[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

技術領域

本發明涉及一種無線傳感器網絡、建立方法及通信方法，特別是涉及一種自適應調整網絡節點通訊調度的無線傳感器網絡、建立方法及通信方法。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless?Sensor?Network，WSN)是當前信息技術的研究熱點之一，其基本思想是成千上萬的低功耗、低成本傳感器節點部署到應用現場，通過無線信道形成自組織網絡，完成網絡內信息的采集、傳輸、處理。這種新型網絡結構在環境監測、物流管理、工業傳感、及軍事等領域具有十分廣闊的應用前景。WSN網絡具有節點簡單、實施環境廣泛、以及應用領域多樣性等新特點，對無線傳感器網絡研究重點和設計方案也是多樣性共存，業界還沒有形成廣泛統一的技術標準。

當前對WSN網絡研究和設計的一個重要領域是對數據鏈路層(Data?LinkLayer，DLL)的設計。DLL設計要求實現網絡拓撲結構建立和高效使用信道的MAC通訊協議，其目的是方便維護網絡結構、實現數據可靠傳輸、節省網絡能源。現有WSN網絡多采用異構分組結構。即網絡內節點屬性不同，有普通傳感器節點(Sensor?Node，SN)和連接通訊傳感器節點(Link?Node，LN)，SN圍繞在LN周圍，形成以簇為單位的小網絡，SN向LN發送業務數據，LN管理簇網絡內SN通訊調度和在簇網絡間傳輸信息。現在得到推廣的IEEE802.15.4標準就是采用這種網絡結構。這種網絡結構存在一些不足，首先網絡部署條件比較嚴格，因為受到無線通訊距離限制，必須事先規劃怎樣部署LN節點，當大范圍部署網絡時這種規劃和實施成為一個復雜的工作。然后因為網絡節點屬性不同，當關鍵LN節點被破壞，其周邊SN節點也失去了網絡拓撲連接，需要重新搜索網絡結構再加入網絡。

WSN網絡的MAC協議要求提供有效的網絡節點通訊調度機制和節點間可靠的數據發送接收機制。研究結果表明，無線傳感器節點RF接收和發送時是節點能量消耗最多的情況，MAC協議必須采用包括時分復用(TDMA)的機制或其變體時，才能確保在節點空閑期間關掉RF，從而節省網絡節點的能量。

現有基于TDMA比較有代表性的協議有S-MAC，T-MAC，WiseMAC，B-MAC等。S-MAC的基本思想是時間分為幀，幀內分監聽工作階段和睡眠階段，監聽/睡眠階段持續時間根據應用可調。協議采用RTS/CTS/DATA/ACK機制發送數據。其余幾種協議都是在S-MAC協議基礎上通過改進對通訊流量監測和控制機制，使網絡節點能加快發送緩存的數據分組，從而減少了數據分組在網絡中的傳輸延遲，優化網絡性能。但是以上機制仍然存在可能改進的地方。基于時間分幀的網絡節點調度協議在網絡拓撲結構變化時，需要調整全部相鄰節點的調度安排。還有在WSN網絡的典型應用中，數據從網絡向匯聚節點(SinkNode)集中，越靠近SinkNode節點數據流量越大，造成分組轉發數據傳輸瓶頸，數據不能均衡傳輸影響網絡性能。還有在網絡部署后，一些特定應用希望能按需求調整網絡節點通訊調度，但現有的網絡調度機制往往不能改變。

發明內容

本發明的目的在于針對現有無線傳感器網絡中存在的不足，提供一種無線傳感器網絡，以及此網絡的建立方法和通訊方法。它具有方便網絡部署、提高網絡結構抗破壞性、根據應用需要實時靈活配置網絡節點的工作調度方案、網絡中高效傳輸數據流的特點。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種無線傳感器網絡，該網絡結構采取同構分組網絡結構，WSN網絡中能直接通訊的節點分組組建一個簇網絡。其中包括：

普通傳感器節點(Sensor?Node，SN)，部署在網絡內采集傳感器數據，并根據應用要求傳輸通訊數據。相互能直接通訊的SN節點組建一個簇網絡。簇網絡內的SN節點采用基于時分復用(TDMA)機制，在簇網絡內部節點通訊(GIC)時段實現相互通訊。節點加入一個簇網絡時，與簇網絡內其他節點實現時鐘同步，并且接受簇網絡配置的網絡通訊調度安排。

簇網絡交換節點(Boundary?Node，BN)，一種特殊的SN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SN節點必須通過BN節點與相鄰簇網絡通訊。一個簇網絡的全部BN節點也采用TDMA機制，在簇網絡間節點通訊(GEC)時段分別與其他相鄰簇網絡通訊。

簇頭節點(Head?Node，HN)，一種特殊的SN節點，每個簇網絡中通過能量優化原則選擇一個節點作為HN節點。HN節點負責確認簇網絡的網絡拓撲結構變化，發布簇網絡內節點的網絡通訊調度。