[发明专利]一种无线传感器网络、建立方法及通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络、建立方法及通信方法，特别是涉及一种自适应调整网络节点通讯调度的无线传感器网络、建立方法及通信方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是当前信息技术的研究热点之一，其基本思想是成千上万的低功耗、低成本传感器节点部署到应用现场，通过无线信道形成自组织网络，完成网络内信息的采集、传输、处理。这种新型网络结构在环境监测、物流管理、工业传感、及军事等领域具有十分广阔的应用前景。WSN网络具有节点简单、实施环境广泛、以及应用领域多样性等新特点，对无线传感器网络研究重点和设计方案也是多样性共存，业界还没有形成广泛统一的技术标准。

当前对WSN网络研究和设计的一个重要领域是对数据链路层(Data LinkLayer，DLL)的设计。DLL设计要求实现网络拓扑结构建立和高效使用信道的MAC通讯协议，其目的是方便维护网络结构、实现数据可靠传输、节省网络能源。现有WSN网络多采用异构分组结构。即网络内节点属性不同，有普通传感器节点(Sensor Node，SN)和连接通讯传感器节点(Link Node，LN)，SN围绕在LN周围，形成以簇为单位的小网络，SN向LN发送业务数据，LN管理簇网络内SN通讯调度和在簇网络间传输信息。现在得到推广的IEEE802.15.4标准就是采用这种网络结构。这种网络结构存在一些不足，首先网络部署条件比较严格，因为受到无线通讯距离限制，必须事先规划怎样部署LN节点，当大范围部署网络时这种规划和实施成为一个复杂的工作。然后因为网络节点属性不同，当关键LN节点被破坏，其周边SN节点也失去了网络拓扑连接，需要重新搜索网络结构再加入网络。

WSN网络的MAC协议要求提供有效的网络节点通讯调度机制和节点间可靠的数据发送接收机制。研究结果表明，无线传感器节点RF接收和发送时是节点能量消耗最多的情况，MAC协议必须采用包括时分复用(TDMA)的机制或其变体时，才能确保在节点空闲期间关掉RF，从而节省网络节点的能量。

现有基于TDMA比较有代表性的协议有S-MAC，T-MAC，WiseMAC，B-MAC等。S-MAC的基本思想是时间分为帧，帧内分监听工作阶段和睡眠阶段，监听/睡眠阶段持续时间根据应用可调。协议采用RTS/CTS/DATA/ACK机制发送数据。其余几种协议都是在S-MAC协议基础上通过改进对通讯流量监测和控制机制，使网络节点能加快发送缓存的数据分组，从而减少了数据分组在网络中的传输延迟，优化网络性能。但是以上机制仍然存在可能改进的地方。基于时间分帧的网络节点调度协议在网络拓扑结构变化时，需要调整全部相邻节点的调度安排。还有在WSN网络的典型应用中，数据从网络向汇聚节点(SinkNode)集中，越靠近SinkNode节点数据流量越大，造成分组转发数据传输瓶颈，数据不能均衡传输影响网络性能。还有在网络部署后，一些特定应用希望能按需求调整网络节点通讯调度，但现有的网络调度机制往往不能改变。

发明内容

本发明的目的在于针对现有无线传感器网络中存在的不足，提供一种无线传感器网络，以及此网络的建立方法和通讯方法。它具有方便网络部署、提高网络结构抗破坏性、根据应用需要实时灵活配置网络节点的工作调度方案、网络中高效传输数据流的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无线传感器网络，该网络结构采取同构分组网络结构，WSN网络中能直接通讯的节点分组组建一个簇网络。其中包括：

普通传感器节点(Sensor Node，SN)，部署在网络内采集传感器数据，并根据应用要求传输通讯数据。相互能直接通讯的SN节点组建一个簇网络。簇网络内的SN节点采用基于时分复用(TDMA)机制，在簇网络内部节点通讯(GIC)时段实现相互通讯。节点加入一个簇网络时，与簇网络内其他节点实现时钟同步，并且接受簇网络配置的网络通讯调度安排。

簇网络交换节点(Boundary Node，BN)，一种特殊的SN节点，是在一个簇网络中能与相邻簇网络节点直接通讯的节点。簇网络内其他SN节点必须通过BN节点与相邻簇网络通讯。一个簇网络的全部BN节点也采用TDMA机制，在簇网络间节点通讯(GEC)时段分别与其他相邻簇网络通讯。

簇头节点(Head Node，HN)，一种特殊的SN节点，每个簇网络中通过能量优化原则选择一个节点作为HN节点。HN节点负责确认簇网络的网络拓扑结构变化，发布簇网络内节点的网络通讯调度。