CN103415018B - 一种无线传感器网络通信资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络通信资源分配方法，包括：网络分层，无线设备依据与无线集中器的跳数距离确定层号，同时动态维护层号；时隙分配，对网络中超帧内的时隙资源以层为单位进行分配，不同层发起的通信以时分多址方式接入，而同一层各节点发起的通信基于载波侦听的竞争方式接入；无线信道分配，不同层可以在不同的无线信道上复用间隔层的时隙资源，实现同一时刻不同无线信道的并发接入。本发明能够便捷有效地实现大规模、低功耗、多跳网络的组建，实现大规模无线节点低功耗接入的目的，能够满足无线传感器网络在野外、室内以及工业现场等环境下的应用需求，为用户提供更优质高效的无线传感器网络服务。

Description

一种无线传感器网络通信资源分配方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种应低功耗的无线传感器网络通信资源分配方法，特别是针对健康医疗、智慧农业、智能楼宇、工业等领域应用的无线传感器网络通信资源分配方法。

背景技术

微电子技术、计算机技术和无线通信技术等的不断发展和融合，推动了低功耗、多功能传感器的快速发展，研制开发了具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器，而无线传感器网络就是由部署在一定区域的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统。

无线传感器网络是一种多跳自组织网络，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象信息，并对这些数据进行处理，获得详尽准确的信息，同时传送给需要这些信息的用户。因此无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一。

随着无线传感器网络的发展，从最初的军事应用逐渐扩展到环境质量监测控制、交通管理、医疗救助、智能家居、自动化生产等各个方面。与此同时，应用的复杂性，如组网方式趋向规模化、设备种类和功能多样化、工作环境复杂化，在无线传感器网络的可靠性、实时性等方面提出了较高要求。

近年来，各种大规模、低成本、高可靠的近距离无线网络应运而生，但是相当多的方法仍然处于理论研究阶段，真正实用的大规模无线传感器网络更是少之又少，而应用过程中多跳大规模网络全网低功耗和网络资源的高效合理利用也成为制约无线传感器网络大范围应用的重要因素之一，因此无线传感器网络应用过程中迫切需要一套可靠的行之有效的无线网络通信资源分配方法。

发明内容

本发明的目的在于为无线传感器网络应用提供一种行之有效的无线网络通信资源分配方法，能够便捷有效地实现大规模、低功耗、多跳网络的组建，实现大规模无线节点低功耗接入的目的，该方法具有功耗低、可扩展性强等特点，能够满足无线传感器网络在野外、室内以及工业现场等环境下的应用需求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种无线传感器网络通信资源分配方法，所述方法中涉及两种类型设备：无线集中器、无线设备。

无线集中器为网络中的集中设备，负责网络信息的集中管理和维护，在同一个网络中无线集中器是唯一的。

无线设备为网络主体设备，除集中器外，网络中的各节点由无线设备组成。各无线设备维持到集中器的双向路径：通过主动发起数据传输的上行路径；接收来自集中器的管理配置数据的下行路径。

本发明所述无线传感器网络资源分配方法包含如下内容：

S110）网络分层：无线集中器作为网络中心发起网络，无线设备依次按照与无线集中器跳数逐渐加入网络。网络为分层结构，新加入网络节点根据父节点的层号加1作为节点自身网络层号；

S120）时隙分配：从时间顺序上来看，网络资源以超帧和时隙的形式存在，资源分配将网络资源分配到网络中不同的节点，从而实现网络中所有无线设备与无线集中器之间的通信。超帧中的时隙以时分多址接入方式分配到各个层，同一层内无线设备共享该层对应时隙，采取载波侦听多路访问方式；

S130）无线信道分配：从空间顺序上来看，网络资源主要以不同无线信道存在，也就是无线集中器和无线设备在不同的无线信道进行通信，从而实现同一时间对不同信道的充分利用。非间隔层在不同信道可以共享相同时隙；

进一步地，所述网络分层包括：

S111）所述网络分层以无线集中器为0层，无线设备根据与无线集中器通信所需跳数距离设定自身层号；

S112）所述无线设备选择父节点过程如下：首先判断所扫描到的在网无线设备信号强度，当信号强度超过门限，为可靠无线链路，信号强度门限根据无线功率和应用场景设置。其次判断无线设备层号，层号越小优先级越高。最后相同层的在网节点，信号强度越强优先级越高。无线设备通过上述判断将优先级最高节点作为父节点；

S113）所述新入网无线设备建立层号，通过步骤S112选择优先级最高的无线设备作为父节点加入网络，新入网无线设备将父节点层号加1作为自身层号，同时通知父节点其在网状态。

S114）所述无线设备层号是动态可变的，入网完成的无线节点正常运行过程中将根据收到的无线报文，周期性依据步骤S112判断其父节点优劣，如果周围出现优先级更高的备选父节点，经过多次判断确认后切换到新的父节点。

进一步地，所述时隙分配包括：

S121）所述时隙分配以超帧和时隙为基础（超帧和时隙的概念可以参照IEEE std802.15.4），一个超帧包含若干个时隙，时隙的个数为超帧长度，超帧长度一般为2的幂次，也可以设置为2的整数倍。将每个超帧内的时隙根据不同层号分配到各层，同时分配全网共享时隙用于突发事件数据传输，全网共享时隙指网络中所有节点可以共享使用的时隙；

S122）所述面向各层的时隙，对应层号分配的时隙用于为该层号对应层内无线设备与其子节点的通信，也就是通信的双方为层号所对应层内的无线设备和层号加1对应层内无线设备之间的数据传输；

S123）所述时隙分配方式，将超帧中的时隙依据层号分配到各层，同一层内无线设备共享分配到的时隙。将超帧中的时隙按照先后顺序平均分为前半区时隙和后半区时隙，层号为偶数的时隙位于前半区，层号为奇数的时隙位于后半区，各层时隙依据层号大小依次分配。前后半区的最后一个时隙均作为全网共享时隙使用。

S124）所述通信方式，对于不同层分配不同的时隙，采用时分多址接入方式实现不同层发起的通信互不干扰，相同层内无线设备发起的通信由于共享时隙而采用载波侦听多路访问方式竞争访问无线链路。同层无线设备竞争访问产生的冲突采取随机回退的方式规避，一旦规避成功则记录此次回退次数并作为下次随机回退次数的参考。

进一步地，所述无线信道分配包括：

S131）无线信道分配以无线传感器网络的无线设备能够提供多信道切换的无线通信为基础。如果只要求单信道工作，步骤S110和步骤S120可以满足网络资源分配，本步骤以无线设备具有多个无线信道可供选择为基础，提供间隔层在同一时间不同信道的并行接入；

S132）所述间隔层指层号之间差值在1以上的两层；

S133）所述无线信道分配方式，在完成步骤S120时隙分配的基础上，无线设备通过切换不同的信道从而可以使用间隔层的时隙，可参与分配的无线信道按照顺序依次分配给互为间隔层的各层，如果参与分配的层数大于可分配无线信道，分配完信道后重新循环信道进行分配；

S134）所述无线信道由无线集中器统一管理，网络中无线设备返回各无线信道通信状态，该状态一般以该信道一段时间通信成功率表示，无线集中器根据统计结果将当前通信成功率超过门限值的无线信道定为可参与分配的无线信道，而低于门限值的无线信道为不可用无线信道，门限值一般由网络设计者根据需要或者经验设定，如环境监测场合可以定为70%，而工业控制场合可以定位90%；

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明采用建立分层的网络结构，并动态管理网络各层，一方面通过分层结构将网络整体结构划分为以层为单位的局部网络，便于实现层内通信资源共享机制和网络资源分布式管理，另一方面通过动态网络层管理，使得网络层结构依据环境和网络规模动态调整，从而动态优化网络链路状态，提升网络整体性能。

2、本发明采用基于层共享的时隙分配方法，将网络各层的通信在互不干扰的时分多址接入方式不冲突访问工作机制，而同一层的无线设备采用基于载波侦听的多路访问，一方面通过时分多址方式保证层间不冲突工作，另一方面通过层内共享时隙，提高无线通信资源的利用率。相比传统的单独的时分多址接入方式，有效提高了无线链路资源利用率，避免了大量通信资源的浪费；相比传统的基于载波侦听的多路访问机制，层间分时复用有效提高了网络通信的实时性。总体来说本发明的基于层共享的时隙分配方法，在时分多直接入方式和基于载波侦听的多路访问方式取得了较好的折中。

3、本发明中涉及的无线信道分配方法，在基于层的共享时隙分配方法基础上进一步共享间隔层的时隙，从而进一步提高无线通信资源的利用率，提高网络整体无线数据传输的实时性和吞吐量。

4、本发明涉及的无线传感器网络通信资源分配方法，通过分配时隙和无线信道使得无线设备可以在固定的时隙工作，而在其他非工作时隙可以进入休眠，从而为实现多跳的全网低功耗提供了基础。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的网络拓扑结构图。

图3为本发明的网络层结构图。

图4为本发明的超帧时隙分配图。

图5为本发明的网络数据通信原理图。

图6为本发明的无线信道分配原理图。

附图补充说明：图2中带有斜线的圆圈表示无线集中器，其他圆圈为网络中的无线设备，圆圈中的标号表示该设备所在的层，图中实线表示两个无线设备间具有无线连接关系，实线连接的两个无线设备，其中层号较小的为父节点，层号较大的为子节点。图4中带有网格的时隙为全网共享时隙，用于突发实时数据的传输。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述无线传感器网络通信资源分配方法包括网络分层、时隙分配和无线信道分配几个方面。

本发明所述方法涉及的无线设备如图2所示，包括无线集中器、无线设备。

无线集中器为网络中的集中设备，负责网络信息的集中管理和维护，在同一个网络中无线集中器是唯一的。

无线设备为网络主体设备，除集中器外组成网络中的各节点由无线设备组成。各无线设备维持到集中器的双向路径：通过主动数据发起的上行路径；接收来自集中器的管理配置数据的下行路径。

本发明所述无线传感器网络通信资源分配方法适用于树形网络拓扑结构，如图2所示，其中无线集中器为整个无线网络的根，其他无线设备按照距离无线集中器的远近一次形成树结构的各分支。

图3为本发明所建立的分层网络结构，在完成分层后图2所示的网络将形成以层为单位的一个个层级网络。网络分层过程如下：

S201）无线集中器初始化将自身层号设为0。

S202）无线集中器和其他在网无线设备周期广播自身层号信息和网络状态信息。网络状态信息可以包括子节点数、时间信息等。

S203）无线设备初始化并扫描周围无线网络，记录收到的在网节点广播信息。无线设备将扫描阶段扫描到的广播信息进行优先级从高到低排序，形成备选父节点列表，优先级高低判断过程如下：无线设备首先判断所扫描到的在网无线设备信号强度，当信号强度超过门限，为可靠无线链路；其次在保证可靠无线链路的前提下，判断无线设备层号，层号越小优先级越高；最后相同层号的在网节点，信号强度越强优先级越高。

S204）无线设备从备选父节点列表中选择优先级最高在网节点作为父节点，将自身层号设为父节点层号加1。

S205）无线设备在完成步骤S204的基础上向父节点发送入网请求，在得到来自父节点响应后完成入网过程，转入步骤S207。

S206）如果步骤S205在限定请求次数内未成功得到所选父节点对入网请求的响应，则从备选父节点中删除该备选父节点，并将后续优先级备选父节点依次提高优先级，并转入步骤S204。

S207）无线设备入网成功后转入步骤S202。新设备依据扫描信息入网，入网完成后广播自身层号信息和网络状态信息为新节点加入提供服务，直至所有节点加入网络。

S208）在网无线设备根据接收到其他在网无线设备发出的广播信息，周期性更新备选邻居列表，如果出现节点备选父节点优先级优于现有父节点，在经过多次确认后可以将现有父节点更换为新的优先级高的父节点，并相应更新自身网络状态，同时告知原有父节点和新父节点其网络切换信息。

图4为本发明所涉及超帧内时隙分配实例，所述时隙分配包括如下步骤：

S301）超帧由若干个时隙组成，超帧长度也就是超帧中时隙个数可以设为2的整数次幂，或者只设置为2的整数倍。

S302）待分配的时隙分为两种类型：层工作时隙和全网共享时隙。层工作时时隙主要是各层内节点与其子节点之间的共享通信时隙，全网共享时隙用于网络中实时数据或突发报警数据的传输。

S303）由于S301中规定超帧长度为2的整数倍，将超帧中的时隙平均分为前半区时隙和后半区时隙，层号为偶数的层对应的工作时隙位于超帧的前半区，如图4中的0、2、4…层，层号为基数的层对应的工作时隙位于超帧的后半区，如图4中的1、3、5…层。假设设定超帧长度为2m（m=1,2,3…），时隙号从0开始即0,1,2…2m-1，无线设备所在层号为n（n=0,1,2…n<=2m-2），因此对于层n在超帧中对应的时隙表示如下：

S304）步骤S303中超帧前半区和后半区的最后一个时隙作为全网共享时隙使用，对应超帧内时隙号分别为m-1,2m-1，主要用于实时数据和突发报警信息的传输。针对不同应用可以选择使用2个或多个全网共享时隙，也可以使用1个或者不用全网共享时隙。

S305）网络形成后，层与层之间的通信方式如图5所示。对于休眠的无线设备，在其所在层工作时隙之初首先通过唤醒恢复到正常工作状态，如果无线设备有数据需要发送则首先执行载波侦听(CSMA)，如果无线信道空闲将发送数据给对应节点，否则随机回退一定工作时隙后重新进行上述载波侦听和数据发送。不同层之间的通信由于采用时分多址接入方式而互不干扰，而同层无线设备通过随机回退方式回避竞争访问产生的冲突，一旦回退成功记录此次回退次数并作为下次随机回退次数的参考。对于各层分配的工作时隙用来与其对应的子层无线设备通信，因此子层无线设备需要记录其父节点所在层对应的工作时隙，并在响应时间唤醒处于工作状态，从而可以正常与父节点通信。

图6为本发明涉及的无线信道分配实例，所述无线信道分配包含如下步骤：

S401）无线传感器网络无线信道分配方法建立在所使用无线设备具有多个无线信道可供选择使用的基础上，为网络中的无线设备提供并行数据传输的可能。本发明中能够进行并行数据的无线设备为处于间隔层的两个节点，所谓间隔层指的差值大于1等于的两层。

S402）图6为一个无线信道分配的实例，无线设备具有p个可用无线信道，其中CH0对于时隙的分配同步骤S303、S304对于时隙的划分。CH1～CHp可供CH0对应时隙所在层意外的间隔层使用，考虑到各层之间的通信需求各无线信道分配的层号应当互为间隔层，如图6中的0、2、4、…、2p层。

S403）步骤S402中对p个无线信道的分配，如果节点层数大于2p，则后续层从CH1重新循环分配，以S402所述0层分配为例，对于2p+2层分配CH1，可以用公式表示对2x层可以分配复用无线信道为：CH((2x%p)/2)。

S404）网络的无线信道资源由无线集中器集中管理，各无线设备周期返回其在各个无线信道上的通信状态，该通信状态一般可以使用一段时间内报文接收成功率表示，无线集中器通过集中统计，根据结果将所有无线信道分为可参与分配无线信道列表和不可用无线信道。当对应无线信道报文接收成功率超过一定数量无线设备持续一定时间报告低于门限值，则可以设为不可用无线信道，其他整体通信效果较好的为可参与分配无线信道。

S405）当步骤S404中产生的不可用无线信道超过一定数量，可以由无线集中器发起对不可用信道重新扫描，通信效果较好的无线信道可以重新加入可参与分配无线信道列表。

本发明并不局限于上述实施例，无线传感器网络管理具体实现技术可以根据实际情况灵活使用，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络通信资源分配方法，其特征是，包含如下内容：

S110）网络分层：无线集中器作为网络中心发起网络，无线设备依次按照与无线集中器跳数逐渐加入网络；网络为分层结构，新加入网络节点根据父节点的层号加1作为节点自身网络层号；

S120）时隙分配：从时间顺序上来看，网络资源以超帧和时隙的形式存在，资源分配将网络资源分配到网络中不同的节点，从而实现网络中所有无线设备与无线集中器之间的通信；超帧中的时隙以时分多址接入方式分配到各个层，同一层内无线设备共享该层对应时隙，采取载波侦听多路访问方式；

S130）无线信道分配：从空间顺序上来看，网络资源主要以不同无线信道存在，也就是无线集中器和无线设备在不同的无线信道进行通信，从而实现同一时间对不同信道的充分利用；间隔层在不同信道共享相同时隙；

所述网络分层包括：

S111）所述网络分层以无线集中器为0层，无线设备根据与无线集中器通信所需跳数距离设定自身层号；

S112）所述无线设备选择父节点过程如下：首先判断所扫描到的在网无线设备信号强度，当信号强度超过门限，为可靠无线链路，信号强度门限根据无线功率和应用场景设置；其次判断无线设备层号，层号越小优先级越高；最后相同层的在网节点，信号强度越强优先级越高；无线设备通过上述判断将优先级最高节点作为父节点；

S113）所述新入网无线设备建立层号，通过步骤S112选择优先级最高的无线设备作为父节点加入网络，新入网无线设备将父节点层号加1作为自身层号，同时通知父节点其在网状态；

所述无线设备层号是动态可变的，入网完成的无线节点正常运行过程中将根据收到的无线报文，周期性依据步骤S112判断其父节点优劣，如果周围出现优先级更高的备选父节点，经过多次判断确认后切换到新的父节点；

所述时隙分配以超帧和时隙为基础，一个超帧包含若干个时隙，时隙的个数为超帧长度，将每个超帧内的时隙根据不同层号分配到各层，同时分配全网共享时隙用于突发事件数据传输，全网共享时隙指网络中所有节点共享使用的时隙；对应层号分配的时隙用于为该层号对应层内无线设备与其子节点的通信，

所述时隙分配方式为，将超帧中的时隙依据层号分配到各层，同一层内无线设备共享分配到的时隙；将超帧中的时隙按照先后顺序平均分为前半区时隙和后半区时隙，层号为偶数的时隙位于前半区，层号为奇数的时隙位于后半区，各层时隙依据层号大小依次分配；前后半区的最后一个时隙均作为全网共享时隙使用；

所述无线信道分配以无线传感器网络的无线设备能够提供多信道切换的无线通信为基础，提供间隔层在同一时间不同信道的并行接入；所述间隔层指层号之间差值在1以上的两层；

所述无线信道分配方式，在完成步骤S120时隙分配的基础上，无线设备通过切换不同的信道从而使用间隔层的时隙，可参与分配的无线信道按照顺序依次分配给互为间隔层的各层，如果参与分配的层数大于可分配无线信道，分配完信道后重新循环信道进行分配；

所述无线信道由无线集中器统一管理，网络中无线设备返回各无线信道通信状态，该状态以该信道一段时间通信成功率表示，无线集中器根据统计结果将当前通信成功率超过门限值的无线信道定为可参与分配的无线信道，而低于门限值的无线信道为不可用无线信道。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络通信资源分配方法，其特征是，所述通信方式为，对于不同层分配不同的时隙，采用时分多址接入方式实现不同层发起的通信互不干扰，相同层内无线设备发起的通信由于共享时隙而采用载波侦听多路访问方式竞争访问无线链路；同层无线设备竞争访问产生的冲突采取随机回退的方式规避，一旦规避成功则记录此次回退次数并作为下次随机回退次数的参考。