一种通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络及扩展方法

技术领域

本发明属于无线Mesh组网技术领域，具体涉及一种通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络及扩展方法。

背景技术

在Wi-SUN网络中，由于边界路由节点同时具备与回传网络（WAN backhaul）及Wi-SUN FAN内无线射频节点通信的能力，边界路由节点是Wi-SUNFAN与外部网络数据交互的中枢。边界路由节点对外为FAN内的无线射频节点提供接入公共网络的能力，向内协调管理FAN内无线射频节点的基准时间、跳频时隙和跳频行为。FAN内的数据出入最终都将经过边界路由节点与路由拓扑第一层级的节点之间通过无线射频传输的方式来完成。根据Wi-SUN网络协议栈的规定，跳频时隙分为单播时隙和广播时隙，当无线射频节点需和指定的射频节点通信时，需根据指定节点所选的跳频算法切换到指定节点的单播时隙对应的信道上与其进行通信，且需要竞争使用。

在现有的Wi-SUN网络中， MAC子层对所有信道的访问都使用竞争访问模式进行操作。Wi-SUN FAN内的所有射频节点需根据全网基准时间、时隙划分、频带资源及给定的跳频算法（如直接哈希算法）严格按照自己的跳频序列来执行自己的跳频动作，因此，任意时隙内边界路由节点的所在的信道对于所有路由拓扑第一层级的射频节点是固定的。假如路由拓扑第一层级的射频节点在某一时隙内想跟边界路由节点进行通信，它需要根据边界路由节点的MAC地址，当前单播时隙序列号（unicastslot number）计算出该时隙内边界路由节点所在的监听信道，然后切换到对应的信道并通过CCA (Clear Channel Assessment）机制尝试和边界路由节点进行通信。

对于边界路由节点，在任意时隙内信道是固定的，因此边界路由节点驻留在某一信道的时隙内，每一次只能有一个路由拓扑第一层级的射频节点能与边界路由节点进行会话（数据交互），只有当本次会话结束，其他路由拓扑第一层级的射频节点才能尝试和边界路由节点进行下一次会话。由于环境中可能存在噪音，若空闲信道评估CCA失败将导致本次会话推迟或者发送失败。另外射频发送的数据也可能被其他射频发送的数据冲撞导致对端接收失败。当Wi-SUN FAN与外部网络存在大流量的数据需交互时，经由边界路由节点需通过射频转发的数据尤其容易造成拥塞或丢包，影响网络的整体性能。

综上所述，现有技术存在以下缺点：

1、无线射频的传输机制要求同一单播时隙内所有路由拓扑第一层级的射频节点间必须竞争获取信道的使用权并尝试和边界路由节点进行通信。

2、无线射频传输为半双工通信，通信速率与通信时隙利用率都不高。另外，无线射频通信容易受环境噪音影响，需要CCA检测及CSMA退避机制，容易造成通信延时或通信失败。

3、根据Wi-SUN FAN的路由拓扑可知，Wi-SUN FAN内节点与外部网络进行通信时流入与流出的数据都需经由边界路由节点通过无线射频来转发。由于路由拓扑第一层级的节点与边界路由节点通信时需在边界路由节点的单播时隙内竞争使用其所监听的信道，使边界路由节点与路由拓扑第一层级的节点间的无线射频通信速率与通信机制成为制约Wi-SUN FAN内部节点与外部网络通信的瓶颈。

4、由于边界路由节点与路由拓扑第一层级的节点无线射频通信能力不足使WI-SUN FAN内部署的无线节点数目不能太多，否则无法满足WI-SUN FAN与外部网络进行大流量数据交互的场景。而在节点数量众多且密集的区域，如人口稠密的城镇，WI-SUN FAN内节点容量限制只能通过增加WI-SUN FAN的数量来解决。而增加WI-SUN FAN的数量除增加相应的硬件成本外，目前的Wi-SUN FAN之间没有协商机制，各Wi-SUN FAN的网络行为难以管控，进而导致不同Wi-SUN FAN之间相互干扰。另外更多的Wi-SUN FAN也会增加相应的网络管理与维护的成本。

因此，需要一种新的Wi-SUN网络及扩展方法，解决Wi-SUN FAN与外部网络通信时由于边界路由节点射频侧的无线传输能力不足造成的问题。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络及扩展方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络扩展方法，应用于Wi-SUN网络，具体包括如下步骤：

S1、将边界路由节点与若干个路由拓扑第一层射频节点建立模拟射频传输的有线连接，并将每个路由拓扑第一层射频节点作为用于与射频节点建立射频传输的无线接入点；

S2、获取边界路由节点支持的各种有线通信协议及数量；

S3、获取若干个路由拓扑第一层射频节点支持的各种有线通信协议及数量；

S4、根据边界路由节点支持的有线通信线路的全部有线通信协议及数量，为边界路由节点与每个路由拓扑第一层射频节点配置有线通信协议。

作为一种优选的实施方式，本申请通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络扩展方法还包括：

获取边界路由节点和路由拓扑第一层射频节点的内存大小，并获取与路由拓扑第一层射频节点相连的射频节点的总路由信息大小，若边界路由节点或路由拓扑第一层射频节点的内存大小不足，则为边界路由节点或路由拓扑第一层射频节点外挂DRAM。

作为一种优选的实施方式，步骤S1中，将边界路由节点与若干个路由拓扑第一层射频节点建立模拟射频传输的有线连接具体包括如下步骤：

S11、为边界路由节点的MAC层注册虚拟射频PHY层驱动；

S12、依据虚拟射频PHY层驱动建立模拟射频传输的有线连接。

作为一种进一步优选的实施方式，虚拟射频PHY层驱动在广播数据帧时，分时向各个路由拓扑第一层射频节点发送数据，数据包括统一的广播发送时间和分时发送的偏移时间。

作为一种进一步优选的实施方式，虚拟射频PHY层驱动用于向Wi-SUN协议栈的MAC层提供射频相关的状态控制回调和射频扩展回调虚拟功能，虚拟的射频收发功能，以及虚拟的射频MAC地址写入与读取。

作为一种优选的实施方式，有线通信协议包括SPI、UART、ETHERNET、USB、CAN。

第二方面，本申请还提供一种通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络，使用如上述任一项的方法扩展；

通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络具体包括：边界路由节点与若干个路由拓扑第一层射频节点，边界路由节点与若干个路由拓扑第一层射频节点建立模拟射频传输的有线连接，每个路由拓扑第一层射频节点作为用于与射频节点建立射频传输的无线接入点。

作为一种优选的实施方式，边界路由节点与路由拓扑第一层射频节点外挂DRAM。

作为一种优选的实施方式，路由拓扑第一层射频节点与边界路由节点通过SPI、UART、ETHERNET、USB或CAN协议连接。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明的通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络及扩展方法，通过边界路由节点与路由拓扑第一层级的射频节点以有线连接进行虚拟射频通信的方式，将Wi-SUN FAN中原本需由边界路由节点通过射频转发的数据合理的下沉到多个路由拓扑第一层级的射频节点上，即将边界路由节点无线射频转发的数据分流到路由拓扑一级射频节点，而将合流处的数据以有线连接进行传输，以此来提升边界路由节点的数据吞吐能力与合流传输稳定性，提高Wi-SUN FAN与外部网络通信能力。

附图说明

图1是本发明的一种通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在下述介绍中提供了本申请的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。

本申请的一个实施例提供一种通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络扩展方法，应用于Wi-SUN网络，具体包括如下步骤：

S1、将边界路由节点与若干个路由拓扑第一层射频节点建立模拟射频传输的有线连接，并将每个路由拓扑第一层射频节点作为用于与射频节点建立射频传输的无线接入点；

S2、获取边界路由节点支持的各种有线通信协议及数量；

S3、获取若干个路由拓扑第一层射频节点支持的各种有线通信协议及数量；

S4、根据边界路由节点支持的有线通信线路的全部有线通信协议及数量，为边界路由节点与每个路由拓扑第一层射频节点配置有线通信协议。

上述方法通过步骤S2和S3首先选定边界路由节点及路由拓扑第一层级的射频节点所共同支持的有线通信协议（UART、SPI、ETHERNET、USB、CAN等），并确定需要使用的路由拓扑第一层级的射频节点的数目。然后将选定通信方式的硬件通道和对应的路由拓扑第一层级的射频节点关联，形成网络固定的一级网络拓扑。

其中，选定的有线通信协议必须是边界路由节点和路由拓扑第一层级的射频节点双方都共同支持的。其次所选定的有线通信协议的硬件通道必须是每一个路由拓扑第一层级的射频节点独占的。

假定边界路由节点支持5路UART，3路SPI，2路ETHERNET，2路USB；假定部署的路由拓扑第一层级的射频节点为6个，且都支持UART和SPI，但不支持ETHERNET和USB。对于这6个路由拓扑第一层级的射频节点，可以选择其中5个采用UART和边界路由节点进行通信，1个采用SPI和边界路由节点通信；或者3个采用UART与边界路由节点通信，3个采用SPI与边界路由通信。

另外，在通过步骤S1建立有线连接、通过步骤S4配置有线通信协议时，需首先实现节点所选用的通信协议的硬件驱动。例如，对于SPI通信，边界路由节点端总是作为主，路由拓扑第一层级的射频节点则总是作为从，且每个路由拓扑第一层级的射频节点需要一个外部中断管脚用作触发通知与边界路由节点的通信。

上述有线通信协议包括SPI、UART、ETHERNET、USB、CAN。

进一步的，上述方法的步骤S1中，将边界路由节点与若干个路由拓扑第一层射频节点建立模拟射频传输的有线连接具体包括如下步骤：

S11、为边界路由节点的MAC层注册虚拟射频PHY层驱动；

S12、依据虚拟射频PHY层驱动建立模拟射频传输的有线连接。

由于本申请的方法中边界路由节点与路由拓扑第一层级的射频节点的有线通信具有模拟射频传输的特性，因此，需要MAC层注册虚拟射频PHY层驱动，再依据虚拟射频PHY层驱动建立模拟射频传输的有线连接。具体的，这一虚拟射频PHY层驱动包括如下功能：

1、PHY层驱动具有一个分辨率为一微秒的定时器，为协议栈提供32 位全局时间戳值用于全网基准时间及协议栈MAC层的时间同步。

2、PHY驱动结构体包含的成员有PHY连接类型、频带信息、MAC地址信息、PHY MTU大小信息。

3、PHY状态控制，包含PHY层的相关操作（如复位、开、关等）；给定的射频配置，主要为频带相关的参数；ED（能量检测），虚拟PHY读取的ED结果总是默认最优，即认为通道无噪音可用；模拟的信道切换；虚拟的发送功率设置；虚拟的ACK应答挂起配置；以每秒符号的形式返回符号率；全局时间获取等。

4、在接收方面：PHY层驱动存储接收到的数据包的时间戳，其中时间参考接收到的帧的第一个字节。另外接收帧的 RSSI（信号质量）和LQI（链路质量）都默认填充为最优值。

5、在发送方面：PHY层驱动读取存储的 CCA 模式总是为false，驱动不做CCA检查而进行下一步的操作，即默认通道可用，无需使用CSMA退避机制。

6、虚拟广播：边界路由节点的发送广播数据帧时，需分时向不同的路由拓扑第一层级的射频节点的连接通道发送数据，由于分时发送的各通道的起始发送时间存在偏差，边界路由节点需将统一的广播发送时间和各通道发送广播时的偏移时间信息发送给路由拓扑第一层级的射频节点，以确保基准时间准确统一。假定FAN内有三个路由拓扑第一层级的射频节点，分别为N1，N2，N3。边界路由节点给N1，N2，N3发送的数据帧的起始时间戳分别为T1，T2，T3，且T1

本申请的上述方法将Wi-SUN FAN中原本需通过射频转发至边界路由节点的数据只通过射频转发至路由拓扑第一层级的射频节点，再通过有线连接虚拟射频通信的方式将数据转发至边界路由节点。边界路由节点与路由拓扑一级节点之间的通信方式由原来的无线射频方式传输更换为有线通信，通过有线连接虚拟射频通信使网络拓扑中原本需由边界路由节点射频转发的数据合理地下沉至路由拓扑一级节点，分散了边界路由节点射频传输的压力。

同时，将边界路由节点与路由拓扑一级节点之间的通信方式由原来的无线射频方式传输更换为有线通信还具有以下优点：

有线传输具备灵活的通信方式（UART、SPI、ETHERNET、USB、CAN等），支持全双工，更快的速率，更高的稳定性，每个通道都是独占且发送前无需CCA检查以及CSMA退避等特性。每个路由拓扑第一层级的射频节点与边界路由都拥有各自的有线传输通道，各通道数据传输时不存在相互干扰的问题，发送前无需CCA检测，时隙利用率高，可实现各通道之间的并行传输。增加边界路由节点上下侧通信的吞吐能力，增强传输的稳定性，解决因边界路由节点因无线射频传输能力不足而引起的数据拥塞问题。

另外，通过有线传输虚拟射频通信的方式可增强WI-SUN FAN的边界路由节点与路由拓扑第一层级的射频节点的通信能力，对于节点数量大且密集的区域可降低FAN的部署数量，同时也减少不同FAN之间干扰和管理维护成本。通过减少干扰，本申请的方法能够进而增加Wi-SUN FAN内的无线射频节点的部署的数量，使尽可能多的节点在同一Wi-SUN FAN内协同管理，避免Wi-SUN FAN过多引起Wi-SUN FAN之间的相互干扰。

假定边界路由节点支持5路UART，3路SPI，2路ETHERNET，2路USB；假定部署的路由拓扑第一层级的射频节点为6个，且都支持UART和SPI，但不支持ETHERNET和USB。对于这6个路由拓扑第一层级的射频节点，可以选择其中5个采用UART和边界路由节点进行通信，1个采用SPI和边界路由节点通信；或者3个采用UART与边界路由节点通信，3个采用SPI与边界路由通信。

作为一种优选的实施方式，本申请通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络扩展方法还包括：

获取边界路由节点和路由拓扑第一层射频节点的内存大小，并获取射频节点的路由信息大小，若边界路由节点或路由拓扑第一层射频节点的内存大小不足，则为其外挂DRAM。

本实施例还提供上述方法的一个具体实现示例，假定在一个需要部署5000个射频节点的密集区域，由于现有Wi-SUN FAN的边界路由节点射频侧传输能力的制约，需将部署节点划分在多个不同的FAN中。改用本发明的方法只需划分一个Wi-SUN FAN。具体实施如下：选用NXP I.MX RT1170作为主控芯片，选用Microchip AT86RF215M作为Sub-1GHz无线收发器，Mbed-OS作为软件平台集成（Wi-SUN协议栈），无线收发器采用FSK 50kbps通信。

规划使用5个路由拓扑第一层级的射频节点和边界路由节点有线连接，且每个路由拓扑第一层级的射频节点规划能够容纳1000个子节点，即能充当1000个路由拓扑第二层级的子节点的路由节点。

在本实施中，边界路由节点选用的主控芯片为NXP I.MX RT1170，拥有2MB SRAM/TCM，2路ENET，6路SPI，12路UART，以及一个USB 2.0。根据规划，边界路由节点需要存储Wi-SUN FAN内所有节点的路由信息，因此边界路由节点需外挂DRAM；路由拓扑第一层级的射频节点的节点需要存储1000个子节点邻居信息，每个邻居节点信息大小在1K左右，1000个节点占用的内存在1M左右，无需外挂DRAM。其他层级邻居表暂定容量为1000。

路由拓扑第一层级的射频节点和边界路由节点可以采用SPI、UART、ETHERNET、USB或CAN协议连接。由于AT86RF215M无线收发器使用的速率为50kpbs，为了充分考虑大量高密度数据的发送时的通信情况，在本实施中，5个路由拓扑第一层级的射频节点和边界路由节点有线直连均采用SPI通信，即边界路由节点的第1路至第5路LPSPI与5个路由拓扑第一层级的射频节点的第1路LPSPI连接，且每个通道额外添加一个GPIO管脚作为SPI的从节点（路由拓扑第一层级的射频节点）主动触发SPI主节点（边界路由节点）通信，SPI通信速率设置为10Mbps，LPSPI使用中断方式收发，每一帧的起始2字节需包含当前帧的长度信息，且需记录接收每一帧的第一个字节时的全局32位的微秒时间戳，用于Wi-SUN协议栈的时间同步与校准。

使用NXP I.MX RT1170的GPT (General Purpose Timer)用于实现Mbed-OS下的us_ticker（微秒嘀嗒），用作Wi-SUN协议栈全局微秒时间戳，用于MAC层的时隙同步与时钟基准。

基于LPSPI驱动封装虚拟的射频PHY驱动，并将封装的虚拟射频PHY驱动注册为Mbed-OS的IEEE 802.15.4 RF驱动。虚拟射频PHY驱动向Wi-SUN协议栈的MAC层提供射频相关的状态控制回调和射频扩展回调（包括频带设置，信道切换，发送功率，ED，CCA模式等相关的）虚拟功能，虚拟的射频收发功能，以及虚拟的射频MAC地址写入与读取。

通过上述方式扩展Wi-SUN网络后，由于边界路由节点与路由拓扑第一层级的射频节点在SPI通信方式上实现了虚拟的射频驱动并向Wi-SUN协议栈的MAC层注册了对应的IEEE 802.15.4 RF驱动，依据Wi-SUN协议栈依赖的虚拟的射频驱动完成Wi-SUN FAN组网。由于路由拓扑第一层级的射频节点与边界路由节点事实上的传输通道是SPI通信，射频侧的数据由原来向边界节点汇集转变为向5个路由拓扑第一层级的射频节点汇集，5个路由拓扑第一层级的射频节点射频侧都拥有各自的独立跳频序列，相互间可并行收发而不受影响。如此原有Wi-SUN FAN内射频侧数据向边界路由节点汇聚转变成向5个路由拓扑第一层级的射频节点汇集，缓解了边界路由节点的压力，提升了Wi-SUN FAN与外部网络的通信能力，进而提升了网络的容量。

第二方面，本申请还提供一种通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络，使用如上述实施例的方法扩展。

本申请通过有线虚拟射频传输的Wi-SUN网络，其结构示意图如图1所示，具体包括：边界路由节点与若干个路由拓扑第一层射频节点，边界路由节点与若干个路由拓扑第一层射频节点建立模拟射频传输的有线连接，每个路由拓扑第一层射频节点作为用于与射频节点建立射频传输的无线接入点。

其中，边界路由节点与路由拓扑第一层射频节点根据连接节点所需的总内存外挂DRAM。

在一个具体的实施例中，路由拓扑第一层射频节点与边界路由节点通过SPI协议连接。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。