[發明專利]一種無線傳感器網絡、建立方法及通信方法

有效

• 申請號: 200810065566.7
• 申請日: 2008-03-14
• 公開（公告）號: CN101247342B
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發明（設計）人: 毛宏偉
• 申請（專利權）人: 毛宏偉
• 主分類號: H04L12/56
• 分類號: H04L12/56;H04L12/28
• 代理公司: 深圳市百瑞專利商標事務所(普通合伙) 44240
• 代理人: 楊大慶

1.一種無線傳感器網絡，是同構分組的網絡結構；在鏈路層將網絡中能直接相互連接的一群節點劃分為一個簇，其中包括：

普通傳感器節點，部署在網絡內采集傳感器數據，并根據應用要求傳輸數據；

簇網絡交換節點，是在一個簇網絡中能與相鄰簇網絡節點直接通訊的節點；簇網絡內其他節點必須通過簇網絡交換節點與相鄰簇網絡通訊；

簇頭節點，每個簇網絡定期通過能量優化原則選擇一個節點作為簇頭節點；簇頭節點負責確認簇網絡的網絡拓撲結構變化，更新和發布簇網絡內節點的通訊調度；其特征在于：

所述的無線傳感器網絡，還有匯聚節點，所述的匯聚節點是當簇網絡接收到應用業務數據匯聚命令時，根據數據流路由選擇簇網絡中數據流目的節點作為此數據匯聚業務的匯聚節點，接收簇網絡內其他節點發送的業務應用數據；

所述的無線傳感器網絡，簇網絡循環執行工作周期，所述的一個工作周期分為簇節點休眠時段、簇間交換節點通訊工作時段、和簇內部節點通訊工作時段；

簇網絡節點在簇節點休眠時段停止工作，進入省電模式；

在簇間交換節點通訊工作時段，簇網絡邊界交換節點時分復用通訊信道與相鄰簇網絡通訊，同時簇網絡節點偵測有無新網絡節點激活；

在簇內部節點通訊工作時段，簇網絡節點分時復用通訊信道向簇頭節點報告簇頭節點接收到調整簇網絡通訊調度的要求，簇頭節點重新計算簇網絡適合的調度方案，并發布給簇網絡內節點執行；并且簇節點直接連接目標節點，執行業務應用數據通訊傳輸；

所述的無線傳感器網絡，簇網絡節點通訊采用多信道通訊方式；簇網絡通訊信道分為新節點激活信道、簇網絡交換節點通訊信道、簇網絡通訊信道；

其中，

新節點激活信道包括系統預定義新節點激活信道及其備份信道；

簇網絡交換節點通訊信道包括系統定義簇網絡間通訊信道及其備份信道；

簇網絡通訊信道包括簇網絡通訊基礎信道和簇網絡通訊工作信道，其中簇網絡通訊工作信道包含多條可用信道，簇頭節點在執行簇內部節點通訊前，偵聽并選擇空閑信道，作為簇網絡在簇內部節點通訊工作時段的簇網絡工作信道，簇內部節點通訊工作完成后釋放此信道資源。

2.權利要求1所述的無線傳感器網絡的建立方法，包括：

步驟A，新部署的網絡節點復位初始化后在系統預定義的新節點激活信道搜索當前無線傳感器網絡狀況，根據搜索結果決定自己是否需要被激活和是否發布新節點激活信息；

步驟B，簇網絡節點定時檢測有無網絡節點激活，發現有新網絡節點激活消息后，向新節點回應當前簇網絡調度計劃；

新節點根據接收到相鄰簇網絡回應，確定新節點暫時休眠、或加入已有的簇網絡、或建立新的簇網絡，并且根據加入新節點后網絡結構變化，計算更新相鄰簇網絡的調度計劃，并向相鄰簇網絡發送；

簇網絡確定并發布更新的通訊調度計劃，簇網絡節點從下一次工作周期開始執行新的簇網絡通訊調度計劃；

所述的步驟A包括以下步驟：

步驟A1，新部署的網絡節點復位初始化后，在系統預定義新節點激活信道偵聽信道上有沒有信號；

如果發現當前信道上有其他新節點激活信號存在，則此網絡節點采用退避機制，等待系統定義的休眠時間后再偵聽信道；

如果信道上沒有其他信號，則此新網絡節點進入激活狀態并進入步驟A3；

如果信道存在干擾信號，則進入步驟A2；

步驟A2，新網絡節點判定原新節點激活信道存在干擾信號，轉入系統備份新節點激活信道，如步驟A1執行偵聽信道操作；

如果發現當前信道上有其他新節點激活信號存在，或者存在干擾信號，則此網絡節點采用退避機制，等待系統定義的休眠時間后再執行步驟A1；

如果信道上沒有其他信號，則此新網絡節點進入激活狀態并進入步驟A3；

步驟A3，新網絡節點廣播新節點被激活的消息，然后在系統定義的激活回應等待時間內接收并保存與其相連接簇網絡的回應消息；

新節點檢查系統定義的新節點激活廣播時間是否完成；

如果沒有，則重復執行步驟A3；

否則，進入步驟B；

所述的步驟B，包括以下步驟：

步驟B1，在簇網絡間節點通訊工作期間，簇網絡節點偵聽新節點激活信道上有無新節點激活消息；

如果發現信道上存在干擾則進入步驟B2；

如果偵聽到有新網絡節點激活消息，記錄偵聽結果和新節點激活信道，進入步驟B3；

如果發現信道上沒有信號，判定沒有新節點被激活并記錄偵聽結果，退出網絡新增節點檢查步驟；

步驟B2，簇網絡內節點跳頻進入系統備份的新節點激活信道，執行步驟B1中操作，偵聽有無新節點激活消息；

如果偵聽到有新網絡節點激活消息，記錄偵聽結果和新節點激活信道，進入步驟B3；

否則，判定沒有新節點被激活記錄偵聽結果，退出網絡新增節點檢查步驟；

步驟B3，簇網絡內接收到新節點激活消息的節點，在其被分配在簇內部節點通訊工作時段的通訊時間，向其簇頭節點報告發現新節點激活的消息；

簇頭節點接收簇節點報告，統計本簇網絡中發現新節點激活消息的節點數；

若發現本簇網絡所有節點都發現新節點的激活信息，進入步驟B5；

否則，進入步驟B4；

步驟B4，簇頭節點發現本簇網絡有部分節點不能發現新網絡節點激活，在能發現新網絡節點的簇節點中選擇一個，命令其在簇內部節點通訊工作時段完成后，轉入可工作的新節點激活信道，向新節點發送回應信息，通知新節點能與本簇網絡相連接，以及本簇網絡節點通訊調度表，等待新節點返回信息；進入步驟B6；

步驟B5，簇頭節點檢查本簇網絡節點數量是否達到系統定義的簇網絡節點容量限制；

若還沒達到簇網絡節點容量限制，簇頭節點計算預計加入新網絡節點后的網絡調度規劃表，在簇內部節點通訊工作時段完成后，轉入可工作的新節點激活信道，向新節點發送回應信息，允許新節點加入本簇網絡，并發送預計的簇網絡節點網絡調度表。等待新節點返回信息；

若簇網絡節點數已達到簇網絡節點容量限制，在簇內部節點通訊工作時段完成后，簇頭節點轉入可工作的新節點激活信道，向新節點發送回應信息，本空間域節點飽和，以及本簇網絡節點通訊調度表，等待新節點返回信息；

進入步驟B6；

步驟B6，新節點在系統定義的新節點激活廣播時間內接收并解析其周圍相鄰網絡的回應信息；

如果新節點激活廣播時間內沒有結束，新節點回應到新節點激活廣播時間結束時再發布加入簇網絡方式，并且通告新節點激活廣播時間結束的時間；

新節點解析回應信息得到當前相鄰簇網絡的連接狀況，據此計算其加入簇網絡方式和更新相關簇網絡通訊調度表，到新節點激活廣播時間結束后廣播給相鄰簇網絡；

步驟B7，相鄰簇網絡接收并解析新節點的回應消息；

如果新節點不加入其簇網絡或者不與其簇網絡相連接，則此簇網絡通訊調度不變；

如果新節點將與其簇網絡連接或者將加入其簇網絡，簇網絡節點接收到新節點更新的通訊調度計劃并報告簇頭節點；簇頭節點確定并發布此簇網絡的通訊調度計劃，簇網絡和新節點從下一次工作周期開始執行新通訊調度計劃；

其中步驟B6所述新節點根據相鄰簇網絡連接關系，計算加入簇網絡方式和更新相鄰簇網絡調度還包括以下步驟：

步驟B61，新節點首先檢查在新節點激活廣播時間時段內是否接收到有相鄰簇網絡回應消息；

如果無，則新節點決定自行建立一個新的簇網絡，并設置自己為簇網絡簇頭節點；進入步驟B7；

否則進入步驟B62；

步驟B62，新節點解析接收到的回應消息，判斷能否連接此前不能連接的相鄰簇網絡，并且記錄結果；

如果能新增加原有簇網絡連接，則進入步驟B63；

否則新節點檢查是否接收到相鄰簇網絡節點回應有簇網絡空間域飽和的信息；

如果有，則判定新節點所在空間域內已經存在足夠多網絡節點；新節點向全部相鄰簇網絡發送自身所在空間域達到簇網絡節點容量限制消息，新節點不能加入當前傳感器網絡；然后新節點退出加入簇網絡步驟，進入休眠狀態；經過系統定義的休眠時間后自行喚醒，重新進入步驟A；

如果沒有，則進入步驟B63；

步驟B63，新節點統計相鄰簇網絡間的連接關系和調度時間安排，計算出自己需要連接的相鄰簇網絡，判斷能否在不改變一個簇網絡現有簇間交換節點通訊工作時段內其他節點調度情況下加入其簇網絡；

如果不能，則進入步驟B64；

如果可以，則根據新節點需要連接相鄰簇網絡的要求，更新相關簇網絡的通訊調度計劃表；新節點向選擇的簇網絡發送回應，請求加入此簇網絡，并向相關簇網絡發送調整后的通訊調度表；并且新節點還與選擇加入的簇網絡實現時鐘同步，記錄與其他不能時鐘同步的連接簇網絡的時鐘映射表；進入步驟B7；

步驟B64，新節點檢查能否建立一個新簇網絡與其他要求連接的相鄰簇網絡相連，其中新建簇網絡的簇間交換節點通訊工作時段符合在系統定義的簇間交換節點通訊工作時段時間窗口寬度的要求，并且保證相關簇網絡現有簇間交換節點通訊工作時段內其他節點調度不受影響；

如果不能，則進入步驟B65；

否則，新節點根據需要連接相鄰簇網絡的要求，更新相關簇網絡的通訊調度計劃表，并計算建立自己新簇網絡的簇間交換節點通訊工作時段的通訊調度計劃表；新節點向相關簇網絡發送調整后的通訊調度表，并且選擇一個與其連接的簇網絡實現時鐘同步，記錄與其他不能時鐘同步的連接簇網絡的時鐘映射表；然后新節點建立一個新簇網絡，設置自己為簇網絡簇頭節點；進入步驟B7；

步驟B65，新節點檢查步驟B62記錄結果能否連接此前不能連接的原有相鄰簇網絡；

如果是，則新節點決定建立一個獨立節點簇網絡，新節點為此簇網絡唯一的簇節點，簇網絡調度簡化為只有簇間交換節點通訊工作時段和簇節點休眠時段；新節點根據需要連接相鄰簇網絡的要求，更新相關簇網絡的通訊調度計劃表，并計算此獨立節點網絡的簇間交換節點通訊工作時段的通訊調度計劃表；新節點向相關簇網絡發送調整后的通訊調度表，并且與連接的簇網絡實現時鐘同步，記錄與其他不能時鐘同步的連接簇網絡的時鐘映射表；進入步驟B7；

否則，進入步驟B66；

步驟B66，新節點判斷能否選擇一個新節點相連簇網絡，將其分裂為幾個新簇網絡后，新節點能加入其中一個新分裂的簇網絡，并且各個新分裂的簇網絡簇間交換節點通訊工作時段符合簇間交換節點通訊工作時段時間窗口寬度的要求，并且其他相關簇網絡現有簇間交換節點通訊工作時段內的節點調度不受影響；

如果可以，新節點計算原簇網絡按要求分裂，以及自己加入其中一個新分裂簇網絡后，各新分裂簇網絡的調度計劃表，并且根據需要連接相鄰簇網絡的要求，更新相關簇網絡的通訊調度計劃表；新節點向相關簇網絡發送調整后的通訊調度表；并且新節點還與選擇的簇網絡實現時鐘同步，記錄與其他不能時鐘同步的連接簇網絡的時鐘映射表；進入步驟B7；

如果不行，則判定新節點所在空間域內已經存在足夠多網絡連接；新節點向全部相鄰簇網絡發送不能加入當前傳感器網絡；然后新節點退出加入簇網絡步驟，進入休眠狀態；經過系統定義的節點休眠時間后自行喚醒，重新進入步驟A。

3.一種權利要求1所述的無線傳感器網絡的通訊方法，包括：

步驟C，在簇間交換節點通訊工作時段，簇網絡交換節點按照通訊調度安排，依次與相鄰簇網絡的交換節點通訊，并且全部簇網絡節點偵聽有無新節點激活信號；

步驟D，在簇內節點通訊工作時段，簇網絡節點按照通訊調度安排，依次占用信道向簇頭節點報告所發現網絡結構變化和接收到的網絡節點通訊調度配置命令，并且向目標節點發送應用業務數據；

同時簇網絡其他節點保持偵聽信道狀態，接收向自己發送的數據包；

步驟E，簇頭節點接收其他簇節點的報告，檢查本簇網絡是否發生網絡結構變化；并且根據網絡結構變化、接收的網絡節點通訊調度配置命令、和業務應用對通訊調度調整要求，更新簇網絡節點在簇間交換節點通訊工作時段、和簇內節點通訊工作時段的通訊調度計劃，并在簇網絡中發布執行；

所述的步驟C，包括以下步驟：

步驟C1，在簇間交換節點通訊工作時段，簇網絡的交換節點按照調度安排，到其節點通訊時刻啟動通訊模塊，偵測簇網絡維護信道有沒有干擾信號存在；

如果發現沒有干擾信號存在，確定其為當前簇網絡間通訊工作信道，進入步驟C2；

如果在簇網絡維護信道上發現干擾信號無法消除，節點跳頻到簇網絡維護備份信道，同上偵測此信道上有沒有干擾信號存在；

如果發現沒有干擾信號存在，確定其為當前簇網絡間通訊工作信道，進入步驟C2；

否則節點判定當前信道被干擾，不能實現簇間交換節點通訊工作，節點退出簇間交換節點通訊工作流程；

步驟C2，相鄰簇網絡間交換節點按照已有調度安排，到其簇間交換節點通訊工作時間，按順序執行發送接收操作；交換節點首先檢查有無數據發送要求；

如果有，節點向對方對應的交換節點發送數據；

進入步驟C3；

步驟C3，交換節點檢查是否接收到對方對應節點的通訊回應；

如果沒有，交換節點判斷對方連接節點丟失，到其簇內節點通訊工作時向簇頭節點報告；

進入步驟C4；

步驟C4，交換節點檢查是否接收到上層應用配置網絡調度命令；

如果是，節點記錄此消息，到其簇內節點通訊工作時向簇頭節點報告，并且向對方節點回復，本輪簇網絡工作周期完成后執行上層應用配置網絡調度命令；

進入步驟C5；

步驟C5，交換節點檢查是否接收到相鄰簇網絡要求調整交換節點通訊調度請求；

如果是，節點記錄此消息，到其簇內節點通訊工作時向簇頭節點報告，并且向對方節點回復，下一次簇間交換節點通訊時再報告本簇網絡是否接收調整交換節點通訊調度決定；

進入步驟C6；

步驟C6，交換節點檢查是否接收到業務應用數據傳輸請求；

如果是，節點記錄此消息，根據業務應用數據的路由確定下一步傳送的目標節點，到其簇內節點通訊時向目標節點發送數據；

進入步驟C7；

步驟C7，交換節點檢查是否接收到業務應用數據匯聚傳輸請求，或者業務應用數據匯聚完成請求；

如果是，節點記錄此消息，到其簇內節點通訊工作時向簇頭節點報告；

進入步驟C8；

步驟C8，交換節點檢查是否接收到對方簇網絡對交換節點通訊調度調整的回應；

如果是，節點記錄此消息，到其簇內節點通訊工作時向簇頭節點報告；

進入步驟C9；

步驟C9，交換節點檢查是否接收到新節點回應更新的簇網絡調度計劃；

如果是，節點記錄此消息，到其簇內節點通訊工作時向簇頭節點報告；

進入步驟C10；

步驟C10，簇網絡內節點在簇間交換節點通訊時段中沒有通訊任務時，按照步驟B1、步驟B2所述方法，偵聽有無新節點激活消息并記錄偵聽結果；進入步驟D；

所述的步驟D，包括以下步驟：

步驟D1，進入簇內節點通訊時段，在系統定義的工作信道選擇時間內，簇頭節點偵聽簇網絡通訊工作信道，檢查是否存在空閑信道可以利用；

如果有，簇頭節點選擇其中一個信道作為本簇網絡當前工作信道；

否則，簇頭節點判斷當前無可用工作信道；

簇網絡通訊工作時間完成后，簇網絡全部節點跳頻到簇網絡通訊基礎信道，接收HN節點廣播選擇工作信道的結果；

如果無可用信道，則簇網絡節點判斷當前不能進行簇內節點通訊工作，退出簇內節點通訊工作狀態；否則，全部簇網絡節點跳頻進入簇網絡當前工作信道，進入步驟D2；

步驟D2，簇網絡節點按照簇內節點通訊調度計劃，分時依次占用簇網絡當前工作信道，解析在簇間交換節點通訊時段接收到的消息并按以下步驟執行，期間簇網絡內其他節點偵聽工作信道，接收發送到自己的消息；

簇節點檢查是否接收新節點激活消息、或接收到上層應用配置網絡調度命令、或接收到相鄰簇網絡對交換節點間通訊調整命令及回復、或新節點回應更新簇網絡調度計劃、或發現相鄰簇網絡連接交換節點丟失、或業務應用數據匯聚結束請求；

如果是，簇節點向簇頭節點發送報告；

進入步驟D3；

步驟D3，簇節點檢查是否有業務應用數據匯聚請求；

如果有，簇節點根據業務應用數據匯聚要求，計算簇網絡匯聚節點，并向簇網絡所有節點發布數據匯聚業務請求及指定的匯聚節點；簇網絡其他節點接收到此消息后，按照步驟D4執行業務應用數據匯聚傳輸；

否則，進入步驟D5；

步驟D4，簇節點檢查匯聚節點通訊帶寬能否支持當前簇網絡的業務應用數據匯聚流量；

如果不可以，簇節點向簇頭節點請求調整簇網絡通訊調度，保留簇網絡工作周期中現有簇間交換節點通訊調度不變，并將原有一次簇內節點通訊時段的數據匯聚業務分散到原有連續兩次簇內節點通訊時段中完成；

簇節點等待簇頭節點回應，如果簇頭節點廣播同意調整調度請求，簇節點按照調整后調度計劃執行；否則簇網絡繼續執行應用數據匯聚業務，但保持一定數據丟失率；

進入步驟D5；

步驟D5，簇節點檢查是否有業務應用數據傳輸要求；

如果有，簇節點根據業務數據發送的路由要求，計算數據傳輸的目標節點；進入步驟D6；

否則，進入步驟D7；

步驟D6，簇節點計算與目標節點調度計劃通訊時間內能否完成業務應用數據傳輸任務；

如果可行，則簇節點向目標節點發送數據；

否則，需要傳輸的數據流量超過簇節點在簇內節點通訊時段內通訊帶寬要求，則發送節點搜索簇網絡通訊工作信道，選擇一個空閑信道作為此通訊任務的工作信道；發送節點向目標節點通知選擇的工作信道和通訊時間；指定通訊時間達到時，雙方節點跳頻到此指定業務應用工作信道，執行應用數據通訊任務；

進入步驟D7；

步驟D7，簇節點向簇頭節點報告當前自身節點剩余能量值，供簇網絡執行選擇簇頭節點參考；進入步驟E；

所述的步驟E，包括以下步驟：

步驟E1，簇網絡簇頭節點在簇內節點通訊時段先偵聽信道，并接收其他節點發送到自己的報告；到其他節點通訊完成后，簇頭節點解析所接收到報告；進入步驟E2；

步驟E2，簇網絡簇頭節點檢查是否接收到上層應用配置網絡調度命令；

如果有，簇頭節點解析接收到的上層應用配置網絡調度命令，根據命令要求更新簇網絡的工作周期，將簇網絡工作時間周期倍增或倍減；同時簇頭節點命令簇網絡其他交換節點將此上層應用配置網絡調度命令傳遞到相鄰簇網絡；進入步驟E3；

否則，進入步驟E3；

步驟E3，簇網絡簇頭節點檢查是否收到相鄰簇網絡要求調整交換節點通訊調度請求；

如果沒有，進入步驟E4；

否則，簇頭節點計算能否滿足不影響簇網絡簇間交換節點通訊時段內其他交換節點通訊調度計劃，在系統定義的簇間交換節點通訊時間窗口寬度內，調整此交換節點通訊調度計劃；

如果可以，簇頭節點根據以上計算結果，調整此節點在簇網絡簇間交換節點通訊時段的通訊調度；

否則，簇頭節點向相鄰簇網絡回復不能執行交換通訊調整要求；

進入步驟E4；

步驟E4，簇網絡簇頭節點檢查是否收到發現相鄰簇網絡連接節點丟失報告；

如果是，去除本簇網絡對應交換節點在簇間交換節點通訊時段的通訊調度計劃，進入步驟E5；

否則，進入步驟E5；

步驟E5，簇網絡簇頭節點統計在簇內節點通訊時段接收到簇內節點的報告，檢查是否缺少應有的簇節點報告；

如果有，簇頭節點判定此簇節點丟失；簇頭節點在簇間交換節點通訊時段、和簇內節點通訊時段內去除此簇節點的通訊調度計劃，選擇可以補充此丟失節點在簇間交換節點通訊時段中通訊工作的備份節點，將其填補到簇間交換節點通訊調度中；進入步驟E6；

否則，進入步驟E6；

步驟E6，簇網絡簇頭節點檢查是否接收到數據匯聚業務要求調整簇網絡通訊調度消息；

如果有，調整簇網絡通訊調度，保留簇網絡工作周期中現有簇間交換節點通訊調度不變，并將原有一次簇內節點通訊時段的數據匯聚業務分散到原有連續兩次簇內節點通訊時段中完成；進入步驟E7；

否則，進入步驟E7；

步驟E7，簇網絡簇頭節點檢查是否接收到數據匯聚業務結束命令；

如果有，簇頭節點檢查是否因為此數據匯聚業務調整過簇網絡通訊調度計劃，如果是則恢復簇網絡原有的通訊調度計劃；進入步驟E8；

否則，進入步驟E8；

步驟E8，簇網絡簇頭節點檢查是否接收到有新節點回應的調整簇網絡通訊調度計劃的消息；

如果有，簇頭節點根據以上步驟調整簇網絡通訊調度計劃的匯總結果，調整接收到新節點更新的簇網絡通訊調度計劃，并把此調度計劃發送給新節點；進入步驟E9；

否則，進入步驟E9；

步驟E9，簇頭節點檢查是否接收到新節點激活的消息；

如果是，簇頭節點執行簇網絡發現新節點激活消息處理步驟；進入步驟E10；

否則，進入步驟E10；

步驟E10，簇頭節點比較簇節點報告剩余能量值，選擇能量最優節點作為下一次工作周期的簇頭節點，然后發布根據執行以上步驟更新的簇網絡調度計劃；簇網絡其他節點接收并保存此新的簇網絡通訊調度計劃；簇網絡從下一個工作周期開始執行新調度計劃。