本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，并且更具體地，涉及一種6lowpan無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其信道切換方法。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork，wsn)是由大量通過無線方式傳輸信息的各類傳感器節(jié)點(diǎn)組成，將信息的采集、處理、傳輸以及信息的應(yīng)用融合于一體的綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)要求網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)具備可通信、可尋址及可控制的三大特征，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ip化是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。ipv6技術(shù)作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有地址資源豐富、安全性高、擴(kuò)展性強(qiáng)和移動性好等優(yōu)勢。

互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組ietf(internetengineeringtaskforce)相繼成立了6lowpan工作組、roll和core等工作組致力于研究將ipv6技術(shù)引入ieee802.15.4網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)形成一系列協(xié)議規(guī)范。6lowpan技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的鏈路層和ipv6網(wǎng)絡(luò)層之間定義了一個適配層來解決兩者之間不匹配的問題，主要提供了ipv6頭部壓縮機(jī)制和分片重組機(jī)制。6lowpan系列協(xié)議得到迅速發(fā)展，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無縫對接，成為當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的事實標(biāo)準(zhǔn)。

由于各類無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署，現(xiàn)有6lowpan無線網(wǎng)絡(luò)容易受到環(huán)境中的wi-fi、藍(lán)牙以及同頻ieee802.15.4網(wǎng)絡(luò)的干擾，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。目前6lowpan系列標(biāo)準(zhǔn)以及ieee802.15.4規(guī)范中都沒有定義信道切換的交互方法，因此在6lowpan無線網(wǎng)絡(luò)中引入信道切換方法對提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性意義重大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出一種用于6lowpan無線網(wǎng)絡(luò)的信道切換方法，包括：

源節(jié)點(diǎn)向默認(rèn)路由器發(fā)送改進(jìn)的鄰居請求消息ns，其中所述改進(jìn)的ns消息包括信道信息選項；

判斷默認(rèn)路由器是否為第一次接收到所述源節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)的ns消息，若是，則添加新的鄰居節(jié)點(diǎn)信道信息緩存表；否則，根據(jù)改進(jìn)的ns消息更新鄰居節(jié)點(diǎn)信道信息緩存表；

默認(rèn)路由器向源節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送一個改進(jìn)的鄰居通告消息na，其中所述改進(jìn)的na消息包括信道生存期選項，所述信道生存期選項包括源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前使用的信道號以及原信道的可用生存期；

源節(jié)點(diǎn)判斷改進(jìn)的na消息中的信道號與當(dāng)前使用的原信道的信道號是否相同，若相同，則記錄原信道的可用生存期，并在原信道過期前向默認(rèn)路由器發(fā)送改進(jìn)的ns信息匯報信道狀況；否則，向默認(rèn)路由器發(fā)送改進(jìn)的ns消息匯報；

默認(rèn)路由器判定需要進(jìn)行信道切換時，周期性地向原信道上的源節(jié)點(diǎn)廣播改進(jìn)的路由器通告消息ra，其中所述改進(jìn)的ra消息包括信道切換選項，所述信道切換選項包括新信道號以及信道切換時間；

源節(jié)點(diǎn)接收到改進(jìn)的ra消息后，在信道切換時間到達(dá)之前切換到新信道號對應(yīng)的信道，并在切換完畢后向默認(rèn)路由器發(fā)送改進(jìn)的ns消息；

默認(rèn)路由器對原信道和新信道同時進(jìn)行監(jiān)聽，并在接到源節(jié)點(diǎn)在新信道發(fā)出的改進(jìn)的ns消息后更新鄰居節(jié)點(diǎn)信道信息緩存表中對應(yīng)源節(jié)點(diǎn)的表項，當(dāng)檢測到所有源節(jié)點(diǎn)全部切換到新信道后，停止廣播改進(jìn)的ra消息和監(jiān)聽。

優(yōu)選地，所述信道信息選項的幀格式為：選項類型、選項長度、當(dāng)前信道號、保留域及信道質(zhì)量，其中選項類型域值為36，長度為2。

優(yōu)選地，所述信道生存期選項的幀格式為：選項類型、選項長度、當(dāng)前信道號、保留域及信道生存期，其中選項類型域值為37，長度為2。

優(yōu)選地，所述信道切換選項的幀格式為：選項類型、選項長度、當(dāng)前信道號、下一個信道號、保留域及信道切換時間，其中選項類型域值為38，長度為2。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種6lowpan無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括默認(rèn)路由器和多個源節(jié)點(diǎn)，其中：

所述默認(rèn)路由器通過改進(jìn)的ns和na消息與多個源節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信道信息交互以確認(rèn)源節(jié)點(diǎn)所在信道的信道信息，并利用改進(jìn)的ra消息通告源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道切換操作；

所述源節(jié)點(diǎn)通過改進(jìn)的ns和na消息與默認(rèn)路由器之間進(jìn)行信道信息交互以匯報當(dāng)前信道的信道信息，并根據(jù)改進(jìn)的ra消息進(jìn)行信道切換。

優(yōu)選地，所述信道信息包括信道號和信道質(zhì)量。

優(yōu)選地，所述改進(jìn)的ns消息包括信道信息選項。

優(yōu)選地，所述信道信息選項的幀格式為：選項類型、選項長度、當(dāng)前信道號、保留域及信道質(zhì)量，其中選項類型域值為36，長度為2。

優(yōu)選地，所述改進(jìn)的na消息包括信道生存期選項，所述信道生存期選項包括源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前使用的信道號以及原信道的可用生存期。

優(yōu)選地，所述信道生存期選項的幀格式為：選項類型、選項長度、當(dāng)前信道號、保留域及信道生存期，其中選項類型域值為37，長度為2。

優(yōu)選地，所述改進(jìn)的ra消息包括信道切換選項。

優(yōu)選地，所述信道切換選項的幀格式為：選項類型、選項長度、當(dāng)前信道號、下一個信道號、保留域及信道切換時間，其中選項類型域值為38，長度為2。

本發(fā)明對6lowpan鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)和拓展，沒有增加新的幀類型，只在原有的鄰居發(fā)現(xiàn)報文中增加了新的選項。利用路由器周期性的ra路由通告消息實現(xiàn)信道切換功能，利用節(jié)點(diǎn)和路由交互的ns消息及na消息來完成信道質(zhì)量匯報功能和信道生存期通告功能。本發(fā)明在充分的利用現(xiàn)有協(xié)議的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了6lowpan無線網(wǎng)絡(luò)的信道切換交互，在較少增加網(wǎng)絡(luò)開銷的情況下提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，具有較好的通用性和可移植性。

附圖說明

通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發(fā)明的示例性實施方式：

圖1為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的信道切換方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的信道信息選項幀結(jié)構(gòu)；

圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的信道生存期選項幀結(jié)構(gòu)；

圖4為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的信道切換選項幀結(jié)構(gòu)；

圖5為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的信道切換實施過程；以及

圖6為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)在參考附圖介紹本發(fā)明的示例性實施方式，然而，本發(fā)明可以用許多不同的形式來實施，并且不局限于此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發(fā)明，并且向所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員充分傳達(dá)本發(fā)明的范圍。對于表示在附圖中的示例性實施方式中的術(shù)語并不是對本發(fā)明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標(biāo)記。

除非另有說明，此處使用的術(shù)語(包括科技術(shù)語)對所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術(shù)語，應(yīng)當(dāng)被理解為與其相關(guān)領(lǐng)域的語境具有一致的含義，而不應(yīng)該被理解為理想化的或過于正式的意義。

圖1為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的信道切換方法的流程圖。如圖1所示，信道切換方法100從步驟101開始。在步驟101中，源節(jié)點(diǎn)向默認(rèn)路由器發(fā)送改進(jìn)的鄰居請求消息ns(neighborsolicitation)，其中所述改進(jìn)的ns消息包括信道信息選項，信道信息選項中攜帶源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前使用的信道的相關(guān)信息，如信道號、信道質(zhì)量等。

在步驟102中，默認(rèn)路由器接收到改進(jìn)的ns消息后，首先判斷是否為第一次接收到該節(jié)點(diǎn)的信息，若不是第一次接收，則進(jìn)行步驟103，即根據(jù)改進(jìn)的ns消息更新默認(rèn)路由器中保存的鄰居節(jié)點(diǎn)信道信息緩存表；若為第一接收則進(jìn)行步驟104，則添加一個新的鄰居節(jié)點(diǎn)信道信息緩存表以存儲該源節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)信道信息。

在步驟105中，默認(rèn)路由器向源節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送一個改進(jìn)的鄰居通告消息na(neighboradvertisement)，其中所述改進(jìn)的na消息包括信道生存期選項，信道生存期選項中包括源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前使用的信道號以及原信道的可用生存期。

在步驟106中，源節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)改進(jìn)的na消息判斷信道生存期選項中的信道號與自己當(dāng)前所在的原信道的信道號是否相同，若相同，則進(jìn)行步驟107，即記錄信道生存期選項中信道號對應(yīng)的可用生存期，并在原信道過期前向默認(rèn)路由器發(fā)送改進(jìn)的ns信息匯報該信道的狀況；否則，執(zhí)行步驟108，由源節(jié)點(diǎn)向默認(rèn)路由器發(fā)送改進(jìn)的ns消息以匯報改進(jìn)的na消息中信道號與當(dāng)前使用的信道號不符的情況，默認(rèn)路由器根據(jù)新發(fā)送的改進(jìn)的ns消息單播改進(jìn)的na消息。

在步驟109中，默認(rèn)路由器根據(jù)一定的判定策略判定當(dāng)前信道的質(zhì)量不好，需要進(jìn)行信道切換時，會周期性地向原信道上的源節(jié)點(diǎn)廣播改進(jìn)的路由器通告消息ra(routeradvertisement)，其中改進(jìn)的ra消息包括信道切換選項，信道切換選項中包括新信道號以及信道切換時間。應(yīng)當(dāng)了解的是，默認(rèn)路由器進(jìn)行信道判斷的策略可以為現(xiàn)有的判斷技術(shù)，例如信噪比的卡爾曼預(yù)測、信噪比的實時估計、基于信號自相關(guān)矩陣奇異值分解的信噪比估計等策略。同時，在默認(rèn)路由器沒有判定所有源節(jié)點(diǎn)都切換完畢時，默認(rèn)路由器會一直在原信道和新信道不斷地周期性地進(jìn)行改進(jìn)的ra消息的廣播，直到所有的源節(jié)點(diǎn)的信道切換工作完畢為止。

在步驟110中，源節(jié)點(diǎn)接收到默認(rèn)路由器廣播的消息后，在信道切換時間前換到新信道號對應(yīng)的信道上，并在切換信道后在新信道上向默認(rèn)路由器發(fā)送改進(jìn)的ns消息，以通知默認(rèn)路由器自己已經(jīng)完成信道切換。

在步驟111中，默認(rèn)路由器需要同時對原信道和新信道進(jìn)行監(jiān)聽，并在接到源節(jié)點(diǎn)切換信道后發(fā)出的改進(jìn)的ns消息后及時更新鄰居節(jié)點(diǎn)信道信息緩存表中對應(yīng)源節(jié)點(diǎn)的表項，當(dāng)檢測到所有源節(jié)點(diǎn)全部切換到新信道后，停止廣播改進(jìn)的ra消息和監(jiān)聽。優(yōu)選地，當(dāng)默認(rèn)路由器發(fā)現(xiàn)自己存儲的所有的鄰居節(jié)點(diǎn)信道信息緩存表均進(jìn)行了更新，就可以判定所有的源節(jié)點(diǎn)的信道切換工作結(jié)束，停止廣播和監(jiān)聽。

圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的信道信息選項幀結(jié)構(gòu)。信道信息選項主要包括源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前使用信道的信道號和信道質(zhì)量等信息。其幀格式包括：選項類型、選項長度、當(dāng)前信道號、保留域及信道質(zhì)量，其中選項類型域值為36，長度為2。

圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的信道生存期選項幀結(jié)構(gòu)。信道生存期選項主要包括當(dāng)前信道的信道號以及該信道的可用生存信息。其幀格式包括：選項類型、選項長度、當(dāng)前信道號、保留域及信道生存期，其中選項類型域值為37，長度為2。

圖4為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的信道切換選項幀結(jié)構(gòu)。信道切換選項主要包括新的信道號以及切換時間等。其幀格式包括：選項類型、選項長度、當(dāng)前信道號、下一個信道號、保留域及信道切換時間，其中選項類型域值為38，長度為2。

圖5為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的信道切換實施過程。網(wǎng)絡(luò)500中兩個源節(jié)點(diǎn)和一個默認(rèn)路由器節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信道切換之前，6lowpan網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)構(gòu)建完畢，網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點(diǎn)在默認(rèn)路由器發(fā)現(xiàn)之后都擁有一個默認(rèn)路由器節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)502和源節(jié)點(diǎn)503的默認(rèn)路由器都是路由器501。信道切換實施過程如下：

源節(jié)點(diǎn)502向默認(rèn)路由器501發(fā)送了一個改進(jìn)的ns消息，該ns消息中包含一個攜帶當(dāng)前使用的信道號和信道質(zhì)量的信道信息選項；

路由器節(jié)點(diǎn)501收到來自源節(jié)點(diǎn)502的改進(jìn)的ns消息后，向源節(jié)點(diǎn)502回復(fù)一個改進(jìn)的na消息，該na消息包含一個信道生存期選項，信道生存期選項指示了當(dāng)前使用的信道號以及該信道的可用生存期。同時為源節(jié)點(diǎn)502建立信道緩存，記錄源節(jié)點(diǎn)502的信道號及信道質(zhì)量；

源節(jié)點(diǎn)503向默認(rèn)路由器501發(fā)送了一個改進(jìn)的ns消息，該ns消息中包含一個攜帶當(dāng)前使用的信道號和信道質(zhì)量的信道信息選項；

路由器節(jié)點(diǎn)501收到來自源節(jié)點(diǎn)503的改進(jìn)的ns消息后，向源節(jié)點(diǎn)503回復(fù)一個改進(jìn)的na消息，該na消息包含一個信道生存期選項，信道生存期選項指示了當(dāng)前使用的信道號以及該信道的可用生存期。同時為源節(jié)點(diǎn)503建立信道緩存，記錄源節(jié)點(diǎn)503的信道號及信道質(zhì)量；

路由器節(jié)點(diǎn)501進(jìn)行一定的信道評估策略，決定切換到一個全新的信道，隨即廣播發(fā)送改進(jìn)的ra消息，改進(jìn)的ra消息包含一個信道切換選項用于指示新的信道號以及信道切換時間，此時默認(rèn)路由器501需要在新舊兩個信道上同時監(jiān)聽消息，并在舊信道上繼續(xù)周期性發(fā)送改進(jìn)的ra消息；

源節(jié)點(diǎn)502收到默認(rèn)路由器501發(fā)送的改進(jìn)的ra消息，在信道切換時間內(nèi)將射頻信道切換到了新信道，并在新的信道上向默認(rèn)路由器501發(fā)送改進(jìn)的ns消息匯報自己新信道狀況；

默認(rèn)路由器501在新信道上收到來自源節(jié)點(diǎn)502發(fā)送的改進(jìn)的ns消息，根據(jù)消息中的信道信息選項更新自己的鄰居節(jié)點(diǎn)信道信息緩存表，并查詢緩存中的其他節(jié)點(diǎn)是否都切換到新的信道，此時發(fā)現(xiàn)默認(rèn)路由器501還未接收到源節(jié)點(diǎn)503的新信道信息匯報，表示源節(jié)點(diǎn)中還有未切換到新信道的，所以相隔一定時間后，默認(rèn)路由器501繼續(xù)廣播改進(jìn)的ra消息以通知原信道上的源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道切換；

此時源節(jié)點(diǎn)503收到默認(rèn)路由器501發(fā)送的改進(jìn)的ra消息，在信道切換時間內(nèi)將射頻信道切換到了新信道，并在新的信道上向默認(rèn)路由器501發(fā)送改進(jìn)的ns消息匯報自己新信道狀況；

默認(rèn)路由器501在新信道上收到來自源節(jié)點(diǎn)503發(fā)送的改進(jìn)的ns消息，根據(jù)消息中的信道信息選項更新自己的鄰居節(jié)點(diǎn)信道信息緩存表，并查詢緩存中的其他節(jié)點(diǎn)是否都切換到新的信道，此時發(fā)現(xiàn)所有源節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)切換到新信道，故而停止在源信道發(fā)送改進(jìn)的ra消息及停止監(jiān)聽消息，信道切換完畢。

圖6為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)600由默認(rèn)路由器601以及n個源節(jié)點(diǎn)組成。其中，默認(rèn)路由器601通過改進(jìn)的ns和na消息與n個源節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信道信息交互以確認(rèn)源節(jié)點(diǎn)所在信道的信道信息，利用鄰居節(jié)點(diǎn)信道信息緩存表存儲源節(jié)點(diǎn)信道相關(guān)的信息，并利用改進(jìn)的ra消息通告源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道切換操作。源節(jié)點(diǎn)通過改進(jìn)的ns和na消息與默認(rèn)路由器之間進(jìn)行信道信息交互以匯報當(dāng)前信道的信道信息，并根據(jù)改進(jìn)的ra消息進(jìn)行信道切換。

已經(jīng)通過參考少量實施方式描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，正如附帶的專利權(quán)利要求所限定的，除了本發(fā)明以上公開的其他的實施例等同地落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

通常地，在權(quán)利要求中使用的所有術(shù)語都根據(jù)他們在技術(shù)領(lǐng)域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考“一個/所述/該[裝置、組件等]”都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這里公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準(zhǔn)確的順序運(yùn)行，除非明確地說明。