[發明專利]分布式無線傳感器網絡競爭接入周期多級配置方法

無效

• 申請號: 200810020655.X
• 申請日: 2008-02-19
• 公開（公告）號: CN101227367A
• 公開（公告）日: 2008-07-23
• 發明（設計）人: 徐平平;鄭彥光;夏桂斌;張榮標;趙迎新
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04L12/413
• 分類號: H04L12/413;H04L12/28
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 葉連生

技術領域

本專利適用于環境監控、軍事國防、工農業生產、城市管理等一系列新型分布式的無線傳感器網絡應用中。特別是網絡負載不大，實時性要求不高的應用場合中，可以大大提高系統能耗效率，具有十分重要的現實意義。

背景技術

在無線網絡無處不在的今天，人們生活的很多方面因為無線通信而發生極大的改變。然而現今的無線網絡大多都采用的是點對多點的通信方式，無論是蜂窩通信的基站與終端，還是無線局域網的AP與終端都是這種形式。這樣的通信方式或者說拓撲結構具有簡單可靠的特點，但覆蓋范圍和網絡擴展的靈活性卻很有限，為改善這一缺陷，無線通信領域興起了一個新的研究熱點——無線Mesh網絡。

在無線Mesh網絡中，節點之間構成網狀結構，可以互相通信而不必通過中心節點。傳統星型網絡在操作與維護的費用、安裝與擴容的速度、位置的適應性、可測量性等均存在著諸多不足。而點對點的網狀網絡對以上這些指標的性能將會有較大的提高。

由于Mesh結構無線網絡的眾多優點使其的應用領域越來越廣泛。包括WLAN的IEEE802.11、WPAN的IEEE?802.15、以及WMAN的IEEE?802.16等眾多標準化組織都在成立了專門開發支持Mesh結構的工作組。本專利主要針對低速WPAN的Mesh功能擴展。

WPAN是移動中的網絡，只能采取無線接入，而且要求自動接入，而其它的局域網大多屬于固定網絡，既可以采用無線，也可以采用有線方式互連。WPAN的目的是“解決最后的幾米電纜”的問題，同時“將無線聯網進行到底”。IEEE專門為WPAN成立了IEEE?802.15工作組，目標是提供簡單、低耗能、短距離的無線通信標準。它又分為幾個重點研究小組，其中的IEEE?802.15.3關心的是高速或超高速的WPAN開發；IEEE?802.15.4主要針對低速率、低功耗、低成本的LR-WPAN的開發；而IEEE?802.15.5的目標是為WPAN提供Mesh結構的支持，包括低速和高速兩部分。

我們首先來了解IEEE802.15.4MAC協議^[1]。在IEEE?802.15.4MAC協議中提供兩種工作模式：信標使能和非信標使能。

在非信標使能的網絡中，節點之間通過非時隙的CSMA/CA退避機制接入信道，可以支持點對點的通信模式，但由于節點間沒有建立時間同步，節點的空閑偵聽而導致了大量的能量消耗。我們知道，在低速的無線個域網中，設備大多基于電池供電，能耗是—個十分嚴峻的問題。而空閑偵聽問題會使設備在沒有數據傳輸時消耗大量的能量，從而導致設備很快的失效。因此非信標使能的通信機制并不是一種高效的通信機制。

在信標使能的IEEE?802.15.4MAC協議在只支持星形組網。大量的節點通過—個協調器構成一個星形網絡，其中協調器稱為Coordinator，與其相關聯的每一個節點稱為一個DEV。協調器為網絡提供基本的定時和中心控制功能。DEV間的通信都要通過Coordinator。它是一種高效率、低能耗、簡單易布置的工作模式，可以說，信標機制是IEEE?802.15.4協議的一個重要特征，但是由于其只能工作在星形網絡拓撲結構下，并不能為Mesh結構的點對點網絡提供支持。

由于非信標使能的網絡不能為分布式的Mesh網絡提供高效的信道接入機制。文獻[3]中提出了一種多信標的超幀結構以支持無線個域網的Mesh組網需求。這種超幀結構基于IEEE?802.15.4標準。但與IEEE?802.15.4中的超幀結構相比，多信標的超幀結構在信標期是不同，即超幀中的信標期由多個信標組成。每個設備都可以在超幀期擁有一個專屬的信標時隙，該時隙由設備所專屬，用以發送本設備的信標幀。其他設備都不能占有該時隙。這樣，可以使設備之間實現點對點的通信。多信標的超幀結構中的競爭接入期依然采用IEEE?802.15.4標準中的帶沖突避免的載波監聽多址接入(CSMA/CA，Carrier?Sense?Multiple?Access?withCollision?Avoidance)機制，這種機制基于非堅持CSMA/CA算法。

雖然多信標的超幀結構可以為Mesh組網提供支持，但是其競爭接入期卻存在兩個問題：“空閑偵聽”問題和“互相退避”問題。空閑偵聽問題我們前面已有介紹，下面對競爭接入期的“互相退避”問題進行簡要闡述。