[发明专利]用于重新分配无线网络中的无线节点的角色的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于提高和维护包括多个无线设备节点的无线通信网络的网络寿命的方法。具体而言，本发明涉及一种用于监控网络的方法，该方法包括以能量高效方式分配无线网络中的角色并且可以包括分配角色以提高网络功能；并且涉及被布置有用于实现该方法的硬件和软件设备的无线设备。该方法在用来维护工业控制系统的或者具有过程控制系统的无线传感器网络的网络寿命时特别有利。

背景技术

制造业中的工业控制系统、过程控制系统、分布式控制系统等经常包括硬接线数据网络和无线数据网络。制造业可以包括诸如造纸、制药、食品生产、石油和天然气开采、生产、加工等产业分支。无线传感器网络用来在无线现场设备(比如传感器)与工业控制系统之间传送测量和一些控制数据。无线传感器最常由电池供电。

电池供电的无线传感器的服务寿命依赖于功率使用。无线传感器网络的服务寿命因此也依赖于各个无线传感器的功率使用。无线传感器的无线电接收器/发射器通常在发送传输之时消耗最多功率并且在监听传输之时消耗功率而在不活跃状态期间几乎未消耗功率。为了方便，WSN中的无线传感器被配置成在也称为休眠状态的不活跃时段期间使用很少或者未使用能量，从而为用于监听信号和/或用于传输信号的有限数目的时段节省能量。

工业生产设备可以包含数以百计或者数以千计的微小电子器件，其能够感测环境、计算简单任务、相互通信并形成更大的无线网状传感器网络(WSN)。传感器收集的信息(例如温度、湿度等)经由直接邻居(网状网络)以多跳跃方式向控制系统传输。利用诸如自配置和自组织这样的方法，网络对由于耗尽电池能量所致的节点故障和断开节点做出反应。

由于节点的所需小尺寸以及强约束的电池容量，WSN中的一个主要要求是以高效方式分布网络服务。该要求的长期策略是将网络的寿命延长至最大。更具体而言，需要在相同的高可靠性和预期确定性时尽可能长久保持全部传感器网络服务。

WSN必须提供具有不同资源要求的多种分立服务。另外，不同服务也具有不同电池能量消耗，这意味着存在很高能量消耗的任务和较少能量消耗的任务。节点的位置也对这一能量消耗具有影响，而具有聚合功能的在网络中间的节点和许多邻居将无疑地比在边界仅有少数邻居的具有聚合角色的节点消耗更多的功率。一些功能在任何特定时间仅需由节点子集执行。这样的功能可以例如是聚合(需要聚合器服务)、群集路由(需要网关服务)、局部化(需要具有已知位置的参考节点)。最后，所需不同角色的数目可以根据应用而变化。定义这样的节点功能子集作为角色，并且执行角色的节点将被称为角色节点。

角色的能量需求针对不同角色显著地变化。通常，角色节点由于需要更复杂的计算和更高的通信工作而比其他传感器节点消耗不可比较地更多的能量。角色节点必须提供高可用性并且不能与其他节点一样长久且频繁地休眠。这使它们更容易遭受电池耗尽。角色节点的迅速耗尽很快地限制和阻止整个网络的操作和功能。

标题为Method and system for power-based control of an ad hoc wireless communications network(用于自组织无线通信网络的基于功率的控制的方法和系统)并且转让给Nokia公司的专利申请US20090111532描述了一种用于实施具有多个设备的无线网络的方法、系统和程序代码，其中设备之一协调在设备之间的无线通信。该说明书在电池电平方面描述了节点条件并且目的在于协调设备以优化跨越网络的通信。相同标题、相同受让人的申请US20050059420也相对于节点功率电平描述了网络中的协调。

标题为Communication system，and communication device and communication method for use in the Communication system(通信系统、通信设备和在通信系统中使用的通信方法)、转让给Toshiba公司的专利US6901275描述了一种系统，其目的在于防止(网络)将通信集中于一个终端上、由此避免功率消耗增加并且由此在由多个设备形成网络时延长网络配置时间。然而网络寿命的考虑限于节点电池功率参数，并且网络结构限于单个主控具有多个从属的情形。