本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別涉及一種基于簇樹形網(wǎng)絡(luò)的無線中繼系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，基于短距離無線通信的433mhz的通信技術(shù)在消防報警、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等領(lǐng)域發(fā)展迅速，但由于433mhz頻段的射頻通信模塊在中國信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布的《微功率無線電設(shè)備管理暫行規(guī)定》要求的最大發(fā)射功率情況下，通信距離空曠區(qū)域通常不超過一公里，在建筑物內(nèi)使用時信號的衰減更加嚴(yán)重。由于在實際的工程安裝使用中，采用無線射頻模塊通信的相鄰兩點設(shè)備間的通信距離要求不能夠確定，為滿足實際要求通常采用加入中繼器的方式來延長實際通信距離。

目前基于433mhz頻段通信的傳統(tǒng)中繼器從功能上分為三類：

（1）傳統(tǒng)的無線中繼器對接收到的數(shù)據(jù)具備轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸功能，目前常見的方式是點對點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通信功能，這類中繼器采用數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)姆绞?，?dāng)需要擴(kuò)大系統(tǒng)的通信覆蓋范圍時，由于中繼器不能夠級聯(lián)，數(shù)據(jù)的傳輸距離十分有限。

（2）具有級聯(lián)通信功能的中繼器，但僅實現(xiàn)單條通信鏈路的級聯(lián)，如終端設(shè)備的數(shù)量較多時，所需的中繼器數(shù)量會同比例的大幅增加，數(shù)量的增加會增大空間無線通信數(shù)據(jù)的同頻信號干擾。造成數(shù)據(jù)傳輸過程中可靠性下降。

（3）可以組成網(wǎng)狀（mesh）網(wǎng)絡(luò)的中繼器，當(dāng)空間某一時間的通訊數(shù)據(jù)量發(fā)生突變時，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑復(fù)雜多變，容易導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)的延遲時間不確定，降低傳輸數(shù)據(jù)的時效性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于簇樹形網(wǎng)絡(luò)的無線中繼系統(tǒng)，可有效的延長通信距離，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，提高?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性,解決了上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

在本發(fā)明實施例中，提供了一種基于簇樹形網(wǎng)絡(luò)的無線中繼系統(tǒng)，其包括由多個無線中繼器組成的樹形網(wǎng)絡(luò)和由多個無線終端設(shè)備與所述無線中繼器組成的簇形網(wǎng)絡(luò)。

在本發(fā)明實施例中，所述樹形網(wǎng)絡(luò)中，所述多個無線中繼器包括位于根節(jié)點的第一無線中繼器、與所述無線終端設(shè)備相連接的第三無線中繼器和用于轉(zhuǎn)發(fā)所述第一無線中繼器與所述第三無線中繼器的數(shù)據(jù)的第二無線中繼器。

在本發(fā)明實施例中，所述第三無線中繼器包括第一射頻通信模塊、第二射頻通信模塊和微處理器，所述第一射頻通信模塊用于與所述無線終端設(shè)備通信組成簇形網(wǎng)絡(luò)，所述第二射頻通信模塊用于與其他中繼器進(jìn)行通信組成樹形網(wǎng)絡(luò)，所述微處理器用于控制所述第一射頻通信模塊和所述第二射頻通信模塊發(fā)送和接收來自所述簇形網(wǎng)絡(luò)與所述樹形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無線中繼器與無線終端設(shè)備的數(shù)據(jù)。

在本發(fā)明實施例中，所述無線中繼系統(tǒng)中，所述多個無線中繼器按照自身在樹形網(wǎng)絡(luò)中的不同位置，在系統(tǒng)同步過程中在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的層級分為位于樹形網(wǎng)絡(luò)根部的時間基準(zhǔn)節(jié)點、處于樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第二層的基準(zhǔn)直接通信節(jié)點和處于樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第二層以下的基準(zhǔn)未覆蓋節(jié)點，其中，所述時間基準(zhǔn)節(jié)點定期發(fā)送同步信標(biāo)。

在本發(fā)明實施例中，所述無線中繼系統(tǒng)的同步的過程如下：

位于樹形網(wǎng)絡(luò)根部的時間基準(zhǔn)節(jié)點定時的廣播發(fā)送同步報文；

處于樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下一層的基準(zhǔn)直接通信節(jié)點收到同步報文后立即轉(zhuǎn)發(fā)同步報文到子節(jié)點，同時計算自身的應(yīng)答信號的延時時間，直到網(wǎng)絡(luò)最大深度的中繼器收到同步消息并計算延遲時間后應(yīng)答同步信息；

父節(jié)點中繼器接收并轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點的應(yīng)答信息，再發(fā)送自身的同步應(yīng)答信息，直到所述時間基準(zhǔn)節(jié)點收到整個網(wǎng)絡(luò)的全部中繼器的同步應(yīng)答信息。

在本發(fā)明實施例中，通訊數(shù)據(jù)上行傳輸流程：

所述無線中繼系統(tǒng)的每一臺無線中繼器，實時監(jiān)聽所述樹形網(wǎng)絡(luò)和所述簇形網(wǎng)絡(luò)的無線信號，當(dāng)收到無線數(shù)據(jù)時，首先區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的來源，區(qū)分所述無線數(shù)據(jù)來自所述樹形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)或所述簇形網(wǎng)絡(luò)；

當(dāng)所述無線數(shù)據(jù)來自所述樹形網(wǎng)絡(luò)時，將所述無線數(shù)據(jù)發(fā)送到所述無線中繼器的父節(jié)點；

當(dāng)所述無線數(shù)據(jù)來自所述簇型網(wǎng)絡(luò)時，遍歷搜索數(shù)據(jù)報文是否為有效數(shù)據(jù)，是有效數(shù)據(jù)時將所述無線數(shù)據(jù)發(fā)送到所述無線中繼器的父節(jié)點。

在本發(fā)明實施例中，通訊數(shù)據(jù)下行傳輸流程：

在所述通訊數(shù)據(jù)從根節(jié)點廣播或向指定設(shè)備通信的過程中，接收到所述通訊數(shù)據(jù)的無線中繼器根據(jù)所述通訊數(shù)據(jù)的無線報文信息中的網(wǎng)絡(luò)識別碼判斷所述無線報文信息是否是同一網(wǎng)絡(luò)中發(fā)出的，不是則退出轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制；

然后對數(shù)據(jù)流向進(jìn)行判斷，當(dāng)通信數(shù)據(jù)為下行數(shù)據(jù)且通信的目標(biāo)地址為中繼器自身地址時，檢索源地址判斷是否與自身的父節(jié)點匹配；

匹配通過后檢索網(wǎng)絡(luò)樹節(jié)點，查找數(shù)據(jù)包中的目標(biāo)地址是否是自身鏈路上的子節(jié)點，此時計算轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址，封裝報文寫數(shù)據(jù)到發(fā)送緩沖區(qū)。

在本發(fā)明實施例中，所述無線中繼器在發(fā)送數(shù)據(jù)前進(jìn)行場強(qiáng)偵測，只有當(dāng)空間場強(qiáng)值滿足設(shè)定的條件后進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，否則將計算延遲時間后再次進(jìn)行偵測，偵測三次均不滿足設(shè)定的條件時退出發(fā)送。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的基于簇樹形網(wǎng)絡(luò)的無線中繼系統(tǒng)中將在同一區(qū)域的無線終端設(shè)備節(jié)點與中繼器構(gòu)成一個簇形網(wǎng)絡(luò)，中繼器對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，各簇形網(wǎng)絡(luò)之間相互獨立，中繼器之間基于樹形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)指定數(shù)據(jù)通信路徑，整個系統(tǒng)構(gòu)成層次化簇樹結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)可有效的延長通信距離，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，提高?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于簇樹形網(wǎng)絡(luò)的無線中繼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的無線中繼器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中繼器網(wǎng)絡(luò)時鐘信標(biāo)同步過程的示意圖；

圖4是本發(fā)明的通訊數(shù)據(jù)上行傳輸流程的流程圖；

圖5是本發(fā)明的通訊數(shù)據(jù)下行傳輸流程的流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的實現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)描述，

如圖1所示，在本發(fā)明實施例中，提供了一種基于簇樹形網(wǎng)絡(luò)的無線中繼系統(tǒng)，其包括由多個無線中繼器組成的樹形網(wǎng)絡(luò)和由多個無線終端設(shè)備104與所述無線中繼器組成的簇形網(wǎng)絡(luò)。

所述多個無線中繼器包括位于根節(jié)點的第一無線中繼器101、與所述無線終端設(shè)備相連接的第三無線中繼器103和用于轉(zhuǎn)發(fā)所述第一無線中繼器與所述第三無線中繼器的數(shù)據(jù)的第二無線中繼器102。

需要說明的是，在樹形網(wǎng)絡(luò)中的每一個中繼器定義為是一個無線數(shù)據(jù)的通信節(jié)點，在整個網(wǎng)絡(luò)中將為每一個節(jié)點靜態(tài)的分配一個唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。地址分配的同時生成樹形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖并存儲在中繼器中。在實際的工程應(yīng)用中合理的設(shè)計和配置中繼器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可最優(yōu)化的實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸。每個中繼器都保存相同且唯一的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ?guī)定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的構(gòu)成規(guī)則是每一個中繼器只能有0或1個父節(jié)點，n個子節(jié)點。確保信息轉(zhuǎn)發(fā)時選擇滿足條件的最小網(wǎng)絡(luò)地址作為目標(biāo)地址。

如圖2所示，所述第三無線中繼器103包括第一射頻通信模塊301、第二射頻通信模塊302和微處理器303，所述第一射頻通信模塊301用于與所述無線終端設(shè)備通信104組成簇形網(wǎng)絡(luò)，所述第二射頻通信模塊302用于與其他中繼器進(jìn)行通信組成樹形網(wǎng)絡(luò)，所述微處理器303用于控制所述第一射頻通信模塊301和所述第二射頻通信模塊302發(fā)送和接收來自所述簇形網(wǎng)絡(luò)與所述樹形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無線中繼器與無線終端設(shè)備的數(shù)據(jù)。

圖3示出了本發(fā)明的基于簇樹形網(wǎng)絡(luò)的無線中繼系統(tǒng)的同步流程，用于保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的中繼器處于相同的時鐘體系下工作。系統(tǒng)中的中繼器按照自身在樹形網(wǎng)絡(luò)中的不同位置，在系統(tǒng)同步過程中按中繼器在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的層級分為處于樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第二層的基準(zhǔn)直接通信節(jié)點和處于樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第二層以下的基準(zhǔn)未覆蓋節(jié)點三類。其中，時間基準(zhǔn)節(jié)點定期發(fā)送同步信標(biāo)，使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點能做到的同步，便于節(jié)點定期修正基準(zhǔn)時間，降低數(shù)據(jù)沖突，確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)中繼器之間的時序關(guān)系不會隨著時間的推移而發(fā)生相互重疊。

需要說明的是，在樹形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通過中繼器的軟件控制實現(xiàn)精確的時鐘同步和動態(tài)的分配合理的時隙。時間基準(zhǔn)節(jié)點的中繼器需要在發(fā)送與接收節(jié)點之間實現(xiàn)嚴(yán)格的同步，以避免在相鄰的時隙出現(xiàn)信號的重疊。網(wǎng)絡(luò)運行過程中由于中繼器中晶體振蕩器的飄移，無線數(shù)據(jù)的傳輸延遲以及數(shù)據(jù)包長度處理帶來的不確定性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中時鐘產(chǎn)生偏差。

同步的過程如下：

位于樹形網(wǎng)絡(luò)根部的時間基準(zhǔn)節(jié)點定時的廣播發(fā)送同步報文；

處于樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下一層的基準(zhǔn)直接通信節(jié)點收到同步報文后立即轉(zhuǎn)發(fā)同步報文到子節(jié)點，同時計算自身的應(yīng)答信號的延時時間，直到網(wǎng)絡(luò)最大深度的中繼器收到同步消息并計算延遲時間后應(yīng)答同步信息；

父節(jié)點中繼器接收并轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點的應(yīng)答信息，再發(fā)送自身的同步應(yīng)答信息，直到所述時間基準(zhǔn)節(jié)點收到整個網(wǎng)絡(luò)的全部中繼器的同步應(yīng)答信息。

在本發(fā)明的基于簇樹形網(wǎng)絡(luò)的無線中繼系統(tǒng)中，每一個中繼器從數(shù)據(jù)的流向角度分為兩種處理流程：

（1）通訊數(shù)據(jù)上行傳輸流程；

（2）通訊數(shù)據(jù)下行傳輸流程。

如圖4所示，通訊數(shù)據(jù)上行傳輸流程如下：

網(wǎng)絡(luò)中的每一臺中繼器設(shè)備，預(yù)先存儲了整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?。系統(tǒng)中的兩個模塊均工作在監(jiān)聽樹形網(wǎng)絡(luò)和簇形網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)下。當(dāng)收到無線數(shù)據(jù)且校驗通過的情況下首先區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的來源，區(qū)分是中繼器組成的樹形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)或無線終端設(shè)備的簇形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。此時分為以下兩種情況進(jìn)行判斷和處理。

當(dāng)信息的內(nèi)容為樹形網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)時，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)報文的過濾，判斷數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)地址是否與自身地址相同，是的情況下判斷數(shù)據(jù)流向，為上行數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖區(qū)中此時將按照樹形網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢索處理，找到中繼器在網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點，由于約定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中每個設(shè)備有且僅有一個父節(jié)點，故數(shù)據(jù)待通信的對象是唯一的，將數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖區(qū)中等待發(fā)送。當(dāng)時序上滿足發(fā)送的條件時，為避免當(dāng)前空間中有其他同頻段的設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，發(fā)送數(shù)據(jù)前進(jìn)行場強(qiáng)偵測，只有當(dāng)空間場強(qiáng)值低于標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，否則將通過算法計算延遲時間后再次進(jìn)行偵測，偵測三次均不滿足條件時將退出發(fā)送，避免出現(xiàn)通信鏈路阻塞的情況。為保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，父節(jié)點在收到子節(jié)點的數(shù)據(jù)后需實時的進(jìn)行應(yīng)答。

當(dāng)信息內(nèi)容為簇型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)時，遍歷搜索數(shù)據(jù)報文是否為無線終端設(shè)備且是與自身通信的設(shè)備。是有效數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)放入樹形網(wǎng)絡(luò)的處理緩沖區(qū)中，此時按照樹形網(wǎng)絡(luò)通信流程進(jìn)行發(fā)送。

如圖5所示，通訊數(shù)據(jù)下行傳輸流程如下：

為了防止通信數(shù)據(jù)在同頻段的不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)地址的沖突導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)的混亂。相同網(wǎng)絡(luò)的信息報文中增加唯一的網(wǎng)絡(luò)識別碼。在數(shù)據(jù)從根節(jié)點向廣播或指定設(shè)備通信的過程中首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)識別碼的判斷，不滿足則網(wǎng)絡(luò)識別碼相同的條件則退出轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。對數(shù)據(jù)流向進(jìn)行判斷，當(dāng)通信數(shù)據(jù)為下行數(shù)據(jù)且通信的目標(biāo)地址為中繼器自身地址時，檢索源地址判斷是否與自身的父節(jié)點匹配。匹配通過后檢索網(wǎng)絡(luò)樹節(jié)點，查找數(shù)據(jù)包中的目標(biāo)地址是否是自身鏈路上的子節(jié)點，此時計算轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址，封裝報文寫數(shù)據(jù)到發(fā)送緩沖區(qū)。場強(qiáng)偵測的發(fā)送流程與下行通信一致。

需要說明的是，利用場強(qiáng)偵測功能可以有效減少射頻模塊的無用激活時間，通過設(shè)置合適的閾值，只有當(dāng)信號強(qiáng)度足夠強(qiáng)時才認(rèn)為是有效的，當(dāng)信號強(qiáng)度低于閾值的時候，則認(rèn)為信道是空的，此時退出發(fā)送降低數(shù)據(jù)沖突。

在上述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程中，中繼器收到數(shù)據(jù)包后可以立即將其轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳，不需要動態(tài)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的控制開銷，降低了單個中繼器存儲能力的要求。

綜上所述，本發(fā)明的基于簇樹形網(wǎng)絡(luò)的無線中繼系統(tǒng)中將在同一區(qū)域的無線終端設(shè)備節(jié)點與中繼器構(gòu)成一個簇形網(wǎng)絡(luò)，中繼器對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，各簇形網(wǎng)絡(luò)之間相互獨立，中繼器之間基于樹形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)指定數(shù)據(jù)通信路徑，整個系統(tǒng)構(gòu)成層次化簇樹結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)可有效的延長通信距離，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，提高?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。