一种树状多跳网络的组网方法及其系统

摘要

本申请公开了一种树状多跳网络的组网方法及其系统，其中，树状多跳网络的组网方法包括：将基站节点、与基站节点相关联的一个或多个中继节点以及终端节点组成一个蜂窝；将相邻的C个不同蜂窝分入同一组同频率广播组；设置同一组同频率广播组中的C个不同蜂窝在C个不同的时隙上发送同频率广播信号。本申请具有避免相邻蜂窝相互干扰，实现有限频谱资源的充分利用以及降低整个网络电池能耗的技术效果。

权利要求

1.一种树状多跳网络的组网方法，其特征在于，包括：将基站节点、与所述基站节点相关联的一个或多个中继节点以及终端节点组成一个蜂窝；

将相邻的C个不同蜂窝分入同一组同频率广播组；

设置同一组同频率广播组中的C个不同蜂窝在C个不同的时隙上发送同频率广播信号；

其中，在一个时间帧中，一个蜂窝中的基站节点和所有中继节点采用同一个频率、且选择不同的固定时隙发送广播信号，基站节点和中继节点发送广播信号的固定时隙的时间周期β满足：

其中，β为时间周期；ε为中继/终端节点的晶振时钟漂移参数；g为时隙保护间隔。

2.根据权利要求1所述的树状多跳网络的组网方法，其特征在于，一个同频率广播组使用一个广播频点，且不同的同频率广播组所使用的广播频点相同。

3.根据权利要求2所述的树状多跳网络的组网方法，其特征在于，非同一组频率广播组中的蜂窝在同一个时隙上使用相同的广播频点进行广播。

4.根据权利要求1所述的树状多跳网络的组网方法，其特征在于，一个同频率广播组使用一个广播频点，且不同的同频率广播组所使用的广播频点不相同。

5.根据权利要求1或3所述的树状多跳网络的组网方法，其特征在于，多个中继节点组成中继子树，每个中继子树的级数限制为n级，其中n≥0；当n＝0时网络拓扑为不含中继子树的星型结构；当n＞0时，网络拓扑中含有中继子树，且中继子树的第i级的中继节点所能接入的下一级中继节点的限制个数为m(i)个，其中i＝0,1,······,n；当n≥1时，同一个蜂窝内分配给基站节点和中继子树中各级中继节点的同频广播的时隙的个数满足：其中，C表示一个同频率广播组中的不同蜂窝的个数；β为时间周期；m(i)为中继子树的第i级的中继节点所能接入的下一级中继节点的限制个数；t为固定的时隙长度，并且满足t‑g后剩余的时间按照当前链路速率发送一个完整的数据帧；g为时隙保护间隔；l为一个蜂窝的最大中继层数。

6.根据权利要求5所述的树状多跳网络的组网方法，其特征在于，当n＞1时，中继子树中的一级中继节点中的中继节点与基站节点直接连接，二级中继节点与一级中继节点连接，以此类推，n级中继节点与n‑1级中继节点连接，n级中继节点中的中继节点与终端节点连接。

7.一种树状多跳网络的组网系统，其特征在于，包括：三种逻辑节点和无线通讯装置；

所述三种逻辑节点包括：基站节点、中继节点和终端节点；所述无线通讯装置用于实现权利要求1‑6中任意一项所述的树状多跳网络的组网方法，并用于承担与基站节点、中继节点以及终端节点的通信；

其中，所述终端节点和所述基站节点通过建立直接连接或者间接连接进行通信；所述间接连接包括在所述终端节点和所述基站节点之间连接有一个所述中继节点，或者连接有由多个所述中继节点组成的中继子树。

8.根据权利要求7所述的树状多跳网络的组网系统，其特征在于，所述无线通讯装置包括K个独立的通讯模块，其中K≥1；当K＞1时，多个独立的通讯模块之间相互连接；每个所述独立的通讯模块均同时承担与基站节点、中继节点以及终端节点的通信，包括发送数据和接收数据。

9.根据权利要求7或8所述的树状多跳网络的组网系统，其特征在于，基站节点、中继节点和终端节点总共使用fn个工作频点，工作频点由可配置的基础频点计算得出，计算公式如下：

Fx＝FB+(Fh+Fz*Ft)*G；

其中，Fx为工作频点，x＝1,2,3,4,5,……,fn；FB为基础频点；Fh为频点号；Fz为跳频组号；Ft为每组跳频数；G为信道间隔。

说明书

一种树状多跳网络的组网方法及其系统

技术领域

[0001] 本申请涉及通讯技术领域，尤其涉及一种树状多跳网络的组网方法及其系统。

背景技术

[0002] 传统的网状网(Mesh Networks)结构在实际应用中具有诸多局限性。随着节点的增多、网络规模的扩大，报文传输的可靠性显著降低，时延显著提高，一个报文的成功传输
要求传输路径上的每“一跳”或每一个报文转发节点都不出问题，即每增加“一跳”，网状网
的平均端到端报文传输丢包率或时延都会相应提高。

[0003] 其次，随着网络节点的增多，网络拓扑变得复杂，每一条链路的中断，都会引起整个网络的拓扑进行重组，而对于物联网来说，每一次重组都会消耗大量的能量与相邻节点
进行拓扑信息的交换，包括发送或接收网络维护报文。

[0004] 再有，在正常情况下，一个多跳网状网络的节点需要定期与每一个相邻节点交换链路维护报文，即随着网络节点的增多，网络节点的密度增大，节点之间的常规维护报文流
量可能会超过实际的数据流量本身报文数量。若没有一个机制，让不同节点在发送、广播或
者链路维护报文的时刻叉开，来自不同节点的链路维护广播信号不可避免的会互相冲突，
从而导致更多的维护流量开销，在实际应用中可能导致一个物联网节点或物联网感应器终
端的电量消耗迅速提升，最终导致部分节点的电量快速耗尽，从而使得整个网络的变得很
不稳定。

发明内容

[0005] 本申请的目的在于提供一种树状多跳网络的组网方法及其系统，具有避免相邻蜂窝相互干扰，实现有限频谱资源的充分利用以及降低整个网络电池能耗的技术效果。

[0006] 为达到上述目的，本申请提供一种树状多跳网络的组网方法，包括：将基站节点、与基站节点相关联的一个或多个中继节点以及终端节点组成一个蜂窝；将相邻的C个不同
蜂窝分入同一组同频率广播组；设置同一组同频率广播组中的C个不同蜂窝在C个不同的时
隙上发送同频率广播信号。

[0007] 如上的，其中，在一个时间帧中，一个蜂窝中的基站节点和所有中继节点采用同一个频率、且选择不同的固定时隙发送广播信号，基站节点和中继节点发送广播信号的固定
时隙的时间周期β满足： 其中，β为时间周期；ε为中继/终端节点的晶振
时钟漂移参数；g为时隙保护间隔。

[0008] 如上的，其中，一个同频率广播组使用一个广播频点，且不同的同频率广播组所使用的广播频点相同。

[0009] 如上的，其中，非同一组频率广播组中的蜂窝在同一个时隙使用相同的广播频点进行广播。

[0010] 如上的，其中，一个同频率广播组使用一个广播频点，且不同的同频率广播组所使用的广播频点不相同。

[0011] 如上的，其中，多个中继节点组成中继子树，每个中继子树的级数限制为n级，其中n≥0；当n＝0时网络拓扑为不含中继子树的星型结构；当n＞0时，网络拓扑中含有中继子
树，且中继子树的第i级的中继节点所能接入的下一级中继节点的限制个数为m(i)个，其中
i＝0,1,……,n；当n≥1时，同一个蜂窝内分配给基站节点和中继子树中各级中继节点的同
频广播的时隙的个数满足： 其中，C表示一个同频率广播组中的不同
蜂窝的个数；β为时间周期；m(i)为中继子树的第i级的中继节点所能接入的下一级中继节
点的限制个数；t为固定的时隙长度，并且满足t‑g后剩余的时间按照当前链路速率发送一
个完整的数据帧；g为时隙保护间隔；l为一个蜂窝中的最大中继层级数。

[0012] 如上的，其中，当n＞1时，中继子树中的一级中继节点中的中继节点与基站节点直接连接，二级中继节点与一级中继节点连接，以此类推，n级中继节点与n‑1级中继节点连
接，n级中继节点中的中继节点与终端节点连接。

[0013] 本申请还提供一种树状多跳网络的组网系统，包括：三种逻辑节点和无线通讯装置；三种逻辑节点包括：基站节点、中继节点和终端节点；无线通讯装置用于实现上述的树
状多跳网络的组网方法，并用于承担与基站节点、中继节点以及终端节点的通信；其中，终
端节点和基站节点通过建立直接连接或者间接连接进行通信；间接连接包括在终端节点和
基站节点之间连接有一个中继节点，或者连接有由多个中继节点组成的中继子树。

[0014] 如上的，其中，无线通讯装置包括K个独立的通讯模块，其中K≥1；当K＞1时，多个独立的通讯模块之间相互连接；每个独立的通讯模块均同时承担与基站节点、中继节点以
及终端节点的通信，包括发送数据和接收数据。

[0015] 如上的，其中，基站节点、中继节点和终端节点总共使用fn个工作频点，工作频点由可配置的基础频点计算得出，计算公式如下：Fx＝FB+(Fh+Fz*Ft)*G；其中，Fx为工作频
点，x＝1,2,3,4,5,……,fn；FB为基础频点；Fh为频点号；Fz为跳频组号；Ft为每组跳频数；G
为信道间隔。

[0016] 本申请实现的有益效果如下：

[0017] (1)本申请的树状多跳网络的组网方法及其系统中，一个蜂窝选择一个固定时间周期的时间帧的不同固定时隙发送广播信号，避免了基站节点与其关联的中继节点发送的
广播信号冲突。

[0018] (2)本申请的树状多跳网络的组网方法及其系统通过设置同一组同频率广播组中的C个不同蜂窝在C个不同的时隙上发送同频率广播信号，使由多个蜂窝组构成的蜂窝网络
通过频率分配和复用在使用单一频点进行广播的同时避免相互干扰，降低了终端节点入网
时的广播信号搜素功耗，并实现了有限频谱资源的充分利用。

[0019] (3)本申请的树状多跳网络的组网方法保证了网络能很好的支持自组网和自恢复，并支持基站节点和终端节点之间的双向通信。

[0020] (4)本申请的树状多跳网络的组网系统中的收发单元根据树状多跳网络组网方法控制自身及收发单元的唤醒或休眠时间，从而降低了整个网络的电池能耗。

附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他
的附图。

[0022] 图1为通讯模块一种实施例的结构示意图；

[0023] 图2为树状多跳网络的组网方法一种实施例的流程图。

具体实施方式

[0024] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明
中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都
属于本发明保护的范围。

[0025] 本申请提供一种树状多跳网络的组网方法及其系统，具有避免相邻蜂窝相互干扰，实现有限频谱资源的充分利用以及降低整个网络电池能耗的技术效果。

[0026] 本申请提供一种树状多跳网络的组网系统，包括：三种逻辑节点和无线通讯装置；三种逻辑节点包括：基站节点、中继节点和终端节点；无线通讯装置用于实现下述的树状多
跳网络的组网方法，并用于承担与基站节点、中继节点以及终端节点的通信；

[0027] 其中，终端节点和基站节点通过建立直接连接或者间接连接进行通信；间接连接包括在终端节点和基站节点之间连接有一个中继节点，或者连接有由多个中继节点组成的
中继子树。

[0028] 进一步的，中继节点或终端节点优先选择基站节点建立连接。当没有合适的基站节点时，中继节点选择合适的上一级中继节点建立连接，终端节点选择合适的中继节点建
立连接。具体的，由中继节点组成的中继子树和终端节点可根据信号传播质量动态改变网
络拓扑来使得网络中的节点连接更为均衡。

[0029] 进一步的，基站节点、中继节点和终端节点总共使用fn个工作频点，工作频点由可配置的基础频点计算得出，计算公式如下：

[0030] Fx＝FB+(Fh+Fz*Ft)*G；

[0031] 其中，Fx为工作频点，x＝1,2,3,4,5,……,fn；FB为基础频点；Fh为频点号；Fz为跳频组号；Ft为每组跳频数；G为信道间隔。

[0032] 具体的，作为一个实施例，本申请以fn＝6进行说明。如表1所示，本申请的树状多跳网络的组网系统总共使用6个工作频点。各网元设备(网元设备包括基站节点、中继节点
和终端节点)预设一个基础频点(FB)。

[0033]

[0034]

[0035] 表1

[0036] 其中，基站节点占用3个频点，该3个频点包括F1、F3和F6。

[0037] 具体的，基站广播注册信息频点(F1)：每帧周期广播一个注册信息，用来提供下级设备(中继节点和/或终端节点)接入。

[0038] 基站业务数据通信频点(F3)：用来接收上行数据，维护时钟同步。

[0039] 下行业务数据通信频点(F6)：用来发送下行业务数据。

[0040] 其中，中继节点占用6个频点，该6个频点包括F1、F2、F3、F4、F5、F6。

[0041] 具体的，基站广播注册信息频道(F1)：接收基站节点的广播注册信息，进行时钟校准接入网络。

[0042] 中继广播注册信息频点(F2)：周期性(4个帧周期)广播注册信息，用来提供下级设备(下级中继节点或终端节点)接入。

[0043] 基站业务数据通信/广播时钟同步频点(F3)：发送上行数据，转发数据，接收时钟同步信息。

[0044] 中继业务数据通信频点(F4)：用来接收下级设备上行数据，转发数据给中继。

[0045] 中继广播时钟同步频点(F5)：维护与下级的时钟同步。

[0046] 下行业务数据通信频点(F6)：用来接收或发送下行业务数据。

[0047] 其中，终端节点占用6个频点，该6个频点包括F1、F2、F3、F4、F5、F6。

[0048] 具体的，基站广播注册信息频点(F1)：接收基站节点的广播注册信息，进行时钟校准接入网络。

[0049] 中继广播注册信息频点(F2)：接收中继节点的广播注册信息，进行时钟校准接入网络。

[0050] 基站业务数据通信/广播时钟同步频点(F3)：发送上行数据，转发数据，接收时钟同步信息。

[0051] 中继业务数据通信频点(F4)：发送上行数据给中继节点。

[0052] 中继广播时钟同步频点(F5)：与中继节点进行时钟校准。

[0053] 下行业务数据通信频点(F6)：用来接收下行业务数据。

[0054] 进一步的，无线通讯装置包括K个独立的通讯模块，其中K≥1；当K＞1时，多个独立的通讯模块之间相互连接；每个独立的通讯模块均同时承担与基站节点、中继节点以及终
端节点的通信，包括发送数据和接收数据。

[0055] 进一步的，如图1所示，每个独立的通讯模块均包括中心处理单元、收发单元、存储单元和供电单元；中心处理单元分别与收发单元、存储单元和供电单元相互连接；供电单元
分别与收发单元和存储单元连接。

[0056] 其中，中心处理单元：用于根据树状多跳网络组网方法的时间周期和时隙控制自身及收发单元的唤醒或休眠时间。

[0057] 收发单元：用于将接收到的无线信号发送至中心处理单元进行处理并将处理后的信号进行发送。

[0058] 存储单元：用于保存中继子树中下一级中继节点的连接信息。

[0059] 供电单元：用于为收发单元、中心处理单元和存储单元提供电源。

[0060] 进一步的，多个通讯模块之间通过各自的中心处理单元相互连接。

[0061] 如图2所示，本申请提供一种树状多跳网络的组网方法，包括：

[0062] S1：将基站节点、与所述基站节点相关联的一个或多个中继节点以及终端节点组成一个蜂窝。

[0063] 进一步的，多个中继节点组成中继子树。

[0064] 进一步的，每个中继子树的级数限制为n级，其中n≥0；当n＝0时网络拓扑为不含中继子树的星型结构；当n＞0时，网络拓扑中含有中继子树，且中继子树的第i级的中继节
点所能接入的下一级中继节点的限制个数为m(i)个，其中i＝0,1,……,n；当n≥1时，同一
个蜂窝内分配给基站节点和中继子树中各级中继节点的同频广播的时隙的个数满足：

[0065]

[0066] 其中，C表示一个同频广播组中的不同蜂窝的个数；β为时间周期；m(i)为中继子树的第i级的中继节点所能接入的下一级中继节点的限制个数；t为固定的时隙长度，并且满
足t‑g后剩余的时间可以按照当前链路速率发送一个完整的数据帧；g为时隙保护间隔；l为
一个蜂窝的最大中继层数。

[0067] 具体的，作为一个实施例，设定一个时间帧的时间周期包括20个时隙，且每个时隙800ms。由于时钟同步定时器使用32768hz20ppm的晶振，存在时钟偏移问题，收发设备两端
均需要有时钟保护间隔(gap，g)来确保信号能正常接收。为了控制g的时长，将g的时长设置
在20ms以内，以确保足够的时间来收发数据，则时钟同步周期T为：

[0068] T＝A*B；

[0069] 其中，T为时钟同步周期；A为固定时间周期的帧数；B为一个帧的时间周期；作为一个实施例，A＝60，B＝16s，则：

[0070] T＝60*16s；

[0071]  ＝960s

[0072] 换算单位后，T＝960s*20/1000000＝19.2ms。

[0073] 在60个帧的时间周期内，第0个周期为基站节点的广播时钟同步帧，剩下的59个帧的时间周期的总时隙为：59*20＝1180。

[0074] 每个中继节点的广播时钟同步报文频点相同，需要在时间上错开，故1180为一个基站节点下的最大中继节点个数。

[0075] 由此设定一级中继节点具有80个中继节点，每个中继节点下挂4个二级中继节点，每个二级中继节点下的每个中继节点下挂2个三级中继节点。

[0076] 中继节点的总个数为：

[0077] 80+4*80+4*80*2＝80+320+640＝1040个。

[0078] 1040小于1180满足中继总数设计要求。

[0079] 进一步的，当n＞1时，中继子树中的一级中继节点中的中继节点与基站节点直接连接，二级中继节点与一级中继节点连接，以此类推，n级中继节点与n‑1级中继节点连接，n
级中继节点中的中继节点与终端节点连接。

[0080] S2：将相邻的C个不同蜂窝分入同一组同频率广播组。

[0081] 进一步的，在同一个时间帧中，一个蜂窝中的所有中继节点采用同一个频率、且选择不同的固定时隙发送广播信号，基站节点和中继节点发送广播信号的固定时隙的时间周
期β满足：

[0082]

[0083] 其中，β为时间周期；ε为中继/终端节点的晶振时钟漂移参数；g为时隙保护间隔。

[0084] 进一步的，一个蜂窝中的固定时隙由该蜂窝中的基站节点统一维护，一个时间帧中设置的固定时隙的个数大于或等于所述基站节点与所有中继节点的个数总和。

[0085] S3：设置同一组同频率广播组中的C个不同蜂窝在C个不同的时隙上发送同频率广播信号，从而确保同一组同频率广播组中的相邻的蜂窝之间发送广播信号的时隙不重叠。

[0086] 具体的，同一组同频率广播组中的C个不同蜂窝发送广播信号的时隙叉开，在不同的固定时隙进行，并按照一定的规律进行频率分配和复用，从而确保同一组同频率广播组
中的相邻的蜂窝之间发送广播信号的时隙不重叠，一个蜂窝中的基站节点或中继节点进行
广播的时隙与直接相邻的蜂窝下的基站或中继节点的广播时隙不重叠。

[0087] 进一步的，每一个蜂窝使用一个时隙，非同一组同频率广播组中的蜂窝，如果相隔足够远，可以使用同一个时隙，从而使得有限的频率资源可以在一定的范围内被重复利用。
此外，当容量不够的时候，可以减少蜂窝的范围，划分出更多的蜂窝，进一步提高频率的利
用效率。

[0088] 进一步的，一个同频率广播组使用一个广播频点，且不同的同频率广播组所使用的广播频点相同。通过空间复用确保，即使不同的同频率广播组采用相同的广播频点，不同
的同频率广播组中的蜂窝可以在相同时隙采用相同频点进行广播而不会互相干扰，从而节
省低功耗终端入网时所需要搜索的广播频点数。

[0089] 具体的，作为一个实施例，设置有同频率广播组A1和同频率广播组A2，同频率广播组A1中包括C1个蜂窝，同频率广播组A2中包括C2个蜂窝，同频率广播组A1和同频率广播组
A2均使用广播频点P；C1个蜂窝使用C1个不同时隙，C2个蜂窝使用C2个不同时隙；C1个不同
时隙可以与C2个不同时隙相同。

[0090] 进一步的，作为另一个实施例，一个同频率广播组使用一个广播频点，且不同的同频率广播组所使用的广播频点不相同。

[0091] 本申请实现的有益效果如下：

[0092] (1)本申请的树状多跳网络的组网方法及其系统中，一个蜂窝选择一个固定时间周期的时间帧的不同固定时隙发送广播信号，避免了基站节点与其关联的中继节点发送的
广播信号冲突。

[0093] (2)本申请的树状多跳网络的组网方法及其系统通过设置同一组同频率广播组中的C个不同蜂窝在C个不同的时隙上发送同频率广播信号，使由多个蜂窝组构成的蜂窝网络
通过频率分配和复用在使用单一频点进行广播的同时避免相互干扰，降低了终端节点入网
时的广播信号搜素功耗，并实现了有限频谱资源的充分利用。

[0094] (3)本申请的树状多跳网络的组网方法保证了网络能很好的支持自组网和自恢复，并支持基站节点和终端节点之间的双向通信。

[0095] (4)本申请的树状多跳网络的组网系统中的收发单元根据树状多跳网络组网方法控制自身及收发单元的唤醒或休眠时间，从而降低了整个网络的电池能耗。

[0096] 尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，本申请的保护范围意欲解释为包
括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本
申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和
变型属于本申请保护范围及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型
在内。