一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法

IPC分类号 : H04W40/04,H04W84/18

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CN201310446094.0

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专利摘要

本发明公开了一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，所述无线传感器网络中的移动传感器节点通过本发明所提供的路由通信实现方法，可保持移动过程中通信的连续性，由于本发明中网络层移动切换和链路层移动切换同时进行，因此通信延迟时间短，此外，移动切换的控制信息通过网络拓扑结构自动实现路由，节省了建立路由带来的功耗和延迟时间。本发明中的部分功能节点无须转交地址，并且无须参加移动切换的控制过程，从而节省了能量，延长了寿命。本发明可应用于农业设施现代化及医疗健康等诸多领域，具有广泛的应用前景。

权利要求

1.一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括三种节点：一个网关、一个以上的全功能节点以及一个以上的部分功能节点；网关是固定节点，是用于连接无线传感器网络和互联网的接入路由器；全功能节点包括固定全功能节点和移动全功能节点，具有路由转发功能；部分功能传感器节点为用于收集数据的移动节点，不具有路由转发功能；在一个无线传感器网络内，一个网关和所有全功能节点构建成路由骨干网，其拓扑结构为树状，称为网关树，树根节点为网关，中间节点为固定全功能节点，移动全功能节点作为叶子节点；一个无线传感器网络中所有节点的网络前缀都相同，由网关确定；位于两个或者两个以上的无线传感器网络覆盖区域内的全功能节点设置为公共节点，公共节点具有两个以上IPv6地址，每个IPv6地址分别隶属于不同的无线传感器网络；

一个移动全功能节点与一跳范围内的移动部分功能节点组成移动簇，簇首节点为移动全功能节点；一个移动簇作为一个整体移动，部分功能节点通过本簇簇首节点所在的网关树与IPv6互联网进行通信；部分功能节点在移动过程中无需配置转交地址，一直由家乡地址标识，移动全功能节点在移动过程中配置转交地址从而确保路由正确性；

全功能节点定期广播信标帧，帧负载的第一个比特表示全功能节点类型：1表示该节点为固定全功能节点，0表示该节点为移动全功能节点；

节点的IPv6地址包括三个部分：第一部分是全局路由前缀，它唯一确定一个无线传感器网络，在一个无线传感器网络中获取的IPv6地址的全局路由前缀都相同，其值等于该无线传感器网络中网关的全局路由前缀；第二部分是节点类型，如果值为1，则表明为全功能节点，如果值为0，则表明为部分功能节点；第三部分是节点ID，节点ID唯一标识无线传感器网络中的一个全功能节点或者部分功能节点；节点类型和节点ID构成链路地址；网关的链路地址为0，全功能节点或者部分功能节点的节点ID不为0；网关的IPv6地址预先设置；

全功能节点的节点ID的有效长度l与全功能节点所在网关树的深度d成正比，如公式(1)所示：

$l = \{\begin{matrix} α - 1 + α \cdot (d - 1); d > 1 \\ α - 1; d = 1 \end{matrix} - - - (1),$

其中，α为比例系数；对于d为1的全功能节点来说，其地址分配空间为[1,2^α-1-1]，其中0预留给部分功能节点，对于d大于1的全功能节点来说，其地址分配空间[1,2^α-1]，其中0预留给部分功能节点。

2.根据权利要求1所述的基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，无线传感器网络启动后，网关在一跳范围内定期广播信标帧，全功能节点通过接收网关的信标帧获取全局路由前缀；全功能节点在获取IPv6地址之前，将自己的MAC地址与全局路由前缀相结合获得临时IPv6地址，其中节点类型为1；固定全功能节点获取IPv6地址后，在一跳范围内广播信标帧，帧负载为工作信道和可分配全功能地址空间长度；移动全功能节点的可分配全功能地址空间长度为0；

全功能节点Y加入无线传感器网络后，扫描所有信道并接收邻居网关或者邻居固定全功能节点广播的信标帧，并选择从所在树深度值最小且可分配全功能地址空间不为0的网关或者固定全功能节点X获取地址；全功能节点Y从邻居网关或者固定全功能节点获取IPv6地址的过程为：

步骤101：开始；

步骤102：全功能节点Y向邻居网关或者固定全功能节点发送全功能节点地址请求消息；

步骤103：邻居网关或者固定全功能节点收到全功能节点Y发送的全功能节点地址请求消息后，向全功能节点Y返回一个全功能节点地址响应消息，消息负载为最小未分配全功能地址，同时将分配的节点ID标识为已分配；

步骤104：全功能节点Y收到全功能地址响应消息后，将自己的IPv6地址设置为邻居网关或者固定全功能节点的IPv6地址，然后将自己的节点ID有效长度扩展α比特并将扩展的比特位值设置为全功能地址响应消息中分配的地址值，同时将邻居网关或者固定全功能节点标记为自己的父节点；

步骤105：结束；

无线传感器网络内的所有全功能节点通过上述过程获取IPv6地址的同时也构建了基于网关树的路由骨干网，网关树通过目的地址无需路由发现和建立过程即可实现路由；

如果固定全功能节点能够同时接收来自不同无线传感器网络的全功能节点的信标帧，那么固定全功能节点比较这两个全功能节点所在网关树的深度，如果两个全功能节点的深度值相同，固定全功能节点则分别从两个全功能节点获取IPv6地址，同时将自己标记为公共节点，将可分配部分功能地址空间长度设置为0；公共节点广播的信标帧负载为工作的信道信息、可分配全功能地址空间长度，以及其所有IPv6地址的全局路由前缀。

3.根据权利要求1所述的基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，固定全功能节点只作为路由骨干网的节点存在，并不构建簇，它的可分配部分功能地址空间长度为0；移动全功能节点获取IPv6地址后，在一跳范围内广播信标帧，帧负载为其家乡IPv6地址和可分配部分功能地址空间长度；

部分功能节点加入网络后，扫描所有信道并接收邻居移动全功能节点广播的信标帧，选择从信号强度最大且可分配部分功能地址空间长度不为0的移动全功能节点获取地址，部分功能节点从移动全功能节点获取IPv6地址的过程为：

步骤201：开始；

步骤202：部分功能节点向移动全功能节点发送部分功能节点地址请求消息；

步骤203：移动全功能节点收到部分功能节点地址请求消息后，向部分功能节点返回一个部分功能节点地址响应消息，消息负载为最小未分配的部分功能地址，同时将分配的地址标识为已分配状态；

步骤204：部分功能节点收到部分功能节点地址响应消息后，将自己的IPv6地址设置为移动全功能节点的IPv6地址，然后将自己的节点类型设置为0，节点ID有效长度扩展2α比特，前α比特设置为0，后α比特设置为部分功能地址响应消息中分配的地址值，同时将移动全功能节点标记为簇首节点；

步骤205：结束；

部分功能节点获取IPv6地址后，它的地址在整个生命周期都保持不变。

4.根据权利要求1所述的基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，固定全功能节点获取IPv6地址后，扫描所有信道接收邻居固定全功能节点的信标帧，从而获取邻居固定全功能节点的工作信道，以及与邻居固定全功能节点的相对角度和距离；

当固定全功能节点检测到它的子节点即一个移动全功能节点即将脱离它的通信范围时，固定全功能节点选择距离移动全功能节点最近的邻居固定全功能节点作为子节点的下一个父节点；

假设公共节点属于两个以上无线传感器网络，它属于的每个无线传感器网络由角度区间来确定；

如果下一个父节点为公共节点，那么公共节点根据它与移动全功能节点的相对角度来确定移动全功能节点进入的下一个网络。

5.根据权利要求1所述的基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，网关保存一个地址绑定表和一个地址对照表，地址绑定表用于记录在本无线传感器网络获取家乡地址的移动全功能节点当前所在无线传感器网络的网关地址，每个表项包括两个域：移动全功能节点地址和其所在无线传感器网络的网关地址；地址对照表用于记录外来移动全功能节点的地址绑定信息，包括移动全功能节点家乡地址域和转交地址域；

如果移动全功能节点X的父节点为固定全功能节点Y，当固定全功能节点Y检测到移动全功能节点X即将离开自己的通信范围时，固定全功能节点Y选择与移动全功能节点X距离最近的固定全功能节点Z作为自己的下一个父节点；如果固定全功能节点Z不是公共节点，那么固定全功能节点Y进行如下移动切换操作：

步骤301：开始；

步骤302：固定全功能节点Y向固定全功能节点Z发送内部切换消息；

步骤303：固定全功能节点Z收到内部切换消息后，为移动全功能节点X分配一个新的地址，然后向固定全功能节点Y返回内部切换确认消息，消息负载为移动全功能节点X的新地址；

步骤304：固定全功能节点Y收到内部切换确认消息后，分别向所在无线传感器网络的网关G和移动全功能节点节点X发送内部切换消息，发送给网关G的消息负载为移动全功能节点X的家乡地址和新地址，发送给移动全功能节点X的消息负载内容为固定全功能节点Z的工作信道以及移动全功能节点X的新地址；

步骤305：移动全功能节点X收到固定全功能节点Y的内部切换消息后，直接采用固定全功能节点Z的工作信道实现与固定全功能节点Z的二层切换，二层切换后，将固定全功能节点Z标记为父节点Z，同时开始采用新地址与父节点Z进行通信；

步骤306：网关G收到内部切换消息后，将移动全功能节点X的转交地址更新为内部切换消息中的新地址并向固定全功能节点Y返回内部切换确认消息；

步骤307：固定全功能节点Y收到内部切换确认消息后，回收它分配给移动全功能节点X的地址，如果固定全功能节点Y仍然保留有移动全功能节点X所发送给固定全功能节点Z的目的地址，固定全功能节点Z将数据转发给移动全功能节点X，移动全功能节点X再转发给自己的簇内节点；

步骤308：结束。

6.根据权利要求5所述的基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，移动全功能节点X的父节点为固定全功能节点Y，当固定全功能节点Y检测到移动全功能节点X即将离开自己的通信范围时，固定全功能节点Y选择与移动全功能节点X距离最近的固定全功能节点Z作为移动全功能节点X的下一个父节点；如果固定全功能节点Z是公共节点，那么固定全功能节点Y进行如下移动切换操作：

步骤401：开始；

步骤402：固定全功能节点Y向固定全功能节点Z发送外部切换消息，消息负载内容为移动全功能节点X的家乡地址，固定全功能节点Y与移动全功能节点X的相对角度，固定全功能节点Y与固定全功能节点Z的相对角度；

步骤403：固定全功能节点Z收到外部切换消息后，根据消息负载判断移动全功能节点X所要进入的下一个网络，然后固定全功能节点Z为移动全功能节点X分配在下一个无线传感器网络中的地址，并向固定全功能节点Y返回外部切换确认消息，固定全功能节点Z向下一个无线传感器网络中的网关G2发送外部切换消息，消息负载为移动全功能节点X的家乡地址和新地址；

步骤404：固定全功能节点Y收到外部切换确认消息后，向移动全功能节点X发送外部切换消息，消息负载为固定全功能节点Z的工作信道以及移动全功能节点X在下一个无线传感器网络中的新地址，向移动全功能节点X的家乡网关HG发送外部切换消息，消息负载为移动全功能节点X的家乡地址和新地址；

步骤405：移动全功能节点X收到固定全功能节点Y的外部切换消息后，直接采用固定全功能节点Z的工作信道实现与固定全功能节点Z的二层切换，二层切换后，将固定全功能节点Z标记为父节点Z，并开始采用新地址进行通信；

步骤406：网关G2收到外部切换消息后，在绑定表中建立移动全功能节点X的表项；网关HG收到外部切换消息后，将与移动全功能节点X关联的网关更新为网关G2，并向固定全功能节点Y返回外部切换确认消息，消息负载为移动全功能节点X的家乡地址；

步骤407：外部切换确认消息首先到达固定全功能节点Y所在网络的网关G1；网关G1从绑定表中删除移动全功能节点X的表项，然后将该消息路由给固定全功能节点Y；固定全功能节点Y收到外部切换确认消息后，回收原来分配给移动全功能节点X的转交地址，如果它仍然保留有目的地址为移动全功能节点X所在簇簇内节点的消息，那么将这些消息路由至固定全功能节点Z，固定全功能节点Z再将消息转发给移动全功能节点X；

步骤408：结束。

7.根据权利要求6所述的基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，路由过程中Mesh头部的结构如下：Mesh头部的前两个比特表示类型，为10，第三个比特为目的地址的类型，0表示目的地址16比特，1表示目的地址64比特；第四个比特为最终地址的类型，0表示目的地址16比特，1表示目的地址64比特；通信过程采用路由头部来实现，如果部分功能节点M的簇首节点为X，且X家乡网关为G1，簇首节点X当前所在网络的网关为G2，部分功能节点M主动发起与IPv6节点N的通信过程为：

步骤501：开始；

步骤502：部分功能节点M向IPv6节点N发送IPv6数据消息，IPv6数据消息中的路由头部的地址域为簇首节点X的转交地址，部分功能节点M用MAC头部将数据消息封装为数据帧，帧的目的地址为簇首节点X家乡地址的链路地址，然后将其发送给簇首节点X；

步骤503：簇首节点X收到数据帧后，将数据帧再发送给其父节点，数据帧通过网关树最后到达网关G2，网关G2将IPv6数据消息通过IPv6网络路由到IPv6节点N；

步骤504：IPv6节点N处理来自部分功能节点M的数据消息后，向部分功能节点M返回一个数据响应消息，数据响应消息包含一个路由头部，路由头部的内容为簇首节点X的转交地址，然后将IPv6数据消息发送出去；

步骤505：根据路由头部的内容，IPv6数据消息首先到达网关G2，网关G2用Mesh头部封装为数据帧，其中，Mesh头部中的目的地址为是簇首节点X的转交地址的链路地址，最终地址为部分功能节点M的链路地址，然后，该数据帧通过网关树最终到达簇首节点X；

步骤506：簇首节点X收到数据帧后，将数据帧转发给部分功能节点M；

步骤507：结束；

在步骤506中，如果有包括部分功能节点M在内的两个以上链路地址相同的部分功能节点收到簇首节点X转发的数据帧，那么所述部分功能节点检测IPv6数据消息的目的IPv6目的地址；如果部分功能节点检测到自己的IPv6地址与目的IPv6地址不同，则放弃该IPv6数据消息；最终只有部分功能节点M接收到该IPv6数据消息；

IPv6节点N主动发起与部分功能节点M的通信过程为：

步骤601：开始；

步骤602：IPv6节点N向部分功能节点M发送一个数据消息，该数据消息首先到达部分功能节点M的家乡网关HG；

步骤603：家乡网关HG通过部分功能节点M的IPv6地址获取部分功能节点M的簇首节点X的家乡地址，然后查看自己的地址绑定表，将数据消息转发给簇首节点X的网关G2；

步骤604：网关G2通过部分功能节点M的IPv6地址获取部分功能节点M的簇首节点X的家乡地址，查看簇首节点X的地址对照表，用MAC头部将数据消息封装为数据帧，其中Mesh头部中的目的地址设置为簇首节点X转交地址的链路地址，最终地址为部分功能节点M的链路地址，然后数据帧通过网关树路由到簇首节点X，簇首节点X再将数据帧转发部分功能节点M；

步骤605：部分功能节点M向IPv6节点N返回一个响应数据消息，该响应数据消息包括一个路由头部，内容为簇首节点X的转交地址，用MAC头部将数据消息封装为数据帧，数据帧的目的地址为簇首节点X的家乡地址的链路地址，然后将数据帧发送给簇首节点X；

步骤606：簇首节点X收到数据帧后，将数据帧再发送给自己的父节点，由此，数据帧通过网关树最后到达网关G2，网关G2将数据消息通过IPv6网络路由到IPv6节点N；

步骤607：结束。

说明书

技术领域

本发明涉及一种路由通信的实现系统，尤其涉及的是一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法。

背景技术

随着无线传感器网络的广泛应用及基于IPv6互联网络的成熟和发展，6LoWPAN无线传感器网络已成为未来发展的必然趋势。随着用户对移动业务需求的不断增长，6LoWPAN无线传感器网络只有提供良好的移动性支持，才能使其获得更大地应用空间。目前，IPv6中典型的移动协议（如HMIPv6，FMIPv6及MIPv6）应用到6LoWPAN无线传感器网络中还存在一些问题，主要原因为如下：

1）现有移动协议中，移动传感器节点需要发送和接收大量的控制信息来确保移动过程中的通信畅通，减少数据包的丢失，而传输控制信息会消耗大量的能量，这会大幅度缩减传感器节点的寿命；

2）现有移动协议都是基于网络层实现的，即每个控制信息数据包都需要包括IPv6包头，这对资源有限的传感器节点来说会造成不小的开销，同样会缩短传感器节点的寿命。

因此针对资源有限的6LoWPAN无线传感器网络需要建立一种低开销的路由通信实现方法。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法。

技术方案：本发明公开了一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括三种节点：一个网关、一个以上的全功能节点以及一个以上的部分功能节点；网关是固定节点，是用于连接无线传感器网络和互联网的接入路由器；全功能节点包括固定全功能节点和移动全功能节点，具有路由转发功能；部分功能传感器节点为用于收集数据的移动节点，不具有路由转发功能；在一个无线传感器网络内，一个网关和所有全功能节点构建成路由骨干网，其拓扑结构为树状，称为网关树，树根节点为网关，中间节点为固定全功能节点，移动全功能节点作为叶子节点；一个无线传感器网络中所有节点的网络前缀都相同，由网关确定；位于两个或者两个以上的无线传感器网络覆盖区域内的全功能节点设置为公共节点，公共节点具有两个以上IPv6地址，每个IPv6地址分别隶属于不同的无线传感器网络。

在移动簇移动过程中，簇内节点地址保持不变且无需进行任何移动切换操作，因此大幅度降低了移动切换操作带来的网络流量，从而提供了网络性能，降低了丢包率；

全功能节点定期广播信标帧，帧负载的第一个比特表示全功能节点类型：1表示该节点为固定全功能节点，0表示该节点为移动全功能节点。

判断节点的类型过程如下所示：首先判断节点链路地址是否为0，如果是，则判断该节点为网关，否则判断链路地址的节点类型是否为0，如果节点类型为0，则判断该节点为部分功能节点，如果节点类型为1，则判断该节点为全功能节点。

全功能节点的节点ID的有效长度l与全功能节点所在网关树的深度d成正比，如公式(1)所示：

l=α-1+α·(d-1);d>1α-1;d=1---(1),]]>

其中，α为比例系数，比例系数根据网络规模和节点密度来设置，优选设置为2至16之间的正整数；对于d为1的全功能节点来说，其地址分配空间为[1,2^α-1-1]，其中0预留给部分功能节点，对于d大于1的全功能节点来说，其地址分配空间[1,2^α-1]，其中0预留给部分功能节点；

根据RFC标准2460，链路地址的长度为64比特，而计算机内部采用二进制，因此α取值为2的幂次；由于树的深度大于1，因此当树的深度为最小值2时，α取值为32，当树的深度值为最大值64时，α取值为1，因此，α可以取值为1,2,4,8,16,32和64。当α取值较小时，节点的可分配全功能地址空间较小，会影响地址配置成功率，当α取值较大时，树的深度值较小，即网络覆盖面积较小，会增加节点移动切换的频率，根据本发明试验，α取4时可以满足大多数的应用需求。

本发明所述方法中，无线传感器网络启动后，网关在一跳范围内定期广播信标帧，全功能节点通过接收网关的信标帧获取全局路由前缀；全功能节点在获取IPv6地址之前，将自己的MAC地址与全局路由前缀相结合获得临时IPv6地址，其中节点类型为1；固定全功能节点获取IPv6地址后，在一跳范围内广播信标帧，帧负载为工作信道和可分配全功能地址空间长度；移动全功能节点的可分配全功能地址空间长度为0；

全功能节点Y加入无线传感器网络后，扫描所有信道并接收邻居网关或者邻居固定全功能节点广播的信标帧，并选择从所在树深度值最小且可分配全功能地址空间不为0的网关或者固定全功能节点X获取地址，如果有多个所在树深度值最小且可分配全功能地址空间不为0的节点，则随机选取一个节点；如果有多个所在树深度值最小且可分配全功能地址空间不为0的网关或者固定全功能节点，那么全功能节点Y则随机从这些节点中选取一个邻居网关或者固定全功能节点获取IPv6地址，全功能节点Y从邻居网关或者固定全功能节点获取IPv6地址的过程为：

步骤101：开始；

步骤102：全功能节点Y向邻居网关或者固定全功能节点发送全功能节点地址请求消息；

步骤105：结束。

无线传感器网络内的所有全功能节点通过上述过程获取IPv6地址的同时也构建了基于网关树的路由骨干网，网关树通过目的地址无需路由发现和建立过程即可实现路由。

上述过程实现了分布式IPv6地址配置，节点从一跳范围内的邻居节点获取地址且无需地址重复检测，从而大幅度降低了地址配置代价和延迟，在地址配置过程中，路由骨干网同时自动构建而成，节点通过构建的路由骨干网自动实现路由，无需路由发现和路由建立过程，因此大幅度降低了通信代价和延迟。

本发明所述方法中，固定全功能节点只作为路由骨干网的节点存在，并不构建簇，它的可分配部分功能地址空间长度为0；移动全功能节点获取IPv6地址后，在一跳范围内广播信标帧，帧负载为其家乡IPv6地址和可分配部分功能地址空间长度；

部分功能节点加入网络后，扫描所有信道并接收邻居移动全功能节点广播的信标帧，选择从信号强度最大且可分配部分功能地址空间长度不为0的移动全功能节点获取地址，如果有多个信号强度最大且可分配部分功能地址空间长度不为0的节点，则随机选取一个节点获取地址；如果有多个强度最大且可分配部分功能地址空间长度不为0的移动全功能节点，那么部分功能节点则从这些节点中随机选取一个移动全功能节点获取IPv6地址，部分功能节点从移动全功能节点获取IPv6地址的过程为：

步骤201：开始；

步骤202：部分功能节点向移动全功能节点发送部分功能节点地址请求消息；

步骤205：结束；

部分功能节点获取IPv6地址后，它的地址在整个生命周期都保持不变；

上述过程实现了分布式IPv6地址配置，节点从一跳范围内的邻居节点获取地址且无需地址重复检测，从而大幅度降低了地址配置代价和延迟。

本发明所述方法中，固定全功能节点获取IPv6地址后，扫描所有信道接收邻居固定全功能节点的信标帧，从而获取邻居固定全功能节点的工作信道，以及与邻居固定全功能节点的相对角度和距离；

当固定全功能节点检测到它的子节点即一个移动全功能节点即将脱离它的通信范围时，例如，固定全功能节点检测到它与子节点的距离大于传输半径的75%时，即判定该子节点即将脱离自己的通信范围，固定全功能节点选择距离移动全功能节点最近的邻居固定全功能节点作为子节点的下一个父节点；

假设公共节点属于两个以上无线传感器网络，它属于的每个无线传感器网络由角度区间来确定，即角度覆盖区间，例如1到60度之间；例如，公共节点属于三个传感器网络，第一个传感器网络由角度区间[0,120]来确定，第二个传感器网络由角度区间[120,240]来确定，第三个传感器网络由角度区间[240,360]来确定；

如果下一个父节点为公共节点，那么公共节点根据它与移动全功能节点的相对角度来确定移动全功能节点进入的下一个网络。例如，公共节点属于三个传感器网络，第一个传感器网络由角区间[0,120]来确定，第二个传感器网络由角区间[120,240]来确定，第三个传感器网络由角区间[240,360]来确定，假设公共节点与移动全功能节点的相对角度为200度，那么说明移动全功能节点进入第二个传感器网络。

本发明所述方法中，网关保存一个地址绑定表和一个地址对照表，地址绑定表用于记录在本无线传感器网络获取家乡地址的移动全功能节点当前所在无线传感器网络的网关地址，每个表项包括两个域：移动全功能节点地址和其所在无线传感器网络的网关地址；地址对照表用于记录外来移动全功能节点的地址绑定信息，包括移动全功能节点家乡地址域和转交地址域；

步骤301：开始；

步骤302：固定全功能节点Y向固定全功能节点Z发送内部切换消息；

步骤306：网关G收到内部切换消息后，将移动全功能节点X的转交地址更新为内部切换消息中的新地址并向固定全功能节点Y返回内部切换确认消息；

步骤308：结束。

上述过程将网络层移动切换和链路层移动切换有机结合起来，通过地址预配置机制获取链路层层的信道信息以及网络层的转交地址，这样，无需扫描所有信道即可实现链路层移动切换，从而降低了链路层移动切换延迟和丢包率，网络层移动切换过程中，无需配置转交地址，只需进行地址绑定，从而降低网络层移动切换延迟和丢包率，提高了服务质量。

本发明所述方法中，移动全功能节点X的父节点为固定全功能节点Y，当固定全功能节点Y检测到移动全功能节点X即将离开自己的通信范围时，例如，固定全功能节点Y检测到它与移动全功能节点X的距离大于传输半径的75%时，固定全功能节点Y选择与移动全功能节点X距离最近的固定全功能节点Z作为移动全功能节点X的下一个父节点；如果固定全功能节点Z是公共节点，那么固定全功能节点Y进行如下移动切换操作：

步骤401：开始；

步骤408：结束。

本发明所述方法中，路由过程中Mesh头部的结构如下：Mesh头部的前两个比特表示类型，为10，第三个比特为目的地址的类型，0表示目的地址16比特，1表示目的地址64比特；第四个比特为最终地址的类型，0表示目的地址16比特，1表示目的地址64比特；通信过程采用路由头部来实现，如果部分功能节点M的簇首节点为X，且X家乡网关为G1，簇首节点X当前所在网络的网关为G2，部分功能节点M主动发起与IPv6节点N的通信过程为：

步骤501：开始；

步骤503：簇首节点X收到数据帧后，将数据帧再发送给其父节点，数据帧通过网关树最后到达网关G2，网关G2将IPv6数据消息通过IPv6网络路由到IPv6节点N；

步骤506：簇首节点X收到数据帧后，将数据帧转发给部分功能节点M；

步骤507：结束；

IPv6节点N主动发起与部分功能节点M的通信过程为：

步骤601：开始；

步骤602：IPv6节点N向部分功能节点M发送一个数据消息，该数据消息首先到达部分功能节点M的家乡网关HG；

步骤607：结束。

上述通信过程降低了通信延迟，确保了路由正确性以及通信质量。

有益效果：本发明提供了一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，所述无线传感器网络中的移动传感器节点通过本发明所提供的路由通信实现方法，可保持移动过程中通信的连续性，由于本发明中网络层移动切换和链路层移动切换同时进行，因此通信延迟时间短，此外，移动切换的控制信息通过网络拓扑结构自动实现路由，节省了建立路由带来的功耗和延迟时间。本发明中的部分功能节点无须转交地址，并且无须参加移动切换的控制过程，从而节省了能量，延长了寿命。本发明可应用于农业设施现代化及医疗健康等诸多领域，具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明所述的网关、全功能节点以及部分功能节点的结构示意图。

图2为本发明所述的IPv6地址的结构示意图。

图3为本发明所述的全功能节点获取IPv6地址的流程示意图。

图4为本发明所述的部分功能节点获取IPv6地址的流程示意图。

图5为本发明所述的无线传感器网络内部移动切换流程示意图。

图6为本发明所述的无线传感器网络之间移动切换的流程示意图。

图7为本发明所述的部分功能节点主动发起通信的流程示意图。

图8为本发明所述的IPv6节点主动发起通信的流程示意图。

具体实施方式：

本发明提供了一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，在所述方法中，所述无线传感器网络中的移动传感器节点通过本发明所提供的路由通信实现方法，可保持移动过程中通信的连续性，由于本发明中网络层移动切换和链路层移动切换同时进行，因此通信延迟时间短，此外，移动切换的控制信息通过网络拓扑结构自动实现路由，节省了建立路由带来的功耗和延迟时间。本发明中的部分功能节点无须转交地址，并且无须参加移动切换的控制过程，从而节省了能量，延长了寿命。本发明可应用于农业设施现代化及医疗健康等诸多领域，具有广泛的应用前景。

图1为本发明所述的网关、全功能节点以及部分功能节点的结构示意图。所述无线传感器网络包括三种节点：一个网关1、一个以上的全功能节点以及一个以上的部分功能节点2；网关1是固定节点，是用于连接无线传感器网络和互联网的接入路由器；全功能节点包括固定全功能节点3和移动全功能节点4，具有路由转发功能；部分功能传感器节点2为用于收集数据的移动节点，不具有路由转发功能；在一个无线传感器网络内，一个网关1和所有全功能节点构建成路由骨干网，其拓扑结构为树状，称为网关树，树根节点为网关1，中间节点为固定全功能节点3，移动全功能节点4作为叶子节点；一个无线传感器网络中所有节点的网络前缀都相同，由网关1确定；位于两个或者两个以上的无线传感器网络覆盖区域内的全功能节点设置为公共节点5，公共节点5具有多个IPv6地址，每个IPv6地址分别隶属于不同的无线传感器网络。

一个移动全功能节点4与一跳范围内的移动部分功能节点2组成移动簇6，簇首节点为移动全功能节点4；一个移动簇6作为一个整体移动，部分功能节点2通过本簇簇首节点所在的网关树与IPv6互联网进行通信；部分功能节点2在移动过程中无需配置转交地址，一直由家乡地址标识，移动全功能节点在移动过程中配置转交地址从而确保路由正确性；家乡地址为节点启动时获取的第一个IPv6地址，节点获取家乡地址后，移动到不同的IP域需要配置的新地址称为转交地址。

在移动簇6移动过程中，簇内节点地址保持不变且无需进行任何移动切换操作，因此大幅度降低了移动切换操作带来的网络流量，从而提供了网络性能，降低了丢包率。

图2为本发明所述的IPv6地址的结构示意图。全功能节点定期广播信标帧，帧负载的第一个比特表示全功能节点类型：1表示该节点为固定全功能节点，0表示该节点为移动全功能节点。

全功能节点的节点ID的有效长度l与全功能节点所在网关树的深度d成正比，如公式(1)所示：

l=α-1+α·(d-1);d>1α-1;d=1---(1),]]>

其中，α为比例系数，比例系数根据网络规模和节点密度来设置，一般设置为2至16之间的正整数；对于d为1的全功能节点来说，其地址分配空间为[1,2^α-1-1]，其中0预留给部分功能节点，对于d大于1的全功能节点来说，其地址分配空间[1,2^α-1]，其中0预留给部分功能节点。

图3为本发明所述的全功能节点获取IPv6地址的流程示意图。本发明所述方法中，无线传感器网络启动后，网关在一跳范围内定期广播信标帧，全功能节点通过接收网关的信标帧获取全局路由前缀；全功能节点在获取IPv6地址之前，将自己的MAC地址与全局路由前缀相结合获得临时IPv6地址，其中节点类型为1；固定全功能节点获取IPv6地址后，在一跳范围内广播信标帧，帧负载为工作信道和可分配全功能地址空间长度；移动全功能节点的可分配全功能地址空间长度为0。

全功能节点Y加入无线传感器网络后，扫描所有信道并接收邻居网关或者邻居固定全功能节点广播的信标帧，并选择从所在树深度值最小且可分配全功能地址空间不为0的网关或者固定全功能节点X获取地址；如果有多个所在树深度值最小且可分配全功能地址空间不为0的网关或者固定全功能节点，那么全功能节点Y则随机从这些节点中选取一个邻居网关或者固定全功能节点获取IPv6地址，全功能节点Y从邻居网关或者固定全功能节点获取IPv6地址的过程为：

步骤101：开始。

步骤102：全功能节点Y向邻居网关或者固定全功能节点发送全功能节点地址请求消息。

步骤103：邻居网关或者固定全功能节点收到全功能节点Y发送的全功能节点地址请求消息后，向全功能节点Y返回一个全功能节点地址响应消息，消息负载为最小未分配全功能地址，同时将分配的节点ID标识为已分配。

步骤104：全功能节点Y收到全功能地址响应消息后，将自己的IPv6地址设置为邻居网关或者固定全功能节点的IPv6地址，然后将自己的节点ID有效长度扩展α比特并将扩展的比特位值设置为全功能地址响应消息中分配的地址值，同时将邻居网关或者固定全功能节点标记为自己的父节点。

步骤105：结束。

图4为本发明所述的部分功能节点获取IPv6地址的流程示意图。本发明所述方法中，固定全功能节点只作为路由骨干网的节点存在，并不构建簇，它的可分配部分功能地址空间长度为0；移动全功能节点获取IPv6地址后，在一跳范围内广播信标帧，帧负载为其家乡IPv6地址和可分配部分功能地址空间长度。

部分功能节点加入网络后，扫描所有信道并接收邻居移动全功能节点广播的信标帧，选择从信号强度最大且可分配部分功能地址空间长度不为0的移动全功能节点获取地址，如果有多个强度最大且可分配部分功能地址空间长度不为0的移动全功能节点，那么部分功能节点则从这些节点中随机选取一个移动全功能节点获取IPv6地址，部分功能节点从移动全功能节点获取IPv6地址的过程为：

步骤201：开始。

步骤202：部分功能节点向移动全功能节点发送部分功能节点地址请求消息。

步骤203：移动全功能节点收到部分功能节点地址请求消息后，向部分功能节点返回一个部分功能节点地址响应消息，消息负载为最小未分配的部分功能地址，同时将分配的地址标识为已分配状态。

步骤204：部分功能节点收到部分功能节点地址响应消息后，将自己的IPv6地址设置为移动全功能节点的IPv6地址，然后将自己的节点类型设置为0，节点ID有效长度扩展2α比特，前α比特设置为0，后α比特设置为部分功能地址响应消息中分配的地址值，同时将移动全功能节点标记为簇首节点。

步骤205：结束。

部分功能节点获取IPv6地址后，它的地址在整个生命周期都保持不变。

上述过程实现了分布式IPv6地址配置，节点从一跳范围内的邻居节点获取地址且无需地址重复检测，从而大幅度降低了地址配置代价和延迟。

图5为本发明所述的无线传感器网络内部移动切换流程示意图。本发明所述方法中，固定全功能节点获取IPv6地址后，扫描所有信道接收邻居固定全功能节点的信标帧，从而获取邻居固定全功能节点的工作信道，以及与邻居固定全功能节点的相对角度和距离。

当固定全功能节点检测到它的子节点即一个移动全功能节点即将脱离它的通信范围时，例如，固定全功能节点检测到它与子节点的距离大于传输半径的75%时，即判定该子节点即将脱离自己的通信范围，固定全功能节点选择距离移动全功能节点最近的邻居固定全功能节点作为子节点的下一个父节点。

假设公共节点属于两个以上无线传感器网络，它属于的每个无线传感器网络由角度区间来确定；例如，公共节点属于三个传感器网络，第一个传感器网络由角度区间[0,120]来确定，第二个传感器网络由角度区间[120,240]来确定，第三个传感器网络由角度区间[240,360]来确定；

网关保存一个地址绑定表和一个地址对照表，地址绑定表用于记录在本无线传感器网络获取家乡地址的移动全功能节点当前所在无线传感器网络的网关地址，每个表项包括两个域：移动全功能节点地址和其所在无线传感器网络的网关地址；地址对照表用于记录外来移动全功能节点的地址绑定信息，包括移动全功能节点家乡地址域和转交地址域。

步骤301：开始。

步骤302：固定全功能节点Y向固定全功能节点Z发送内部切换消息。

步骤303：固定全功能节点Z收到内部切换消息后，为移动全功能节点X分配一个新的地址，然后向固定全功能节点Y返回内部切换确认消息，消息负载为移动全功能节点X的新地址。

步骤304：固定全功能节点Y收到内部切换确认消息后，分别向所在无线传感器网络的网关G和移动全功能节点节点X发送内部切换消息，发送给网关G的消息负载为移动全功能节点X的家乡地址和新地址，发送给移动全功能节点X的消息负载内容为固定全功能节点Z的工作信道以及移动全功能节点X的新地址。

步骤305：移动全功能节点X收到固定全功能节点Y的内部切换消息后，直接采用固定全功能节点Z的工作信道实现与固定全功能节点Z的二层切换，二层切换后，将固定全功能节点Z标记为父节点Z，同时开始采用新地址与父节点Z进行通信。

步骤306：网关G收到内部切换消息后，将移动全功能节点X的转交地址更新为内部切换消息中的新地址并向固定全功能节点Y返回内部切换确认消息。

步骤307：固定全功能节点Y收到内部切换确认消息后，回收它分配给移动全功能节点X的地址，如果固定全功能节点Y仍然保留有移动全功能节点X所发送给固定全功能节点Z的目的地址，固定全功能节点Z将数据转发给移动全功能节点X，移动全功能节点X再转发给自己的簇内节点。

步骤308：结束。

图6为本发明所述的无线传感器网络之间移动切换的流程示意图。本发明所述方法中，移动全功能节点X的父节点为固定全功能节点Y，当固定全功能节点Y检测到移动全功能节点X即将离开自己的通信范围时，例如，固定全功能节点Y检测到它与移动全功能节点X的距离大于传输半径的75%时，固定全功能节点Y选择与移动全功能节点X距离最近的固定全功能节点Z作为移动全功能节点X的下一个父节点；如果固定全功能节点Z是公共节点，那么固定全功能节点Y进行如下移动切换操作：

步骤401：开始。

步骤402：固定全功能节点Y向固定全功能节点Z发送外部切换消息，消息负载内容为移动全功能节点X的家乡地址，固定全功能节点Y与移动全功能节点X的相对角度，固定全功能节点Y与固定全功能节点Z的相对角度。

步骤404：固定全功能节点Y收到外部切换确认消息后，向移动全功能节点X发送外部切换消息，消息负载为固定全功能节点Z的工作信道以及移动全功能节点X在下一个无线传感器网络中的新地址，向移动全功能节点X的家乡网关HG发送外部切换消息，消息负载为移动全功能节点X的家乡地址和新地址。

步骤405：移动全功能节点X收到固定全功能节点Y的外部切换消息后，直接采用固定全功能节点Z的工作信道实现与固定全功能节点Z的二层切换，二层切换后，将固定全功能节点Z标记为父节点Z，并开始采用新地址进行通信。

步骤406：网关G2收到外部切换消息后，在绑定表中建立移动全功能节点X的表项；网关HG收到外部切换消息后，将与移动全功能节点X关联的网关更新为网关G2，并向固定全功能节点Y返回外部切换确认消息，消息负载为移动全功能节点X的家乡地址。

步骤408：结束。

图7为本发明所述的部分功能节点主动发起通信的流程示意图。本发明所述方法中，路由过程中Mesh头部的结构如下：Mesh头部的前两个比特表示类型，为10，第三个比特为目的地址的类型，0表示目的地址16比特，1表示目的地址64比特；第四个比特为最终地址的类型，0表示目的地址16比特，1表示目的地址64比特；通信过程采用路由头部来实现，如果部分功能节点M的簇首节点为X，且X家乡网关为G1，簇首节点X当前所在网络的网关为G2，部分功能节点M主动发起与IPv6节点N的通信过程为：

步骤501：开始。

步骤502：部分功能节点M向IPv6节点N发送IPv6数据消息，IPv6数据消息中的路由头部的地址域为簇首节点X的转交地址，部分功能节点M用MAC头部将数据消息封装为数据帧，帧的目的地址为簇首节点X家乡地址的链路地址，然后将其发送给簇首节点X。

步骤503：簇首节点X收到数据帧后，将数据帧再发送给其父节点，数据帧通过网关树最后到达网关G2，网关G2将IPv6数据消息通过IPv6网络路由到IPv6节点N。

步骤504：IPv6节点N处理来自部分功能节点M的数据消息后，向部分功能节点M返回一个数据响应消息，数据响应消息包含一个路由头部，路由头部的内容为簇首节点X的转交地址，然后将IPv6数据消息发送出去。

步骤505：根据路由头部的内容，IPv6数据消息首先到达网关G2，网关G2用Mesh头部封装为数据帧，其中，Mesh头部中的目的地址为是簇首节点X的转交地址的链路地址，最终地址为部分功能节点M的链路地址，然后，该数据帧通过网关树最终到达簇首节点X。

步骤506：簇首节点X收到数据帧后，将数据帧转发给部分功能节点M。

步骤507：结束。

图8为本发明所述的IPv6节点主动发起通信的流程示意图。IPv6节点N主动发起与部分功能节点M的通信过程为：

步骤601：开始。

步骤602：IPv6节点N向部分功能节点M发送一个数据消息，该数据消息首先到达部分功能节点M的家乡网关HG。

步骤603：家乡网关HG通过部分功能节点M的IPv6地址获取部分功能节点M的簇首节点X的家乡地址，然后查看自己的地址绑定表，将数据消息转发给簇首节点X的网关G2。

步骤605：部分功能节点M向IPv6节点N返回一个响应数据消息，该响应数据消息包括一个路由头部，内容为簇首节点X的转交地址，用MAC头部将数据消息封装为数据帧，数据帧的目的地址为簇首节点X的家乡地址的链路地址，然后将数据帧发送给簇首节点X。

步骤606：簇首节点X收到数据帧后，将数据帧再发送给自己的父节点，由此，数据帧通过网关树最后到达网关G2，网关G2将数据消息通过IPv6网络路由到IPv6节点N。

步骤607：结束。

上述通信过程降低了通信延迟，确保了路由正确性以及通信质量。

综上所述，本发明提供了一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法，在所述方法中，所述无线传感器网络中的移动传感器节点通过本发明所提供的路由通信实现方法，可保持移动过程中通信的连续性，由于本发明中网络层移动切换和链路层移动切换同时进行，因此通信延迟时间短，此外，移动切换的控制信息通过网络拓扑结构自动实现路由，节省了建立路由带来的功耗和延迟时间。本发明中的部分功能节点无须转交地址，并且无须参加移动切换的控制过程，从而节省了能量，延长了寿命。本发明可应用于农业设施现代化及医疗健康等诸多领域，具有广泛的应用前景。，此项技术可以应用于医疗健康、军事国防等诸多领域，例如，在医疗健康领域中，可在患者身体上安装多个传感器节点监测患者的身体健康参数。在患者移动过程中，医生仍然可以通过访问传感器节点实时了解患者身体的健康参数以进行及时治疗。由于传感器节点具有体积小、价格低廉、易于布置、易于维护等特点，而互联网具有地理位置覆盖广泛，使用方便，界面友好、费用低廉等特点，因此，本技术具有很高的推广价值。

实施例1

基于表1的仿真参数，本实施例模拟了本发明中方法，性能分析如下：当速度增加时，移动节点执行移动切换频率增加，因此移动切换延迟、丢包率都随之增加。本发明中，网络层移动切换与链路层移动切换并行进行，由于网络层移动切换过程为链路层切换过程提供了信道信息，因此，移动节点无需扫描所有信道，通过获取的信道信息直接进行链路层切换，因此缩短了切换延迟，降低了丢包率.本发明采用预配置机制获取转交地址，即在链路层切换之前移动节点已经获取了新的转交地址，因此在链路层移动切换之后，可以立刻采用新的转交地址进行通信，从而降低了移动切换延迟和丢包率。本发明的平均移动切换延迟为70ms，丢包率为4%。上述数据完全可以确保通信质量。

表1仿真参数

本发明提供了一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。

一种基于跨层的无线传感器网络路由通信的实现方法专利购买费用说明