[发明专利]无线通信网络及其自适应择路通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信网络，尤其涉及在无线通信网络中自适应选择路由进行通信以减少网络通信出现碰撞的机会的方法，以及应用了该方法的无线通信网络。特别地，所述无线通信网络是无线传感器网络。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)是一种由大量低复杂度的传感器节点通过自组织方式形成的无线网络，该网络中的每个传感器节点由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成，以完成数据采集、数据收发、数据转发这三项基本功能。无线传感器网络具有高可靠、易部署和可扩展等特点。新一代更小、更廉价的低功耗设备的产生、分布式计算带来的数据计算与处理能力的提高以及微机电系统的发展，使得发展低成本、低功耗、小体积短距离通讯的多功能传感器成为可能，奠定了无线传感器网络的产生和发展的基础。无线传感器网络不需要固定网络支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、建筑、仓储、智能家居、环保等领域，引起了人们广泛关注。

介质访问控制(MAC)协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源。节能、高效是无线传感器网络MAC层协议研究的重要目标。IEEE 802.15.4标准是IEEE标准化协会针对低速率无线个人区域网(LR-WPAN)制定的标准，是目前无线传感器网络最重要的协议之一。信标管理和信道访问控制是IEEE 802.15.4MAC子层的两个重要功能。在LR-WPAN网络中，有两种通信模式可供选择：信标使能通信和信标不使能通信。

IEEE 802.15.4标准将网络中所有无线设备分为两大类，即，全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)，前者能够完成协议的所有功能，而后者只能完成部分简单功能。同时，将这些设备从功能上划分成三类节点，即，网络协调点(PAN coordinator)、协调点(coordinator)和普通节点(device)，其中网络协调点为整个网络的主控节点，并且每个IEEE802.15.4网络只能有一个网络协调点；协调点通常通过发送信标实现与周围节点的同步，且具有转发分组的功能；普通节点只具有简单的收发功能，不能进行分组的转发。全功能设备可以充当网络协调点、协调点或普通节点，然而精简功能设备只能充当普通节点。

对等网(peer-to-peer)是IEEE 802.15.4标准支持的一种重要拓扑结构。在对等网中，当存在有效协调点时，任意两个在通信范围内的节点都可以相互通信。

在信标使能的网络中，中心节点(sink node)定时广播信标帧。信标帧表示超帧的开始。子节点之间通信使用基于时槽的CSMA/CA信道访问机制，在该机制下，每当子节点需要发送数据帧或命令帧时，它首先定位下一个时槽的边界，然后等待随机数目个时槽。等待完毕后，子节点开始检测信道状态：如果信道空闲，子节点就在下一个可用时槽边界开始发送数据；如果信道忙，则子节点需要重新等待随机数目个时槽，再检查信道状态，重复这个过程直到空闲信道出现为止。

在信道不使能的通信网络中，中心节点不发送信标帧，各个子节点使用非分时槽的CSMA/CA机制访问信道。该机制的通信过程如下：每当子节点需要发送数据或者发送MAC命令时，它首先等候一段随机长的时间，然后开始检测信道状态：如果信道空闲，则该子节点立即开始发送数据；如果信道忙，则子节点需要重复上面的等待一段随机时间和检测信道状态的过程，直到能够发送数据为止。

在无线传感器网络中，节点(特别是协调点和普通节点)通常采用容量极其有限的电池供电，而电池的充电或是更换常常是不便甚至是不可能的，这会导致无线传感器网络节点的失效，最终使整个网络崩溃。

因此，如何在无线传感器网络使用过程中节省网络节点的耗电量，延长网络生命周期是无线传感器网络研究中的一个重要课题。

在以前的对无线传感网络节能量效率的研究中，通常采用传统IP网络的OSI分层协议模型。它简化了复杂的网络设计，降低了成本，提高了执行效率等性能，但是优化通常是在某一个具体的网络层次进行，网络性能改善比较有限，而且通常是以牺牲网络延时性能为代价来换取能量效率的提高。这个问题的存在，制约了无线传感器网络向更具潜力的实时性业务发展。打破传统的层次观念，以实现网络性能优化为目标，联合网络各个层次进行跨层优化，实现各层次之间的信息无缝交互，对实现网络业务质量(QoS)保障，改善网络整体性能，有着积极的意义。

因此，在无线网络中，研究良好的跨层优化技术，在保障数据时效性的基础上，使网络生命周期最大化，有着十分广阔的应用空间。