基于多信道跳频的微功率无线网络自组网方法

本发明属于无线网络自组网技术领域，具体涉及电力行业低压用户集中抄 表系统中的微功率无线网络自组网方法。

基于低压电力线载波的集中抄表系统，因国内低压电网噪音污染大、负载 多变，以及未来交、直流变频电器的广泛使用，使其在通信可靠性方面面临挑 战。随着数据采集技术水平的不断提升，现有的载波通信技术已经无法满足高 密度采集频率。另一方面，随着计算机技术、现代信号处理技术以及微电子技 术不断发展，射频技术瓶颈得以突破，从而促使微功率无线通信技术在数据采 集领域得以广泛应用。而基于点对点、点对多点和简单中继（人为指定中继节 点）的微功率无线网络，则在效率和数据采集实时性方面尚不能满足需要，人 力维护成本高，市场推广缓慢。

鉴于此种现状，需要一种面向电力行业应用的微功率无线多信道被动扫描 跳频自组网网络来满足居民集中抄表应用的需求，既要满足高效的组网效率又 不能对共享的频谱资源造成浪费和干扰其它应用的设备。但现有微功率无线自 组网技术还不成熟，还存在着诸多问题，例如缺乏限制链路活跃时间，造成在 关键节点异常时，游离节点（未入网节点）全天候周期性发起入网请求，其结 果殃及整个工作频段的其它设备，对于共享的频谱资源来说，其后果不敢设想。

本发明的目的在于针对微功率无线通信技术特点，提供一种高效率、低成 本的自组网方法。本发明目的由以下技术方案实现：

一种基于多信道跳频的微功率无线网络自组网方法，其特征在于，协调器 节点和路由节点组网阶段的处理流程包括：

协调器节点在公共信道组逐跳发起广播组网命令，在指定的私有信道组与 路由节点完成信息交互；

协调器节点控制不同中继深度的已入网路由节点分组转发广播组网命令；

路由节点在协调器节点激活链路的条件下才允许与邻居节点或协调器交互 信息；否则在预先设定的私有信道组表中进行多信道被动扫描，通过捕获协调 器节点至其1跳范围内的邻居节点的整条路径，实时自行抉择优化路径，在通 信链路活跃期内向协调器节点主动上报捕获的整条路由；

协调器节点在私有信道组接收路由节点入网申请，并对入网申请的路由节 点身份的合法性进行判断，依据身份合法性的结果批量发送网络配置命令或拒 绝加入命令。

作为具体的技术方案，所述公共信道和私有信道均为两个频点；协调器上 电或复位后，在公共信道组和预先设定的私有信道组表中随机选择的私有信道 组进行能量扫描，各组中选择相对信噪比较高的一个频点，作为优先工作频点。

作为具体的技术方案，所述协调器节点通过多次发送不同中继深度的广播 组网命令帧，遍历整个网络路由节点，每一次广播组网命令广播到某指定的中 继深度，每一个已入网路由节点对同一个组网命令帧ID仅转发一次；组网命令 包括下面几种：全网络已入网路由节点转发广播组网命令，即全网广播组网； 仅末级已入网路由节点发送广播组网命令，协调器至末级路由节点之间的中继 节点逐一指定，即单点广播组网。

作为具体的技术方案，所述协调器节点在每跳呼叫组网链路活跃时间结束 之后，需要读取新加入网络路由节点的邻居节点表，并保存之；协调器根据读 取各路由节点的邻居节点信息，控制已入网路由节点多跳分组广播。

作为具体的技术方案，所述协调器节点内保存到各路由节点的完整路径， 首次来源于路由节点主动上报，路由节点成功加入网络之后，协调器可根据邻 居节点关系以及各自接收对方的信号强度，综合整条链路成本、中继深度以及 通信成功率，对上报路径进行优化。

作为具体的技术方案，所述协调器节点在公共信道组选择已入网路由节点 逐跳转发广播组网命令，而未选择的已入网路由节点不转发组网命令，仅更新 邻居节点信息和完整路由信息。

作为具体的技术方案，所述广播组网命令帧中包括协调器节点选定的私有 信道组号、协调器节点至当前路由节点的跳数、协调器至当前位置的中继列表， 中继列表中路由节点接收上一级路由节点报文时的信号强度，子网ID，组网命 令帧ID，入网路由节点发起加入网络之前的等待时间和本次通信链路活跃时间。

作为具体的技术方案，所述本次通信链路活跃时间，告知已入网节点必须 在链路活跃期内完成转发响应报文，否则丢失；告知未入网节点在链路活跃期 内没有接收到组网命令帧的条件下，可以在公共信道发起连接网络请求帧，否 则多信道扫描接收。

作为具体的技术方案，协调器发起的所有报文中都包含了本次链路活跃时 间，待入网路由节点周期性在事先设定的私有信道组列表中跳频，在公共信道 组和当前选定的私有信道组内多信道被动扫描接收；待入网路由节点被动扫描 到有效路由信息之后，先计算本次链路活跃剩余时间，是否满足完成一次申请 加入网络所需时间要求，否则保存获取的路由信息，待再次被动扫描链路活跃 时，主动发起入网申请，但是放弃本次加入网络申请。

作为具体的技术方案，路由节点通过计算得知协调器控制通信链路处于非 活跃期间，已入网和未入网路由节点仅进行被动扫描，不主动向无线通信链路 发起报文。

作为具体的技术方案，路由节点计算本次链路活跃剩余时间的方法是，协 调器允许链路活跃时间tactiving-竞争信道消耗时间tCCA-物料层发送报文消耗的时 间tmodem-路由节点内部存储转发消耗时间tfix，每个路由节点接收协调器发送报 文后都要计算链路活跃时间，并启动链路活跃剩余时间定时器，同时在需要转 发此报文前，更新链路活跃剩余时间。

作为具体的技术方案，所述路由节点接收报文过程中，物理层前导码匹配 之后，继续在当前频点在允许的时间段内持续匹配同步字，当前导码和同步字 都匹配之后，才接收整个报文，否则任一条件不满足的条件下立刻切换至下一 个信道扫描接收。

作为具体的技术方案，所述协调器节点接收到路由节点入网申请后，对其 MAC地址的合法性进行判断，MAC地址合法则给路由节点分配网络地址，否则响 应离开命令。

作为具体的技术方案，所述已入网路由节点转发组网命令前，需要把自身 的MAC地址添加至组网命令载荷域尾部，同时累计链路成本和更新距协调器的 跳数。

作为进一步的技术方案，网络中的任意路由节点在接收到组网命令时获取 到协调器距本身的整条链路成本、中继深度，以及完整中继路由节点；已入网 路由节点依据获取路由信息，对比自身至协调器的路由，是否需要发起路由优 化或更新处理流程；待入网节点在发起加入网络申请之前，择优记录两条最佳 路径，优选不相干路径。

作为具体的技术方案，所述协调器节点控制第3跳已入网节点发起单点广 播组网，距协调器3跳以后的待入网节点中继转发扩展到整个网络，最后由待 入网路由叶节点发起加入网络申请，中继节点包含待入网路由节点，批量向协 调器申请加入网路，协调器逐级确认路由节点身份配置中继列表中的待入网路 由节点。

作为具体的技术方案，单点广播组网模式中的末级节点在设定的时间段内 持续接收缓存其1跳范围内的待入网路由节点，批量向协调器申请配置信息， 配置信息包括网络短地址、网络子号、协调器MAC地址等信息。

作为具体的技术方案，距协调器中继深度大于3级的未入网路由节点由叶 节点发起加入网络，中继列表中包含未入网路由节点，具体流程如下：

●协调器控制第3跳已入网部分路由节点发起呼叫组网，其未入网 路由节点首次扫描到组网命令帧，并得知中继深度大于3之后，转发 此广播组网帧，并且在转发广播组网命令前需要将自身MAC地址和接 收时的信号强度添加至组网命令帧尾部，这个过程一直扩散到整个网 络，这样使得每个未入网路由节点都知道协调器至本身的完整路由和 整条链路成本，以及距协调器的跳数；

●如果未入网路由节点转发广播组网命令后没有收到距协调器的中 继深度比自己更大的广播组网命令，则认为自己就是叶节点；或者本 节点到协调器的跳数大于设定的最大值，就不再进行转发，同时把自 己标识为叶节点；

●未入网路由节点确认自己为叶节点之后，先切换至协调器指定的 私有信道组，按捕获完整路由的反向链路主动向协调器发起加入网络 请求，协调器接收到叶节点的入网请求后，逐个对中继列表中未入网 的路由节点进行身份确认和配置。

本发明提供的微功率无线自组网方法，在链路建立过程中，协调器在未入 网路由节点密集区域控制已入网路由节点逐跳分组发起广播组网，实现指定区 域未入网路由节点入网，而在未入网路由节点稀疏区域控制未入网路由叶节点 主动发起入网请求，同时累积未入网中继路由节点，把整条中继路由上的未入 网路由节点一起入网，实现路由节点快速、动态、多跳分布式自组网。本发明 整个组网过程快捷、简单、无须人工参与等特点；同时，协调器控制通信链路 活跃期，有效防止了广播风暴和未入网路由节点周期性全频段主动发起入网申 请，可与其它设备分时段共享频谱资源。

图1是本发明实施例提供的微功率无线网络的网络拓扑图。

图2是本发明实施例提供的基于多信道跳频的微功率无线网络自组网方法 的主流程图。

图3是本发明实施例提供的自组网方法中多信道被动扫描原理图。

图4是本发明实施例提供的自组网方法中距协调器1跳路由入网流程图。

图5是本发明实施例提供的自组网方法中距协调器2跳路由入网流程图。

图6是本发明实施例提供的自组网方法中广播组网命令中继节点累积过程。

图7是本发明实施例提供的自组网方法中路由旁听路由缩短至协调器路径 跳数流程图。

本实施例提供的采用微功率无线通信技术的集中抄表系统网络拓扑结构如 附图1所示，包括一个协调器节点和若干路由节点，路由节点个数最大可达1024， 中继深度最大可达7级。

如图2所示，本实施例提供的基于多信道跳频的微功率无线网络自组网方 法，其主要包括：

（1）协调器呼叫广播组网；

（2）路由节点多信道扫描；

（3）如果路由节点已经入网，则进入步骤（4a）；如果路由节点未入网， 则进入步骤（4b）；

（4a）路由节点是否被点名参与组网，是则进入步骤（5），否则记录邻居 节点后丢失组网命令帧；

（4b）确定路由节点的中继深度，中继深度大于3，则进入步骤（5），否则 进入步骤（6）；

（5）由该路由节点转发组网命令，并且判断该路由节点是否为叶节点，是 则进入步骤（6），否则继续由该路由节点转发组网命令；

（6）该未入网路由节点启动入网流程。

本实施例提供的自组网方法的具体组网过程包括两个方面：1、协调器节点 建网步骤；2、路由节点入网步骤；如下介绍。

1、协调器节点建网步骤：

a)协调器上电或复位后，在公共信道组（2个频点）和预先设定的私有信 道组表中随机选择的私有信道组（2个频点）进行能量扫描，各组中选 择相对信噪比较高的一个频点，作为优先工作频点；

b)协调器接收到上位机（集中器）的组网请求命令后，在公共信道组的两 个频点分别进行主动扫描，获取当前环境下已被分配私有信道组，对比 a)中随机选择的私有信道组，确认是否需要选择其它私有信道组；

c)协调器节点确定各自的私有信道组后，在公共信道组的两个频点逐跳分 组广播组网命令；

d)协调器节点在私有信道组接收路由节点入网申请，并对入网申请的路由 节点身份的合法性进行判断；

e)协调器节点依据身份合法性的结果批量发送网络配置命令或拒绝加入 命令。

2、路由节点入网步骤：

a)待入网路由节点从预先设定的私有信道组列表中随机选择一个私用信 道组k作为起始工作频点；

b)在一个时间段内同时被动扫描公共信道组和单个私有信道组内的共4个 频点，周期性切换私有信道组号，公共信道组固定。切换策略为公共信 道组+第i组私有信道组号（i递增,i达到设定的最大值之后归零）；

c)待入网路由节点在多信道被动扫描期间，若在公共信道组上接收到有效 的广播组网命令时：

1)未入网路由节点从接收的组网命令帧中获取当前协调器的私有信道 组号、网络子号、协调器到本身的整条路由，以及整条路由的链路 成本；

2)未入网路由节点从接收的组网命令帧中获取链路活跃剩余时间，并 启动链路活跃剩余时间同步定时器；

3)未入网路由节点启动准备入网请求定时器，继续接收组网命令帧， 获取更多条路由；

4)从获取的多条路由中，根据不同的网络子号分别筛选协调器至本身 的整条路由的链路成本最低的两条路由，并记录之；

d)待入网路由节点在被动扫描期间，在指定的私有信道组上旁听到协调器 节点发起的报文，获取有效完整路径之后，延长当前指定私有信道组被 动扫描持续时间获取更多的整条完成路由，依据优选路由策略选择最佳 路由，并记录之；

e)待入网路由节点获取路由之后，根据获取网络子号的个数，按照记录顺 序的完整路由反向链路依次尝试向不同协调器建立的网络发起入网申 请，每次发送入网申请命令之前，都需要计算通信链路活跃剩余时间是 否满足本次通信所需时间？按此原则直到成功加入一个协调器建立的 网络为止：

●成功加入网络->接收到协调器的配置命令；

●切换路由->等待应答超时；

●切换网络子网->接收到协调器的拒绝命令或当前子网所有路由尝试 完毕；

f)待入网路由节点在e)条件下无法成功加入网络、按照固定周期在私有信 道组列表中跳频被动扫描，重复c)/d)/e)操作步骤；

g)已入网路由节点从广播组网命令中获取当前协调器的MAC地址、网络子 号、广播命令标识,以及协调器至当前位置的中继深度，作如下处理：

1)判断协调器的MAC地址与自身网络的协调器地址不一致，丢失此命 令帧，不再中继转发；

2)判断广播命令标识与自身记录的最近一次转发的命令标识一致，丢 失此命令帧，不再中继转发；

3)判断中继深度是否达到设定的最大值，丢失此命令帧；

4)判断本身没有被协调器点名参与组网，丢失此命令帧；

5)除1)/2)/3)/4)条件不成立之外，把自身的MAC地址添加到广播组 网命令的载荷域中，中继深度增加1跳，累计链路成本后，再广播 组网命令帧；

6)更新邻居节点信息，并对获取完整路径和整条链路成本与自身的主 路径进行比较，是否需要发起链路优化；

7)未入网路由节点在“多信道被动扫描”中未捕获到协调器至其1跳 范围之内邻居节点的有效路径之后，同时私有信道仍处于活跃期， 在私有信道主动发起网络连接请求，已入网的邻居节点接收到连接 请求后，在允许的时间内广播响应协调器至本身的路径，未入网节 点在获取到协调器的有效路径后按步骤e）的流程入网申请。

其中，协调器组网初始阶段，协调器使用能量扫描和主动扫描搜索当前环 境下最干净的信道作为自身的工作频道，而未入网路由节点在事先设定的私有 信道组列表中逐一跳频，在公共信道组和指定的私有信道组内多频点被动扫描， 如图3所示，捕获协调器至当前位置的完整路由和通信链路活跃信息，当其条 件满足时发起入网申请。在链路建立过程中，协调器控制已入网路由节点逐跳 分组发起广播组网命令，实现路由节点快速、动态、多跳分布式自组网。

根据图3，以公共信道组和某一私有信道组共4个信道被动扫描实现原理— —接收端在所给定的4个信道中逐一信道扫描前导码，每个信道扫描前导码持 续时间t，如图3中b)所示；如果前导码匹配，继续驻留在当前信道，等待扫 描同步字，最大持续时间为7t，如果在给定的时间段内（≤7t）同步字匹配， 继续在当前信道按报文中提供的长度接收物理层载荷域，接收完毕立刻切换到 下一个信道扫描前导码，如图3中c）所示；如果在给定的时间内（≥7t）同步 字匹配失败，立刻切换到下一个信道扫描前导码，如图3中d）所示。发送端前 导码发送持续时间=（单个信道扫描持续时间t+PLL消耗时间）×信道数×2。

下面通过实例详细描述在协调器控制下路由节点逐跳加入网络的过程：

a)协调器与距其1跳范围内的路由节点组网过程见图4

协调器在公共信道呼叫其1跳范围内的邻居节点加入其创建的网络，已入 网路由节点被动扫描到此组网命令后不进行转发，未入网路由节点被动扫描到 协调器发出的广播组网命令之后，在协调器规定的时间内切换到协调器指定的 私有信道组内采用CSMA-CA机制竞争信道向协调器发起加入网络请求，协调器 对申请加入网络的路由节点，逐一确认应答和分配网络地址；如果未入网路由 节点在协调器规定的允许最大申请加入网络时间内仍然无法竞争到信道，放弃 本次主动加入网络过程，等待下次链路激活之后，再次竞争信道向协调器发起 加入网络请求。待本次链路活跃期结束后，协调器逐一读取新加入的路由节点 的邻居节点信息。协调器按上述流程重复呼叫其1跳范围内的剩余的未入网路 由节点入网。如果距协调器1跳范围内的路由节点因某些原因在协调器呼叫其1 跳范围内的未入网路由节点加入网络阶段而无法成功加入网络的条件下，只要 被动扫描到广播组网命令，并计算链路活跃剩余时间满足要求，立刻竞争信道 发起加入网络请求。

b)协调器与其二、三跳范围内的路由节点组网过程见图5.

协调器控制已加入网络距自身1跳的路由节点参与2跳待入网路由节点加 入网络的过程；协调器从1级已入网路由节点中根据各自邻居节点信息选取相 邻的一组，并控制这组路由节点在公共信道组发起广播组网呼叫，同时调整链 路活跃时间，呼叫当前环境下其1跳范围内的待入网节点（即二级节点），其它 未点名已入网1级路由节点不参与转发广播组网帧；待入网路由节点根据接收 的广播组网命令后，暂存整条路由、邻居节点及信号强度、计算链路活跃剩余 时间等信息，切换到协调器指定的私有信道组继续被动扫描无线链路，更新邻 居表信息。同时竞争信道按获取路由的反向链路向协调器上报路径和申请加入 网路。被选父节点接收到入网请求后，将其添加到临时的邻居列表中，待累积 到一定的数量或等待时间超时时再批量转发给协调器。协调器处理路由节点加 入网络的过程类同于一级路由节点申请网络地址流程。3级未入网路由节点加入 网络过程流程类似于2级路由节点加入网络过程，参见图5。

c)协调器与距其三跳范围之外的路由节点组网过程见图6。

距协调器3跳以外的未入网路由节点组网过程不同于前三级，未入网路由 节点需要参与转发广播组网命令，并且在转发广播组网命令前需要将自身MAC 地址和接收时的信号强度添加至组网命令帧尾部，如图6中路由节点4。协调器 控制部分已入网的第3跳路由节点在公共信道组发起广播组网呼叫，其1跳范 围内的未入网路由节点收到广播组网命令后，在组网命令帧尾部添加本身的MAC 地址和接收时的信号强度，然后转发此广播组网命令，这个过程一直扩散到整 个网络，使得每个未入网路由节点都知道协调器至本身的完整路由和整条链路 成本，以及距协调器的跳数，如图6中的路由节点4和路由节点5，（如果待入 网路由节点转发广播组网命令后没有收到跳数比自己更大的广播组网命令，则 认为自己就是叶节点，如图6中路由节点5，或者本节点到协调器的跳数大于设 定的最大值，就不再进行转发，同时把自己标识为叶节点）。但是叶节点获取协 调器至本身的完整路径中包含未入网中继路由节点，如图6中的路由节点4。此 时叶节点先切换至协调器指定的私有信道组，按捕获完整路由的反向链路主动 向协调器发起加入网络请求，协调器接收到叶节点的入网请求后，逐个对中继 列表中未入网的路由节点进行身份确认和配置，如图6中的路由节点5向协调 器发起加入网络请求，协调器先确认路由节点4，再确认路由节点5。

图7反映了本发明系统中基于旁听其1跳范围内的邻居节点至协调器的路 径，综合分析评估自身至协调器的路径，决定是否发起路径缩短流程。路由更 新原则为：先考虑通信的稳定性，再路由深度。具体地，1.本身主路由成本满 足稳定通信条件，旁听到有效源路由成本满足稳定通信条件，但是路由深度比 本身的主路由短，立刻更新主路由；2.本身主路由成本不满足稳定通信条件， 旁听到有效源路由成本满足稳定通信条件，立刻更新主路由。