CN102026329B - 无线通信网络及其自适应择路通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供无线通信网络及其自适应择路通信方法。无线通信网络包括一个中心节点和多个子节点，子节点包括中继节点和终端节点，中心节点具有对整个无线通信网络的通信进行路由控制的功能，中继节点具有转发功能，终端节点具有收发功能。该方法包括：中心节点单独或协同部分中继节点基于预定准则生成无线通信网络的全局路由表；中心节点单独或协同部分中继节点基于全局路由表生成子节点的局部路由表，并将局部路由表通知给子节点以进行存储，局部路由表包括子节点到相邻节点的路径，至少一部分子节点的局部路由表包括多条路径；以及子节点根据预定规则自适应地从其局部路由表中选择路径以进行通信。根据本发明，可以减少通信中出现碰撞的机会，实现节能。

Description

无线通信网络及其自适应择路通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络，尤其涉及在无线通信网络中自适应选择路由进行通信以减少网络通信出现碰撞的机会的方法，以及应用了该方法的无线通信网络。特别地，所述无线通信网络是无线传感器网络。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)是一种由大量低复杂度的传感器节点通过自组织方式形成的无线网络，该网络中的每个传感器节点由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成，以完成数据采集、数据收发、数据转发这三项基本功能。无线传感器网络具有高可靠、易部署和可扩展等特点。新一代更小、更廉价的低功耗设备的产生、分布式计算带来的数据计算与处理能力的提高以及微机电系统的发展，使得发展低成本、低功耗、小体积短距离通讯的多功能传感器成为可能，奠定了无线传感器网络的产生和发展的基础。无线传感器网络不需要固定网络支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、建筑、仓储、智能家居、环保等领域，引起了人们广泛关注。

介质访问控制(MAC)协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源。节能、高效是无线传感器网络MAC层协议研究的重要目标。IEEE 802.15.4标准是IEEE标准化协会针对低速率无线个人区域网(LR-WPAN)制定的标准，是目前无线传感器网络最重要的协议之一。信标管理和信道访问控制是IEEE 802.15.4MAC子层的两个重要功能。在LR-WPAN网络中，有两种通信模式可供选择：信标使能通信和信标不使能通信。

IEEE 802.15.4标准将网络中所有无线设备分为两大类，即，全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)，前者能够完成协议的所有功能，而后者只能完成部分简单功能。同时，将这些设备从功能上划分成三类节点，即，网络协调点(PAN coordinator)、协调点(coordinator)和普通节点(device)，其中网络协调点为整个网络的主控节点，并且每个IEEE802.15.4网络只能有一个网络协调点；协调点通常通过发送信标实现与周围节点的同步，且具有转发分组的功能；普通节点只具有简单的收发功能，不能进行分组的转发。全功能设备可以充当网络协调点、协调点或普通节点，然而精简功能设备只能充当普通节点。

对等网(peer-to-peer)是IEEE 802.15.4标准支持的一种重要拓扑结构。在对等网中，当存在有效协调点时，任意两个在通信范围内的节点都可以相互通信。

在信标使能的网络中，中心节点(sink node)定时广播信标帧。信标帧表示超帧的开始。子节点之间通信使用基于时槽的CSMA/CA信道访问机制，在该机制下，每当子节点需要发送数据帧或命令帧时，它首先定位下一个时槽的边界，然后等待随机数目个时槽。等待完毕后，子节点开始检测信道状态：如果信道空闲，子节点就在下一个可用时槽边界开始发送数据；如果信道忙，则子节点需要重新等待随机数目个时槽，再检查信道状态，重复这个过程直到空闲信道出现为止。

在信道不使能的通信网络中，中心节点不发送信标帧，各个子节点使用非分时槽的CSMA/CA机制访问信道。该机制的通信过程如下：每当子节点需要发送数据或者发送MAC命令时，它首先等候一段随机长的时间，然后开始检测信道状态：如果信道空闲，则该子节点立即开始发送数据；如果信道忙，则子节点需要重复上面的等待一段随机时间和检测信道状态的过程，直到能够发送数据为止。

在无线传感器网络中，节点(特别是协调点和普通节点)通常采用容量极其有限的电池供电，而电池的充电或是更换常常是不便甚至是不可能的，这会导致无线传感器网络节点的失效，最终使整个网络崩溃。

因此，如何在无线传感器网络使用过程中节省网络节点的耗电量，延长网络生命周期是无线传感器网络研究中的一个重要课题。

在以前的对无线传感网络节能量效率的研究中，通常采用传统IP网络的OSI分层协议模型。它简化了复杂的网络设计，降低了成本，提高了执行效率等性能，但是优化通常是在某一个具体的网络层次进行，网络性能改善比较有限，而且通常是以牺牲网络延时性能为代价来换取能量效率的提高。这个问题的存在，制约了无线传感器网络向更具潜力的实时性业务发展。打破传统的层次观念，以实现网络性能优化为目标，联合网络各个层次进行跨层优化，实现各层次之间的信息无缝交互，对实现网络业务质量(QoS)保障，改善网络整体性能，有着积极的意义。

因此，在无线网络中，研究良好的跨层优化技术，在保障数据时效性的基础上，使网络生命周期最大化，有着十分广阔的应用空间。

例如，中国专利申请No.200810056455.X和200710049792.1都提出了基于跨层设计的无线传感器网络节能方法，它们都采用了通过控制节点的发射功率来降低网络能耗的节能方式。

在目前的无线传感器网络跨层节能研究中，基于对网络节点功率的自适应调节是一种常见的思路，但从目前的无线传感器网络产品看，在物理层上对传感器节点进行功率调节需要较长的初始化过程，不适用于网络拓扑结构和数据流变化较频繁的情况。

另外，对于其它的无线通信网络，当存在能量约束时，同样需要考虑网络节能的问题。

发明内容

鉴于现有技术中的上述问题而提出了本发明。本发明的目的在于提供一种在无线通信网络中自适应选择路由进行通信的方法，该方法不需要像现有技术中那样在通信过程中对网络节点功率进行自适应调节，而是通过在考虑了跳数和中继碰撞因数(包括退避次数和/或丢包次数)这两个因素的情况下对全局路由表和各子节点处的局部路由表进行更新/优化，使得各子节点能够根据MAC层的信息从局部路由表中自适应地选择路径以尽量减少碰撞，这样，既能有效保证数据包传输的时效性，同时又具有良好的能量效率。而且，通过设定时间稳定门限，避免了中继通信长期集中在一个中继节点(协调点)上的情况，能够均衡整个无线通信网络上的通信，从而延长网络整体的生命周期，由此实现节省能耗和最大化网络生命周期的目的。

本发明的目的还在于提供一种实现了上述方法的无线通信网络。

根据本发明的第一方面，提供了一种在无线通信网络中自适应地选择路由进行通信的方法，该无线通信网络包括一个中心节点和多个子节点，所述子节点包括中继节点和终端节点，所述中心节点具有对整个所述无线通信网络中的通信进行路由控制的功能，所述中继节点具有转发功能，所述终端节点具有收发功能，

该方法包括以下步骤：

所述中心节点单独地或者协同部分中继节点基于预定准则生成所述无线通信网络的全局路由表；

所述中心节点单独地或者协同部分中继节点基于所述全局路由表生成各子节点的局部路由表，并将各局部路由表通知给相应的子节点以进行存储，所述局部路由表包括相应子节点到相邻节点的路径，其中，至少一部分子节点的局部路由表包括多条路径；以及

所述子节点根据预定规则自适应地从该子节点的局部路由表中选择路径以进行通信。

根据本发明的第二方面，提供了一种无线通信网络，该无线通信网络包括一个中心节点和多个子节点，所述子节点包括中继节点和终端节点，所述中心节点具有对整个所述无线通信网络中的通信进行路由控制的功能，所述中继节点具有转发功能，所述终端节点具有收发功能，其中

所述中心节点被设置为单独地或者协同部分中继节点基于预定准则生成所述无线通信网络的全局路由表，

所述中心节点还被设置为单独地或者协同部分中继节点基于所述全局路由表生成各子节点的局部路由表，并将各局部路由表通知给相应的子节点以进行存储，所述局部路由表包括相应子节点到相邻节点的路径，其中，至少一部分子节点的局部路由表包括多条路径，并且

所述子节点被设置为根据预定规则自适应地从该子节点的局部路由表中选择路径以进行通信。

根据本发明的第三方面，提供了一种无线通信网络中的节点装置，该节点装置包括路径控制单元，该路径控制单元包括：

局部路由表存储部，其存储该节点装置到该无线通信网络中的相邻节点装置的路径；

碰撞判断部，其用来判断在该节点装置在当前通信过程中的中继碰撞因数是否超过预设的碰撞控制门限；

时间稳定判断部，其用来判断该节点装置的中继碰撞因数始终未超过预设碰撞控制门限的时间是否超过预设时间稳定门限；以及

路径选择部，其用来根据所述碰撞判断部或所述时间稳定判断部的判断结果来从所述局部路由表存储部存储的局部路由表中重新选择路径以进行通信，

其中，若所述碰撞判断部判断该节点装置的当前中继碰撞因数超过了预设的碰撞控制门限，则所述路径选择部从所述局部路由存储部所存储的局部路由表中重新选择路径以进行通信，并设置用来向所述无线通信网络的中心节点装置报告当前中继碰撞因数超过预设碰撞控制门限的情况的出现次数的消息，

若所述碰撞判断部判断该节点装置的当前中继碰撞因数未超过预设碰撞控制门限，则所述时间稳定判断部判断该节点装置的中继碰撞因数始终未超过预设碰撞控制门限的时间是否超过预设时间稳定门限，如果该时间稳定判断部的判断结果为“是”，则所述路径选择部从局部路由存储部所存储的局部路由表中重新选择路径以进行通信。

根据本发明，可以尽可能减少网络通信出现碰撞的机会，节约能量，保证通信的时效性，同时又能尽量保持网络路由的稳定性，并且还能够均衡网络节点的通信量，避免个别节点因过量工作而退出网络，从而尽量延长网络整体的生命周期。

本发明无需任何附加的硬件支持即可实现网络节能和最大化网络生命周期的目的，具有良好的拓展性，因而有良好的应用前景。

优选地，上述无线通信网络为无线传感器网络。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，来表示实施本发明的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的范围不受此限制。相反，本发明包括落入所附权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征使用。

应当强调的事，术语“包括”当在本说明书中使用时用来指所述特征、整数、步骤或组成部分的存在，但不排除一个或更多个其它特征、整数、步骤、组成部分或它们的组合的存在或增加。

参照以下附图，将更好地理解本发明的许多方面。附图中的组成部分不一定成比例，重点在于清楚地例示出本发明的原理。为了便于例示和描述本发明的一些部分，可以将附图中的对应部分在尺寸上放大，例如，放大得相对于其他部分比在根据本发明实际制成的示例性设备中的要大。在本发明的一个图或实施方式中示出的部件和特征可以与一个或更多个其它图或实施方式中示出的部件和特征相结合。此外，在附图中，相同的标号在全部图中都标示对应的部分，并且可以用来标示一个以上实施方式中的相同或类似部分。

附图说明

所包括的附图构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起用来阐释本发明的原理。其中：

图1例示了无线传感器网络的一个示例结构；

图2是例示根据本发明实施方式的在无线传感器网络中自适应地选择路由以进行通信的方法的流程图；

图3a-3d是例示了应用根据本发明的方法的无线传感器网络在各个状态下的结构的图；

图4和5是应用本发明方法前后的节点通信情况的比较图；以及

图6例示了根据本发明一实施方式的无线传感器网络中的子节点的示意结构图。

具体实施方式

下面以符合IEEE 802.15.4标准的无线传感器网络为例来对本发明的原理和实施方式进行描述。然而，本领域技术人员容易理解，以下阐述的本发明的原理显然并不限于应用于无线传感器网络，而也可以应用于其它无线通信网络，只要其具有和这里描述的网络结构类似的拓扑结构即可。本领域技术人员基于这里公开的内容，完全可以在不付出创造性劳动的情况下构思出在其它无线通信网络中实现本发明原理的具体实施方式，因而这些实施方式也将落入本申请权利要求所要求保护的范围之内。

考虑到网络的功率消耗和保证网络时效性之间的平衡，本发明在广泛应用于无线传感器网络的IEEE802.15.4协议的基础上，针对对等网拓扑结构提出一种节能的无线传感器网络跨层优化设计方法。

本发明通过引入MAC层和网络层映射机制，对网络协调点、协调点和各普通节点保存的路由表进行优化，来避免或减少MAC层碰撞，从而减少由于访问碰撞引起的能量消耗，进而延长无线传感器网络的生命周期。引入MAC层和网络层映射后可以更合理地配置路由表、有效降低丢包数、降低多个节点向同一目的节点发送时的碰撞和数据重传的概率，减少节点参与信道资源竞争的时间，增加节点的休眠时间，从而可以更有效地节省能量。

本发明对网络初始化过程中形成的全局路由表进行优化，在各子节点处保存多条符合判别要求的到目的节点的路径以形成局部路由表。这样，在通信时，各子节点可以利用形成的局部路由表来尽量减少MAC层的碰撞，避免在无效通信等待上浪费过多能量。

下面结合附图来对本发明的实施方式进行详细描述。

图1例示了无线传感器网络的一个示例结构。该无线传感器网络采用对等网拓扑结构，包括一个中心节点，即网络协调点0，和多个子节点，子节点包括7个协调点8、11、12、13、14、15、16，和10个普通节点1、2、3、4、5、6、7、9、10。需要说明的是，这里所列举的协调点和普通节点的数量只是例示性的，而非限制性的。

各个节点都可以包括传感模块、处理模块、通信模块和电源模块，以完成数据采集、数据收发、数据转发三项基本功能。但是，网络协调点、协调点和普通节点在通信功能、处理能力、存储能力等方面有所差别。

网络协调点具有对整个无线传感器网络的通信进行路由控制的功能，其可以是存储容量足够大、运算速度足够快、电源供应有保障且能够进行无线通信路由控制的计算设备。

协调点不仅可以从/向其它节点接收/发送信息，而且还具有转发信息的中继功能，即可以用作中继节点。另选的是，协调点也可以具有一定的路由计算和控制能力和相应的存储能力，从而可以配合网络协调点来生成整个无线传感器网络的路由表，并在随后配合网络协调点进行路由控制。也就是说，可以由网络协调点和协调点共同实现分布式的路由控制。例如，当无线传感器网络非常庞大时，单独由网络协调点来生成全局路由表相对耗时。在此情况下，可以在网络中某些位置处设置具有路由生成和控制功能的协调点，在网络协调点的协调指挥下，这些协调点可以对其周围一定范围内的节点进行探测，来生成该范围内的部分路由表，并将该部分路由表报告给网络协调点。网络协调点根据从这些协调点接收的部分路由表，进行拼合，从而生成全局路由表。在随后的通信过程中，协调点负责其部分路由表的更新，并向网络协调点进行报告，网络协调点据此对全局路由表进行更新。在下面的描述中，只是以网络协调点单独进行路由控制为例进行了说明。但是，也可以将这里所述的网络协调点协同其它协调点进行路由控制的方式和以下描述的本发明的原理相结合，这对于提高整个网络的运行效率是有益的。

普通节点可以是各种类型的传感器，可以探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中的各种现象。但是，普通节点的通信能力、存储能力和电源储存能力都受到限制。它可以从网络协调点和协调点接收信息，和向这些节点发送信息，以便接收指令、反馈自己检测到的各种物理量等。普通节点的存储容量也相对较小，主要用于临时存储从网络协调点或协调点接收到的各种信息，它自己检测到的各种物理量，以及包括从该节点到其它相邻节点的路径的局部路由表。另外，受限于其体积和分布位置，普通节点(传感器)通常是由电池供电的，因而其能量受到很大限制。这也正是无线传感器网络需要大力节能的原因所在。

下面结合图1的示例无线传感器网络结构，参照图2的流程图，来对本发明的原理进行详细说明。

如图2所示，在步骤101中，建立基于IEEE 802.15.4协议的无线传感器网络，其拓扑结构为对等网。

在该无线传感器网络中，采用基于节点度(一个节点的度数是指所有距离该节点一跳的邻居节点的数目)的方法，但与常规不同的是，本发明并不动态调整物理层节点的发射功率，而是根据物理层节点的初始功率设置寻找距离该节点一跳的邻居子节点。采用洪泛方式(flooding)进行网络初始化，即接收到包含初始化消息(如LifeMsg)的数据包的节点以广播方式转发该数据包，将该数据包传送给各自的除发送该数据包的节点之外的其它节点，直到该初始化消息到达所有最终节点(即，普通节点)为止。

从网络协调点0开始广播初始化消息，各子节点在接收到该初始化消息时发送应答消息(如LifeAckMsg)，或者专门发送的回传消息包要求包含距离该子节点一跳的邻居节点的ID信息。通过逐跳回传的方式，可在网络协调点0中统计每个子节点距网络协调点0的跳数及相应路径，从而形成初始全局路由表。

各子节点可以保留距该子节点一跳的邻居节点的ID信息。另选的是，对于部分或所有协调点，也可以保留距该子节点一跳以上的邻居节点的ID信息。

另外，在步骤101中，还在MAC层设定碰撞控制门限L和时间稳定门限T。门限值应在协议或实际应用场景所允许的取值区间内选取。这两个门限可以由网络协调点0动态设定，并通过广播方式通知给各个子节点，或者也可以在各个子节点处预先设定。

在步骤102中，将网络协调点0中的初始全局路由表用无向图G＝(V，E)的形式表示，其中V代表初始全局路由表中的顶点的集合，E代表初始全局路由表中的边的集合。E中的元素可以表示为l＝(u，v)，其中u，v∈V，u表示边的起点，v表示边的终点。对于每条边，定义如下的权重函数：

$\mathrm{\ω}(u,v)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\α}\frac{1}{\min \{f\left(u\right),\mathrm{Hop}\_\mathrm{limit}\}}+(1-\mathrm{\α})\frac{1}{\min \{e(u,v),\mathrm{Count}\_\mathrm{limit}\}}& u\≠0\\ 0& u=0\end{array}\right.$ 其中，f(u)为无向图G中，顶点u距网络协调点0的跳数。e(u，v)为无向图G中，边l＝(u，v)在通信过程中中继碰撞因数(考虑了退避次数和/或丢包次数)超过碰撞控制门限L情况的出现次数，初始值为0，以后在更新全局路由表时根据实际情况更新。Hop_limit为生成无向图G时，为减少计算量而设定的顶点u距网络协调点0的跳数阀值，其值例如可以设定为2。Count_limit为根据协议、方法或硬件设备等的限制，所设定的子节点中计数单元所允许选取的最大计数值。例如，在本发明的实施方式中，利用数据帧中的帧控制域的三位进行控制信息的交互，因此设定Count_limit≤2³-1＝7。当然，Count_limit也可以设定为其它值。α为平衡因子，0≤α≤1，例如，在本发明的实施方式中，α例如可以取0.5。

当多个发送节点要向同一个中继节点(协调点)发送信息时，有可能出现中继碰撞。为反映这种状态的程度，定义了如上的中继碰撞因数。例如，在发送子节点需要与一个协调点进行通信时，若该协调点正在和其它节点通信，则该子节点将处于等待状态，在此情况下，该子节点将按照随机时间间隔来侦听是否有空闲信道出现，每次侦听到没有空闲信道因而不能建立通信，即为发生一次退避，可以统计该子节点的退避次数作为其中继碰撞因数。使用退避次数作为中继碰撞因数，只能反映较短时间内的碰撞状态。在发生预定数量次退避后，则会发生丢包，从而需要发送子节点进行重发。因此，为了反映这种较长时间的碰撞，另选地，也可以单独基于丢包次数或者基于丢包次数和退避次数两者来统计当前通信的中继碰撞因数。碰撞

上述中继碰撞因数是通过节点中设置的计数器来统计的。每发生一次退避，计数器递增1。如果计数器的容量比较小，例如，计数器为2位，则其最高能统计3次退避。如果计数器的容量比较大，例如，计数器为4位，则就可以将发生丢包的情况统计在内。

在步骤103中，根据在步骤102生成的无向图G生成各子节点的邻近图G′₁，生成G′₁的判决公式为：

max{ω₁，ω₂，...，ω_i，...，ω_n}

上式中，ω_i表示每条边的权值。根据邻近图G′₁来确定要在子节点内保留的通往中继节点的最优路径。由权重函数的定义可知，最优路径是在综合考虑了子节点到网络协调点的跳数以及中继碰撞因数的情况下来选择的。在初始化时，最优路径的选择只考虑了子节点到网络协调点的跳数。

如果需要增加路由，则进一步通过改变前面的权重函数中的参数(例如，增大Hop_limit)来根据G生成邻近图G′₂，生成G′₂的判决公式为：

 max{ω′₁，ω′₂，....，ω′_i，...，ω′_n}，其中 $V\⊂⃒V^{\′}$

上式中，ω′_i表示无向图G去除掉邻近图G′₁后每条边的权值。通过邻近图G′₂在子节点内保留通往中继节点路径上的次优路径。

可以重复迭代执行上述过程来为子节点增加更多路径。迭代的次数根据实际需要确定，也可以通过预设门限进行限制。

最后生成的邻近图的表示式为：

G′＝G′₁∪G′₂∪...G′_i...∪G′_m

m为根据需要或预设门限而确定的迭代次数。

在本发明的实施方式中，可以利用数据帧中的帧控制域的三位进行控制信息的交互，在此情况下，每一子节点最多保留的路径数为2³＝8，因此，通过迭代生成的路径数不得超过这一最大值。

在步骤104中，网络协调点0通过定期或者按预定计划发送路由更新数据包将所生成的邻近图的特征信息(例如，表示边的信息l＝(u，v)，u为路径起点，v为路径终点)通知给无线传感器网络中每个子节点，各子节点根据收到的特征信息来存储/优化局部路由表。在网络初始化时，各子节点接收网络协调点发送来的邻近图的特征信息，并将其存储为其自己的局部路由表。在随后的网络更新过程中，各子节点根据发送来的特征信息来判断需要增加/删除哪些路径，以优化先前存储的局部路由表。

在步骤105中，各子节点在MAC层依据IEEE 802.15.4协议进行通信，并且统计其当前通信过程的中继碰撞因数。

IEEE802.15.4在MAC层采用了CSMA/CA机制。根据MAC层的CSMA/CA机制，每一个发送节点在发送帧之前首先要侦听信道。如果信道空闲，则该发送节点可以发送帧；如果信道不空闲，则该发送节点等待随机的时间，直到侦听到有新的空闲信道出现时再优先发送，从而使信号碰撞发生的概率减到最小。发送节点在发送完一帧之后，必须再等待一个短的时间间隔，检查接收节点是否发回帧的确认ACK。如果接收到确认，则说明此次发送没有出现碰撞，发送成功；如果在规定的时间内没有接收到确认，则表明出现碰撞，发送失败，因而发送节点将重发该帧，直到在规定的最大重发次数之内发送成功为止。

在步骤106中，判断在设定的时间稳定门限T内，子节点的中继碰撞因数是否超过预设碰撞控制门限L。如果判断结果为“是”，则过程转到步骤108；而如果判断结果为“否”，则过程转到步骤107。

在步骤107中，判断在设定的时间稳定门限T内，子节点的中继碰撞因数是否始终未超过预设碰撞控制门限L。如果判断结果为“是”，则过程转到步骤109；如果判断结果为“否”，则过程转到步骤110。

在步骤108中，子节点将待发数据帧中设定的帧信息字段(例如，取帧控制域中预留的三位，比特7-9，初始值为000)值加1，并将此数据帧发送给网络协调点0，由此告知网络协调点0中继碰撞因数超过碰撞控制门限情况的出现次数碰撞，以供下次更新路由表时使用，然后子节点查询自己的局部路由表，重新选择到达预定中继节点的路径。在局部路由表中存在其它到达预定中继节点的路径可供选择的情况下，可以按照多种方式，如加权选择(给某些边设定优先权，使得某些边被选中的机会多于其它边)、随机选择或循环选择等方式，来从中重新选择路径。在局部路由表中无新路径可供选择的情况下，保持原路径不变。

在步骤109中，子节点查询其局部路由表，重新选择到达预定中继节点的路径。在局部路由表中存在其它到达预定中继节点的路径可供选择的情况下，可以采用加权选择、随机选择或循环选择等多种方式，来从中重新选择路径。在局部路由表中无新路径可供选择的情况下，保持原路径不变。

子节点在重新选择了新路径的情况下，优选地可以在发给网络协调点的数据帧的控制域中报告该路径变更的情况，或者也可以专门向网络协调点发送消息报告该路径变更的情况。

在步骤110中，网络协调点0根据从各个子节点反馈的MAC层数据帧包含的帧信息字段中的信息，周期性或者按照预定计划更新全局路由表。然后，重复步骤102到104的过程，以优化子节点处的局部路由表。

这样，根据本发明实施方式的方法，由于子节点的局部路由表中可以保存多条符合要求的到达相邻节点的路径，当通信过程中的中继碰撞严重到一定程度时，发送节点可以将当前路径切换为局部路由表中的其它路径，避免长时间的等待，从而保证了通信的时效性，而且也减少了发送节点因过长时间的等待而造成的能量浪费。

另外，通过适当设置碰撞控制门限，也可以避免过于频繁地改变路径，从而尽可能地保持网络路由的稳定性。

另外，通过适当设置时间稳定门限，也可以避免一个节点(协调点)长期处于通信状态，最终由于能量耗尽而退出网络。

因此，根据本发明，可以尽可能减少网络通信出现碰撞的机会，节约能量，保证通信的时效性，同时又能尽量保持网络路由的稳定性，并且还能够均衡网络节点的通信量，避免个别节点因过量工作而退出网络，从而尽量延长网络整体的生命周期。

以上参照图2的流程图对本发明的实施方式作了具体描述。但是，这并不意味着本发明必须涵盖该流程图中的每一个步骤。本领域技术人员完全能够根据以上描述，选取其中的部分步骤构成变型实施例，例如，即使不包括步骤107和109，本发明的变型实施例相对于现有技术依然能够尽量避免网络通信中的碰撞，从而起到节能的效果。因而，这些变型实施例同样落在本发明的保护范围内。本发明的精神实质和范围应当由权利要求来限定，而不应受限于这里所做的具体描述。

碰撞控制门限L和时间稳定门限T可以根据网络规模和实际的运营要求来合适地确定。例如，如果网络规模较小，路由表更新比较容易，可以将碰撞控制门限L设置得较小，以尽可能保证各节点通信的实时性。而网络规模较大时，则希望尽可能保持全局路由表的稳定性，这时，可以将碰撞控制门限L设置得较大。

另外，也可以根据不同节点位置的实际需要来区别或动态设置碰撞控制门限L和时间稳定门限T。

下面针对图1所示的示例无线传感器网络，结合图3a到3d，来进一步举例说明本发明的上述原理。

首先，如图2的步骤101所述，基于节点度算法初始化网络路由，例如网络协调点0通过广播LifeMsg消息来生成全局路由表，进而生成各节点处的局部路由表。

设Hop_limit＝2，Count_limit＝0，α＝0.5。基于生成的全局路由表生成邻近图G，生成过程例如如表1、表2和表3所示。

以子节点7为例，在第一次优化(即，初始化)时，因为Hop_limit＝2，故删除、7-8-16-0、7-8-11-0、7-8-11-16-0、7-8-16-11-0等路径，判决条件(边的权重)为 $q=\frac{1}{4},$ 生成的邻近图成员为7-15-0/(1/4)和7-16-0/(1/4)。为增添路径，执行第二次优化，此时无路径可选。最终合成的邻近图成员为7-15-0/(1/4)、7-16-0/(1/4)。

以子节点12为例，在第一次优化(初始化)时，判决条件为 $q=\frac{1}{2},$ 生成的邻近图成员为12-0/(1/2)。为增添路径，执行第二次优化，判决条件为 $q=\frac{1}{4},$ 生成的邻近图成员为12-11-0/(1/4)和12-13-0/(1/4)，最终合成的邻近图成员为12-0/(1/2)、12-11-0/(1/4)、12-13-0/(1/4)。

网络协调点通过发送路由更新数据包来将上述信息通知给各节点，以使各节点将该信息存储为局部路由表，或者根据该信息对初始化时存储的局部路由表进行优化，结果如图3a所示。

如图3b所示，生成的无线传感器网络基于IEEE802.15.4通信，如前所述，IEEE802.15.4在MAC层采用了CSMA/CA机制。

在通信过程中，如果在规定的时间稳定门限T内，出现数据传输路径上子节点的中继碰撞因数(如退避次数)超过预设碰撞控制门限L的情况，则子节点重新扫描局部路由表，选择新路径。例如，如果在子节点7出现上述情况，如果原来采用的路径是(7，15)，则新路径可以变更为(7，16)，变更后的结果如图3c所示。

在通信过程中，如果中继碰撞因数(如退避次数)不超过碰撞控制门限L的时间超过规定时间段(时间稳定门限)，则子节点重新扫描局部路由表，选择新路径。例如，如果在子节点7出现上述情况，如果原来采用的路径是(7，16)，则新路径可以变更为(7，15)，变更后的结果如图3d。

表1生成邻近图(第一次迭代)

节点编号	可选路径/权值	最大权值	邻近图成员
				1	1-12-0/(1/4)，1-13-0/(1/4)	1/4	1-12-0/(1/4)，1-13-0/(1/4)
2	2-13-0/(1/4)	1/4	2-13-0/(1/4)
				3	3-13-0/(1/4)，3-14-0/(1/4)	1/4	3-13-0/(1/4)，3-14-0/(1/4)
4	4-14-0/(1/4)	1/4	4-14-0/(1/4)
				5	5-14-0/(1/4)	1/4	5-14-0/(1/4)
6	6-15-0/(1/4)	1/4	6-15-0/(1/4)
				7	7-15-0/(1/4)，7-16-0/(1/4)	1/4	7-15-0/(1/4)，7-16-0/(1/4)
8	8-16-0/(1/4)，8-11-0/(1/4)	1/4	8-16-0/(1/4)，8-11-0/(1/4)
				9	9-11-0/(1/4)	1/4	9-11-0/(1/4)
10	10-11-0/(1/4)，10-12-0/(1/4)	1/4	10-11-0/(1/4)，10-12-0/(1/4)
				11	11-0/(1/2)，11-16-0/(1/4)，11-12-0/(1/4)	1/2	11-0/(1/2)
12	12-0/(1/2)，12-11-0/(1/4)，12-13-0/(1/4)	1/2	12-0/(1/2)
				13	13-0/(1/2)，13-12-0/(1/4)，13-14-0/(1/4)	1/2	13-0/(1/2)
14	14-0/(1/2)，14-13-0/(1/4)，14-15-0/(1/4)	1/2	14-0/(1/2)
				15	15-0/(1/2)，15-14-0/(1/4)，15-16-0/(1/4)	1/2	15-0/(1/2)
16	16-0/(1/2)，16-15-0/(1/4)，16-11-0/(1/4)	1/2	16-0/(1/2)

表2生成邻近图(第二次迭代)

节点编号	可选路径/权值	最大权值	邻近图成员
				1
2
				3
4
				5
6
				7
8
				9
10
				11	11-16-0/(1/4)，11-12-0/(1/4)	1/4	11-16-0/(1/4)，11-12-0/(1/4)
12	12-11-0/(1/4)，12-13-0/(1/4)	1/4	12-11-0/(1/4)，12-13-0/(1/4)
				13	13-12-0/(1/4)，13-14-0/(1/4)	1/4	13-12-0/(1/4)，13-14-0/(1/4)
14	14-13-0/(1/4)，14-15-0/(1/4)	1/4	14-13-0/(1/4)，14-15-0/(1/4)
				15	15-14-0/(1/4)，15-16-0/(1/4)	1/4	15-14-0/(1/4)，15-16-0/(1/4)
16	16-15-0/(1/4)，16-11-0/(1/4)	1/4	16-15-0/(1/4)，16-11-0/(1/4)

表3最终合成的邻近图

节点编号	邻近图成员
		1	1-12-0/(1/4)，1-13-0/(1/4)
2	2-13-0/(1/4)
		3	3-13-0/(1/4)，3-14-0/(1/4)
4	4-14-0/(1/4)
		5	5-14-0/(1/4)
6	6-15-0/(1/4)
		7	7-15-0/(1/4)，7-16-0/(1/4)
8	8-16-0/(1/4)，8-11-0/(1/4)
		9	9-11-0/(1/4)
10	10-11-0/(1/4)，10-12-0/(1/4)
		11	11-0/(1/2)，11-16-0/(1/4)，11-12-0/(1/4)
12	12-0/(1/2)，12-11-0/(1/4)，12-13-0/(1/4)
		13	13-0/(1/2)，13-12-0/(1/4)，13-14-0/(1/4)
14	14-0/(1/2)，14-13-0/(1/4)，14-15-0/(1/4)
		15	15-0/(1/2)，15-14-0/(1/4)，15-16-0/(1/4)
16	16-0/(1/2)，16-15-0/(1/4)，16-11-0/(1/4)

图4和5是例示了应用本发明的方法前后的无线传感器网络的通信状况的比较图。如图4所示，多个普通节点1、2、3、4、5都要经由协调点12来与网络协调点0通信，而此时协调点11、13处于空闲状态，这样，一方面会有多个普通节点因处于等待状态而额外地消耗能量，而另一方面协调点12会过度消耗能量。在应用了本发明的方法之后，如图5所示，中继可以分散到协调点11、12、13上来完成通信，既保证了各节点通信的时效性，又节约了节点的能量，保持了整个网络的均衡，从而从整体上延长了网络的生命周期。

图6是例示了根据本发明实施方式的无线传感器网络中的子节点的示例结构的示意框图。

如图6所示，该子节点包括电源、数据获取单元、数据处理单元、数据传输单元和路径控制单元。

电源例如可以是电池。数据获取单元包括传感器和A/D转换器，用于获取各种测量参数。数据处理单元包括应用部、存储器、处理器单元，用于对数据获取单元所获得的数据进行处理。数据传输单元包括网络层处理部、MAC层处理部和收发天线，用于对经数据处理单元处理过的数据进行打包发送。电源、数据获取单元、数据处理单元以及数据传输单元和现有技术中的节点的对应部分基本相同。

根据本发明实施方式的子节点的独特之处在于，还具有一个路径控制单元。该路径控制单元包括局部路由表存储部、碰撞判断部、时间稳定判断部以及路径选择部。局部路由表存储部存储该子节点到相邻节点的路径，碰撞判断部用来判断在该子节点在当前通信过程中的中继碰撞因数(如退避次数)是否超过预设的碰撞控制门限。若碰撞判断部判断该子节点在当前通信过程中的中继碰撞因数(如退避次数)超过了预设的碰撞控制门限，则路径选择部从局部路由表存储部所存储的局部路由表中重新选择其它到达预定中继节点的路径，并且将待发数据帧中设定的帧信息字段(例如，取帧控制域中预留的三位，比特7-9，初始值为000)值加1，并将此数据帧发送给网络协调点0，由此告知网络协调点0中继碰撞因数超过碰撞控制门限情况的出现次数碰撞，以供下次更新路由表时使用。在局部路由表中存在其它到达预定中继节点的路径可供选择的情况下，路径选择部可以按照多种方式，如加权选择、随机选择或循环选择等方式，来从中重新选择路径。在局部路由表中无新路径可供选择的情况下，路径选择部保持原路径不变。若碰撞判断部的判断结果为“否”，则由时间稳定判断部来判断该子节点的中继碰撞因数始终未超过预设碰撞控制门限的时间是否超过预设时间稳定门限。如果时间稳定判断部的判断结果为“是”，则路径选择部从局部路由表存储部所存储的局部路由表中重新选择其它到达预定中继节点的路径，在局部路由表中存在其它到达预定中继节点的路径可供选择的情况下，路径选择部可以按照多种方式，如加权选择、随机选择或循环选择等方式，来从中重新选择路径。在局部路由表中无新路径可供选择的情况下，路径选择部保持原路径不变。这些过程和前面参照图2描述的过程相同。

以上描述了网络节点的路径控制单元的功能模块。需要说明的是，这些功能模块可以在不增加硬件的情况下，通过对节点进行编程来实现。编程的实现对于从事计算机程序设计的技术人员而言是容易的，因此这里不再对此做过多描述。当然，也可以在网络节点中设置专用硬件来实现上述功能，但优选的是，采用软件来实现该功能。

以上只是对网络节点与本发明有关的部分作了简要描述，但是能够实现本发明的网络节点并不限于以上结构。

以上以无线传感器网络为例对本发明进行了说明。然而，如前所述，本发明同样可以应用于其它无线通信网络，例如包括中心节点(对应于网络协调点)、中继节点(对应于协调点)和终端节点(对应于普通节点)的无线通信网络。虽然在这样的无线通信网络中，能量约束不像无线传感器网络一样严格，但是应用了本发明的原理，同样可以尽量减少网络通信出现碰撞的机会，从而改善了网络通信的性能。本领域技术人员在阅读以上针对无线传感器网络的描述之后，可以很容易将本发明的原理应用于这些无线通信网络中，因而在此不再详细描述其具体实现。

在此公开了本发明的特定实施方式。本领域的普通技术人员将容易地认识到，本发明在其他环境下具有其他应用。实际上，还存在许多实施方式和实现。所附权利要求绝非为了将本发明的范围限制为上述具体实施方式。另外，任意对于“用于……的装置”的引用都是为了描绘要素和权利要求的装置加功能的阐释，而任意未具体使用“用于……的装置”的引用的要素都不希望被理解为装置加功能的元件，即使该权利要求包括了“装置”的用词。

尽管已经针对特定优选实施方式或多个实施方式示出并描述了本发明，但是显然，本领域技术人员在阅读和理解说明书和附图时可以想到等同的修改例和变型例。尤其是对于由上述要素(部件、组件、装置、组成等)执行的各种功能，除非另外指出，希望用于描述这些要素的术语(包括“装置”的引用)对应于执行所述要素的具体功能的任意要素(即，功能等效)，即使该要素在结构上不同于在本发明的所例示的示例性实施方式或多个实施方式中执行该功能的公开结构。另外，尽管以上已经针对几个例示的实施方式中的仅一个或更多个描述了本发明的具体特征，但是可以根据需要以及从对任意给定或具体应用有利的方面考虑，将这种特征与其他实施方式的一个或更多个其他特征相结合。

[附记]

[附记1]、一种在无线通信网络中自适应地选择路由进行通信的方法，该无线通信网络包括一个中心节点和多个子节点，所述子节点包括中继节点和终端节点，所述中心节点具有对整个所述无线通信网络中的通信进行路由控制的功能，所述中继节点具有转发功能，所述终端节点具有收发功能，

该方法包括以下步骤：

所述中心节点单独地或者协同部分中继节点基于预定准则生成所述无线通信网络的全局路由表；

所述中心节点单独地或者协同部分中继节点基于所述全局路由表生成各子节点的局部路由表，并将各局部路由表通知给相应的子节点以进行存储，所述局部路由表包括相应子节点到相邻节点的路径，其中，至少一部分子节点的局部路由表包括多条路径；以及

所述子节点根据预定规则自适应地从该子节点的局部路由表中选择路径以进行通信。

[附记2]、如附记1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

在各子节点处设定碰撞控制门限；和

所述子节点在通过从该子节点的局部路由表中选择的路径进行通信时，针对该选择的路径累计当前中继碰撞因数，若累计的当前中继碰撞因数超过所述碰撞控制门限，则从所述局部路由表中选择新路径，直至针对所选择的路径累计的当前中继碰撞因数不超过所述碰撞控制门限为止。

[附记3]、如附记2所述的方法，其中，所述当前中继碰撞因数是基于中继的退避次数而累计的。

[附记4]、如附记2所述的方法，其中，所述当前中继碰撞因数是基于中继的退避次数以及丢包次数而累计的。

[附记5]、如附记2所述的方法，该方法还包括以下步骤：

在各子节点处设定时间稳定门限；和

若所述子节点在选定路径上的持续通信时间超过所述时间稳定门限，则该子节点从其局部路由表中选择新路径。

[附记6]、如附记2或5所述的方法，其中，若所述局部路由表中不存在新路径时，则保留原路径。

[附记7]、如附记6所述的方法，该方法还包括以下步骤：

所述中心节点根据各子节点的反馈信息，定期更新所述全局路由表。

[附记8]、如附记7所述的方法，其中，在更新全局路由表时，基于各子节点到所述中心节点的跳数以及该子节点通信时的中继碰撞因数超过所述碰撞控制门限值的次数，来选择路径。

[附记9]、如附记1所述的方法，其中，所述无线通信网络为无线传感器网络。

[附记10]、一种无线通信网络，该无线通信网络包括一个中心节点和多个子节点，所述子节点包括中继节点和终端节点，所述中心节点具有对整个所述无线通信网络中的通信进行路由控制的功能，所述中继节点具有转发功能，所述终端节点具有收发功能，其中

所述中心节点被设置为单独地或者协同部分中继节点基于预定准则生成所述无线通信网络的全局路由表，

所述中心节点还被设置为单独地或者协同部分中继节点基于所述全局路由表生成各子节点的局部路由表，并将各局部路由表通知给相应的子节点以进行存储，所述局部路由表包括相应子节点到相邻节点的路径，其中，至少一部分子节点的局部路由表包括多条路径，并且

所述子节点被设置为根据预定规则自适应地从该子节点的局部路由表中选择路径以进行通信。

[附记11]、如附记10所述的无线通信网络，其中，在各子节点处设定碰撞控制门限；并且

所述子节点还被设置为在通过从该子节点的局部路由表中选择的路径进行通信时，针对该选择的路径累计当前中继碰撞因数，若累计的当前中继碰撞因数超过所述碰撞控制门限，则从所述局部路由表中选择新路径，直至针对所选择的路径累计的当前中继碰撞因数不超过所述碰撞控制门限为止。

[附记12]、如附记11所述的无线通信网络，其中，所述当前中继碰撞因数是基于中继的退避次数而累计的。

[附记13]、如附记11所述的无线通信网络，其中，所述当前中继碰撞因数是基于中继的退避次数以及丢包次数而累计的。

[附记14]、如附记11所述的无线通信网络，其中，在各子节点处设定时间稳定门限；并且

所述子节点还被设置为，若所述子节点在选定路径上的持续通信时间超过所述时间稳定门限，则从其局部路由表中选择新路径。

[附记15]、如附记11或14所述的无线通信网络，其中，所述子节点还被设置为，若在该子节点的局部路由表中不存在新路径，则保留原路径。

[附记16]、如附记15所述的无线通信网络，其中，所述中心节点还被设置为根据各子节点的反馈信息，定期更新所述全局路由表。

[附记17]、如附记16所述的无线通信网络，其中，所述中心节点还被设置为，在更新全局路由表时，基于各子节点到所述中心节点的跳数以及该子节点通信时的当前中继碰撞因数超过所述碰撞控制门限值的次数，来选择路径。

[附记18]、如附记10所述的无线通信网络，其中，所述无线通信网络为无线传感器网络。

[附记19]、一种如附记9所述的无线通信网络中的节点装置，该节点装置包括路径控制单元，该路径控制单元包括：

局部路由表存储部，其存储该节点装置到该无线通信网络中的相邻节点装置的路径；

碰撞判断部，其用来判断在该节点装置在当前通信过程中的中继碰撞因数是否超过预设的碰撞控制门限；

时间稳定判断部，其用来判断该节点装置的中继碰撞因数始终未超过预设碰撞控制门限的时间是否超过预设时间稳定门限；以及

路径选择部，其用来根据所述碰撞判断部或所述时间稳定判断部的判断结果来从所述局部路由表存储部存储的局部路由表中重新选择路径以进行通信，

其中，若所述碰撞判断部判断该节点装置的当前中继碰撞因数超过了预设的碰撞控制门限，则所述路径选择部从所述局部路由存储部所存储的局部路由表中重新选择路径以进行通信，并设置用来向所述无线通信网络的中心节点装置报告当前中继碰撞因数超过预设碰撞控制门限的情况的出现次数的消息，

若所述碰撞判断部判断该节点装置的当前中继碰撞因数未超过预设碰撞控制门限，则所述时间稳定判断部判断该节点装置的中继碰撞因数始终未超过预设碰撞控制门限的时间是否超过预设时间稳定门限，如果该时间稳定判断部的判断结果为“是”，则所述路径选择部从局部路由存储部所存储的局部路由表中重新选择路径以进行通信。

[附记20]、如附记19所述的节点装置，其中，所述当前中继碰撞因数是基于中继的退避次数而累计的。

[附记21]、如附记19所述的节点装置，其中，所述当前中继碰撞因数是基于中继的退避次数以及丢包次数而累计的。

[附记22]、如附记19所述的节点装置，其中，若所述局部路由表中不存在新路径时，则所述路径选择部保留原路径。

[附记23]、如附记19所述的节点装置，其中，所述无线通信网络为无线传感器网络，所述节点装置为无线传感器模块。

Claims (9)

1.一种在无线通信网络中自适应地选择路由进行通信的方法，该无线通信网络包括一个中心节点和多个子节点，所述子节点包括中继节点和终端节点，所述中心节点具有对整个所述无线通信网络中的通信进行路由控制的功能，所述中继节点具有转发功能，所述终端节点具有收发功能，

该方法包括以下步骤：

所述中心节点单独地或者协同部分中继节点基于预定准则生成所述无线通信网络的全局路由表；

所述中心节点单独地或者协同部分中继节点基于所述全局路由表生成各子节点的局部路由表，并将各局部路由表通知给相应的子节点以进行存储，所述局部路由表包括相应子节点到相邻节点的路径，其中，至少一部分子节点的局部路由表包括多条路径；以及

所述子节点根据预定规则自适应地从该子节点的局部路由表中选择路径以进行通信，

其中，该方法还包括以下步骤：

在各子节点处设定碰撞控制门限；和

所述子节点在通过从该子节点的局部路由表中选择的路径进行通信时，针对该选择的路径累计当前中继碰撞因数，若累计的当前中继碰撞因数超过所述碰撞控制门限，则从所述局部路由表中选择新路径，直至针对所选择的路径累计的当前中继碰撞因数不超过所述碰撞控制门限为止。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述当前中继碰撞因数是基于中继的退避次数而累计的。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述当前中继碰撞因数是基于中继的退避次数以及丢包次数而累计的。

4.如权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：

在各子节点处设定时间稳定门限；和

若所述子节点在选定路径上的持续通信时间超过所述时间稳定门限，则该子节点从其局部路由表中选择新路径。

5.如权利要求1所述的方法，其中，若所述局部路由表中不存在新路径时，则保留原路径。

6.如权利要求5所述的方法，该方法还包括以下步骤：

所述中心节点根据各子节点的反馈信息，定期更新所述全局路由表。

7.如权利要求6所述的方法，其中，在更新全局路由表时，基于各子节点到所述中心节点的跳数以及该子节点通信时的当前中继碰撞因数超过所述碰撞控制门限的次数，来选择路径。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述无线通信网络为无线传感器网络。

9.一种无线通信网络，该无线通信网络包括一个中心节点和多个子节点，所述子节点包括中继节点和终端节点，所述中心节点具有对整个所述无线通信网络中的通信进行路由控制的功能，所述中继节点具有转发功能，所述终端节点具有收发功能，其中

所述中心节点被设置为单独地或者协同部分中继节点基于预定准则生成所述无线通信网络的全局路由表，

所述中心节点还被设置为单独地或者协同部分中继节点基于所述全局路由表生成各子节点的局部路由表，并将各局部路由表通知给相应的子节点以进行存储，所述局部路由表包括相应子节点到相邻节点的路径，其中，至少一部分子节点的局部路由表包括多条路径，并且

所述子节点被设置为根据预定规则自适应地从该子节点的局部路由表中选择路径以进行通信，

其中，在各子节点处设定碰撞控制门限；并且

所述子节点还被设置为在通过从该子节点的局部路由表中选择的路径进行通信时，针对该选择的路径累计当前中继碰撞因数，若累计的当前中继碰撞因数超过所述碰撞控制门限，则从所述局部路由表中选择新路径，直至针对所选择的路径累计的当前中继碰撞因数不超过所述碰撞控制门限为止。

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