從步驟1開始搜尋上級設備注冊。

無線自組織網(wǎng)絡構建完畢后，任意一條上行或下行通信鏈路受到干擾導致通信異常，使得網(wǎng)絡鏈路質(zhì)量q低于最低網(wǎng)絡通信質(zhì)量門限qmin-limit，即q<qmin-limit時，則該鏈路上的節(jié)點重新啟動自適應選擇自己的頻點或頻段或者自適應選擇可以注冊的上級設備(父節(jié)點)流程，直至建立良好的通信鏈路。