WO2010069238A1

WO2010069238A1 - 网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法

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Publication number: WO2010069238A1
Application number: PCT/CN2009/075501
Authority: WO
Inventors: 梁炜; 于海斌; 张晓玲; 杨淼; 徐伟杰; 王军; 曾鹏; 杨志家
Original assignee: 中国科学院沈阳自动化研究所
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2010-06-24
Also published as: EP2381737B1; EP2381737A4; US8730838B2; EP2381737A1; US20110310770A1

Description

网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体地说是一种基于混合多址访问和自适应跳频的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法。背景技术

工业是无线传感器网络最具潜力的应用领域之一。与有线网络相比，无线网络具有无需布线、易于维护、高度灵活、快速实施等特点，对于工业应用而言这无疑是一个巨大的优势。随着无线通信技术的成熟与成本的降低，工业网络无线化已成为趋势之一。一个典型的工业无线测控网络如附图 1所示，大量的无线传感器或执行器节点分布在工业现场的各个监测点上，这些节点与具有路由功能的节点共同形成网络，并将现场监测数据以多跳的方式传送回网关节点。工业网络无线化带来便利的同时，工业应用对无线网络提出了更为严格的可靠性、实时性和节能性等通信质量要求。在可靠性方面，工业现场环境下，窄带多频噪声、共存网络干扰和多途效应，使得利用稀缺的信道资源实现可靠通信成为急需解决的难题；在实时性方面，工业对实时性的要求较其它应用更为严格，微小的延迟都会造成重大事故，具有硬实时保证的通信是工业的基本要求；在节能性方面，低能耗是保证节点长期运行、降低维护成本的关键，也是工业应用的又一要求，特别是对电源更换困难的节点而言。随着无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 技术从实验室研究到现实可行，越来越多的人们关注 MSTN网络采用的通信拓扑和通信过程，其中网状及星型拓扑结构无线传感器网络 (Mesh and Star Topology wireless sensor Network, MSTN) 是在工业上应用的一种典型 WSN。而目前，能够同时满足上述可靠性、实时性以及节能性三方面要求的网状及星型拓扑结构无线传感器网络，尚未见报道。发明内容

针对现有技术中存在的无线传感器网络不能同时满足可靠性、实时性以及节能性三方面要求的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种可靠、实时、灵活的、基于混合多址访问和自适应跳频的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法包括以下步骤：将无线传感器网络中的各种节点搭建成网状及星型混合拓扑结构；

基于上述拓扑结构定义基于 IEEE 802. 15. 4的超帧结构；

基于上述拓扑结构和超帧结构，定义长周期数据处理方法、连接性评估方法、介质访问控制方法、信道度量方法、跳频方法、信标帧格式以及两阶段通信资源分配方法；

基于上述拓扑结构、超帧结构和方法，定义网络构建方法；

通过上述网络构建方法，构建能够实现 MSTN通信过程的通信方法。

网状及星型网络中包括四类物理节点：网关节点、路由节点、现场节点和手持节点；其中，网关节点是数据的汇聚中心，为 MSTN网络和其它无线传感器网络提供接口，与以太网等有线网络连接；路由节点用于复制和转发 MSTN网络中的数据，支持各种类型的传感器；现场节点安装在工业现场，与传感器和执行器相连接，用于传输过程测量和控制信息，从而完成特定的应用；手持节点用于配置和维护 MSTN网络节点，临时访问网络。所述网关节点包含两个功能模块：网络管理者和安全管理者，分别实现网络管理和安全管理功能；其中，网络管理者负责管理节点加入、形成网络和监视整个网络性能等；安全管理者负责路由节点和现场节点的密钥管理和安全认证等。

所述网状及星型混合拓扑结构为：

第一层为网状网络，由路由节点和网关节点构成；路由节点至少和一个现场节点通信，和网关节点通信或者至少和一个其它路由节点通信；

第二层为星型网络，路由节点和现场节点构成，又称为簇；现场节点之间不直接通信，现场节点只和一个路由节点通信。

所述超帧结构基于 IEEE 802. 15. 4的 MAC层超帧，具体结构包括信标帧阶段、竞争访问阶段、非竞争访问阶段、簇内通信阶段、簇间通信阶段以及休眠阶段，其中：信标帧阶段用于时隙同步和超帧信息的发布；

竞争访问阶段用于节点加入和簇内管理，采用时隙 CSMA/CA算法实现介质访问控制；

非竞争访问阶段用于紧急通信、手持节点与簇首间通信，由路由节点自主分配。非竞争访问阶段采用时分多址方法进行通信；

簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展，用于簇内通信；

簇间通信阶段用于簇间通信和管理；

簇内通信阶段和簇间通信阶段都采用时分多址方法和时隙跳频方式进行通信，通信资源以〈信道、时隙〉的形式写到节点中。

所述超帧由每个节点各自维护、自定义超帧各阶段的长度；超帧长度为基本超帧长度的 2^N倍， N为正整数，其中基本超帧长度为 32个时隙；现场节点的超帧长度由应用的数据更新速率决定；路由节点的超帧长度取其星型网络内所有现场节点的最小超帧长度；网关节点的超帧长度取其邻居路由节点的最小超帧长度。

所述簇内通信指路由节点和现场节点之间的通信；簇间通信指路由节点之间以及路由节点与网关节点之间的通信。

信标帧阶段竞争访问阶段阶段和非竞争访问阶段阶段在同一个超帧周期内使用相同的信道；如果信道不足，则不同簇的簇内通信阶段采用时分策略。

信标帧的载荷用于发布扩展的超帧信息，至少包括以下信息：簇 ID、绝对时隙号和下一个超帧周期中信标帧阶段和活动期使用的信道。

所述信标帧的发送模式包括：

网关节点和路由节点发送信标帧，但不转发信标帧；

网关节点发送信标帧，用于其邻居路由节点的时间同步和加入，以及网关节点超帧信息的广播；

路由节点发送信标帧，用于其簇内现场节点的时间同步和加入，以及路由节点超帧信息的广播。

所述长周期数据的定义为：数据更新率大于 IEEE 802. 15. 4-2006中超帧的最大长度的数据或者大于所在簇的路由节点的数据更新周期的数据；

判断长周期数据，否在当前超帧周期内传输的方法为： ^ Super frameMul tiple

如果 6? Transmi tFlag < Super frameMul tiple，且 Transmi tFlag - LinkSuperframeNum, 则在该超帧周期内传输；

如果 Transmi tFlag Λ 且 L inkSuperframeNum SuperframeMul tiple, 贝 (J 在该超帧周期内传输；否则，不传输。

所述跳频方法支持以下三种跳频机制：

自适应频率切换：在网状及星型混合拓扑结构无线传感器网络的超帧中，信标阶段、竞争访问阶段和非竞争访问阶段在同一个超帧周期内使用相同的信道，在不同的超帧周期内根据信道状况切换信道；信道质量差时，节点改变通信信道；信道状况通过丢包率和重传次数进行评价；

自适应跳频：在网状及星型混合拓扑结构无线传感器网络的超帧中，簇内通信阶段的每个时隙根据信道状况更换通信信道；信道质量差时，节点改变通信信道信道状况通过丢包率和重传次数进行评价；非活动期的簇内通信阶段采用自适应跳频机制；跳频序歹 (J的结构为： <timeslot 1, channel 1> <timeslot 2, channel 2>··· <timeslot i, channel i> ;

时隙跳频：为了避免干扰和衰减，按用户自行预定义的跳频序列在每个时隙改变通信信道；非活动期的簇间通信阶段采用时隙跳频机制；跳频序列的结构为： <timeslot 1， channel 1〉 <timeslot 2, channel 2>*·· <timeslot i， channel i〉。

对于自适应频率切换，前一个超帧周期的信标帧预告后一个超帧周期所采用的信道；对于自适应跳频，前一个时隙预告下一个时隙所用的信道。

所述信道度量方法为：

一个现场节点或者路由节点度量一个或多个信道状况，并且将统计信息汇报给路由节点或者网络管理者；现场节点将收集到的度量结果发送给路由节点，路由节点将自身收集到的信道状况和现场节点收集到的信道状况一起发送给网络管理者。

在信道度量的过程中，每个节点记录度量周期内与该节点通信的所有信道的状况；记录的性能信息包括：链路质量指示（Link Qual ity Indication, LQI )、丢包率和重传次数；其中，丢包率由确认帧的数量和传输的报文数量决定。

所述两阶段通信资源分配方法为：

网关节点中的网络管理者为网状网络中的路由节点分配资源，该部分资源包括路由节点用于在网状网络中通信的资源和路由节点分配给现场节点的资源；

然后路由节点为星型网络的现场节点分配资源。

两阶段通信资源的分配规则包括：

固定信道部分的信道分配优先；

更新速率快的节点时隙分配优先；

起始时间早的数据帧发送优先；

优先级高的数据帧分配时隙优先。

路由节点和现场节点分别要存储网络管理者为路由节点分配的资源以及路由节点为现场节点分配的资源，涉及超帧属性和链路属性；其中，链路属性涉及超帧属性中每个时隙与通信相关的信息，声明了网络中相邻节点间的通信参数，每个节点需要维护自己的链路信息。

所述每个超帧的属性包括：超帧的 ID号、现场节点最大数据更新周期与所在网络的路由节点的数据更新周期的比值、超帧大小、超帧激活标志和超帧激活的绝对时隙号；超帧中每个时隙所对应的链路属性包括链路 ID号、邻居节点 ID号、链路类型、链路特性、时隙类型、相对时隙号、现场节点的数据更新周期与所在网络的路由节点的数据更新周期的比值、链路使用标志、主信道编号和超帧标识符。

所述连接性评估方法中，路由节点或者现场节点在加入 MSTN网络之前，进行一个或者多个连接性评估，并且选择一个或者多个父节点；评估的指标包括：接收信道强度指示、探测能量和链路质量指示。所述网络构建方法为：

现场节点和手持节点的加入需要已在网的路由节点转发该节点的加入请求和加入响应；路由节点在无法一跳到达网关节点的情况下，也需要其它路由节点转发该节点的加入请求和加入响应。

加入请求的内容包括待加入节点的物理地址和节点类型；加入响应的内容包括加入状态、待加入节点的物理地址和待加入节点的短地址；其中，加入状态用于表示节点申请加入网络的结果；待加入节点的短地址是节点加入成功后，由网关节点分配给该节点的 16位地址。

节点加入网络的过程如下：

1 ) 网络发现：待加入网络的节点持续扫描网络中的可用信道，直到成功收到已加入路由节点或汇聚节点发出的信标；

2 ) 时间同步：待加入网络的节点选择信标发出节点作为代理路由节点，使用信标中的时间信息完成时间同步；

3 ) 发送加入请求：待加入网络的节点向代理路由节点发出加入请求，代理路由节点将此加入请求转发到汇聚节点；

4)返回加入响应：汇聚节点收到加入请求后，完成安全认证，且返回加入响应；

5 ) 响应处理：待加入网络的节点收到代理路由节点转发来的加入响应，如果加入响应是负响应，待加入网络的节点将重新开始加入过程；如果确认信息是正响应，加入过程成功，结束；

6 ) 广播信标：如果待加入网络的节点加入成功且为路由节点，则广播信标。节点加入后，网关节点为其分配通信资源和路由；路由节点、现场节点和手持节点的资源分配过程各不相同；

所述路由节点的资源分配过程中，对于新加入网络的路由节点，如果是通过一跳方式加入网络，则网关节点直接为其建立超帧，并通过对超帧、链路和路由操作的命令帧将超帧、链路和路由分配给该路由节点；如果是通过多跳方式加入网络，则需要在网路由节点转发网关节点对新加入路由节点超帧、链路和路由操作的命令帧。

路由节点的资源分配过程为：

路由节点加入网络后，向网关节点汇报邻居信息；

网关节点根据汇报上来的邻居信息为新加入网络的路由节点配置路由表；网关节点根据汇报上来的邻居信息为新加入网络的路由节点配置超帧表；网关节点根据汇报上来的邻居信息为新加入网络的路由节点配置链路表。

所述现场节点的资源分配过程中，对于新加入网络的现场节点，其通信资源由网关节点预分配给其所在簇的路由节点，再由簇首将预分配的通信资源分配给新加入网络的现场节点；现场节点的通信资源为超帧的簇内通信阶段；

现场节点的资源分配过程为：

用户配置现场节点；

如果固定现场节点的加入影响路由节点的超帧，则需要更新路由节点的路由、超帧和链路；

路由节点将路由、超帧和链路信息保存在本地，并根据自己的资源情况，为现场节点分配资源，并将超帧和链路的信息写入现场节点。

所述手持节点的资源分配过程中，手持节点的通信资源分配过程与现场节点不同之处在于手持节点的通信资源为超帧的非竞争访问阶段。

本发明是在充分考虑工业测控应用特点的前提下提出的，具有实时、可靠、低能耗等优点，具体表现在： 1. 本发明采用网状及星型（Mesh+Star)混合拓扑结构，一方面通过星型结构简化了网络结构，降低了维护和管理的难度，提高了系统的灵活性，另一方面，利用网状结构，提高了网络的可靠性。

2. 本发明采用基于 IEEE 802. 15. 4标准的超帧结构，并对其进行了扩展，一方面充分利用了 IEEE 802. 15. 4的优势，提高了系统的兼容性，保护了已有投资，另一方面通过扩展满足了工业应用的要求，简化了设计。

3. 本发明拓展了长周期数据的过程，可以处理过程工业中数据更新周期大的数据的传输，简单易行。

4. 本发明采用频分、时分混合机制，一方面扩大了网络的容量，另一方面也提高了网络的可靠性。

5. 本发明采用周期间的自适应信道切换和周期内的跳频技术混合策略，一方面在一个周期内采用固定信道提高了网络的兼容性，另一方面自适应信道切换和跳频技术提高了网络的可靠性。

6. 本发明采用基于竞争和基于调度的混合介质访问控制方法，一方面利用了基于竞争的介质访问控制方法的灵活性；另一方面利用了基于调度的介质访问控制方法实时性好、能耗低的特点。

7. 本发明采用全局和局部混合的两阶段资源分配策略，一方面通过全局资源分配保证了资源分配的最优性，另一方面通过局部的资源分配分担了全局资源分配的负担，提高了资源分配的效率，改进了网络的灵活性和可扩展性。

8. 本发明方法设计了路由节点的多跳加入，以及路由节点转发现场节点和手持节点的加入请求和加入响应，一方面充分利用了 IEEE 802. 15. 4协议所支持的加入机制；另一方面在原有 IEEE 802. 15. 4协议的基础上扩展了网络节点的多跳加入方式，使得待加入网络的节点不需要位于网关节点的接收范围内，从而扩大了网络规模，并且可以实现网关节点对网络节点的统一管理。附图说明

图 1为本发明方法中 MSTN网络的物理拓扑结构示意图；

图 2为本发明方法中 MSTN超帧结构示意图；

图 3为本发明方法中长周期数据处理示意图；

图 4A为本发明方法中 MSTN超帧 -频分多路访问示意图；

图 4B为本发明方法中 MSTN超帧 -时分多路访问 +频分多路访问示意图；图 4C为本发明方法中 MSTN超帧时分多路访问示意图；

图 5为本发明方法中详细的信标帧载荷结构示意图；

图 6为本发明方法中基于 IEEE 802. 15. 4信标帧格式示意图；

图 7A为本发明方法中网络拓扑示例图；

图 7B为图 7A的资源分配结果图；

图 8为本发明方法中节点的加入过程示意图；

图 9为本发明方法中路由节点的通信资源分配和路由分配过程示意图；图 10为本发明方法中现场节点的通信资源分配过程示意图；具体实施方式

下面通过具体实施例来介绍本发明中涉及的技术。需要强调的是，本发明涉及的技术并不仅适用于下面提及的例子，这些技术可以被用于任何适用的系统和网络。

本发明网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，包括以下步骤：将无线传感器网络中的各种节点搭建成网状及星型混合拓扑结构；基于上述拓扑结构定义基于 IEEE 802. 15. 4的超帧结构；

基于上述拓扑结构、超帧结构和方法，定义网络构建方法；

如图 1所示，本发明涉及的技术针对无线传感器网络网状及星型混合拓扑结构，其中包括以下 4类物理节点：

1 ) 网关节点

网关节点是数据的汇聚中心，并为 MSTN网络和其它无线传感器网络提供接口。本发明中提到的 "网关节点"是指网络中作为测量和控制清算中心的一个单独节点。网关节点可以与以太网等有线网络连接。网关节点的两个功能模块网络管理者和安全管理者分别实现网络管理和安全管理功能。网络管理者负责管理节点加入、形成网络和监视整个网络性能等。安全管理者负责路由节点和现场节点的密钥管理和安全认证等。

2 ) 路由节点

路由节点用于复制和转发 MSTN网络中的数据。路由节点可以将数据发送或转发给网络中的网关节点、路由节点、现场节点和手持节点。路由节点也可以支持各种类型的传感器。

3 ) 现场节点

现场节点安装在工业现场，与传感器和执行器相连接，用于传输过程测量和控制信息，从而完成特定的应用。

4) 手持节点

手持节点用于配置和维护 MSTN网络节点。手持节点可以临时访问网络。如果没有特别说明，本发明中提及的现场节点包括手持节点。

图 1所示的一个网状及星型混合的层次型拓扑结构的 MSTN网络包括两个层次：第一层为网状（mesh) 网络，由路由节点和网关节点构成；路由节点至少和一个现场节点通信，和网关节点通信或者至少和一个其它路由节点通信；第二层为星型（star) 网络，由路由节点和现场节点构成；现场节点之间不直接通信，现场节点只和一个路由节点通信。星型网络又称为簇，路由节点为簇首，现场节点为簇成员。

在目前的无线通信标准中， IEEE 802. 15. 4以其低功耗、低成本和简单灵活等特点，最有希望地成为无线传感器网络底层通信协议的无线标准。为此，本发明的通信方法基于 IEEE802. 15. 4标准。

如图 2所示，为了兼容 IEEE 802. 15. 4，本发明提出了基于 IEEE 802. 15. 4的扩展超帧（Superframe ) 结构，具体包括：

1 ) 信标帧阶段，用于时隙同步和超帧信息的发布；

2 ) 竞争访问阶段（Contention Access Period, CAP) ，主要用于节点加入和簇内管理，采用时隙的带冲突检测的载波多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Col l ision Avoidance, CSMA/CA) 方法进行通信；

3 ) 非竞争访问阶段（Contention-free Period， CFP) ，用于紧急通信、手持节点与簇首间通信，由路由节点自主分配；非一竞争访问阶段采用时分多路访问（Time Division Multiple Access , TDMA) 方法进行通信；

4 ) 非活动期，用于簇内（Intra-cluster ) 通信、簇间（Inter-cluster) 通信以及休眠，由网络管理者统一分配，其中簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展，用于簇内通信，簇间通信阶段用于簇间通信和管理；簇内通信阶段和簇间通信阶段都采用 TDMA方法进行通信。

所述簇内通信是指指路由节点和现场节点之间的通信；所述簇间通信是指路由节点之间以及路由节点与网关节点之间的通信。

考虑到本发明在 IEEE 802. 15. 4超帧非活动期的时隙用于簇内通信、簇间通信以及休眠，本发明的基本超帧长度为 32个时隙，本发明的超帧长度为基本超帧长度的 2^N 倍， N为正整数，超帧的长度由数据的更新速率决定。现场节点的超帧长度由应用的数据更新速率决定；路由节点的超帧长度取其星型网络内所有现场节点的最小超帧长度；网关节点的超帧长度取其邻居路由节点的最小超帧长度。

IEEE 802. 15. 4最大超帧长度受限，但是很多应用中可能存在更新周期大于 IEEE 802. 15. 4 最大超帧长度的数据，因此本实施例定义长周期数据为数据更新率大于 IEEE 802. 15. 4-2006 中超帧的最大长度的数据或者大于所在簇的路由节点的数据更新周期的数据。

为了处理长周期数据，需要利用以下参数：

Absolut eSlo tNumber-. 信标帧中的绝对时隙号；

Ac tiveS lo t: 超帧的激活时隙号；

NumberS lo ts-. 超帧的大小；

SuperframeMul tiple-. 表示所有长周期数据的数据更新周期的最小公倍数； LinkSuperframeNum: 表示长周期数据的更新周期与超帧长度的比值。

以上参数的取值范围和具体含义参见表 2和表 3。

定义长周期数据的传输标志 Transmi tFlag如以下公式：

AbosoluteS lotNumber - ActiveSlot + 1

TransmitFl ag VoSuperframe Multiple

NumberSlot s

在每个超帧周期，现场节点收到信标帧，判断自己的长周期数据是否在该超帧周期内传输，具体准则如下- 如果 6? Transmi tFlag < SuperframeMul tiple，且 Transmi tFlag - LinkSuperframeNum, 则在该超帧周期内传输；

如果 Transmi tFlag =0, 且 L inkSuperframeNum= SuperframeMul tiple-, 贝 lj在该超帧周期内传输；

否则不传输。

长周期数据的处理实例如图 3所示，假设有一个数据分配的时隙是第 4个周期的时隙 4，当前 Beacon 的绝对时隙是 27，且 Superfr置 Mul ti_Ple=4 则有： NumberSlo ts=8, Ac tiveSlo t=3, AbsoluteSlo tNumber=27 , LinkSuperframeNum = 4„ Transmi tFlag = \ AbsoluteSlo tNumbe:r-Ac tiveSlo t+]) / NumberSlo ts ] %

SuperframeMul tiple

= Γ (27-3+1) / 8] %4

= 0

由计算结果知： Transmi tFlag = (？且 L inkSuperframeNum = SuperframeMul tiple, 则在当前超帧周期发送该数据。信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段在同一个超帧周期内使用相同的信道；如果信道不足，则不同簇的簇内通信阶段采用时分策略。三个超帧的实例如图 4A、 4B、 4C所示。图 4A是信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段只进行频分而未进行时分的情况；图 4B是信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段进行频分和时分的情况；图 4C是信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段只进行时分的情况。图 4A中 3个路由节点 Rl、 R2和 R3对应的超帧长度分别为 2个基本超帧长度、 4个基本超帧长度和 8个基本超帧长度， Rl 、 R2和 R3的信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段重叠，所以三个路由节点需要三个信道来完成信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段的通信。由于图 4B中 3个路由节点 Rl， R2， R3对应的超帧长度分别为 2个基本超帧长度、 4 个基本超帧长度和 8个基本超帧长度，且 R1的信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段与 R2和 R3的信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段不重叠，所以三个路由节点只需要两个信道来完成信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段的通信。图 4C中 3 个路由节点 Rl， R2, R3，对应的超帧长度分别为 4个基本超帧长度、 8个基本超帧长度和 16个基本超帧长度，由于 Rl 、 R2和 R3的信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP 阶段不重叠，所以三个路由节点只需要一个信道来完成信信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段的通信。

本发明利用 IEEE 802. 15. 4 介质访问控制层（Medium Access Control layer, MAC) 的信标帧载荷发布扩展的超帧信息，信标帧载荷如图 5所示，具体包括以下内容：

簇 ID、绝对时隙号和下一个超帧周期中信标帧阶段和活动期使用的信道。

信标帧格式如图 6所示，本实施例中信标帧采用 IEEE 802. 15. 4MAC层的信标帧的格式，其中具体参数的含义参见 IEEE 802. 15. 4-2006标准。

IEEE 802. 15. 4标准中的信标使能模式缺乏可扩展性，仅适用于星型拓扑。在采用信标使能模式的星型网络中，协调器周期性的发送信标帧，用于同步其邻居节点。因此，网络的覆盖范围仅局限于协调器的发送范围，从而限制了网络中的节点数量和网络规模。 MSTN网络要求覆盖较大的范围，因此， IEEE 802. 15. 4标准中的信标使能模式不适用于 MSTN网络。为了使 IEEE 802. 15. 4标准中的信标使能模式适用于 MSTN 网络，需要做如下修改以使信标帧的发送遵循以下模式：

网关节点和路由节点发送信标帧，但不转发信标帧；

MSTN支持跳频通信方式，跳频序列由网络管理者指定。如表 1所示， MSTN网络具体支持 3种跳频机制： AFS、 AFH和 TH。

表 1 本发明 MAC机制

1 ) 自适应频率切换 (Adaptive Frequency Switch, AFS ): 在 MSTN超帧中，信标 Beacon阶段、 CAP阶段和 CFP阶段在同一个超帧周期内使用相同的信道，在不同的超帧周期内根据信道状况切换信道。信道质量差时，节点改变通信信道。信道状况通过丢包率和重传次数进行评价。

2 ) 自适应跳频（Adaptive Frequency Hopping, AFH): 在 MSTN超帧中，簇内通信阶段的每个时隙根据信道状况更换通信信道。信道质量差时，节点改变通信信道。信道状况通过丢包率和重传次数进行评价。跳频序列的结构为：〈tim_eslot 1, channel 1> <timeslot 2, channel 2〉··· <timeslot i, channel i〉。

3 ) 时隙跳频（Timeslot Hopping, TH): 为了避免干扰和衰减，按用户自行预定义的跳频序列在每个时隙改变通信信道；非活动期的簇间通信段采用时隙跳频机制；跳频序歹 (J的结构为： <timeslot 1, channel 1> <timeslot 2, channel 2>··· <timeslot i, channel i〉。

对于 AFS和 AFH，需要对信道进行度量。信道度量用于向网络管理者和路由节点提供信道的状况信息，帮助网络管理者和路由节点分配通信信道。一个现场节点（或者路由节点）可以度量一个或多个信道状况，并且将统计信息汇报给路由节点（或者网络管理者）。现场节点将收集到的度量结果发送给路由节点，路由节点将自身收集到的信道状况和现场节点收集到的信道状况一起发送给网络管理者。

在信道度量的过程中，每个节点记录度量周期内与该节点通信的所有信道的状况。

MSTN规定收集与每个邻居节点的如下性能信息：

链路质量指示 ( Link Qual ity Indication, LQI ); 丢包率；重传次数。

其中，丢包率由确认帧（Acknowledge, ACK) 的数量和传输的报文数量决定。对于 AFS，前一个超帧周期的信标帧预告后一个超帧周期所采用的信道。对于 AFH, 前一个时隙预告下一个时隙所用的信道。

如上所述，本发明采用了 TDMA和 FDMA方法，通信资源的分配是必需的。由于本发明面向网状及星型（mesh+star) 结构的网络，所以本发明采用两阶段资源分配方法，即通过两个阶段对通信资源进行调度。具体的两阶段资源调度包括：网关节点中的网络管理者为网状网络中的路由节点分配资源，该部分资源包括路由节点用于在网状网络中通信的资源和路由节点可分配给现场节点的资源；然后路由节点为星型网络的现场节点分配资源。

通信资源包括信道和时隙，本发明的通信资源资源分配遵循以下主要的调度规则- 固定信道部分的信道分配优先；

更新速率快的节点时隙分配优先；

起始时间早的数据帧发送优先；

优先级高的数据帧分配时隙优先。

如图 7A和 7B所示，为资源分配的一个例子。其中，图 7A为 MSTN拓扑的一个示例；图 7B为根据图 7A所给拓扑分配资源的结果。网关节点 GW将资源首先分配给网状网络中的路由节点 Rl、 R2和 R3。这部分资源包括路由节点 Rl、 R2和 R3之间相互通信的资源、路由节点与网关节点 GW之间的通信资源以及可分配给簇内现场节点的通信资源。路由节点接收到网关节点 GW分配的通信资源后，选择其中可分配给现场节点的通信资源的一部分分配给簇内的现场节点，这部分通信资源用于现场节点和本簇路由节点之间的通信。如 7B所示，网关节点 GW为 Rl、 R2和 R3分配通信资源后， R1为 F1和 F2分配通信资源， R2为 F5分配通信资源， R3为 F3和 F4分配通信资源。为了实现通信，节点需要将所分配的通信资源存储起来，具体涉及超帧信息和链路（Link)信息。链路涉及超帧中每个时隙与通信相关的信息。链路声明了网络中相邻节点间的通信参数，每个节点维护自己的链路信息。

如表 2所示，每个超帧的属性包括超帧标识符（IDentifier, ID) 、现场节点最大数据更新周期与所在网络的路由节点的数据更新周期的比值、超帧大小、超帧激活标志和超帧激活的绝对时隙号。

表 2 超帧属性

链路特性（发送、接收和共享发送）、时隙类型（数据和管理）、相对时隙号、现场节点的数据更新周期与所在网络的路由节点的数据更新周期的比值、链路使用标志、主信道编号和超帧标识符。

表 3 链路属性

参数名称取值范围参数描述

LinkID 0〜65535 链路 ID号

Ne i ghborlD 0〜65535 邻居节点 ID号

位 7表示链路的类型：

0=单播；

1=广播。

位 5-6表示链路的特性：

00 =发送；

01 =共享发送；

10 =接收。

LinkType 0〜32 位 3-4表示时隙的类型：

0=专用数据时隙；

1=共享数据时隙；

2=专用管理时隙；

3=共享管理时隙。

位 2表示时隙的聚合特性：

0=非聚合时隙；

1=聚合时隙。

Re lat iveSlotNumber 0〜65535 相对时隙号

现场节点的数据更新周期与所在

LinkSuperf rameNum 0〜255 网络的路由节点的数据更新周期的比值。用于处理长周期数据的传输。

指示该链路是否正在使用：

Act iveFlag 0〜1

0=不使用； 1 =正在使用。

表示当前采用的信道编号，即主信

Channel Index 0〜255

道编号。

Superf ramelD 0〜65535 对应的超帧的标识符。

下面将介绍网络构建方法。

路由节点或者现场节点在加入 MSTN网络之前，可以进行一个或者多个连接性评估，并且可以选择一个或者多个父节点。

评估连接性的指标包括：接收信道强度指示（RSSI ) ；探测能量（ED) ；链路质量指示（LQI ) 。

为了评估连接性，待加入网络的路由节点或者现场节点侦听周围邻居路由节点 (或者网关节点）的报文，从而确定通信范围内的路由节点（或者网关节点）。具体过程为：待加入网络的路由节点或者现场节点在一个信道侦听来自路由节点（或者网关节点）的消息，并收集连接信息，然后切换到另一个信道，收集来自其它路由节点 (或者网关节点）的连接信息。根据多个路由节点（或者网关节点）的连接性评估，待加入网络的节点可以从多个路由节点中选择一个连接性最好的路由节点（或者网关节点），而并不局限于某个特定频段的路由节点（或者网关节点）。

现场节点和手持节点的加入需要已在网的路由节点转发该节点的加入请求和加入响应；路由节点在无法一跳到达网关节点的情况下，也需要其它路由节点转发该节点的加入请求和加入响应。将一跳范围内用于转发加入请求和加入响应的在网路由节点称为代理路由节点。

加入请求的内容包括待加入节点的物理地址和节点类型（路由节点、现场节点或者手持节点）；加入响应的内容包括加入状态、待加入节点的物理地址和待加入节点的短地址。其中，加入状态用于表示节点申请加入网络的结果（成功或失败）；待加入节点的短地址是节点加入成功后，由网关节点分配给该节点的 16位地址。

本发明在具体实现路由节点的加入过程中，根据路由节点和汇聚节点之间的跳数，将路由节点加入过程区分为路由节点的一跳加入过程和路由节点的多跳加入过程。如果路由节点可以通过一跳加入到汇聚节点，则启动一跳加入过程入网；如果路由节点需要通过在网其他路由节点的转发才能加入到汇聚节点，则启动多跳加入过程入网。现场节点和手持节点的加入过程与路由节点的多跳加入过程相同。

路由节点的一跳加入过程完全采用原有 IEEE 802. 15. 4协议的 MAC层的加入原语和加入报文，在此不再详述。

下面介绍路由节点的多跳加入过程以及传感器节点和手持节点的加入过程。在节点（路由节点、现场节点或者手持节点）开始加入网络前，应该已经通过预配置（如手持节点设置、厂商设置等）取得了网络认证所需密钥。如图 8所示，所述节点加入网络的过程如下：

1 ) 网络发现：待加入网络的节点持续扫描网络中的可用信道，直到成功收到已加入路由节点或网关节点发出的信标；

3 ) 发送加入请求：待加入网络的节点向代理路由节点发出加入请求，代理路由节点将此加入请求转发到网关节点；

4)返回加入响应：网关节点收到加入请求后，完成安全认证，且返回加入响应； 5 ) 响应处理：待加入网络的节点收到代理路由节点转发来的加入响应，如果加入响应是负响应，待加入网络的节点将重新开始加入过程；如果确认信息是正响应，加入过程成功，结束；

6 ) 广播信标：如果待加入网络的节点加入成功且为路由节点，则广播信标。节点加入后，需要网关节点为其分配通信资源。由于本实施例中采用两阶段资源分配方法，因此路由节点、现场节点和手持节点的资源分配过程不同，下面将分别进行描述。

对于新加入网络的路由节点，如果是通过一跳方式加入网络，则网关节点直接为其建立超帧，并通过对超帧、链路和路由操作的命令帧将超帧、链路和路由分配给该路由节点；如果是通过多跳方式加入网络，则需要在网路由节点转发网关节点对新加入路由节点超帧、链路和路由操作的命令帧。

如图 9所示，路由节点的通信资源分配过程为：

路由节点加入网络后，向网关节点汇报邻居信息；

对于新加入网络的现场节点，其通信资源由网关节点预分配给其所在簇的路由节点（即簇首），再由簇首将预分配的通信资源分配给新加入网络的现场节点。现场节点的通信资源为超帧的簇内通信阶段。

如图 10所示，现场节点的资源分配过程如下：

用户配置现场节点；

如果固定现场节点的加入影响路由节点的超帧，则需要更新路由节点的超帧和链路；

手持节点的通信资源分配过程与现场节点相似，不同之处在于手持节点的通信资源为超帧的 CFP段。

Claims

权利要求书

1 . 一种网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于包括以下步骤：

将无线传感器网络中的各种节点搭建成网状及星型混合拓扑结构；

基于上述拓扑结构定义基于 IEEE 802. 15. 4的超帧结构；

基于上述拓扑结构、超帧结构和方法，定义网络构建方法；

2. 按权利要求 1所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于：网状及星型网络中包括四类物理节点：网关节点、路由节点、现场节点和手持节点；其中，网关节点是数据的汇聚中心，为 MSTN网络和其它无线传感器网络提供接口，与以太网等有线网络连接；路由节点用于复制和转发 MSTN网络中的数据，支持各种类型的传感器；现场节点安装在工业现场，与传感器和执行器相连接，用于传输过程测量和控制信息，从而完成特定的应用；手持节点用于配置和维护 MSTN网络节点，临时访问网络。

3. 按权利要求 2所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于：

所述网关节点包含两个功能模块：网络管理者和安全管理者，分别实现网络管理和安全管理功能；其中，网络管理者负责管理节点加入、形成网络和监视整个网络性能等；安全管理者负责路由节点和现场节点的密钥管理和安全认证等。

4. 按权利要求 1所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于：

所述网状及星型混合拓扑结构为：

5. 按权利要求 1所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于：所述超帧结构基于 IEEE 802. 15. 4的 MAC层超帧，具体结构包括信标帧阶段、竞争访问阶段、非竞争访问阶段、簇内通信阶段、簇间通信阶段以及休眠阶段，其中：信标帧阶段用于时隙同步和超帧信息的发布；

簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展，用于簇内通信；

簇间通信阶段用于簇间通信和管理；

6. 按权利要求 5所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于：所述超帧由每个节点各自维护、自定义超帧各阶段的长度；超帧长度为基本超帧长度的 2^N倍， N为正整数，其中基本超帧长度为 32个时隙；现场节点的超帧长度由应用的数据更新速率决定；路由节点的超帧长度取其星型网络内所有现场节点的最小超帧长度；网关节点的超帧长度取其邻居路由节点的最小超帧长度。

7. 按照权利要求 5所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于- 所述簇内通信指路由节点和现场节点之间的通信；簇间通信指路由节点之间以及路由节点与网关节点之间的通信。

8. 按照权利要求 5所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于：信标帧阶段、竞争访问阶段阶段和非竞争访问阶段阶段在同一个超帧周期内使用相同的信道；如果信道不足，则不同簇的簇内通信阶段采用时分策略。

9. 按照权利要求 5所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于- 信标帧的载荷用于发布扩展的超帧信息，至少包括以下信息：簇 ID、绝对时隙号和下一个超帧周期中信标帧阶段和活动期使用的信道。

10. 按照权利要求 5所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于所述信标帧的发送模式包括：

网关节点和路由节点发送信标帧，但不转发信标帧；

11. 照权利要求 1所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于所述长周期数据的定义为：数据更新率大于 IEEE 802. 15. 4-2006中超帧的最大长度的数据或者大于所在簇的路由节点的数据更新周期的数据；

判断长周期数据，否在当前超帧周期内传输的方法为： ^

Super frameMul tiple

如果 Transmi tFlag Λ 且 L inkSuperframeNum SuperframeMul tiple, 贝 (J 在该超帧周期内传输；

否则，不传输。

12. 按照权利要求 1所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于：所述跳频方法支持以下三种跳频机制：

13. 按照权利要求 12所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于- 对于自适应频率切换，前一个超帧周期的信标帧预告后一个超帧周期所采用的信道；对于自适应跳频，前一个时隙预告下一个时隙所用的信道。

14. 照权利要求 1所述的基网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于所述信道度量方法为：

15. 照权利要求 1所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于：

16. 按照权利要求 1所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于所述两阶段通信资源分配方法为：

然后路由节点为星型网络的现场节点分配资源。

17. 按照权利要求 16所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于：两阶段通信资源的分配规则包括：

固定信道部分的信道分配优先；

更新速率快的节点时隙分配优先；

起始时间早的数据帧发送优先；

优先级高的数据帧分配时隙优先。

18. 按照权利要求 16所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于- 路由节点和现场节点分别要存储网络管理者为路由节点分配的资源以及路由节点为现场节点分配的资源，涉及超帧属性和链路属性；其中，链路属性涉及超帧属性中每个时隙与通信相关的信息，声明了网络中相邻节点间的通信参数，每个节点需要维护自己的链路信息。

19. 按照权利要求 18所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于：所述每个超帧的属性包括：超帧的 ID号、现场节点最大数据更新周期与所在网络的路由节点的数据更新周期的比值、超帧大小、超帧激活标志和超帧激活的绝对时隙号；超帧中每个时隙所对应的链路属性包括链路 ID号、邻居节点 ID号、链路类型、链路特性、时隙类型、相对时隙号、现场节点的数据更新周期与所在网络的路由节点的数据更新周期的比值、链路使用标志、主信道编号和超帧标识符。

20. 按照权利要求 1所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于所述连接性评估方法中，路由节点或者现场节点在加入 MSTN网络之前，进行一个或者多个连接性评估，并且选择一个或者多个父节点；评估的指标包括：接收信道强度指示、探测能量和链路质量指示。

21. 按权利要求 1所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于所述网络构建方法为：

22. 按权利要求 21所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于- 加入请求的内容包括待加入节点的物理地址和节点类型；加入响应的内容包括加入状态、待加入节点的物理地址和待加入节点的短地址；其中，加入状态用于表示节点申请加入网络的结果；待加入节点的短地址是节点加入成功后，由网关节点分配给该节点的 16位地址。

23. 按权利要求 21所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于- 节点加入网络的过程如下：

6 ) 广播信标：如果待加入网络的节点加入成功且为路由节点，则广播信标。

24. 按权利要求 21所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于- 节点加入后，网关节点为其分配通信资源和路由；路由节点、现场节点和手持节点的资源分配过程各不相同；

25. 按权利要求 24所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于- 路由节点的资源分配过程为：

路由节点加入网络后，向网关节点汇报邻居信息；

26. 按权利要求 24所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于- 所述现场节点的资源分配过程中，对于新加入网络的现场节点，其通信资源由网关节点预分配给其所在簇的路由节点，再由簇首将预分配的通信资源分配给新加入网络的现场节点；现场节点的通信资源为超帧的簇内通信阶段；现场节点的资源分配过程为：

用户配置现场节点；

27. 按权利要求 24所述的网状及星型拓扑结构无线传感器网络的通信方法，其特征在于- 所述手持节点的资源分配过程中，手持节点的通信资源分配过程与现场节点不同之处在于手持节点的通信资源为超帧的非竞争访问阶段。