[发明专利]一种基于接力节点的工业无线传感器网络通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业无线传感器网络，尤其涉及工业无线传感器网络通信领域中的协同通信技术。

技术背景

工业无线传感器网络是无线传感器网络技术的最新应用领域，与传感器网络相比具有显著的特点。首先正在制定中的工业无线传感器网络标准，从工业现场应用的需求出发，采用集中式(如ISA100)，或者集中分散相结合的混合式网络管理(WIA-PA)，对节点间的通信进行严格的管理。其次工业无线传感器网络的工作环境复杂，除了各种通信干扰外，还有工作空间的限制和各种外部因素如车辆、大型金属构件、机械设备等遮蔽造成的节点间通信中断。此外工业无线传感器网络的节点数目较少。

工业现场为工业无线传感器网络的应用提出了严格的实时性和可靠性要求。其中空间分集(Spatial Diversity)是其中重要的技术领域。在当前的研究中，主要提出了多路径传输、Mesh网、冗余路径、协同通信等方法。多路径传输技术中通信路径上的每个节点都能够选择多条路径进行数据包的传递，每个节点根据数据包的时延，选择速度最快的传输路径。这种方式虽然能够极大的提高通信的实时性和可靠性，但是会消耗大量的通信资源和能量，降低网络的吞吐量。Mesh网虽然能保证节点间的K连接度，但通常需要占用大量的通信资源。在通信资源有限，尤其是在节点数量有限的情况下就不能保证Mesh网的性能，也不能满足工业无线网络的要求。

路径冗余技术是工业无线网络中使用最频繁也最简单的技术，在节点间的首选路径失效的情况下，节点选择路由表中设有备选路径。但是在备选路径也不能完成信息传输的情况下，源节点与目的节点间的通信就告以失败。上述技术对网络的拓扑和节点的数量都有要求。比如多路径传输技术要求源节点与目的节点间存在多条不相交的路径。在前提条件不能满足的情况下，性能会大大下降。而工业无线网络与开阔地带的传感器网络相比，在空间和网络规模上都会受到限制。

无论采用何种技术提高工业无线传感器网络通信的实时性和可靠性，都不能完全避免传输失败的情况。一旦进入重传，就需采用由源节点发起重传的方式，这种方式不仅会消耗较大的能量，而且在网络故障没有排除的情况下，进行简单的重传并不能传输成功。在无线传感器网络技术中，采用接力节点进行协同通信的网络，通常采用分布式的算法，虽然可以不需要进行基础设置，并可对网络环境的变化做出实时的反应。但是在多跳的情况下，由于影响节点传输速率、可靠性、实时性的因素众多(如多跳路径选择、多跳节点之间的传输干扰、多跳节点的重传次数等)，难以取得优化的值。因此大多用在单跳接力的场合。同时接力节点功能单一，只能进行缓存数据的重传。接力节点的使用未能解决接力节点和源节点都收到重传请求造成的冲突。而与工业无线传感器网络最大的冲突在于，分布式的算法需要自由发起通信。[MMSPEED：Multipath Multi-SPEED Protocol for QoS Guarantee ofReliability and Timeliness in Wireless Sensor Networks]中单纯利用节点位置估算接收到的报文的传输速度，据此选择不同传输速度的路径转发数据。这种方式对每一个单一节点都进行速度的判断，容易造成节点的负载失衡。上述技术应用于工业无线传感器网络均不能适应工业现场的需要，一方面不能形成完善的解决方案，另一方面不符合工业无线传感器网络技术应用的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为，现有无线传感器网络使用接力节点技术未能针对工业无线传感器网络技术特点的问题，接力节点和源节点都收到重传请求时易造成节点同时传输的冲突、能量消耗过大、分布式协同传输的方法造成节点负载失衡等问题，提供一种基于接力节点的工业无线传感器网络通信方法，改善工业无线传感器网络的实时性和可靠性。