[发明专利]用于星型网络的信标、星型网络中的传感器节点、在星型网络中初始化网关的方法以及操作星型网络的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于一星型网络的信标、一种星型网络中的传感器节点、一种在一星型网络中初始化一网关的方法以及一种操作一星型网络的方法。

背景技术

生产自动化对无线网络有着极高的质量要求，特别是要求响应时间短且有保障(节点想要发送数据→数据到达接收端)。一般情况下，人们会尝试借助采用时分多址(TDMA，Time Division Multiple Access)技术的星型网络来实现这一点。其中，由网络的中央节点(即网关)规定一超帧，该超帧包含了时隙与单个传感器节点之间的分配关系。网关在每个超帧开始时周期性发送信标，以此来实现传感器节点与超帧的必要同步。为了满足时间上的高要求，需要隐式存储尽可能多的状态信息，以至于数据包非常小(另见M.Bahr、M.Vicari、L.Winkel：工厂自动化建议，IEEE P802.15无线局域网，文献15-09/0228r0，2009年3月——下称“文献【1】”，在有效载荷为1字节的情况下，最小的MAC包的大小只有4字节)。

然而，这种优化是以降低灵活度为代价的。如果是单独一个固定的无线星型网络，并且其中的节点始终听从网关的信标(即始终处于开启状态)，也从不离开这个网络(即传感器节点不在不同的网关间漫游)，这是没有问题的。

但是也有若干应用领域并不存在上述这些限制条件，而且要求较高的灵活度：

-为节电而关闭部分传感器节点，因此错过一些信标。

-传感器节点穿过多个星型网络/网关的无线电范围(漫游)，例如在传送带上。

就上述文献【1】目前的这些机制而言，不存在任何一种有效的自组织方法。传感器节点一旦错过一定数量的信标或者进入另一网关的范围，就会使无线数据传输受到严重干扰：

-错过信标：传感器节点有可能“睡过”了超帧的新配置。由于是隐式存储，传感器节点无法从信标中识别出这个新配置。在此情况下，如果用传感器节点已知的旧配置发送数据，就会引发数据冲突。

-漫游：传感器节点不知道它正处于哪个星型网络。在此情况下，借助外部配置虽可避免数据通信时发生冲突，但往往会产生浪费资源的结果，因为在这种情况下规划超帧分配时，必须将整个漫游线路考虑在内。而如果只是从局部角度对星型网络进行考虑的话，就能提高资源的利用率。

此外，IEEE 802.15.4-2006标准(IEEE 802：15.4部分：针对低速无线个域网(WPANs)的无线媒体访问控制(MAC)与物理层(PHY)规定，IEEE Std 802.15.4^TM-2006，2006年9月——下称“文献【2】”，是上述文献【1】及本发明的基础)已大幅加长18字节以上的MAC包的帧间间隔(IFS，即两包之间的最小间隔)：从12字符(相当于6字节)加长至40字符(相当于20字节)。这是一种巨大的、应尽可能避免的时间浪费，也就是说，MAC层上的信标一般情况下应≤18字节。

星型网络是无线网络中一种广受欢迎的拓扑结构。任何一个星型网络都包含与终端设备(工作站、客户端、终端设备、传感器节点等等)直接通信的中央节点(接入点、协调器、基站、网关等等)。

IEEE 802：11部分：无线LAN媒体访问控制(MAC)与物理层(PHY)规定，IEEE Std 802.11^TM-2007，2007年9月——下称“文献【3】”——定义用于接入点的信标，以便WLAN站能识别接入点并与之建立关联。图1为IEEE 802.11信标的结构。这些信标在IEEE 802.11中的作用主要是让WLAN站能识别接入点并与之建立关联。接入点也可承担协调任务(点协调功能)。但这不属于时分多址技术。因为接入点(点协调器)是显式询问设备。

IEEE 802.11信标如图1所示的结构中各字段的含义如下(只列与本发明有关的含义)：

-SA：代表源地址(Source Address)，包含接入点的MAC地址。

-BSSID：代表基本服务集标识符，是星型网络的标识。将接入点的MAC地址用作BSSID。

-序列控制：用于对重复发送的包进行碎片整理与识别。该字段由4个用于碎片编号的位和12个用于序号的位构成，序号的作用是区分不同的包。

IEEE 802.11基于CSMA(载波侦听多路访问)技术，因此新设备也有机会发送数据。即便使用PCF，也始终存在基于CSMA的所谓竞争期。