CN104396338A - 用于具有低占空比的终端节点的大型wsn的可扩展协议 - Google Patents

Abstract

描述了用于提供在主节点与多个节点之间的无线传感器网络的方法和系统，这些节点与传感器关联。该方法和系统基于信道跳变方案而定义主节点用以与节点通信的通信信道，并定义专用于载送由主节点广播的传输帧的至少一个传输信道。该方法和系统通过定位该至少一个传输信道来监听传输消息而配置尚未为网络所获得的未获得节点，以进入连接会话。该传输消息指示出将变为活动的下一个通信信道。该方法将未获得节点切换到下一个通信信道。

Description

用于具有低占空比的终端节点的大型WSN的可扩展协议

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年3月19日提交的美国临时专利申请No.61/612,801的优先权，该专利申请No.61/612,801的全部内容并入本文，以作参考。

技术领域

本发明的实施例一般地涉及无线传感器网络，并且更特别地涉及用于在无线传感器网络中实现串-并联信道跳变方案的方法和系统。

背景技术

存在着分布于大的地理区域上的多层无线传感器网络(WSN)。常规的多层无线传感器网络包含用于形成第一层的主节点(例如，协调器节点或网关节点)。主节点在逻辑上链接至在第二层内的节点。在第二层内的节点可以是终端节点或中继器节点。在第二层内的中继器节点可以在逻辑上链接至处于第三层的一个或多个终端节点。终端节点的整体集合可以构成网络的第三层。IEEE 802.15.4协议标准第2版(2006)在“全功能节点”与“部分功能节点”之间作了区分。其他时候，节点使用父子关系来指定(例如，“父”是诸如主节点或中继器节点之类的全功能节点，而“子”是诸如终端节点之类的部分功能节点)。在主节点与中继器节点之间的关系同样可以称为父子关系，中继器充当从属角色。通常，用作或者能够用作父节点的全功能节点使用较高的接收器灵敏度和发射器功率以及较佳的信道隔离(即，较佳的无线电)，而终端节点(终端节点几乎总是充当子节点的角色并且在网络中数量更为众多)使用总体上性能较差的成本较低的无线电。以上所描述的网络一般来说会在大的物理区域内铺开。例如，两个节点(其中至少一个具有低噪声放大器和功率放大器)能够几乎毫无困难地经由数百英尺的距离相互通信，并且因而整个网络可以覆盖100,000平方英寸或更大的面积，以及多个楼层。还存在更通用的网络拓扑，在所述网络拓扑中各个网络层基于在自组织网络形成期间进行的测试中所确定的在各个节点对组合之间的通信链路的质量而组织或者按照自组织的方式自行组织。不管实际网络拓扑如何，都能够这么说：在大部分实际的WSN实现方式中，给定的终端节点(例如，层N)发现自己单独连接至上一层(例如，层N-1)的某个“父”节点。

一般地，无线传感器网络使用在通过例如政府规章规定的较大的频率范围内传播的信道或频率范围。例如，在美国，以902-928MHz操作的无线传感器网络可以使用数量高达50个信道的集合。而且，网络按照“随机跳变”的方式来使用那些信道，使得节点在跳变/跳转到另一个信道之前经由特定的信道仅通信较短的时间(典型为数十秒)。信道占用的顺序是随机的，或者在表面上是随机的。

对于许多类型的通信协议(例如，IEEE 802.15.4标准协议)，在节点能够于特定的信道上发送消息之前，节点耗费一定的(较短的)时间来监听可能正在使用同一信道的其他节点。例如，802.15.4标准特别地将一种类型的载波感测多路访问–避免冲突(CSMA-CA)算法用于该“对话前监听(listen-before-talk)”过程。

但是，与多层无线传感器网络一起使用的常规的通信协议会遇到某些限制。例如，在体积较大的无线传感器网络中通常会遇到的常见问题是：在同一网络内可以存在两个节点，并且这两个节点位于该网络的物理空间的两个最外边缘处，这需要同时发送消息。如果这两个节点相隔太远以致于听不到彼此的消息，则节点可以执行CSMA-CA检查并且两者都确定可以发送它们各自的消息。但是，当这两个节点发送消息时，在网络内的其他节点(这些节点大部分大致位于这两个极端节点之间)能够听得到来自两个发送节点的消息。这两个消息相互破坏，并且因而在中间的节点无法理解任一个消息。因此，当并非网络中的全部节点都能够收听到来自全部其他节点的所有消息时，常规的网络协议无法防止消息重叠。这对于两个终端节点尤其是个问题(与一个终端节点和一个网关或中继器节点，或者两个中继器节点等相反)，由于终端节点倾向于具有最低限度的硬件(例如，接收灵敏度有限的无线收发器，并且例如没有低噪声放大器(LNA))。

在常规的无线网络中的另一个普遍性问题涉及大部分终端节点都是电池供电，并且在低占空比下操作的事实，即终端节点大部分时间处于休眠模式以便节省电能。在许多情况下，这些低占空比的节点只有在它们经历到传感器事件(例如，运动传感器提示节点的唤醒)时才“醒来”。节点然后发送任何及所有合适的消息，并且然后返回休眠模式。这会导致另一个问题，即当终端节点在大部分时间都处于休眠模式时，上层管理节点(中继器和网关节点)无法将网络管理消息发送到终端节点，例如，哪个信道当前是活动的。因为终端节点大部分时间都是休眠的，听不见来自网络中的它的父节点的任何管理消息，并且因为终端节点取决于网络控制之外的事件而随时醒来，所以终端节点不能在任何一个时间点容易地跟踪网络正在使用哪个信道。因此，当终端节点确实醒来时，常规的方法是让终端节点执行全面的多信道扫描以在发送任何消息之前找出正在使用的网络信道。全面的多信道扫描从电能的角度来看是极其昂贵的。例如，如果网络按照伪随机跳变的方式在50个信道中的每个信道上耗费0.1秒，并且如果终端节点按照信道顺序向后扫描，则可以花费1或2秒来找出活动的信道。根据本文的实施例，终端节点在理想情况下只醒零点几秒，每小时或每天醒数次以便使得纽扣电池和小的可充电电池在WSN终端节点中可用。因此，存在着这样的问题：终端节点在从长时间的休眠中醒来之后无法迅速地找到网络中允许终端节点经由其进行通信的活动信道，而是浪费电能来查找活动的信道。也就是，存在着这样的情形：终端节点与其在实际发送并接收面向应用的数据中所耗费的时间和功率相比会耗费更多的时间和功率来在频率跳变网络中搜索活动的信道。

在将来，WSN有可能会一天含有数千个或者可能甚至数万个终端节点。上述问题在很大的网络中会由于终端节点的绝对数量而恶化，从而导致另外的问题。常规的网络协议并不能以可扩展的方式，例如以在理论上能够支持数量几乎无限的终端节点的方式很好地适合于支持数量很大的节点。

在无线传感器网络中避免消息冲突的标准方法是“对话前监听”的各种方法之一，例如，IEEE 802.15.4协议的CSMA-CA算法。在一种可选的实现方式(即，信标模式选项)中，802.15.4协议使得使用信道分时隙的大网络成为可能，在该信道分时隙中，信标帧每隔一段时间就发送，在信标帧之间的时间间隔被划分成多个时隙。802.15.4标准(例如，2006年的第2版)提供了两种类型的时隙——在CAP或“争用访问时段”中的时隙以及在CFP或“无争用时段”中的时隙。后者不能由任何节点使用，除非网络协调器节点特别授权对时隙的访问。前者能够由任何节点使用，假定节点首先采用防冲突机制——CSMA-CA。CSMA-CA和分时隙方法有助于管理节点间对有限带宽的竞争，但是当网络的规模显著增大(例如，每分钟超过数百条消息)时不能很好地扩展。例如，随着节点被添加，可用的时隙数量被迅速地耗尽。同样地，对大网络中的主节点产生很大的压力，并且中继器节点具有仅中继在终端节点与主节点之间的消息的相对有限作用。中继器节点不管理在中继器节点的中间网络(子网络)内的协议值。因此，所产生的网络没能很好地扩展。

作为选择，如果作为允许多个节点共用频段并提高安全性的方式，使用常规的直接序列扩频(DSSS)技术，而不是跳频扩频(FHSS)，则上述问题将仍然存在。码片组必须充分不同(在码片模式方面充分不同)，以保证DSSS位提取不能卷积两个信息不同的码片序列。存在数量有限(即，最终稀缺性)的所允许的DSSS码片序列，只是由于在FHSS方案中存在数量有限的频率信道可利用。

仍需要可扩展用于低占空比的终端节点的改进的WSN。

发明内容

根据一种实施例，本发明提供了用于实现串-并联信道跳变协议的无线传感器网络和方法，该串-并联信道跳变协议添加传输信道以提供有关信道跳变状态的信息，因而缩短了为使终端节点从长时间休眠中醒来所需要的信道扫描时间。本协议随着数量不断增加的中断器节点而简单且一致地扩展，并因而能够用于含有总数为数千个以及甚至数万个的终端节点的网络。可任选地，该方法可以用于收集相互正交的DSSS码片序列(作为频率信道集的替代)。根据一种实施例，本文描述了用于提供在主节点与多个节点之间的无线传感器网络的方法，节点与传感器关联。该方法包括基于信道跳变方案模式来定义主节点用以与节点通信的通信信道，并且定义至少一个专用于载送由主节点广播的传输帧的传输信道。该方法通过对传输信道进行调谐以监听传输消息来配置尚未为网络获得的非连接节点，使其进入连接会话。传输消息指示活动的通信信道(例如，通过指示按照网络跳变顺序将要使用的下一个信道的信道编号)。该方法将未获得的节点切换到在传输消息中指定的下一个活动的通信信道，监听信标帧，并且将信标帧(例如，典型为信标帧的末尾字节的末端)用作时序基准以使未获得节点能够使用在所附节点与网络协调器之间交换的某些请求和应答消息系列(例如，在IEEE 802.15.4标准中指定的那些消息)来获得网络。

根据某些实施例，信标帧除了其他字段外还包含下列字段：a)用于指示存在有多少个传输信道的“传输信道总数”字段；b)用于指示网络中的哪些信道表示传输信道的“传输信道编号”字段；以及c)用于指示与被授权在同信标帧相关的超帧(全部时隙的总集)期间经由网络来通信的节点关联的优先访问编号的范围的优先访问编号范围字段。

传输消息包含用于指示将要变为活动的下一个通信信道的编号的信道编号字段。在多个父节点(例如，主节点和多个中继器节点)在多个传输信道间被划分的情形中，传输消息还可以包含用于父节点的标识的字段。在这样的情形中，父节点将会在信道跳变之前立即切换到其所指派的传输信道，并且发送提供有其节点ID以及其下次跳变的信道ID的消息。所指派给该父节点或者与其关联的全部子节点为了发送或接收消息将会转到父节点的所指派的传输信道并且等待其节点ID与父节点的ID匹配的传输消息。在收到来自其父节点的该传输消息时，子节点立即跳变到由传输消息指定的信道。传输消息还可以包含网络的ID，以使移动的或偶尔移动的节点能够自行随意与多个父节点通信，确保这些父节点中的每个父节点都与移动的或偶尔移动的节点之前所连接的同一网络关联。传输消息在移动的父节点(即，父节点是移动的，而子节点和/或终端节点处于永久或临时固定的物理位置)的情形中还可以包含网络ID和父节点ID，因而允许子节点按照机会主义的方式(即，当移动的中继器节点位于附近时)与网络(主节点)通信。该方法包括在未获得的终端节点处以及在已获得的终端节点处使用信标帧来执行无冲突信标调度。该方法还包括在载波感测多路访问–避免冲突(CSMA-CA)方法中使用信标帧。该方法还包括定义至少两个传输信道，主节点交替地经由每个传输信道或者在两个或更多个信道已经被指定为传输信道的情形中经由随机选自传输信道选项池的传输信道来发送传输帧。该方法还包括促使每个子节点跳变到有其父节点在该父节点的传输消息中指定的下一个活动的通信信道，并且然后等待新的活动信道上的信标帧。

在该方法中，信道跳变方案处于主节点的指导之下。在该方法中，第一传输信道被定义为在主节点与其他父节点之间使用，并且不同的第二传输信道被定位为在那些其他父节点(非主节点)与它们各自的子节点之间使用。在该方法中，由主节点在新的父(通常是中继器)节点与网络关联时或者在来自主节点的后续中继器节点的配置消息中给每个父节点指派其自己的传输信道，或者将每个父节点指派给指定由父节点使用的特定的传输信道。在该方法中，传输消息指示与由信标帧启动的下一个超帧关联的活动的通信信道或信道集。在该方法中，该定义包括定义在第一层内的主节点、在第二层内的中继器节点以及在第三层内的终端节点，每个终端节点与成父子关系的中继器节点之一关联，该方法还包括给在第二层内的中继器/父节点提供优先访问(PA)编号，并且促使终端节点继承所关联的中继器节点的PA编号，或者继承作为所关联的中继器节点的PA编号的函数的PA编号，使用PA编号来控制对网络的访问。

在该方法中，主节点和每个附加的父节点使用单个传输信道，或者由主节点在两个或更多个传输信道间划分，作为父节点网络连接和配置过程的一部分。每个父节点使用其各自的传输信道将传输消息发送到所有监测子节点，以指示它的节点ID以及它在随机的或伪随机的跳变方案中的下一个信道跳变的信道ID。父节点随后跳变到下一个信道，并且在没有发送信标帧的情况下，在再次切换到传输信道之前的某个时间段内监听来自父或子节点的消息，以指示在跳变顺序中的下一个信道。

在该方法中，未连接的终端节点或父(中继器)节点随机地扫描信道，监听任意父节点的传输帧并且使用一个或多个预定的准则(例如，所接收的信号强度超过阈值或者几个强度值当中最大的所接收的信号强度)，选择它将试图通过其来连接到网络的父节点，并且随后转至在所选择的(高信号强度的)父节点的传输消息中指出的信道，以便将网络连接请求消息发送给所选择的父节点。

在该方法中，传输信道的数量以及传输帧的长度被选择以便确保传输信道的总的网络使用量按平均来说与非传输(跳变序列)信道的网络使用量基本上相同，以便避免传输信道被网络过渡使用。

在该方法中，相互正交的直接序列扩频(DSSS)码片组/序列的集合按照其中频率跳变被替换为DSSS码片组切换(码片组“跳变”)的方式在单个恒定的载波频率(信道)上使用，作为从频率信道到频率信道的跳变的替代，并且在该方法中，一个或几个这样的码片组为传输消息而保留，从而为由低占空比节点进行的基于频率跳变的信道改变管理和网络跟踪而允许本文所描述的所有应用的基于DSSS的变化。在该方法中，DSSS码片组按照DSSS码片组选择方案(按照某种时间模式，或者在没有明显的时序或模式的情况下)周期性地改变，并且在该方法中，这样的改变使用一个或几个预先选定的“传输消息”DSSS码片序列进行预先通知，以通知即将到来的码片组/序列将要用于常规网络数据消息。

根据一种实施例，无线传感器网络包含主节点。主节点被配置用于基于随机的或伪随机的信道跳变方案来定义主节点用以与节点通信的通信信道，并且定义至少一个专用于载送由主节点广播的传输帧的传输信道。主节点被配置用于发送传输帧，每个传输帧均指示活动的通信信道，并且被配置用于经由活动的通信信道来发送信标帧并且非连接节点与传感器关联。非连接的节点没有连接到网络。非连接的节点通过对传输信道进行调谐以监听传输消息而进行配置，以进入连接会话。非连接的节点被配置用于切换至活动的通信信道并监听信标帧。非连接的节点被配置用于将信标帧用作时序基准，以使非连接的节点能够连接到网络。

根据本文的实施例，终端节点只醒零点几秒，每小时或每天醒数次，以便使得纽扣电池和小的可充电电池在WSN终端节点中可用。

可任选地，终端节点使用特定的父/中继器节点来连接到网络，但是并没有与中继器节点永久关联，并且其中在节能(休眠)状态保持了一段时间之后，终端节点醒来并扫描一列传输信道(用于频率跳变的频率信道以及用于基于DSSS的网络的DSSS码片序列)，所述频率信道或码片序列是它先前在网络连接过程中所知道的，并且其中终端节点然后经由最佳的(信号强度最高的)父/中继器节点与主节点通信，该最佳的父/中继器节点可以是也可以不是终端节点原先用以连接至网络的同一节点。可任选地，终端节点使用这样的方法(即，经由不同的父/中继器节点与主节点通信的方法)来在物理上移动通过由多个(远远分开的)中继器节点覆盖的空间时保持与主节点的通信。

附图说明

图1示出了根据一种实施例形成的多层无线传感器网络(MTWSN)。

图2示出了根据一种实施例形成的信道跳变方法或协议。

图3示出了根据一种实施例所使用的节点的框图。

图4示出了根据一种实施例的由主节点发送的信标帧的格式。

图5示出了根据一种实施例的用于管理节点的连接的示例性过程。

图6示出了根据一种可替换的实施例所实现的用于管理网络通信的方法。

图7示出了根据一种实施例形成的DSSS码片序列切换方法或协议。

具体实施方式

图1示出了根据一种实施例形成的多层无线传感器网络(MTWSN)100。MT WSN 100包含主节点101，例如，用于定义第一层102的协调器节点或网关节点。第一层102在逻辑上链接至包含父(例如，中继器)节点103的第二层104。在第二层104内的节点103中的一些或全部节点在逻辑上链接至一个或多个子(例如，终端)节点105。节点101、103和105形成无线的节点到节点的链路。可任选地，中继器节点可以在逻辑上相互链接。可任选地，第二层可以包含与主节点101链接的且不与其他节点链接的一个或多个终端节点。子节点105的整体集合定义了网络100的第三层106。可任选地，如果在超过一个层上使用中继器(即，存在中继器到中继器的层间链路)，则可以使用超过三个层。

在本文的描述中，“在逻辑上链接”指的是以下事实：在节点到节点的链路的各自终端上的两个节点正在特别地监听含有在链路上的相对节点的标识号的消息。例如，父节点103A正在监听由子节点105B发送的消息，并且子节点105B正在监听来自父节点103A的消息。以上所描述的网络一般地在大的物理区域上铺开。例如，两个节点(其中至少一个具有低噪声放大器和功率放大器)能够几乎毫无困难地在数百英尺的距离间以数十或者甚至数百kbps的数据速率相互通信，并且因而整个网络可以覆盖100,000平方英寸或更大的面积，以及多个楼层。

本文所公开的网络和方法可以使用跳频扩频(FHSS)和/或直接序列扩频(DSSS)来管理。DSSS是其中数据信号乘以伪随机噪声扩频码的技术。例如，”1”的二进制语言的扩频码的长度可以是10码片(“0011001101”)，并且按此顺序的这10个码片构成一个“码片组”或“码片序列”。接收器被配置用于在呈现为所传输的白噪声的消息当中过滤该特定的码片组。在DSSS中，特定的码片组可以用于传递消息(例如，数据消息和传输消息)，并且码片组可以由主节点101和/或父节点103按照DSSS码片组选择方案进行交替。

如同本文所使用的，“信道”和“信道跳变”用于FHSS和DSSS两种方法。“信道”在FHSS中由频率来界定，并且“信道跳变”在FHSS中涉及切换频率，然而在DSSS中，“信道”指的是码片组/序列，并且“信道跳变”涉及改变码片组/序列(在单个恒定的载波频率内)。

当无线节点/启用无线电的设备希望经由无线网络来通信时，它必须首先在各个可能的允许替代方案当中确定哪个特定的频率并且可能是哪个DSSS(直接序列扩频)码片组正被使用。无论(1)节点从未使用过网络且不是网络成员并且当前正试图通过传递证书和安全检查来加入或“连接”到网络，还是(2)节点先前加入过网络并且是网络成员，这都适用。查找网络(即，确定当前所使用的频率信道或者基于DSSS码片组的“信道”)以便允许与其他网络节点通信的过程在此称为“获取”网络。如果节点在过去已经这样做了，特别是在节点之前已经连接到或者已经加入了网络的情况下，则节点可以“获取”或“重新获取”网络。也就是，“获取”或“重新获取”网络意指确定哪个FHSS信道或DSSS信道(码片组)当前是活动的。“连接”到网络在术语的常见用法中意指通过传递所有必要的安全及成员监管要求来正式加入网络。如同本文所使用的，“获取”网络一般地可以指的是节点加入网络，不管它是首次“连接”到网络还是“重新获取”或重新加入网络。

术语“活动的”在涉及通信信道时可以指的是主节点或中继器节点目前正在其上或经由其发送信标帧并且监听来自其他中继器节点或来自终端节点的消息的通信信道(不管是频率信道还是DSSS码片组)。

术语“主节点”和“网络协调器”作同义词使用。网络协调器总是为主节点。其他节点，例如，中继器节点或者甚至是专用节点(在本说明书中没有明确提及)可以发送信标帧并且被指派传输信道，但是这些其他节点不是网络的协调器——仅为它们自己的网络小角落中的副官(lieutenant)——并且它们的配置和功能最终由网络协调器来定义。

主节点101表示在包含第二及第三层104和106的子网络与主机107之间的网关。主机107表示同通过网关主节点101与无线传感器网络100的父节点和子节点103和105关联的各种构件、设备及其他元件交互的外部网络108，如图1所示。主节点101可以用作在外部网络与子网络之间的协议桥(即，外部网络可以正在使用具有诸如TCP之类的常规的传输机制的有线以太网、WiFi或者某些其他带宽相对较高的网络协议，而子网络可以正在使用可能具有像UDP一样的传输机制的802.15.4或类似的无线协议，仅作为示例)。

主节点101起着子网络(例如，在层2和层3内)的网关的作用，该子网络包含中继器节点和终端节点(即，多层无线传感器网络)。在外部网络108上的主机107通过网关(主节点)与无线传感器网络的元件交互，如图1所示。

图3示出了根据一种实施例而使用的节点300的框图。节点300包含容纳有(host)无线收发器304和微处理器302(任一个集成为一个芯片，或者被实现为两个单独的芯片)的小电路板、电池310以及电源电路312。天线320与匹配模拟电路322耦接。可以任选地包含用于将输入发送给微处理器302的外围传感器或感测系统316。感测系统可以包含温度传感器、压力传感器、运动传感器、3轴加速度计、化学传感器或化学传感器阵列(例如，“电子鼻”)、AM-EAS或RF-EAS或RFID标签检测系统，或者甚至是用于在各自为预定类型、强度的或者超过某一阈值的真实事件的集合发生时定义虚拟事件的单独处理器。后者的一个实例可以是与视频监控系统连接的DSP处理器。这些作为传感器系统的示例而给出，并且应当理解，该列表决不是穷尽性的。来自传感器316的输入可以“唤醒”微处理器302，以开始“报告”会话，例如用于经由网络100通过无线收发器304来传递由传感器316检测到的传感器数据。

收发器304可以具有用于存储待在DSSS技术中使用的多个码片组的存储器。码片组可以作为固件和/或软件存储于存储器内。要跳变到新信道，处理器302可以被配置用于命令收发器304切换到特定的信道。收发器304然后从其存储器中检索有关新信道的信息，例如，在FHSS中的频率或者在DSSS中的用于构成所选择的码片组的特定码片序列。

典型地，层1和层2的节点通常配备有功率放大器306(用于发送)和低噪声放大器308(用于接收)，以增大无线链路的物理范围。主节点(层1的节点)还要么含有有线网络界面318(例如，以太网端口和驱动芯片)，要么含有用于到另一个(外部)网络的无线链路的第二无线电320(例如，WiFi接口)。主节点、中继器节点和终端节点101、103、105可以具有节点300的全部或部分结构。

实施例涉及串-并联信道跳变协议(频率跳变协议或者DSSS码片序列改变协议)，或者使用传输信道来提供有关信道跳变状态(频率状态或DSSS码片序列状态)的信息，从而缩短终端节点一旦从休眠模式中醒来时获取网络所需要的信道/码片序列搜索扫描时间的方法。信道跳变协议能够随数量不断增加的中断器节点而简单且一致地扩展，因为每个新添加的中继器节点都可以命令它自己的一个或多个传输信道，并且从而能够用于含有的总数为数千个以及甚至数万个的终端节点的网络。网络的“串-并联”性质由以下事实而产生：从时间的角度来看，具有其从属的子节点集的每个中继器表示一个“分支”，并且在不同分支内的通信可在任何时刻发生于不同的信道(不同的频率信道或者不同的码片序列)上，并且从而能够同时地发生(即，并联地)。网络的扩展还能够通过新的中继器节点连接到现有的中继器节点而发生，从而创建与老分支连接的新分支。沿新分支向上移动的消息可以在被发送到老分支内之前等待开敞空间(open air)，并且在这种情况下，网络由于新节点被添加而具有串联扩展特性。为了理解该方法可以如何适应数量越来越多的中继器，考虑下列实例。在讨论这些实例之前应当注意，所给出的信道(频率信道或码片组信道)可以用作a)一个父节点(主节点或中继器节点)的传输信道，以及b)所有其他父节点的常规通信(跳变)信道。根据本文的实施例，CSMA-CA或者其他“对话前监听”防冲突算法可以在所有传输(信标消息、传输消息以及任何其他类型的消息)之前采用。

在第一实例(频率跳变实例)中，有10个父/中继器节点和1个主节点。主节点正在使用信道49(最后一个信道)作为其传输信道。当第一父/中继器(Re1)首先连接到网络时，主节点随机地选择信道之一作为指派给Re1的传输信道，用于让全部Re1与Re1的未来的子节点通信。类似地，主节点根据主节点自己的准则从总的可用信道池(0，1，…，49)中给Re2，Re3，…，Re10指派传输信道。该准则可以简单为“以每个信道相等的概率从信道0，1，…，49中随机地选择”，或者它对于不太想要的信道(例如，有噪声的信道或者通常由竞争性网络所使用的信道，这通过由主节点执行的对单个信道的单独能量检测测试来确定)还可以包含较低的或零概率。准则还可以保证在每个信道已经由至少一个节点用于传输之前没有信道被用作两个节点的传输信道(例如，通过信道的节点分配均匀分布)。

在第二频率跳变实例中有49个中继器。使用以上所概述的推理，主节点可以随机地分配信道，使得在每个中继器都连接到了网络之后，这50个可用信道每个都用作或者主节点的或者一个(且只有一个)中继器的传输信道。

在第三频率跳变实例(稍微极端的情形)中有199个中继器。在这种情况下，每个信道都可以用作四个不同中继器的传输信道。每个中继器在每次跳变之前发送传输消息，因而平均来说，在与一个信道停歇(一个超帧时间段)对应的时间间隔内，除了与使用该信道作为其频率跳变信道列表之一的其他中继器中的任一个中继器间的正常消息传递之外，每个信道还将会见到四个传输帧(来自四个不同的中继器)。当然，在这样的大网络中，在任何给定的时刻，大部分或全部信道都可以处于主节点和各种中继器的使用中。例如，中继器27可以正在与主节点通话，中继器8、56和184可以正在它们各自的传输信道上发送传输帧，并且大部分的剩余中继器可以正在该50个信道中的任一信道上监听(无论它们最近跳变到哪个信道)来自另一个节点的消息。网络的“串-并联”扩展指的是以下事实：随着网络规模增大——在宽度(在给定的网络层中的中继器数量)和深度(中继器或网络层的层数)两方面，网络实际上正同时使用全部可用信道，具有大致相等的流量。

其他实例可以使用单个频率信道以及大的DSSS码片组集合来完成与使用DSSS技术相同的串-并联网络扩展。还应当注意，如果频率跳变和DSSS码片序列移位被共同实施，则这种串-并联网络扩展能够在额外的维度上实现。例如，一种网络可以具有一个大的串-并联网络，在网络中具有许多中继器，这些中继器全都使用频率跳变和单个恒定的码片序列。同时，另一个等同的大网络可以正在使用完全相同的频率跳变方案(在所有方面与第一网络相同)，除了该第二网络的DSSS码片序列充分不同于第一网络以保证在网络之间没有消息混合之外。

图2示出了根据一种实施例形成的信道跳变方法或协议。图2所示的方法或协议可以用于FHSS和/或DSSS技术中。例如，如果使用频率跳变协议，则DSSS可以被良好地实现以提供更多的安全性和网络间的可操作性。最初，网络按照预定的标准，例如按照在IEEE 802.11、802.15.2、802.15.3、802.15.4等标准中所规定的方式来创建。要创建网络，在202处，主节点101可以针对主节点101想要使用的信道集来扫描现有网络。信道可以是按照频率跳变协议的频率信道或者按照DSSS码片组切换协议的码片组。在202处，在确定了新的网络能够被创建之后，主节点101选择网络ID号。主节点101定义了一组通信信道，并且定义了一个或多个“传输信道”。主节点101支持/定义表示仅用来将跳变和安全参数传递给父节点和子节点103和105以及非网络节点107的专用信道的一个或多个“传输信道”。就节点101所关心的而言，由于传输信道被特别指定单独用于传输信息，因而没有其他网络管理消息或数据包由节点101在传输信道上传输。

例如，在FHSS技术中，网络100可以在频率跳变方案中使用50个信道(例如，信道0至49)，该50个信道中的一个频率信道子集，例如，两个信道(例如，信道48和49)，被用作传输信道。在另一个实例中，网络100可以在DSSS码片组切换方案中使用50个信道，其中这50个信道由50个不同的码片组来定义。每个码片组在二进制的背景下可以包含两个唯一的10-码片序列，一个序列对于“1”进行编码，而另一个对于“0”进行编码。在操作期间，网络100可以在该50个信道/码片组之间切换，并且码片组的子集被用作传输信道。在204处，主节点101确定操作参数。

在206处，主节点切换/跳变到选择传输信道(频率信道或码片组)并发送传输帧，给出信道跳变序列中的下一个通信信道的信道ID。在FHSS协议中，下一个通信信道可以是主节点将经由其来通信的下一个频率信道。在DSSS协议中，下一个通信信道可以是用来传递消息的下一个DSSS码片组，而下一个通信信道可以与活动的通信信道相互正交，同时使用相同的频率信道。可任选地，主节点在传输帧中可以包含主节点的ID和网络ID。

在208处，主节点切换/跳变到在206处于传输帧内指定的下一个通信信道。在210处，主节点确定信标是否正被使用。若否，则流程前进到214。若是，则流程前进到212。在212处，主节点创建并经由在206处于传输帧中指定的“下一个”通信信道(该通信通道现在是当前活动的通信信道)来发送信标帧。

在214处，主节点监听并处理经由当前活动的通信信道接收到的消息。在216处，主节点确定是否已经经过了最大的信道停歇时间。若否，则流程返回214，在214处主节点继续监听。如果已经经过了最大的停歇时间，则流程从216前进到206，并且该过程重复。

在206-216处，主节点开始通过随机的或伪随机的信道列表来跳变，使用传输信道来通知任何监听节点有关下一个通信信道的标识。主节点及其子节点关于如何使用时隙的行为(哪些时隙完全被使用，并且它们是否可用于争用或非争用用途，它们的持续时间，数量等)可以由信标帧内的各个字段规定，如同诸如IEEE 802.15.4之类的标准协议所定义的。如图2所示，主节点在调谐到传输信道时不监听给其发送的消息。传输信道为单向通信(从主节点到任何监听节点)，用于通知监听节点有关哪个信道(频率信道或DSSS码片组)下一步将用于双向通信。对在图2的步骤214中提及的所接收的消息的处理可以涉及在主节点与相关的父节点或子节点之间传递的任何数量的请求及应答消息，并且对该消息的处理甚至可以发起与其他(第三方)节点及外部网络主机间的消息传递。

应当注意，本文的实施例通过将传输信道用作一般存在于父节点与子节点之间的同步问题的解决方案来提供很大的效用。例如，在不使用传输信道时，子节点一般被编程以按照时间计划以预定的(伪随机的)顺序在信道(无论是频率信道还是DSSS码片组)间跳变/切换。如果父节点和子节点对于这些信道跳变保持时序同步，则它们将能够相互通信。这在许多实现方式中已经激发了复杂的PLL(锁相环)时序法的使用，该PLL时序法在子节点必须长时间休眠以降低功率时并不实用。当使用一个或多个传输信道时，子节点只需要在传输信道上监听一小段时间(一般不长于一个或几个信道停歇或者在FHSS协议中的“频率跳变间隔”的时间段)。在父节点和子节点之间不需要时序同步。实际上，父节点可以不时地使用额外的时间在一个信道上工作(即，延迟跳变/切换到下一个信道)，对父节点与子节点之间的通信没有严重的影响。也就是，子节点只是继续等待并监听传输信道，直到有关下一个通信信道的信息到来，无论要耗费多长时间来获得该信息。当然，在这种情况下，可能最好的是具有超时定时器，该超时定时器将会确保子节点不会在坏的传输信道上等待数分钟或数小时(例如，在有噪声的传输信道的情形中，或者如果父节点已失效等)，并从而防止电池泄漏。

有关与图2相关的主节点行为，网络可以使用从每个信标帧开始的超帧(图中的步骤210和212)。专用网络协调器(例如，主节点101)通过按照预定的间隔(例如，短至15ms或长达145s的间隔)发送信标帧来协调在超帧内的传输(步骤216)。超帧被分时隙。在两个信标之间的时间被划分成相等的时隙，独立于超帧的持续时间。时隙被划分成争用访问时段(CAP)和无争用时段(CFP)。保证时隙(GTS)被连接成无争用时隙。一般地，在不使用信标的情形中，在信标帧之间的全部时段包含单个大的争用时隙(步骤214和216)，在该争用时隙内任意节点都可以使用CSMA-CA或类似的协议规定的防冲突算法来竞争消息传递特权。

当DSSS在真实网络中实现时，单个码片序列可以被选择并且在单个载波频率下于相对较长的时间段(数分钟，或者甚至数小时)内使用。该频率能够不时地改变(例如，当一个信道变得有噪声时)。码片序列通常会长时间保持不变。在这样的情况下，(已知的)频率信道和码片序列的单个集合或小集合能够用于传输消息，并且传输消息能够指示出当前正在使用或者将要使用什么频率信道跳变和码片序列移位方案。

图4示出了一种实施例的由主节点101发送的每个信标帧402的格式。在本实施例中，所有信标帧源自于一个节点——主节点(网络协调器节点)。信标帧402含有下列字段。字节数(No)字段406指示在消息中的字节数(例如，该第一字节不计算在内)。帧类型(T)字段407指示用于指出本消息为信标帧消息的编号或代码。网络ID字段408包含用于将本网络与使用相同的无线协议的其他网络区分开的唯一ID。信标序列号(BSN)字段409包含对于每一个后续信标帧就加1的计数。新成员接受代码(AC)字段410包含用于指出哪种(哪些)类型的节点且在什么情况下能够连接到网络的代码。

信标帧402还包含“总传输信道数”(TC)字段411、用于每个传输信道的“传输信道编号”(#)字段412、优先访问编号范围——起始编号(优先访问起始或PAS)字段413，以及优先访问编号范围——结束编号(优先访问结束或PAE)字段414。TC字段411指出存在有多少个传输信道。TC字段411指示用于传输消息的DSSS码片组/序列的数量(在DSSS协议中)和/或用于传输消息的频率信道的数量(在FHSS协议中)。信道编号字段412指出网络中的哪些信道表示传输信道。例如，在频率跳变方案中，如果存在用于传输消息的三个频率信道，则字段412将包含用于识别这三个传输信道的三个数字。如果在DSSS方案中存在三个DSSS传输信道码片组，则字段412将包含用于识别这三个DSSS码片序列的三个数字。优先访问编号给出了由主节点101给每个中继器节点103分配的唯一编号。PAS字段413和PAE字段414表示被授权使用与本信标帧关联的活动的通信信道的优先访问编号的范围。例如，当信标帧包含分别为10和20的PAS和PAE值时，这指示出分配了在10和20之间的优先访问编号的中继器节点或终端节点被授权在紧随信标帧之后的超帧的时隙内传输消息。具有低于10或超过20的优先访问编号的中继器节点或终端节点将不被授权在当前信标帧之后传输消息。这给主节点提供了每次一块(one piece at a time)地与大网络通信的方法，从而提高网络可管理性并且降低大网络中的高优先级网络段的潜伏。

在其他实施例中，信标帧可以源自于中继器(该情景不应与中继器仅重新传输或“中继”从主节点收听到的信标的情景混淆)。其中中继器简单地重新传输主节点的信标帧的简单情形能够用来将网络物理扩展到其中终端节点不能物理收听到主节点的消息的区域。但是，在中继器能够创建它自己的信标的稍微更复杂的情形中，网络范围和规模能够不仅仅物理地而是按照其他方式来扩展。例如，如果在由特定的中继器节点服务的特定的物理区域内存在通常在一小段时间内为活动的大量终端节点，则中继器可以通过改变PAS和PAE值来减少在该网络区域内的消息流量——也就是，缩窄可以参与由它自己的信标帧支配的任意或全部超帧的优先访问编号的范围。这通过在中继器的网络区域内给其赋予一定量的自主权扩展了网络的能力。在包含源自于中继器节点或者与主节点分离的任何其他节点的信标帧的该实施例和其他实施例中，信标帧可以包含用于识别信标帧的发信者并且允许终端节点将源自于它们自己的中继器的信标帧与来自相邻中继器的信标区分开的RID(中继器ID)字段(在图4中未示出)。

在任何时候，终端节点一般会具有它能够很好地收听到的一个特定的中继器节点(即，来自该中继器的消息的接收信号强度大于来自其他中继器的)。在那时，终端节点能够被看作是将要“通过该具有强信号的中继器”连接到网络。受节点内的固件单独或共同支配的网络操作规则能够被设定，使得终端节点可以每次仅通过一个中继器或者(作为选择)通过其接收信号强度超过某一阈值的任何中继器来应答(即，终端节点具有多个连接点)。

在一种实施例中，当下列条件全都满足时，子节点或终端节点可以给任意父节点或中继器节点(或者经由任何中继器给网络的主节点)发送消息：(1)接收到来自中继器的信标消息；(2)信标消息的信号强度超过阈值；(3)终端节点的优先访问编号处于由信标帧指定的范围内(PAS至PAE)；并且(4)消息使用之前所描述的通用方法经由其特定的一个或多个传输信道在由中继器指定的信道(频率信道和/或DSSS码片序列)上发送。在此应当注意几个实现方式的选项。首先，终端节点有可能将为当前为或最近具有到网络的连接的若干中继器中的每个中继器保持分离且独特的优先访问编号。其次，在节点休眠了很长时间(可能为数天)并且网络中的总节点数很大(数万或数十万)的情形中，本文的实施例可以实现这样的算法：节点在更宽的或更窄的范围(该范围可能是终端节点的类型的函数)内随机地选择它自己的优先访问编号的，而不是在加入网络或者于长时间休眠之后重新获取到网络时被分配优先访问编号。

在其中全部信标帧都源自于主节点的最简单的实施例中，主节点101支持/定义用于表示仅用来将频率跳变/DSSS码片组切换和安全参数传递给中继器节点和终端节点103和105及非网络节点107的专用信道的一个或多个“传输信道”。没有其他的网络管理消息或数据包经由传输信道来传输，因为传输信道被特别指定仅用于传输信息。例如，网络100可以在频率跳变方案中使用50个信道(例如，信道0至49)，这50个信道中的一个信道子集(例如，两个信道(例如，信道48和49))被用作传输信道。

在其中单个中继器能够建立它们自己的一个或多个传输信道的更复杂的实现方式中，那些传输信道一般会不同于主节点的传输信道。能够创建信标帧的每个节点(例如，主节点和/或中继器节点)可以在每个信标及后续的超帧传递消息间隔内使用它自己的传输信道来预先通知下一个通信信道。同样地，这些各自的信标发信节点每个都可以使用它们自己的仅用于传输帧的一个或多个传输信道(尽管其他信标发信节点也可以为正常的超帧消息流量周期性地使用同一信道(无论是频率信道还是DSSS码片序列))。该方案是有效的，部分因为节点可以各自在每个信标帧消息、传输帧消息或常规消息(即，给特定节点发送的消息)之前观察对话前监听(CSMA-CA)过程规则。

在某些实施例中，想要连接到/获取网络并发送消息(例如，给主节点，或者经由主节点给某个外部网络主机)的终端节点能够通过在特定的频率信道和/或使用特定的DSSS码片序列上首先扫描传输帧来这样做。如上所述，在某些实施例中，可能想要的是网络的实施者创建有关哪些信道用于传输信道的特定约定。在所有信标帧都源自于主节点的简单网络中，在频率信道或DSSS码片序列列表的开始或结束处的一个或两个信道可以用作指定的传输信道或序列。

但是，在其中在列表内的许多(或甚至全部)信道正由至少一些信标发信者用来进行传输的更复杂的实现方式中，并且在终端节点正在或者可以物理移动并从而并非所有时候都与同一中继器关联的一般情形中，在从休眠中醒来时，终端节点可能需要扫描一些或全部信道(频率信道和/或DSSS码片序列)，查找具有好/强信号强度的传输帧。当终端节点在扫描期间找到最佳的(或者至少是良好的)信号时，它可以记录下传输帧的发信者的节点ID。在那时，凭借特定的传输信道分配约定，终端节点在不被告知的情况下同样可以获悉其他哪些信道正由该特定的信标发信者用作传输信道。作为选择，终端节点可以将一个传输信道用于先前定义的用于给信标发信者发送消息以请求由发信者使用的其他传输信道的规范的过程。作为选择，终端节点可以决定简单地使用这一个传输信道，并且忽略可以由发信者使用的任何其他传输信道。这后一种约定可以导致较长的等待期，因为终端节点在信标发信者每次一个地在其传输信道列表上移动以发送传输消息时于已知的传输信道上坐等传输帧到来。

可任选地，信标帧可以增加附加的字段，用于指示将由该信标的发送者使用的下一个传输信道(在图4中未示出)。这不仅将使扫描终端节点能够在已经找到仅仅一个传输信道之后为给定的信标发信者找到全部传输信道，而且与其他可能情况相比，还允许终端节点更迅速地找到强的中继器信号。这是因为：在以上所述的原始方案下，终端节点将仅扫描传输信道(例如，频率传输信道和/或DSSS码片序列传输信道)。在这种可选的情形中，终端节点能够扫描在多个传输信道内的传输帧或者信标帧。一旦终端节点找到了在一个传输信道内的传输帧或者信标帧，它就能够跟踪发信节点的频率或DSSS码片序列跳变。传输帧指出下一个信标帧的信道，而每个信标帧指出下一个传输帧的信道。

在网络操作中，在图2中的206-216处，节点101、103、105经由一个频率信道和/或使用一个DSSS码片组/序列通信一小段时间，称为“信道停歇时间”。例如，信道停歇时间可以高达0.2秒或略长，并从而让网络100在经由48个通信信道(0至47)的集合的通信间循环可能要耗费大约9.8秒，该信道集合对应于频率信道和/或DSSS码片组信道。在经过了信道停歇时间之后，通信转移(也称为跳变或切换)到另一个信道(即，下一个通信信道)。在208处，正好于每个信道跳变之前，主(网关)节点101在一个传输信道上发送出短消息，称为“传输消息”，该短消息标识了被指定为下一个通信信道的信道。因此，获取到网络的节点103、105定位传输信道(例如，信道48)以便接收传输消息，所以节点103、105可以跳变至下一个指定的通信信道，以保持经由网络进行的通信。

图4示出了根据一种实施例的由主节点101传输的传输帧404的格式。传输帧404含有传输消息信息，所以术语“传输帧”和“传输消息”在此可互换地使用。传输消息404包含用于指示传输消息404的字节数(该第一字节不计算在内)的字节数(No)字段420。帧类型(T)字段421包含用于指出本消息为传输帧消息的编号或代码。网络ID号(ID)字段422包含网络ID用于将该消息与为使用同一无线协议的其他网络而设的消息区分开。通信信道编号(CCN)字段423指示将变为活动的下一个通信信道的编号以及哪些节点应当转移/跳变以保持对网络的获得。

传输/安全代码(SC)字段424包含0到255之间的数字，用于指示哪个频率信道或DSSS码片组跳变序列正被使用，此时正在使用什么安全密钥等等。可任选地，传输帧404在某些实施例中同样可以包含用于标识传输帧的发信者的节点ID的字段。该字段没有在图4中示出。

回到图1，并且假定全部信标帧均源自于主节点的简单实施例为本实例，当中继器节点或终端节点103、105醒来并希望连接到或重新获取网络100时，未获得的节点103、105随机地选择一个传输信道，切换到所选择的传输信道，并且开始监听将由主节点101发送的下一个传输消息404。假定主节点101交替地经由每个传输信道来发送传输消息，则未获得的节点103、105将会收听到下两个传输消息之一(假定存在两个指定的传输信道)。例如，对于在信标跳变(CH)时间(T)期间监听传输信道的未获得的节点103、105，非连接的节点103、105将会在CH时间T+1处收听到传输消息。传输消息404通知已获得的和未获得的中继器节点和终端节点103、105关于网络100在下一个信道跳变时间间隔内将会跳变(切换)到的下一个通信信道，以便继续经由网络100发送并接收消息(保持为获得的)。

返回参照图2，在206处，在新的(最近醒来的)未获得的中继器节点或终端节点103、105接收到并处理了传输消息404之后，中继器节点或终端节点103、105跳至所指定的即将到来的活动通信信道，并且等待信标帧402由主节点101经由新指定的通信信道来传输。在212处，主节点开始经由指定的通信信道(在传输消息404中指示的)按照预定的间隔来发送信标帧402。在每个信标帧402发送之后，接着在214处，未获得的中继器节点或终端节点103、105能够通过在信标帧402之间的可用时隙内接收并发送数据和消息来获取网络。

在信标发信者与信标用户节点之间的全部通信发生于步骤214中，同时检查/等待该消息互换时间段的结束(步骤216)。应当注意，传输消息方法提供可变的时间量用于发送消息。如果发信节点需要少量额外的时间来结束对给定的终端节点的消息传递，则能够耗费该时间并且对于在下一个传输信道上的下一个传输帧只是稍稍迟点。该系统不会“中断”，即使该情况发生并且耗费了额外的时间，因为等待的节点只是稍微多等一会。

作为一个实例，网络可以使用与在具有从每个信标帧开始的超帧的802.15.4网络中使用的方案类似的介质访问控制方案。专用网络协调器(主节点101)通过按照预定的间隔(例如，间隔短至15ms或长达245s)发送信标帧来管理在超帧内的传输。超帧可以被分时隙，并且节点可以在发送之前于任何时候使用CSMA-CA，除非该节点正处于它独自拥有的保证时隙内。在两个信标之间的时间被划分成相等的时隙，独立于超帧的持续时间。时隙被划分成争用访问时段(CAP)和无争用时段(CFP)。保证时隙(GTS)被连接成由特定节点独自拥有的无争用时隙。在上述实例中，在206处发送的传输消息标识了与下一个超帧关联的通信信道。未获得的终端节点切换并监听在传输消息中标识的通信信道，并且在紧随信标帧之后的超帧内的适当时隙中发送消息。

在一种实施例中，两个传输信道被使用。假定FCC Part 15-29A的规则规定网络在频率跳变时不应比其他信道更偏向某个信道，则两个传输信道在FHSS方案中会是可取的。由于主节点101在每个信道跳变之间只用一个传输信道，因而主节点101对每个传输信道使用一段相对较短的时间，由此使这50个信道的总停歇时间平均达近似相同的值。在多个节点可以发出信标帧并且每个这样的发信节点均基于某种适当的算法分配了或采用了用作其传输信道的信道集的更一般及更复杂的实施例中，应当注意，用于每个发信节点的传输的信道数能够被选择，使得调控要求得以满足。

在某些网络配置中，一个传输信道在频率跳变方案中可以不提供足够的停歇时间。例如，在9.8秒的时段内，前49个信道将每个被使用0.2秒。在该9.8秒的时段内，当存在单个传输信道时，传输信道将被使用49次，并且从而传输消息的信道停歇时间可以不超过0.2/49＝0.004秒或者仅为4毫秒。在9.6kbps(也就是，9600位/秒)的数据速率下，主节点101能够在4毫秒的信道停歇限制内发送略少于5个字节，所以如果单个传输信道被使用，则单个传输信道不会提供足够的时间来允许整个传输消息(长6个字节)的传输。但是，当网络使用两个传输信道而不是一个传输信道时，网络将会在9.8秒内平均使用这两个传输信道中的每个传输信道24.5次，所以在传输信道中的所允许的停歇时间为0.2/24.8＝8毫秒，该停歇时间对于以1.2字节/毫秒来发送6个字节是足够的时间。

但是，如果前述约束不存在，则可以使用单个传输信道，或者可任选地可以使用超过两个的传输信道。同样地，该频率跳变方案可以由DSSS码片序列切换方案所代替或增强，如上所述，在DSSS码片序列切换方案中某些DSSS码片序列专用于传输帧。

注意，如果通道信道数量改变，则上述计算在频率跳变情形中可以针对调控顺应性进行改变。例如，在频率跳变中可以使用25个通信信道，而不是50个信道(这在某些情况下实际为FCC Part 15-29A的情形)。当使用25个通信信道时，则单个传输信道会是足够的。

在上述实例中，传输信道可以在网络被创建时被设定(在202处)。但是，传输信道有时会经历到不适当的噪声。例如，并不能确定在信道集中的最后两个信道将总是无过量环境(EM)噪声的。相反，主节点101可以通过例如监测信号质量来确定某些信道是否正受到不适当的噪声。当传输信道受到不适当的噪声时，主节点101识别出噪声并且确定该传输信道应当被改变，以便使协议变得更稳健且适用性更广泛。因此，由主节点101在每个信道跳变开始时发送的信标帧402将会包含关于有多少通信/传输信道被使用以及哪些信道正用于信道传输的信息。还应当注意，在并非所有信标帧都源自于主节点的情形中，主节点可以在该发信节点能够开始发送信标帧之前允许新的发信节点。同样地，发信节点可以从主节点处接收用于传输信道使用的特定信道分配，该信道分配作为发信节点调试或重新调试及可持续管理过程的一部分。作为选择，主节点可以指定从算法或准则集选项的集合中选出的特定的算法或准则集作为该调试和管理过程的一部分，该算法或准则可以由新的发信节点自己用来选择它自己的一个或多个传输信道。

可任选地，为了遵守调控要求或安全要求，特定的实现方式可以指定可由全部已获得的及未获得的节点访问的算法或外部的密钥或指标，该密钥或指标能够用于具有其他ID字段和参数的算法或“哈希”计算中，以为特定的发信节点确定一个或多个传输信道(包括频率传输信道和/或DSSS传输码片序列)，并且该一个或多个传输信道可以针对给定的发信节点不时地改变，这受算法或哈希及其输入参数所支配。例如，连同网络ID和网络硬件专用的安全密钥一起的网络时间戳(与可用于休眠节点的小功率RC型时钟结合)可以由新醒来的终端节点使用，以预期给定的发信节点的一个或多个传输信道，尤其是在新醒来的终端节点在特定的发信节点方面具有某些历史(例如，在某个时间点已知什么传输信道集正由该发信节点使用)的情况下。这种对变动的传输信道分配的允许使得一般的信道使用在网络外部的设备看起来更随机，提高了安全性，并且使调控顺应性变得更可行。

当终端节点或中继器节点103、105醒来或首次启动时，新的(未获得的)中继器节点或终端节点103、105能够对包括频率信道和/或DSSS码片组在内的全部信道进行全面的网络搜索(全面的网络扫描)。但是，凭借在信标帧内的信息，新的中继器节点或终端节点103、105不需要扫描全部信道，但相反地能够基于在传输消息404和信标帧402内的信息来确定如何加入给定的网络。一旦新启动的但未获得的中继器节点或终端节点103、105知道了传输信道，新的中继器节点或终端节点103、105就不再需要进行全面的网络扫描，并且能够迅速地使用传输信道来获悉哪个通信信道是适当的信道，不会在长时间的信道搜索上浪费能量。

图5示出了可以类似地应用于频率信道跳变方案和DSSS码片组定义的信道切换方案的用于管理节点的连接的示例性过程。在这种情况下，例如只允许主节点发送信标帧。主节点501创建具有通信信道(CC)520-523和传输信道(TC)530、531的网络。可以存在按照(伪)随机的顺序访问的多个通信信道，例如，通常数量高达50个，但是在图中仅示出标记为520、521、522和523的前三个和最后一个(信道号7、34、18，且最后为23)。在图5的顶部的行示出了每个信道的时间线，时间从左到右增加。如果该图被扩大到示出全部50个信道，则每个信道将示出它自己的具有唯一的时间位置以及在连续的信标帧之间的均匀时间间隔的信标帧标记。注意，刚好在每个信标帧于一个常规的通信信道(520-523)上的传输之前，传输帧544在两个传输信道(530、531)之一上发送。

如前所述，每个传输帧544给出了下一个通信信道的信道编号。网络包含主节点、中继器节点和终端节点501、503、505。信标帧542还给出了优先访问编号范围(PA编号范围)的起始编号和结束编号(PAS和PAE)的值。PA编号范围由于以下原因而为有用的。当节点503、505(中继器节点或结束节点)连接到网络时，分配给中继器节点或终端节点503、505的编号之一是“父节点”的ID编号(网络地址)。如果终端节点505经由附近的中继器节点503连接到网络，则父节点一般将为该中继器节点503。有时终端节点505在加入网络时将会直接连接到主节点501。不管怎样，在终端节点505加入网络时，新的节点505将会连同父节点的节点ID一起接收PA编号。在一种实施例中，终端节点的PA编号可以与父节点的PA编号相同。随着每个中继器节点503通过连接到主节点501来加入网络，主节点501对每个中继器节点503赋以不同的PA编号。然后，当终端节点505开始经由附近的中继器节点503连接到网络时，每个终端节点505继承其父节点的PA编号。

例如，在图5中，三个中继器节点503(节点RA、RB和RC)可以加入由主节点501新创建的网络。随着这三个中继器节点503加入，主节点501给每个中继器节点分配PA编号535A-535C(例如，分别为10、20和30)。然后假定九个终端节点505启动并加入网络。这些新的终端节点505的前四个(1-4)经由中继器节点RA加入，并且因此接收PA编号10。下两个(5-6)节点505使用中继器节点RB加入，并且接收PA编号20。最后三个(7-9)终端节点505使用最后的中继器RC来加入网络，并从而接收PA编号30。每个PA编号起着子网络标识符的作用，并且每个中继器节点503表示相应子网络的头(网关)。这些中继器503并不是真正的协调器节点，因为如果来自主节点的信标帧到来，则每个中继器可能仅(在本实施例中)中继来自主节点的信标帧(关于该中继的细节出于简单起见而被从图5中删除)。但是，在以上所描述的更复杂的实施例中，能够对每个信标赋以按照它自己的(伪)随机频率信道跳变或DSSS码片组切换序列经由通信信道来生成它自己的信标帧的权利，利用它自己的传输信道集来预先宣告每个频率跳变，如同以上所描述的。图5所示的理念对于简单的情形能够通过类比于更复杂的情形来扩展。

PA编号的一种用途如下。当主节点501发出信标帧542时，信标帧542包含PA编号的范围的起始值和结束值(PAS和PAE)。在与信标帧542关联的间隔(直到0.2秒长的信道停歇时间结束时的时间段)内，只有具有在所传输的范围之内的PA编号的那些中继器节点503A-503C具有中继信标帧的权限，并从而允许终端节点505在它们各自的子网络之内的传输。例如，在一个信标帧542A期间，主节点501将会包含与RA中继器节点503A关联的PA编号范围535A。只有RA中继器节点503A中继该信标帧542A，并且只有终端节点505A在信标帧542A之后经由信道520来传输消息。在下一个信标帧542B期间，包含了PA编号范围535B，并从而中继器节点和终端节点503B和505B相应地作出应答。PA编号的上述用法在网络变得很大的情况下是有用的，并且允许全部节点在任一时刻都可以访问同一信标帧是不实际的。同样地，PA编号的另一种效用是允许主节点针对在并非网络中的全部节点都能够收听到来自所有其他节点的全部消息时防止消息重叠方面来管理网络。

例如，当具有四个中继器节点(北、南、东和西)的且主节点位于中心的大的及物理分布的网络被使用时，北部中继器的终端节点全部都能够相互收听到，并且能够收听到它们的中继器。类似地，南部中继器的终端节点全部都能够相互收听到，并且还能够收听到它们的中继器。并且对于东部和西部中继器以此类推。在每个子网络都含有大量的节点和/或存在大量的网络事件(在一段时间内有大量的消息)的情形中，来自不能相互收听到的两个不同的子网络的两个终端节点两者都将试图同时发送消息的可能性将会增大。要避免这种潜在的消息冲突，主节点能够通过在每个信标帧中使用PA编号范围来在任何时候限制这两个子网络中的哪个子网络是活动的。

可任选地，该方法可以给每个中继器(每个子网络)分配它自己的网络专用信道跳变/切换顺序。全部中继器仍然在相同的信道集上与主节点通信，具有相同的传输信道方案(不管传输信道方案使用的是FHSS技术还是DSSS技术)。但是，当活动的中继器回过头与其终端节点交谈时，活动的中继器能够在不同的传输信道集上这样做并且在常规的通信信道当中使用不同的顺序来跳变。这在网络中的节点数变得非常大时变得非常有用。例如，在一种情形中，可以存在30个中继器(以及30个各自的子网络)，在子网络的集合中有总数为数千个的终端节点，并且主节点可以给每个中继器分配PA编号，使得在任何给定的时刻，只有这30个子网络中的5-10个是活动的，并且在那些活动的子网络中没有两个同时正在使用相同的频率信道或DSSS码片序列跳变顺序。这创建了“串-并联”布局，在该“串-并联”布局中，在每个0.2秒的信道停歇开始时，全部中继器跳至同一信道(频率信道或DSSS码片组)以与主节点通信(Rx和Tx)(循环的“串联”部分)。然后，当每个中继器完成了其与主节点间的业务时，它使用它自己的信道顺序和传输信道分配来跳至它自己的子网络以与它自己的终端节点交谈。因为频率信道或DSSS码片序列的各个集合在子网络当中是相互正交的，所以该子网络通信能够全部同时发生(循环的“并联”部分)。

图6示出了根据一种可替换的实施例所实现的用于管理网络通信的方法。该方法可以按照FHSS和/或DSSS信道跳变方案来使用。在602处开始，主节点经由与层1和层2的节点之间的通信关联的传输信道(以下称为T1-2传输信道或T1-2TC)来发送传输消息。传输消息指定主节点将要用以发送后续的信标帧的通信信道。主节点所遵循的跳变方案对应于层1-层2通信信道跳变方案和传输信道管理方案。如同以下所解释的，主节点经由分离的且与中继器节点随后用以与终端节点通信的传输信道不同的一个或多个传输信道与在第二层内的中继器节点通信。

因此，根据图6的实施例，至少一个层1-层2(T1-2)传输信道与在主节点和中继器节点之间的通信唯一关联。分离且独特的层2-层3(T2-3)传输信道被指定并被保持于中继器节点和终端节点之间。可任选地，多个分离且独特的传输信道可以用于不同的中继器节点。例如，一个中继器节点或一组中继器节点可以使用一个传输信道，而另一个中继器节点或另一组中继器节点使用分离且独特的传输信道。

可任选地，由主节点、中继器节点和终端节点使用的通信信道可以是相同的信道，但是在互不干扰的不同跳变方案中使用。例如，主节点可以发起在通信信道之间的跳变方案，但是遵循第一跳变顺序(T1-2跳变方案)，而中继器节点遵循不同的跳变顺序(称为T2-3跳变方案)。中继器节点管理层2-3的跳变方案，以避免与在T1-2跳变方案中使用的通信信道相互干扰或者同时使用它们。应当注意，一般地，在数量相对较大的中继器节点正在操作并且使用它们自己的跳变序列的情形中，这些跳变序列，不管是频率信道还是DSSS码片组，通常会是相互正交的或者几乎相互正交的。也就是，作为集合看待的跳变序列在任何时候都不会包含多个使用任何给定的信道作为其当前的活动信道的节点。

一旦主节点在602处经由T1-2TC发送了传输消息，主节点接下来就按照T1-2跳变方案经由T1-2通信信道(T1-2CC)来发送信标帧。

在604处，中继器节点，在接收到来自主节点的传输消息之后，经由T2-3传输信道来发送已修改的传输消息，用于指定与T2-3跳变方案关联的当前的T2-3通信信道。由中继器节点传达的传输消息修改来自主节点所传达的传输消息，以避免为当前正由主节点使用的终端节点指定相同的活动通信信道。例如，当主节点在602处发送将信道5指定为T1-2的活动通信信道的信标帧时，中继器节点可以经由T2-3的传输信道来发送已修改的传输消息，将信道10指定为T2-3的活动通信信道，从而使在节点内使用的当前通信信道增加为比由主节点指定的信道数大或小的预定信道数。

在606处，终端节点按照已修改的传输消息并且按照T2-3跳变方案跳至指定的T2-3通信信道。

在608处，中继器节点经由指定的T2-3通信信道来发送T2-3信标帧。在610处，终端节点在接收到来自中继器节点的信标帧之后获得了指定的T2-3通信信道。终端节点然后根据将由相应的终端节点执行的或报告的当前操作将任意消息传输到中继器节点。中继器节点按照紧随相应的信标帧之后的时隙在608处传输的信标帧之后接收来自一个或多个终端节点的一个或多个消息。一旦中继器节点在紧随信标帧之后的时隙内已经接收到来自关联的终端节点的任何消息，则中继器节点在612处将该信息中继到主节点。

在612处，中继器节点将来自与中继器节点连接的终端节点中的一个或多个的任何终端节点消息中继到主节点。消息经由在602处指定的T1-2通信信道中继到主节点。

图6的过程反复操作，使得在主节点传达每个新的传输消息和每个新的信标帧时，中继器节点修改传输消息以指定目前没有被主节点使用的活动的通信信道。通过使用不同的通信信道和分离的传输信道，图6的方法形成了以上所提及的串-并联通信布局。

可任选地，在指派PA范围(起始和结束的PA编号)时，主节点能够对任意两个中继器之间的物理距离予以考虑，并从而使在两个不同的子网络中的两个终端节点在它们偶然试图使用同一信道(频率信道或DSSS码片组)时干扰彼此的消息的影响最小化。也就是，PA编号范围被选择，使得在给定的物理区域内每次只有一个中继器是活动的。图7示出了根据一种实施例形成的DSSS码片序列切换方法或协议。该方法或协议特定于DSSS码片组/序列切换方案，但是可适合于FHSS频率跳变方案。为了创建网络，在702处，主节点101(图1所示)可以在主节点101想要使用的信道集上扫描现有的网络，其中信道由DSSS码片组所定义。作为选择，网络可以根据用于建立基于DSSS的网络的任何常规技术来创建。在确定能够创建新的网络之后，主节点101选择网络ID号。

在704处，主节点101为新的网络选择操作参数。主节点101还定义了一组通信信道码片组以及在网络中仅用于将跳变和安全参数传递给其他节点(例如，图1所示的中继器节点103、终端节点105和/或非网络节点107)的至少一个传输信道码片组。

在706处，子节点监听传输信道码片组。子节点可以是(i)首次尝试加入网络的非连接的节点，(ii)在从休眠中醒来之后尝试重新加入或重新获取网络的已连接的节点，或者(iii)当前获取到网络的节点。子节点可以是终端节点105或中继器节点103，因为两者都是主节点101的子节点。子节点可以知道传输信道码片组，因为节点预先编程有传输信道码片组，传输信道码片组是标准的或可预测的码片组，或者子节点可以被配置用于扫描在监听传输消息的一组可用的码片组。

在708处，父节点使用传输信道码片组来发送传输消息。父节点可以是主节点101和中继器节点103，因为主节点101可以将传输消息发送给中继器节点103，并且中继器节点103可以将传输消息(或者已修改的传输消息，如图所示)转发到终端节点105。对于不知道传输信道码片组的设备，传输消息听起来像伪噪声，并且是不可译的。对于知道传输信道码片组的接收器，传输消息标识了用于定义由主节点101指导的下一个通信信道的码片组。

由于在网络中可以存在多个指定的传输信道码片组，因而子节点在706处可以正在监听在708处没有由父节点用来传输该特定的传输消息的传输信道码片组。因此，在710处，子节点通过监听传输信道码片组来确定它是否已经接收到了传输消息。如果传输消息由父节点使用与子节点正在监听的码片组(例如，信道码片组49)不同的传输信道码片组(例如，信道码片组48)来发送，则子节点尚未接收到传输消息，所以流程返回到706，在706处，子节点继续监听同一传输信道码片组。由子节点监听的传输信道码片组可以是由父节点用来发送传输消息的下一个码片组。如果子节点正在监听父节点用来发送传输消息的同一传输信道码片组，则流程前进到712，因为子节点接收到了传输消息。

一旦子节点接收到传输消息，则在传输帧404内的通信信道编号字段423(在图4中示出)通知子节点有关将要被用来定义下一个通信通道的码片组。在由主节点101于网络参数中指定的时间量之后，子节点可以在712处切换至“下一个”通信信道码片组(现在为当前/活动的通信信道码片组)以将消息传输给主节点101和/或网络中的其他节点。如果子节点是之前尚未获得的，则子节点通过使用该“下一个”/活动的通信信道码片组通信来获取网络。在714处，父节点监听并处理由子节点使用活动的通信信道码片组发送的消息。

在716处，主节点101和/或中继器节点103确定在活动的通信信道上是否已经经过了最大的信道停歇时间。若否，则流程返回712-714，在712-714处子节点继续使用“下一个”/活动的通信信道码片组与父节点通信。如果已经经过了最大的停歇时间，则流程从716前进到706，并且重复该过程。回到706，当前已获得的子节点现在监听含有将用于标识新的下一个通信信道码片组的新的传输消息的传输信道码片组，因为主节点101继续切换指定的通信信道。例如，如果存在两个指定的传输信道码片组(例如，48和49)，则主节点101可以在传输信道码片组之间交替。因此，如果前一个传输信道码片组为48，则在网络中的当前已获得的节点在706处可以被配置用于监听码片组49以保持对网络的获得。

可任选地，主节点101(或中继器节点103)可以使用“下一个”/活动的通信信道码片组来发送信标消息。信标消息可以协调诸如码片组时隙时序以及传输信道的标识之类的参数。

在一种可替换的实施例中，信标消息可以含有用于标识在DSSS信道跳变方案中的下一个通信信道码片组通信信道编号字段(类似于或等同于传输帧404的CCN 423)。在本实施例中，已获得的节点在获取了网络之后可以不需要监听传输信道码片组。因此，在716处，在已经经过了最大的停歇时间之后，用于已获得的节点的流程可以跳过阶段706-710，并直接返回到712，因为节点从之前活动的通信信道码片组直接切换到由使用之前活动的通信信道码片组的信标消息指定的“下一个”/活动的通信信道码片组。

本文所描述的实施例可以应用于各种领域，例如，在其中大量的无线传感器节点被共同地使用于待销售的零售品、商店职员的人身(身体)、工具、资产、固定感测的位置(例如，货架边缘、入口、销售点队列)等上的零售店中。

除了FHSS方案之外或者作为选择，至少还有一种实施例使用了DSSS码片组选择方案，用于随着中继器数量扩大而提供用于提供网络容量的统一串-并联扩展的同样好处的技术效果。

应当理解，上述描述意指为说明性的，而非限制性的。例如，以上所描述的实施例(和/或它们的各个方面)可以彼此结合起来使用。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情形或材料适合于本发明的教导。虽然本文所描述的代码和协议意在定义本发明的参数，但是它们决不是限制性的，而是示例性的实施例。许多别的实施例对于回顾了以上描述的本领域技术人员而言将是明显的。因此，本发明的范围应当连同此类权利要求所授权的等价物的完整范围一起参照所附的权利要求书来确定。在所附的权利要求书中，术语“包括”和“在其中”被用作各自的术语“包含”和“其中”的通俗英语等效形式。而且，在随附的权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅作标签使用，而并非意指对它们的对象强加数字上的要求。此外，随附的权利要求书的限定不是按照方法加功能的格式来写的，并且并非意指基于35U.S.C.§112的第六节来解释的，除非及直至这样的权利要求限定明确使用紧跟有关于没有更多结构的功能的陈述的短语“用于…的手段(means for)”。

Claims (23)

1.一种用于在主节点与多个节点之间提供无线传感器网络的方法，所述节点与传感器关联，所述方法包括：

基于信道跳变方案而定义所述主节点用以与所述节点通信的通信信道；

定义专用于载送由所述主节点广播的传输帧的至少一个传输信道；

通过定位所述至少一个传输信道来监听传输消息而配置尚未为所述网络获得的未获得节点，以便进入连接会话，所述传输消息指示出将变为活动的下一个通信信道；以及

将所述未获得节点切换到所述下一个通信信道。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述未获得节点在所述下一个通信信道上监听信标帧，所述未获得节点将所述信标帧用作时序基准以使所述未获得节点能够获取所述网络。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述信标帧包含下列字段：

a)用于指示存在有多少个传输信道的传输信道总数字段；

b)用于指示在所述网络内的哪些信道表示传输信道的传输信道编号字段；以及

c)用于指示与被授权在同所述信标帧相关的超帧期间经由所述网络来通信的节点关联的优先访问编号的范围的优先访问编号范围。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述传输消息包含用于指示将要变为活动的下一个通信信道的编号的通信信道编号字段。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述信道跳变方案是直接序列扩频DSSS码片组选择方案，由相互正交的DSSS码片组定义的所述通信信道以及所述至少一个传输信道使用单个恒定载波频率。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述主节点使用传输信道码片组来发送所述传输消息，所述传输消息指示下一个通信信道码片组，所述下一个通信信道码片组在所述DSSS码片组选择方案中被指定为在所述网络中的所述下一个通信信道。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括定义至少两个传输信道，所述主节点经由所述传输信道中的每个传输信道交替地发送传输消息。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括当前已为所述网络获得的已获得节点，所述已获得节点通过交替地定位所述传输信道中的每个传输信道来继续所述连接会话，以接收所述传输消息并且切换到每个下一个通信信道以继续与所述网络中的其他节点通信。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述信道跳变方案在所述主节点的指导之下。

10.根据权利要求1所述的方法，其中第一传输信道被定义用于在所述主节点与父节点之间使用，而不同的第二传输信道被定义用于在所述父节点与子节点之间使用。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述传输消息指示与由信标帧发起的下一个超帧关联的所述下一个通信信道。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述定义包括定义在第一层内的主节点、在第二层内的中继器节点，以及在第三层内的终端节点，每个终端节点都与所述中继器节点中的一个关联，所述方法还包括：给在所述第二层内的中继器节点提供优先访问PA编号，促使终端节点继承所述关联的中继器节点的PA编号，并且使用所述PA编号来控制对所述网络的访问。

13.一种无线传感器网络，包括：

主节点，所述主节点被配置用于基于信道跳变方案来定义所述主节点用以与节点通信的通信信道，并且定义专用于载送由所述主节点广播的传输帧的至少一个传输信道，所述主节点被配置用于发送所述传输帧，所述传输帧每个都指示下一个通信信道，所述主节点被配置用于经由所述下一个通信信道来发送信标帧；以及

与传感器关联的未获得节点，所述未获得节点尚未为所述网络获得，所述未获得节点被配置为通过定位所述传输信道来监听所述传输帧而进入连接会话，所述未获得节点被配置为切换至所述下一个通信信道并且监听所述信标帧，所述未获得节点被配置为将所述信标帧用作时序基准以使所述未获得节点能够获取所述网络。

14.根据权利要求13所述的网络，其中所述信标帧包含下列字段：

a)用于指示存在有多少个传输信道的传输信道总数字段；

b)用于指示在所述网络内的哪些信道表示传输信道的传输信道编号字段；以及

c)用于指示与被授权在同所述信标帧相关的超帧期间经由所述网络来通信的节点关联的优先访问编号的范围的优先访问编号范围。

15.根据权利要求12所述的网络，其中所述传输帧包含用于指示将要变为活动的下一个通信信道的编号的通信信道编号字段。

16.根据权利要求12所述的网络，还包括已为所述网络获得的已获得节点，其中所述未获得节点和已获得节点使用所述信标帧来执行无冲突信标调度。

17.根据权利要求12所述的网络，其中所述信道跳变方案是直接序列扩频DSSS码片组选择方案，由相互正交的DSSS码片组定义的所述通信信道以及所述至少一个传输信道使用单个恒定载波频率。

18.根据权利要求17所述的网络，其中所述主节点定义至少两个传输信道码片组，并且经由所述传输信道码片组中的每个传输信道码片组交替地发送传输帧。

19.根据权利要求17所述的网络，其中所述节点被配置用于切换至由所述传输帧内的所述主节点指定的下一个通信信道码片组，并且用于使用所述下一个通信信道码片组来监听由所述主节点发送的信标帧。

20.根据权利要求17所述的网络，其中所述主节点指导所述DSSS码片组选择方案。

21.根据权利要求17所述的网络，其中第一传输信道码片组被定义用于在所述主节点与父节点之间使用，而不同的第二传输信道码片组被定义用于在所述父节点与子节点之间使用。

22.根据权利要求17所述的网络，其中所述传输帧指示与由所述信标帧发起的下一个超帧关联的所述下一个通信信道码片组。

23.根据权利要求12所述的网络，其中所述主节点表示第一层，中继器节点表示第二层，而终端节点表示第三层，每个终端节点都与所述中继器节点中的一个关联，所述主节点通过所述信标帧给在所述第二层内的中继器节点提供优先访问PA编号，所述终端节点继承所述关联的中继器节点的PA编号，所述主节点使用所述PA编号来控制对所述网络的访问。