[发明专利]基于LoRa的无中心自组织网络的实现方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种无中心自组织网络的实现方法，可用于LoRa无线自组织网络中多个节点之间的远距离通信。

背景技术

典型的无线传感器网络中，一般采用两级组网方案，传感器节点仅作为数据采集器，将数据传递给网关进行存储和进一步处理。这种方式的弊端在于：当网关出现故障时，所有连接在此网关的节点将不能进行正常通信，网络鲁棒性较差，配置复杂、维护/使用门槛高。并且传感器节点通常采用电量十分有限的电池来提供能量，有限的能量必然导致通信能力的受限，通信距离较短。LoRa作为一种低功耗无线技术，基于Sub-GHz的频段使其更易以较低功耗远距离通信，可以使用电池供电或者其他能量收集的方式供电。较低的数据速率也延长了电池寿命，增加了网络的容量。而且LoRa信号对建筑的穿透力也很强，成本较低。基于LoRa的低功耗远距离无线自组网，能够解决目前物联网中存在的节点供电不足、能耗较大、范围受限的问题。

无线传感器网络WSN是由部署在特定区域内大量的静止或移动的微型传感器节点通过无线通信的方式形成的一个多跳分布式自组织网络系统，以协作地感知、采集、处理和传输感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。由于其功耗、成本等技术的限制，现有的无线传感器网络大都使用zigbee技术，传输距离300米左右，必须采用多跳才能覆盖较大的区域。现有的无线传感器网路的缺点是：要想扩大覆盖的范围需要复杂的路由转发技术，功耗较大，降低了传感器节点的使用寿命。降低节点的能量消耗成为WSN首要考虑的因素。

传统的Ad hoc网络中，各个节点对数据转发依靠传统的IP路由技术，在收到数据包时，要先把数据包拆封，送到网络层处理此包，找到包中包含的IP地址与自身节点的路由表匹配，确定是否有到达目的节点的路由，若有就直接把数据包转发出去，若没有则要发起路由包建立路由，利用逐跳的方式发送请求，又以逐跳的方式返回路由，最终建立起一个传输路径，但在路径建立之后，数据包的转发中每个节点都要把数据包头的IP地址拆分出来进行路由匹配之后再转发。这个过程还是比较费时的，数据包要传到路由层才能够做出处理。而且IP包头的一般固定部分长度是20个字节，网络开销较大。

LoRaWAN是由LoRa联盟推出的一个低功耗广域网规范，LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明的中继，连接终端设备和服务器。网关与服务器通过标准IP连接，而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。这种实现方式的优点是：网关可以实现多通道并行接收,同时处理多路信号，这大大增加了网络容量。缺点是：对于网关的技术要求极高，也因此限制了LoRa的应用，而且网关出现故障时，所有连接在此网关的节点将不能进行正常通信，网络鲁棒性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于LoRa的无线自组织无中心网络的实现方法，以降低无线传感器网络IP层路由协议的网络开销和功耗，提高网络的鲁棒性。

本发明的技术思路是：通过在物理层采用LoRa技术，在mac层实现路由协议建立LoRa的无中心自组织网络。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案，包括如下：

(1)在mac层发送节点发送三种消息帧，即域定时器帧、链路状态帧和数据帧；

(2)在mac层接收节点接收消息帧，并判断帧类型，若接收的为定时器帧，则执行步骤(2a),若接收的为链路状态帧，则执行步骤(2b)，若接收的为数据帧，则执行步骤(2c)；

2a)对域定时器帧进行如下处理：

2a1)从域定时器帧中获取当前“域级”的信息；

2a2)检查邻居节点表是否存在过期的邻居节点，若有，删除过期邻居节点，并采用迪杰斯特拉Dijkstra算法计算最短路径，更新拓扑结构表中的邻居节点信息，并将需发送标志设为真，再执行(2a3)；否则，直接执行步骤(2a3)；

2a3)判断拓扑结构表中的节点是否位于该域级内，将“域级”内节点的链路状态信息插入链路状态帧中，并将链路状态帧广播给邻居节点；

2a4)待所有需要发送的链路状态信息都处理完后，再预约下一次“域级”定时器，执行步骤(3)；

2b)对链路状态帧进行如下处理：