CN1783823A - 网络系统、无线通信设备、无线通信方法及其计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明用于形成具有传感器节点的网络拓扑结构，其中每个传感器节点具有移动功能并且在自定向和分散状态下操作，而无需位置信息。每个传感器节点周期性地将HELLO消息发送给相邻节点以与其交换信息。在节点密度较高的区域内，将节点设置在扩展状态和桥接状态下。当扩展状态下的节点仅能连接到一个相邻节点时，该节点转变到静止状态以变成拓扑结构的组成部分。桥接状态下的节点与每个具有不少于预定数目的隐藏终端的相邻节点一起转变到静止状态以变成拓扑结构的组成部分。

Description

网络系统、无线通信设备、无线通信方法及其计算机程序

本发明包含与2004年12月2日向日本专利局提交的日本专利申请2004-350335有关的主题，其全部内容在此结合作为参考。

技术领域

本发明涉及一种网络系统、无线通信设备、和无线通信方法、及其计算机程序，用于获取和分配关于真实世界的信息。本发明尤其涉及一种网络系统、无线通信设备、和无线通信方法，用于在包括大量传感器节点的网络上收集每个传感器所获取的数据，其中每个传感器节点具有传感器、处理功能和在较宽的区域中分布的无线通信功能。

更具体地来说，本发明涉及一种网络系统、无线通信设备、无线通信方法及其计算机程序，其中在所述网络系统中，每个都具有移动功能的多个传感器节点通过在自定向(self-directive)和分散(dispersive)状态下操作而形成特别(ad-hoc)网络拓扑结构(topology)。本发明尤其涉及一种网络系统、无线通信设备、无线通信方法及其计算机程序，其中在所述网络系统中，每个都具有移动功能的多个传感器节点通过在自定向状态和分散状态下操作而形成特别网络拓扑结构，而无需使用位置信息。

背景技术

网络是通过通信线路连接多个通信终端而形成的。例如，在通过将计算机彼此相连而形成的计算机网络上，诸如共享使用、分布以及信息的分配等来使用信息资源。最近在有关因特网或宽带网络中的技术开发中，信息和通信系统的使用的方便性已经得到了实质性的提高。此外，随着能够连接到因特网的诸如PDA(个人数字助理)或移动电话等的移动通信设备的分布，能够在任何地方使用并且允许访问全球的无处不在的网络或无处不在的计算引起了社会关注。

在另一方面，一般来说仍然存在几个涉及关于真实世界的信息的获取或分配的尚未解决的问题，诸如关于时常动态变化的环境的信息的获取、或在宽广的区域中的信息的同时获取。为了解决以上问题，现有多个研究活动积极致力于开发传感器网络，以便处理各种关于真实世界的信息。

通过在分散状态下在较宽的区域中分配每个具有传感器、处理功能和无线通信功能的多个传感器节点来创建传感器网络。通过如上所述创建的传感器网络，可以收集每个传感器所获取的数据。每个传感器节点基本上在自定向和分散状态下操作，因此，传感器网络是特别通信系统。例如，通过多跳跃(multi-hop)传输将一个节点所获取的信息传送到远程节点。因此，如果能够形成网络拓扑结构从而通过相同数目的节点来提供较大的通信区域，那么其将是有效的。

此外，由于传感器节点具有移动功能，所以多个传感器节点在自定向和分散状态下形成网络拓扑结构，从而能够提供传感信息给用户。例如，在加利福尼亚大学的伯克利分校所开发的COTS-BOTS(例如参见http：//www-bsac.eecs.berkeley.edu/projects/cotsbots)中，在传感器节点与轮形(wheel-type)机器人相结合的状态下创建传感器节点。

如上所述，如果能够形成网络拓扑结构从而通过相同数目的节点来提供较大的通信区域，那么其将是有效的。因此，在其中每个都具有移动功能的多个节点在自定向状态下操作的传感器网络系统中，提供用于形成动态网络拓扑结构的技术就显得十分重要。

为了创建传感器网络，通常根据以下过程来进行初始设定：

(1)节点的安装

(2)节点间的时间同步

(3)每个节点的位置测量

所述过程中的关键点是在安装了传感器节点之后再进行位置测量。

在无处不在的计算领域里，可利用要求特定基础结构的位置测量技术，该技术称为“基于范围(Range Based)”技术。相反地，传感器网络中所使用的位置测量技术不同于以上技术，并且称为“范围自由(Range Free)”技术。

在自由范围的位置测量技术中，假设一些传感器节点识别其位置信息并且分别作为地标工作，每个节点测量离每个地标的距离。例如，作为地标工作的节点在其中并入诸如GPS(全球定位系统)等的定位设备。通过使用电波的跳跃数或振幅(amplitude)来获得更加精确的位置数据，以便计算离地标的距离，从而其它节点可以计算其位置。需要注意的是完成节点的安装是执行位置测量的前提。

在传感器网络系统中，如果能够形成网络拓扑结构从而通过相同数目的节点来提供较大的通信区域，那么其将是有效的。这里所使用的术语“拓扑结构”是指所有的节点通过诸如多跳跃等的通信过程而能够彼此相连的状态。换而言之，拓扑结构是指单一连接的网络。

将用于形成确保传感器节点之间的连通性的网络拓扑结构的方法主要分类为基于每个传感器节点没有移动的预定位置的静态拓扑结构形成方法、和基于每个传感器节点具有移动功能的移动的动态拓扑结构形成方法。

静态拓扑结构形成方法包括其中传感器节点以高密度分布的方法、和其中传感器节点是人为安装的方法等。

例如，当在诸如高山或树林等的不容许人们轻易进入的区域中执行位置测量时，在目标场中分布传感器(例如，从正在飞行的飞机中散布几万个廉价且微型的传感器节点)，并且将每个传感器用作网络的节点以处理传感数据(参见图14)。通过多跳跃传输经由节点所形成的特别网络来提取由每个分散节点所检测到的传感数据。

由于最尖端的传感器网络之一属于如上所述的类型，所以加利福尼亚大学的巴克利已经提出了“SmartDust”(例如参见 http://www-bsac.eecs.berkley. edu/～warneke/SmartDust/index.html)。在源干“SmartDust”项目的研究和开发趋势中，大部分用于传感器网络的目前正在进行的研究项目都假设一种传感器节点的密度较高的环境。在节点彼此十分接近的环境中，就没必要考虑节点之间的连通性。

但是，用于实际使用的传感器网络的大部分应用并非如上所述，并且在网络中节点的密度都相当低。此外，当在现实社会中真正试图以高密度分布传感器节点时，各种限制不难想象。例如，在具有大量彼此相邻的建筑物和住宅的区域就不可能从正在飞行的飞机中散布传感器节点。而且，即使是设法散布大量的传感器节点，也不可能人工地散布传感器节点。

在大部分目前用于监视环境条件地传感器网络中，传感器节点是人工安装的。这样，就要求通过检查连通性来提供每个传感器节点，从而工作量会非常之大。这种方法在仅有几个节点时是非常适用的，但是在具有几百、几千或更多的传感器的情况下，就不可能人工地来安装传感器节点了。将不容许人们进行轻松访问的区域选定为目标场是不现实的。此外，为了提高拓扑结构的效率，要求整体安装掌握了所述场的拓扑结构特征的传感器节点，而这也是非常困难的。

已经提出了几个涉及在其中静态形成拓扑结构的传感器网络或传感器集合系统的专利申请(例如参见日本专利已公开申请号2004-260526和日本专利已公开申请号2003-4497)。

另一方面，在网络设计的领域中，对于通过使用每个都具有移动功能的节点而动态形成网络拓扑结构的方法仍然没有获得较高的关注，但是在机器人技术领域还有几个研究和开发活动的例子。

在大部分用于动态形成网络拓扑结构的技术中，通常假设无线电波区域相对于传感区域而言要足够大，所以在该技术中最重要的要求就是优化传感区域。连通性就是所谓的用于远程操作中的移动节点的重要交通线(life line)，因此就要求形成一种不仅要考虑传感区域而且还要考虑连接区域的拓扑结构。例如，在传感环境信息等信息中，有时需要获取在某个提供可靠数据的区域中的样本来代替在整个区域中进行取样。

还有一种研究，其涉及在具有高密度的传感器网络中考虑连通性和传感区域而激活哪个节点(例如参见：

“The Coverage Problem in a Wireless Sensor Network”，C.-F.Huang andY.-C.Tseng(In Second Workshop on Sensor Networks and Applications(WSNA)，September 2003)

“Unreliable Sensor Grids：Coverage，Connectivity and Diameter”，Shakkottari S，R.Srikant，and N.Shroff(In Processing of the IEEE Infocom，March 2003)

“Integrated Coverage and Connectivity Configuration in Wireless SensorNetworks”，X.Wang，G.Xing，Z.Zhang，C.Lu，R.Pless，and C.Gill(InProceedings of the ACM Symposium on Networked Embedded Systems(SenSys，03)，November 2003)).

在这些技术中是假设每个节点预先识别其位置信息。如上所述，大部分位置测量技术都是基于以下前提：在已经建立了拓扑结构的状态下使用这些技术，从而这些技术与所建立的拓扑结构的兼容性是相当差的。此外，通过基于可利用位置信息的前提的技术，也很难生成一种保证连通性的拓扑结构。在现实社会中，需要诸如GPS等的昂贵系统来获取具有高准确度的位置信息。而且，存在很多干扰无线电波的物体，并且这样的系统假设了二维空间中的理想环境，所以在三维空间中形成拓扑结构就更加困难了。

换而言之，在静态形成拓扑结构的传感器网络系统中，存在涉及安装传感器节点的问题。相反，在动态形成拓扑结构的情况下，由于系统中使用的每个传感器节点都具有移动功能，所以就有可能克服涉及安装传感器节点的问题，但是仍然存在位置测量的处理问题。这就需要每个传感器节点具有一种用于获取位置信息的设备，诸如GPS，但是这样一来系统的成本就非常高。基于以上所述的原因，我们认为其动态形成网络拓扑结构而不用要求每个具有移动功能的传感器节点具有任何位置信息的方法是更可取的。

发明内容

本发明的目的是提供一种卓越的网络系统、无线通信设备、和无线通信方法、及其计算机程序，能够在较宽的区域中有利地收集具有传感器和传感器节点的网络上的每个传感器所获取的数据，其中每个传感器节点具有在分散状态下所提供的处理功能和无线通信功能。

本发明的另一目的是提供一种卓越的网络系统、无线通信设备、和无线通信方法、及其计算机程序，能够动态并有利地形成具有多个传感器节点的特别网络拓扑结构，其中每个传感器节点具有移动功能并且在自定向和分散状态下操作。

本发明的另一目的是提供一种卓越的网络系统、无线通信设备、和无线通信方法、及其计算机程序，能够形成具有多个传感器节点的网络拓扑结构而不使用位置信息，其中每个传感器节点具有移动功能。

本发明的另一目的是提供一种卓越的网络系统、无线通信设备、和无线通信方法、及其计算机程序，能够有效地形成网络拓扑结构以便提供具有多个传感器节点的较大通信区域，其中每个传感器节点具有移动功能并且在自定向和分散状态下操作。

本发明是用于实现以上所述目的，并且在其第一实施例中提出了一种其中通过多个节点而形成网络拓扑结构的网络系统，其中每个节点具有无线通信功能和移动功能并且在自定向和分散状态下操作，而且在这个网络系统中，每个节点具有在其中节点搜索涉及通过移动功能进行移动的相邻节点的位置信息的第一状态和第二状态、和在其中禁止通过移动功能所进行的移动的第三状态。当满足第一条件时，第一状态转换成第三状态，而当满足不同于第一条件的第二条件时，第二状态转变成第三状态。在网络系统中，每个节点转变到在第一状态与第二状态之间动态切换的第三状态以形成网络拓扑结构。

这里所用的术语“系统”是指逻辑地聚集多个设备(或每个都实现一种特定功能的功能模块)而不管是否是在单个壳体内提供该功能或功能模块的物体(并且“系统”的定义在以下说明中也适用)

本发明中的第一状态为扩展(Expand)状态，其中每个节点移动并搜索该节点可获取与相邻节点的连通性以扩展网络拓扑结构的位置。当扩展状态下的节点能够连接到静止状态下的一个相邻节点时，该节点转变到静止状态。

第二状态为桥接(Bridge)状态，其中每个节点移动并搜索允许与相邻节点连接以连接独立网络拓扑结构的位置。当桥接状态下的节点可以连接到两个或两个以上彼此不相邻并没有任何公共相邻节点的节点时，该桥接状态下的节点转变到静止状态。

第三状态为静止(Stay)状态，其中每个节点停止在当前位置以最后变成网络拓扑结构的组成部分。

当初始化网络拓扑结构时，所有的节点都处于扩展状态。当节点密度超过预定值时，则以预定的概率来生成桥接状态下的节点。

桥接状态下的节点能够开始形成拓扑结构，但是当在远地存在桥接状态的多个节点时，就有可能最后形成多个不连通网络。为了解决这个问题，可以通过引进一种机构以在节点密度较高的区域内生成桥接状态下的节点，从而增加将所有节点连接到一个网络的可能性。

扩展状态与桥接状态之间的状态转变是可逆的。换而言之，每个节点可以在拓扑结构的扩展与拓扑结构间的连接之间动态地切换其功能。这些状态下的每个节点通过随机移动而从一个地方移动到另一个地方，并且搜索通过诸如多跳跃的通信过程而将所有的节点都彼此连接的状态(即，用于形成单个连通网络的位置)，最后进入静止状态。

目前，已经开发出了用于连接各种关于真实世界的信息的传感器网络系统。通过安装多个每个都具有传感器、处理功能和无线通信功能的传感器节点来创建传感器网络。

作为用于形成传感器网络中的拓扑结构的每种方法，存在静态方法和利用了每个节点的移动功能的动态方法。在用于动态地形成拓扑结构的方法中，可以解决涉及安装传感器节点的问题，但是位置测量的处理问题仍然不能得到解决。

相比之下，在根据本发明的传感器网络系统中，每个不使用位置信息的传感器节点移动并与电波覆盖范围内的相邻节点交换信息，从而在拓扑结构的扩展与拓扑结构的连接之间动态地切换其功能。换而言之，所述拓扑结构根据每个具有移动功能的传感器节点的自定向移动来自我扩展，从而可以动态地建立网络移动而无需使用位置信息。

要求每个状态下的节点在形成网络拓扑结构的处理期间识别与相邻节点的连通性。因此，每个节点可以发送包括与所述节点相邻的节点的列表的第一信号，即预定间隔的HELLO消息。这样，每个节点能够通过接收来自相邻节点的HELLO消息来识别相邻的可连接节点，或检测节点密度。

如上所述，根据本发明的传感器网络系统试图最大化用于保持传感器节点之间的连通性的网络拓扑结构。但是，有时性能退化会出现在用于形成网络拓扑结构的基础机构中，例如，以拓扑区域的最大化的观点来看不利且无效的情形，其中扩展状态下的两个单元的节点根据具有强振幅的电波而转变到静止状态，或者对于连通性不利的情形，其中节点由于电波的振幅较弱而转变到静止状态。

为了解决以上所述的两个问题，在本发明中，采用电波的振幅来进行改进。换而言之，每个节点可以获取与通过无线通信单元从中接收具有正常振幅的电波的相邻节点的连通性。更具体地来说，每个节点不能获取从中接收其振幅高于或低于预定振幅的电波的相邻节点的连通性。

本发明在其第二实施例中提出了一种以计算机可读格式描述的计算机程序，从而具有传感器、无线通信功能、和移动功能的无线通信设备可以用作传感器网络上的传感器节点，并且这个程序包括以下步骤：根据用于与所述无线通信功能所获得的相邻节点连接的数据，在第一状态和第二状态之间动态地切换，其中在第一状态和第二状态之中的每个状态，传感器节点通过移动功能移动而搜索用于与相邻节点连接的数据；当满足第一条件时，从第一状态转变成其中禁止通过移动功能进行的移动的第三状态；并且当满足不同于第一条件的第二条件时，从第二状态转变成第三状态。

本发明的第二实施例中的计算机程序是以计算机可读格式来描述的，所以能够在计算机系统中实现预定处理。换而言之，通过在计算机系统中安装本发明的第二实施例中的计算机程序，可以在计算机系统上实现合作功能，然后无线通信设备用作构造传感器网络的传感器节点。通过激活如上所述的多个传感器节点来创建无线网络，可以实现与本发明的第一实施例中的传感器网络系统所提供的作用相同的作用。

通过本发明，可以提供一种卓越的网络系统、无线通信设备、和无线通信方法、及其计算机程序，能够在分散状态下在较宽的区域内有利地收集网络上每个传感器所获取的数据，其中通过提供多个具有传感器、处理功能、和无线通信功能的传感器节点来创建所述网络。

进一步通过本发明，可以提供一种卓越的网络系统、无线通信设备和无线通信方法、及其计算机程序，能够有利地形成具有多个传感器节点的特别网络拓扑结构，其中每个传感器节点具有移动功能并且在自定向和分散状态下操作。

通过本发明，可以提供一种卓越的网络系统、无线通信设备和无线通信方法、及其计算机程序，无需使用位置信息就能够形成具有传感器节点的网络拓扑结构，其中每个传感器节点具有移动功能并且在自定向和分散状态下操作。

通过本发明，可以提供一种卓越的网络系统、无线通信设备和无线通信方法、及其计算机程序，能够通过多个传感器节点有效地形成网络拓扑结构以扩展通信区域，其中每个传感器节点具有移动功能并且在自定向和分散状态下操作。

通过每个都具有移动功能的多个传感器节点来形成根据本发明的传感器网络系统，并且因为如果可以形成网络拓扑结构则会更有效率，从而通过相同数目的节点就可以提供更大的通信区域，所以每个不使用位置信息的传感器节点移动并与电波的覆盖范围内的相邻节点交换信息，并且在拓扑结构的扩展与本地拓扑结构的连接之间动态地切换其功能。根据这个特征，网络拓扑结构结合每个具有移动功能的传感器节点的自定向移动来进行扩展。

通过参考本发明的实施例的详细描述以及以下附图，本发明的其他目的、特征、和优点将会变得清楚。

附图说明

图1是图解示出根据本发明可以用作传感器网络上的传感器节点的设备的构造的视图；

图2是示出传感器节点中操作状态的转变的视图；

图3是示出HELLO消息的构造的例子的视图；

图4是示出节点的操作模式从扩展状态到静止状态的转变的视图；

图5是示出节点的操作模式从桥接状态到静止状态的转变的视图；

图6是示出节点所执行的用于发送HELLO消息和转变状态的处理顺序的流程图；

图7是示出扩展状态下的传感器节点所执行的用于确定状态的处理顺序的流程图；

图8是示出桥接状态下的传感器节点所执行的用于确定状态的处理顺序的流程图；

图9是示出在节点接收到来自相邻节点的HELLO消息时节点所执行的处理顺序的流程图；

图10是示出扩展状态或桥接状态下节点所执行的用于通过移动功能进行随机移动的处理顺序的流程图；

图11是图解说明在网络拓扑结构的基础机构中用于扩展拓扑结构的性能已经退化的情形的视图；

图12是图解说明在网络拓扑结构的基础机构中用于扩展拓扑结构的性能已经退化的情形的视图；

图13是图解说明通过基于电波的振幅与距离之间的关系的数学模型获取电波的最佳振幅的方法的视图；以及

图14是示出通过从正在飞行的飞机上散布几万个廉价且微型的传感器节点来形成传感器网络的情形的视图。

具体实施方式

以下参照附图详细描述本发明的实施例。

本发明涉及一种通过在较宽的区域内分布多个传感器节点而在网络系统上建立的用于收集每个传感器所获取的数据的传感器网络系统，其中每个传感器节点具有传感器、处理功能、和无线通信功能；尤其涉及一种用于无需使用位置信息而动态形成具有多个每个都具有移动功能的传感器节点的网络拓扑结构的方法。

图1图解示出了根据本发明能够用作传感器网络上的传感器节点的设备。这个附图中所示的传感器节点10包括传感器11、处理单元12、无线通信功能单元13、和移动功能单元14。

传感器11包括温度传感器或其它用于取样各种环境信息的测量仪器。

处理单元12包括处理器和存储器，并且通过执行预定程序的处理器来提供对设备的整个操作的总控制。

无线通信功能单元13根据IEEE 802.11、蓝牙通信、或任何其他的通信协议来执行与其他传感器节点的无线通信。在该实施例中，无线通信功能单元13通过在自定向和分散状态下操作而形成特别网络，但是不用说也能想象出其中将特定传感器节点设置成控制站或访问点以建立网络的其它应用。此外，在不干扰移动功能单元14的移动操作的范围内，不仅可以采用无线通信，也可以采用有线通信。

移动功能单元14包括诸如转轮或可动支脚等的机构。移动功能单元14根据处理单元12的控制，执行诸如随机移动等的工作。移动功能单元14可以具有诸如在移动工作期间防止碰撞或稳定姿势的功能，但是这些功能并没有直接涉及本发明的实质，所以在此省略对其的描述。

图2示出了传感器节点中的操作状态的转变。如该附图所示，在每个传感器节点中定义了“扩展”、“桥接”和“静止”三种状态。每个不使用位置信息的传感器节点移动并与电波覆盖范围内的相邻节点交换信息，然后在拓扑结构的扩展与本地拓扑结构的连接之间动态地切换其角色。根据这个特征，拓扑结构结合每个具有移动功能的传感器节点的自定向移动来进行扩展。

节点在扩展状态和桥接状态下都可以通过移动功能进行移动。对于移动方法没有特别的限制，但是在这个实施例的描述中，假设每个节点进行自由改变移动方向的随机移动。扩展状态下的节点具有扩展拓扑结构作为核心的角色功能。桥接状态下的节点具有形成拓扑结构作为核心的角色功能。在以高密度提供节点的区域中，例如可以根据预定比例将节点设置成扩展状态和桥接状态，并且根据节点的合作操作来执行拓扑结构的扩展和本地拓扑结构的连接。

与此相反，静止状态下的节点是网络拓扑结构的组成部分，并且不移动。

每个节点在扩展状态下开始操作。然后，在节点以高密度出现的区域里，根据预定比例将节点设置成扩展和桥接状态，并且通过以合作模式操作的节点来执行拓扑结构的扩展和本地拓扑结构的连接。然后，节点最终分别转变成静止状态，从而逐步形成网络拓扑结构。

此外，每个节点通过发送一种称为HELLO消息的报告信号来与相邻节点交换信息。例如，节点引导圈计时器(round timer)，并且周期性地执行消息交换。图3示出了HELLO消息的构造的例子。在该图所示的例子中，HELLO消息描述了相邻节点信息，该相邻节点信息包括用于识别节点本身的节点ID、用于表示节点的当前状态的状态、和相邻节点(其可以接收HELLO消息)的节点ID列表。每个节点可以通过发送HELLO消息与相邻节点交换信息。

通过使用从相邻节点接收的HELLO消息中所描述的信息，每个节点确定是否应该转换节点的操作状态。更具体地来说，每个节点根据HELLO消息计算节点自己目前出现的区域中的密度。在节点以高密度出现的区域中，根据特定比例将节点设置成扩展状态或桥接状态，并且通过以合作状态操作的节点来执行拓扑结构的扩展和本地拓扑结构的连接。

扩展状态下的节点具有扩展拓扑结构的作用，而桥接状态下的节点具有形成拓扑结构的作用。然后，扩展状态和桥接状态下的节点响应预定事件的发生而逐步地转变成静止状态以停止随机移动，从而将节点并入到网络拓扑结构中。例如，当扩展状态下的节点仅连接到一个静止状态下的相邻节点时，该节点转变到静止状态，从而变成拓扑结构的组成部分。桥接状态下的节点不是根据与相邻节点的关系，而是与没有公共相邻节点(或分别具有隐藏终端)的相邻节点一起转变到静止状态，从而变成拓扑结构的组成部分。

如上所述，每个节点在拓扑结构的扩展与本地拓扑结构的连接之间动态切换角色，因此所有的节点最后转换成静止节点，从而形成网络拓扑结构。

以下描述传感器节点的状态转变。

从扩展状态到静止状态的状态转变：

扩展状态下的节点具有连接到另一静止状态下的节点以扩展拓扑结构的功能。从扩展状态转变到静止状态的一个条件就是该节点仅连接到一个静止状态下的相邻节点。更具体地来说，该条件就是该节点在一圈(即，发送HELLO消息的一个周期)内从一个静止状态下的节点接收到HELLO消息。

图4示出了节点从扩展状态到静止状态的状态转变。在该图所示的情况下，静止状态下的节点在从该节点发射出的电波的覆盖范围内，每圈发送一次HELLO消息。另一方面，扩展状态下的节点通过随机移动在一个方向上移动，并且在以下描述中假设扩展状态下的节点进入了静止状态下的节点的覆盖范围，并且接收HELLO消息。扩展状态下的节点分析HELLO消息的内容，并且检测静止状态下的相邻节点的节点ID。当扩展状态下的节点在一圈内没有接收到仅来自扩展状态下的节点的HELLO消息时，扩展状态下的节点停止随机移动，并且转换到静止状态以成为网络拓扑结构的组成部分。

当节点从扩展状态转变成静止状态时，节点马上停止移动，并且将Freeze消息发送给已发送过HELLO消息的静止状态下的节点。已经接收到Freeze消息的静止状态下的节点必须发送Freeze-ACK消息。当扩展状态下的节点接收到Freeze-ACK消息时，节点转变到静止状态。在下文中详细描述了状态转变的操作顺序。

从桥接状态到静止状态的状态转变：

当桥接状态下的节点从两个或两个以上彼此独立的节点接收到HELLO消息时，该节点转变到静止状态。

“彼此独立的节点”的表述是指所述节点彼此不相邻并且没有任何的公共相邻节点。换而言之，所述节点在两个跳跃之内并未通过其他节点而彼此相连。可以根据从相邻节点发送的HELLO消息中所包含的相邻节点列表来确定所述节点是否具有如上所述的关系。

图5图解了桥接状态下的节点转变到静止状态的情形。在该图所示的情况下，彼此独立的两个节点A和B(不考虑节点的状态)在每圈分别发送一次HELLO消息。另一方面，桥接状态下的节点C通过随机移动在任一方向上移动，并且在以下描述中假设节点C进入了两个节点A和B的覆盖范围，并且接收来自两个节点A和B的HELLO消息。接下来，桥接状态下的节点C分析HELLO消息，获得相邻节点A和B的节点ID以及与该两个节点相邻的节点的列表，然后检测该两个节点彼此不相邻且没有任何公共相邻节点，即，该两个节点彼此独立。如也从该图中所了解的，通过桥接状态的节点C作为桥梁将彼此独立的节点A和B的终端彼此隐藏。然后，桥接状态下的节点C停止随机移动，并且与彼此独立的相邻节点A和B一起转变到静止状态，从而变成网络拓扑结构的组成部分。

当桥接状态下的节点从两个或两个以上彼此独立且不考虑每个节点的状态的节点接收到HELLO消息时，桥接状态下的节点停止移动，并且将Freeze消息发送给与以上节点相邻的每个节点。当桥接状态下的节点接收到来自两个或两个以上节点的Freeze-ACK消息时，桥接状态下的节点转变到静止状态。此外，当除了静止状态之外的状态下的节点接收到Freeze消息时，该节点转变到静止状态。在下文中详细描述了状态转变的操作顺序。

由于不处于静止状态下的节点是移动的，所以并非始终响应Freeze消息而返回Freeze-ACK消息。当仅从一个节点返回Freeze-ACK消息时(或当并没有从任何一个节点返回Freeze-ACK消息时)，如图5右侧所示，这意味着还未建立双跳跃连接。当没有返回任何Freeze-ACK消息时，桥接状态下的节点发送Freeze-Cancel消息来取消已经响应Freeze消息而转变到静止状态的节点所进行的处理，并且该节点自己返回到桥接状态并继续随机移动。当接收到Freeze-Cancel消息时，该节点取消到静止状态的转变，并且返回先前状态(扩展状态或桥接状态)。

扩展状态与桥接状态之间的相互状态转变：

当初始化传感器网络时，所有的节点都处于扩展状态。当没有处于静止状态的节点时，扩展状态下的节点决不转变到静止状态，因此，该节点永无止境地继续移动。为了防止出现如上所述的情况，根据预定条件发生从扩展状态到静止状态以及相反方向的状态转变。

桥接状态下的节点可以开始形成拓扑结构。因此，仅对于每个处于桥接状态下的节点，当在远地分别出现这些节点时，可能最终形成多个小块的网络。为了克服这个问题，在这个实施例中，通过引入一种在其节点密度高于预定等级的区域中生成桥接状态下的节点的机构，所有节点连接到网络的可能性(即，形成单一连通网路的可能性)就会增加。

更具体地来说，每个节点利用从相邻节点接收到的HELLO消息中所描述的信息来计算相邻节点的数目。然后，该节点计算该数目的加权平均值，从而以该计算值保存节点密度。当该值高于预定值时，即当节点持续地在具有高节点密度的区域中移动时，节点根据预定概率转变到桥接状态。以下通过模拟程序代码的格式来展示计算节点密度以及根据计算结果在扩展状态与桥接状态之间动态切换节点状态的操作顺序。在以下描述中，n(t)是指在第t圈中HELLO消息要被发送到的相邻节点的数目。Dens(t)是指在第t圈中所检测到的节点密度，其是通过前一个节点密度和当前相邻节点的数目而计算出来的。例如，可以应用节点密度的计算表达式：dens(t)＝βdens(t-1)+(1-β)n(t)。(注意：β大于0而小于1(0＜β＜1)，并且建议值为0.8)。

ρ＝random()//0＜ρ＜1

如果(dens(t＞K)&&(ρ＜1/n(t)){//K：静态值，recom.4将状态设定为“桥接”}否则{将状态设定为“扩展”}

图6以流程图的形式示出了节点所执行的发送HELLO消息和执行状态转变的处理顺序。在此假设每个节点使用以下参数来管理全局(global)信息和每个相邻节点的信息。

全局信息：

状态                     //节点状态

相邻节点[n]             //相邻节点列表

密度                    //相邻节点的平均数

每个相邻节点的信息：

nbor.state             //节点状态

nbor.neighbor[n]       //相邻节点列表

nbor.tstamp            //时间更新

当圈计时器设定的时间用完时(步骤S1)，首先执行静止状态的确定的处理(步骤S2)。

当在步骤S2中确定了传感器节点不处于静止状态(步骤S3)时，通过计算从相邻节点所接收的HELLO消息之和来计算当前节点密度dens(t)(步骤S4)，并且还生成随机数ρ(步骤S5)。当节点密度dens(t)小于预定值K(步骤S6)时，将传感器节点保持处于在初始化中形成的扩展状态(步骤S7)。

另一方面，当节点密度dens(t)高于预定值K(步骤S6)时，根据由随机数ρ而获得的概率在扩展状态与桥接状态之间动态地切换该传感器节点(步骤8)。

当传感器节点处于静止状态时，或在步骤S7或步骤S8中确定了状态之后，则在时间超过圈计时器所设定的时间时删除仍未更新的相邻节点列表(步骤S9)。

然后，节点生成包括其节点ID、确定或判定的节点状态、和相邻节点的列表的HELLO消息，并且将该数据存储到发送缓冲器中一次(在步骤S10中)，然后以广播模式发送HELLO消息(步骤S11)。

接下来，处理顺序返回至步骤S1，并且每当圈计时器设定的时间用完时就开始以上所述的处理顺序。

图7以流程图的形式示出了扩展状态下的传感器节点执行的在图6所示的步骤S2中确定节点状态的处理顺序。如上所述，当扩展状态下的感器节点连接到一个静止状态下的相邻节点时，该节点转变到静止状态。

首先，传感器节点对从相邻节点接收的HELLO消息计数，以检查静止状态下的相邻节点的数目(步骤S21)。

当静止状态下的相邻节点的数目不是1时(步骤S22)，处理顺序返回至先前步骤(步骤S28)，并且不执行状态的任何转变。

另一方面，当静止状态下的相邻节点的数目为1时(步骤S22)，传感器节点发送Freeze消息给相邻节点(步骤S23)，并且设定Freeze消息计时器(步骤S24)。

在这个步骤中，如果传感器节点能在Freeze消息计时器设定的时间用完之前接收到Freeze-ACK消息(步骤S25)，则传感器节点将其状态设定为静止状态(步骤S27)。

同时，如果传感器节点在Freeze消息计时器设定的时间用完之前没有接收到Freeze-ACK消息(步骤S26)，则处理顺序返回到先前步骤(步骤S28)，并且不执行状态的转变。

图8以流程图的形式示出了桥接状态下的传感器节点执行的在图6的步骤S2中确定状态的处理顺序。如上所述，在传感器节点能够连接到两个或两个以上彼此不相邻且没有任何公共相邻节点的节点的条件下，桥接状态下的传感器节点转变到静止状态。

首先，传感器节点对没有在相邻节点列表中包括的公共节点的每个相邻节点的数目(即，彼此独立的相邻节点的数目)计数(步骤S31)。

在这个步骤中，当相邻节点的数目少于2时，处理顺序返回至先前步骤(步骤S39)，并且不执行状态的转变。

另一方面，当彼此独立的相邻节点的数目不少于2时(步骤S32)，传感器节点将Freeze消息发送到这些相邻节点(步骤S33)，并且设定Freeze消息计时器(步骤S34)。

这里，如果传感器节点能在Freeze消息计时器设定的时间用完之前接收到从传感器节点已向其发送了Freeze消息计时器的每个相邻节点来的Freeze-ACK消息(步骤S35)，则传感器节点将其状态设定为静止状态(步骤S37)。

同时，如果传感器节点在Freeze消息计时器设定的时间用完之前不能接收到从传感器节点已向其发送了Freeze消息计时器的每个相邻节点来的Freeze-ACK消息(步骤S36)，则传感器节点自己取消其静止状态的转变，并且还重新发送Freeze-Cancel消息给相邻节点(步骤S38)。然后，处理顺序返回至先前步骤(步骤S39)，并且不执行状态的转变。

图9以流程图的形式示出了当传感器节点接收到来自相邻节点的HELLO消息时的处理顺序。

当传感器节点接收到来自相邻节点的HELLO消息(步骤S41)时，传感器节点分析HELLO消息的内容。

然后传感器节点以nbor.tstamp参数存储当前时间(步骤S42)。

接下来，传感器节点以node.neighbor参数存储HELLO消息中描述的节点ID(步骤S43)。

随后，传感器节点以nbor.neighbor参数存储HELLO消息中描述的相邻节点列表(步骤S44)。

再后，传感器节点以nbor.state参数存储HELLO消息中描述的节点状态(步骤S45)。

图10以流程图的形式示出了扩展状态或桥接状态下的节点所执行的通过移动功能进行的随机移动的处理顺序。

扩展状态和桥接状态下的传感器节点设定移动计时器，并且当移动计时器设定的时间用完时(步骤S51)，传感器节点随机确定其移动方向(步骤S52)。

然后，传感器节点为其移动速度设定随机值(步骤S53)，并且为移动计时器设定随机值(步骤S54)，从而开始移动(步骤S55)。

如上所述，根据本发明的传感器网络系统旨在在保持传感器节点之间的连通性的同时最大化网络拓扑结构。每个节点在扩展状态与桥接状态之间双向转换其状态，其中在扩展状态下，节点搜索能够获得与相邻节点的连通性以扩展网络拓扑结构的位置，而在桥接状态下，节点搜索能够获得与相邻节点的连通性以在节点四处移动的同时进行独立本地网络拓扑结构之间的连接的位置。当扩展状态下的节点能够连接到静止状态下的与其相邻的节点时，该节点转变到静止状态，而当桥接状态下的节点能够连接到两个或两个以上彼此不相邻且没有任何公共相邻节点的节点时，该节点转变到静止状态。

换而言之，每个节点在拓扑结构的扩展与本地拓扑结构的连接之间动态地切换其角色，并且在通过随机移动而进行移动的同时，搜索能够通过诸如多跳跃等的通信过程而连接所有节点的位置(即，用于形成单一连通网络的适当位置)，从而最终转变到静止状态。

但是，在用于形成网络拓扑结构的基础机构中会出现下文中所示的两种性能退化。

例如，如图11所示，当扩展状态下的两个节点在大致相同的方向移动，并具有与静止状态下的节点的连通性时，只要扩展状态下的第一节点连接到静止状态下的任一节点，则扩展状态下的第二节点马上连接到刚转变到静止状态的第一节点。这样，彼此相邻的两个节点都转变到静止状态。这从最大化拓扑结构区域的观点上来看是非常不利的。

此外，如图12所示，会发生以下情况：当两个节点转变到静止状态时，到静止状态的转变发生在电波覆盖范围的边缘。众所周知，无线电波是振动的。在以上情况下，尤其是当节点远离电波发射器时，连通性会受到干扰，因此在形成拓扑结构时需要避免在电波的覆盖范围的边缘上的连通性。

为了解决以上所述的两个问题，本实施例提出了一种改进的方法，其利用了电波的振幅。换而言之，每个传感器节点获取与从其无线通信功能单元中能够获得具有适当振幅的电波的相邻节点的连通性。更具体地来说，从中接收到的具有高于或低于预定值的振幅的电波的相邻节点被认为是不适于连接的节点，并且避免与这些节点的连接。

多个无线通信设备通过对等通信能够从其他无线通信设备相互获取电波的振幅。例如，在IEEE 802.11中使用每100毫秒发送的信标信息数据，从而了解电波的振幅。

已经提出了一种数学模型来表示电波的振幅与距离之间的关系(例如参见“RADAR：An In-Building RF-Based User Location and Tracking Systme”，P.Bahl and V.Padmanabhan(In Proceedings of the IEEE Infocom，March 2000))。在本实施例中，这个模型式用于实现具有电波的最佳振幅的连通性。

图13示出了通过基于电波的振幅与距离之间的关系的数学模型获得电波的最佳振幅的方法。该图所示的例子假设相邻节点允许获得相对于电波的最大振幅大约0.3至0.5的电波的振幅的情况为最优连通性(最佳连通性)。例如，当扩展状态下的节点能够获得仅与一个静止状态下的相邻节点的最佳连通性时，该节点将其状态转变到静止状态。同时，当桥接状态下的节点能够获得与两个或两个以上彼此不相邻且没有公共相邻节点的节点的最佳连通性时，该节点将其状态转变到静止状态。

另一方面，当节点能够从候选节点获得高于电波的最大振幅0.5的电波的振幅时(强连通性)，要避免与这样的节点的连通性，因为这两个节点可能彼此接近，并且会同时转变到静止状态。

此外，当节点能够从候选节点获得少于电波的最大振幅0.3的电波的振幅时(弱连通性)，要避免与这样的节点的连通性，因为连通性可能会被中断。

以上参照具体实施例详细描述了本发明。但是，很显然本领域的技术人员在不脱离本发明的本质的情况下，可以对实施例进行修改和替换。

尽管在本发明中将包括分别具有传感器的通信节点的传感器网络作为例子来描述，但是本发明的本质并不局限于这个例子。例如，通过将本发明应用到其中每个具有移动功能的传感器节点在自定向状态下操作的特别网络系统，也可以实现拓扑结构区域的扩展或优化。

尽管本发明的说明将其中每个传感器节点在自定向和分散状态下操作的特别网络系统作为例子，但是本发明也并不局限于这个例子，并且在通过将特定传感器节点设定为控制站或访问点而创建的网络中也可以应用本发明。

总之，通过举例公开了本发明，但不应该以有限的方式来解释本说明书中的描述内容。为了确定本发明的本质，可参见权利要求书的范围。

Claims (26)

1.一种用于形成具有多个节点的网络拓扑结构的网络系统，其中每个节点具有无线通信功能和移动功能并且在自定向和分散状态下操作，

其中每个节点具有在其中所述节点通过所述移动功能进行移动并且搜索与相邻节点的连通性的信息的第一和第二状态以及在其中停止通过所述移动功能进行的移动的第三状态，并且在满足第一条件时，第一状态下的节点转变到所述第三状态，而在满足不同于所述第一条件的第二条件时，第二状态下的节点转变到所述第三状态，并且

每个节点最终转变到在所述第一状态和所述第二状态之间进行动态切换的第三状态以形成网络拓扑结构。

2.如权利要求1所述的网络系统，

其中所述节点具有传感器，并且所述第一状态为在其中节点移动并搜索可获得与相邻节点的连通性以扩展网络拓扑结构的位置的扩展状态；所述第二状态为在其中节点移动并搜索可获得与相邻节点的连通性以连接独立的本地拓扑结构的位置的桥接状态；以及所述第三状态为在其中节点停止在当前位置而变成网络拓扑结构的组成部分的静止状态。

3.如权利要求2所述的网络系统，

其中在扩展状态下的节点可以连接到静止状态下的相邻节点的第一条件下，扩展状态下的节点转变到静止状态。

4.如权利要求2所述的网络系统，

其中在桥接状态下的节点可以连接到两个或两个以上彼此不相邻且没有任何公共相邻节点的独立节点的第二条件下，所述桥接状态下的节点转变到所述静止状态。

5.如权利要求2所述的网络系统，

其中在网络拓扑结构的起始阶段，所有的节点都处于扩展状态，并且当节点密度超过预定值时，根据预定概率生成桥接状态下的节点。

6.如权利要求2所述的网络系统，

其中每个节点发送包括与预定时刻的节点相邻的节点的列表的第一信号，并且通过接收来自相邻节点的第一信号，识别可连接相邻节点或节点密度。

7.如权利要求3所述的网络系统，

其中扩展状态下的节点发送第二信号到静止状态下的所述可连接相邻节点，并且在接收到第三信号时转变到静止状态。

8.如权利要求4所述的网络系统，

其中桥接状态下的节点发送第二信号到所述彼此独立的节点，并且在接收到第三信号时转变到静止状态。

9.如权利要求7或8所述的网络系统，

其中当在预定的时间周期内没有接收到第三信号时，已接收到第二信号的节点取消到静止状态的转变，并且重新发送第四信号。

10.如权利要求9所述的网络系统，

其中处于除了静止状态之外的状态下的节点在接收到第二信号时转变到静止状态，而在接收到第四信号时取消到静止状态的转变。

11.如权利要求2所述的网络系统，

其中每个节点获取从中通过所述无线通信功能接收到具有正常振幅的电波的相邻节点的连通性。

12.如权利要求11所述的网络系统，

其中每个节点识别来自其电波具有高于预定值的振幅的相邻节点以及来自其电波具有低于预定节点的振幅的相邻节点为非正常节点，并且避免连接到所述节点。

13.一种用作传感器网络中的传感器节点的无线通信设备，所述设备包括：

传感器，用于在当前位置获取期望信息；

无线通信功能单元，用于执行与相邻传感器节点的通信；

移动功能单元，用于移动所述设备的位置；和

控制单元，用于处理所述传感器所获得的信息，并且控制每个所述功能单元的操作，

其中所述控制单元根据关于所述无线通信功能单元所获得的到相邻节点的连通性的信息，在第一和第二状态之间动态地切换所述传感器节点的操作状态，在第一和第二状态中的每个状态下，所述无线通信设备移动并搜索关于到相邻节点的连通性的信息，当在所述第一状态下满足第一条件时将所述传感器节点的操作状态转变到在其中停止通过所述移动功能单元进行的移动的第三状态，并且当在所述第二状态下满足不同于所述第一条件的第二条件时也转变到所述第三状态。

14.如权利要求13所述的无线通信设备，

其中所述第一状态为在其中每个节点移动并搜索可获得到相邻节点的连通性以扩展网络拓扑结构的位置的扩展状态；所述第二状态为在其中每个节点移动并搜索可获得与相邻节点的连通性以连接彼此独立的网络拓扑结构的位置的桥接状态；以及所述第三状态为在其中每个节点停止在当前位置而变成网络拓扑结构的组成部分的静止状态。

15.如权利要求14所述的无线通信设备，

其中在扩展状态下的节点可以连接到一个静止状态下的相邻节点的第一条件下，所述控制单元将扩展状态下的每个节点的操作状态转变成静止状态。

16.如权利要求14所述的无线通信设备，

其中在桥接状态下的节点可以连接到两个或两个以上彼此不相邻且没有任何公共相邻节点的独立节点的第二条件下，所述控制单元将桥接状态下的每个节点的操作状态转变成静止状态。

17.如权利要求14所述的无线通信设备，

其中所述控制单元在起始状态下将每个节点的操作状态设置成扩展状态，并且当根据关于所述无线通信功能单元所获得的与相邻节点的连通性的信息而检测出节点密度超过预定值时，所述控制单元根据预定概率将每个节点的操作状态转变成桥接状态。

18.如权利要求14所述的无线通信设备，

其中所述控制单元生成包括与当前状态下的所述单元相邻的节点的列表的第一信号，并且在预定时刻从所述无线通信功能单元发送所述第一信号；并且

通过处理所述无线通信功能单元接收的第一信号，所述控制单元进一步识别可连接相邻节点或节点密度。

19.如权利要求15所述的无线通信设备，

其中所述控制单元在扩展状态下将第二信号发送到静止状态下的所述可连接相邻节点，并且在接收到第三信号时将每个可连接相邻节点的操作状态转变成静止状态。

20.如权利要求16所述的无线通信设备，

其中所述控制单元在桥接状态下将第二信号发送到彼此独立的节点，并且在接收到第三信号时将每个节点的操作状态转变成静止状态。

21.如权利要求19或20所述的无线通信设备，

其中当在发送了第二信号之后的预定时间周期内没有接收到第三信号时，所述控制单元取消到静止状态的转变，并且重新发送第四信号。

22.如权利要求21所述的无线通信设备，

其中在除了静止状态之外的状态下，所述控制单元在接收到第二信号时将每个节点的操作状态转变成静止状态，而在接收到所述第四信号时取消到静止状态的转变。

23.如权利要求14所述的无线通信设备，

其中所述控制单元获取与可以通过所述无线通信功能单元从中获得具有正常振幅的电波的相邻节点的连通性。

24.如权利要求23所述的无线通信设备，

其中所述控制单元将其电波具有高于所述无线通信功能单元所规定的预定值的振幅的相邻节点以及其电波具有低于预定值的振幅的相邻节点识别为非正常节点，并且避免连接到所述节点。

25.一种能够将具有传感器、无线通信功能和移动功能的无线通信设备用作传感器网络中的传感器节点的无线通信方法，所述方法包括以下步骤：

根据关于所述无线通信功能所获得的到相邻节点的连通性的信息，在第一和第二状态之间动态地切换，其中在第一和第二状态中的每个状态下，每个节点通过所述移动功能进行移动并且搜索关于与相邻节点的连通性的信息；

当满足第一条件时，从第一状态转变到在其中停止通过所述移动功能进行的移动的第三状态；和

当满足不同于所述第一条件的第二条件时，从第二状态转变到第三状态。

26.一种用计算机可读格式描述的并且能够将具有传感器、无线通信功能和移动功能的无线通信设备用作传感器网络中的传感器节点的计算机程序，所述计算机程序能够执行包括以下步骤的无线通信方法：

根据关于所述无线通信功能所获得的到相邻节点的连通性的信息，在第一和第二状态之间动态地切换，其中在第一和第二状态中的每个状态下，每个节点通过所述移动功能进行移动并且搜索关于与相邻节点的连通性的信息；

当满足第一条件时，从第一状态转变到在其中停止通过所述移动功能所进行的移动的第三状态；和

当满足不同于第一条件的第二条件时，从第二状态转变到第三状态。

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