[发明专利]向和从具有TDMA机制的簇集的多跳网络的节点传送数据的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于向和从具有时分多址（TDMA）机制的多跳网络（具体地，基于TDMA的低功率传感器网络）的节点传送数据的方法和装置。网络被簇集（clustered）成多个簇，其中多个簇中的每个簇包括多个节点。

背景技术

在低功率传感器网络中，特别是在电池操作的无线传感器网络中，很重要的是在传感器节点的空闲时段关闭它们的无线电收发器以节能。空闲时段是其中节点没有什么要发送或接收的时段。进一步重要的方面是避免当传送消息时的碰撞或最小化不去往相应节点的串音消息。

在此类的环境中，基于TDMA的系统本质上是高能效的，因为系统的节点具有明确定义地调度，该调度定义了其中系统的节点需要打开它们的无线电收发器以用于发送或接收消息的时隙。在所有其他的时隙中，相应的节点可以关闭它的无线电收发器。通过合适的时隙分配，可以在相同的时隙处唤醒发送方和接收方，从而它们可以通过网络来交换消息。

多跳网络中的多对一通信是传感器网络应用的一个常见要求，例如，在环境监控或数据采集的领域中，其中传感器节点与本质上并且通常并在它们之间的汇聚节点（sink node）交换信息。在这方面，传感器节点通常产生周期性的数据样本并且向汇聚节点发送这些产生的周期性数据样本以便进一步处理。也可以使用从汇聚节点到其他传感器节点的反方向，例如用于从汇聚节点向其他节点发送控制信息。汇聚节点和另外的传感器节点之间的路由或支路可以形成在汇聚节点处路由并且跨所有的节点的多跳树。

对于网络中的通信，TDMA机制可以通过周期性超帧来组织。周期性超帧的每个超帧可以具有多个帧，例如包括广播帧和采集帧。

一个帧包括固定长度的多个时隙。可以在一时隙期间发送N个消息。在一时隙期间，节点可以处于下面三种状态中的一种：发送、接收或休眠。节点仅在分配给它们的用于发送或接收的时隙期间醒着。

一个常规的TDMA超帧结构可能与具有多数目节点的网络不相称，因为广播帧和采集帧的长度随着网络节点的数目而增加，而超帧的长度受延迟要求的限制。特别地，广播帧可以由父节点用于广播信息，例如同步信息。为此目的，每个父节点分配有广播帧内的一个时隙并且使用该时隙来向它们的子节点来广播它们的消息，即，广播帧包含与网络中的父节点相同数目的时隙。

采集帧中的时隙可以由传感器节点用于向汇聚节点发送它们的周期性数据。分配给一个节点的时隙数目取决于它们的后代节点（如果有的话）所生成的业务量，加上由其自身所生成的业务量。假设网络中的每个节点具有每超帧要向汇聚节点传送的至少一个消息，则采集帧所需的时隙数目将总是大于网络中节点的数目。

该伸缩性问题可以通过簇集（clustering）来解决，其是一种公知的方法，其中具有多数目的节点的网络被划分成称为簇的更小数目节点的多个组。每个簇接着可以具有它自己的汇聚节点，它自己的路由树，以及它自己的TDMA调度，因此其比单个的大的网络更易管理。

进一步，频（FDMA；频分多址）或码（CDMA；码分多址）复用可以用于允许不同簇中的节点的并发传输。例如，IEEE802.15.4标准在2.4GHz ISM频带中定义16个独立的FDMA信道，每个信道可以由不同的簇来使用，使得不同簇中的节点可以并行地传送而不彼此干扰。

簇集已经在科学文献中被广泛地研究，参见例如参考文献[1]或[2]。它们中的大多数处理如何形成簇或如何选择簇头的算法。进一步，还存在对于MAC协议的一个大的工作团体。然而，没有其他的MAC解决方案将常见的TDMA广播树用于同步以及将不同频率上的附加的时隙化的帧用于簇数据采集。可以在参考文献[4]中获得当前的概览。

进一步，文档US6,034,966A描述了一种用于多路复用总线系统网络和无线网络的数据传输的控制方法。在网络中使用的传输控制方法包括时分复用信道和争用控制信道。至少一个站和中央控制单元二者连接到争用控制信道和时分多路复用（TDMA）信道。当站开始时分多路复用会话时，其经由争用控制信道向中央控制单元传送接入请求。在中央控制单元接收到接入请求后，传送接收请求的站被包括在时分多路复用（TDMA）的顺序中。中央控制单元根据时分多路复用的顺序来重复地经由TDMA信道向站传送传输允许令牌。接收到传输允许令牌的站经由第二通信信道向另一站或中央控制单元传送数据实体（如果存在的话），并且也经由第二通信信道向中央控制单元传送传输终止令牌。当中央控制单元接收到传输终止令牌时，其按时分多路复用的顺序来经由第二通信信道向下一站传送传输允许令牌。