[发明专利]在包括多个节点的无线网络中进行通信的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及无线通信网络中的信标信号(beacon signal)，更具体地，涉及根据IEEE 802.15.4-2006标准设计的网络。

背景技术

在很多工业和商业环境中采用了无线传感器网络(WSN)。工业环境中的应用为这些类型的网络提供了巨大的商业潜力。与在机器发生故障前有计划地将机器关闭以进行维修导致的费用相比，如果没有检测到机器故障，则将导致很大的损失。

然而，可扩展性、可靠性以及等待时间是具有挑战性的问题。有线传感器网络由于它们的高可靠性和低等待时间而通常被用于这样的应用。然而，这样的网络是昂贵的、复杂的、且不灵活的。网络的拓扑变化意味着有线主干的重新安装。其不具有成本效益，并且迫使延长了故障时间。

因此，需要满足工业应用的需要的、可重新配置的、低成本的并且较低安装强度的传感器网络技术。一种可行的解决方案是使用无线传感器网络。由于相对简单及快速的建立过程，这些网络安装费用低廉并且拓扑变化灵活。然而，挑战在于要提供与它们的有线网络所能提供的程度类似的可靠性和等待时间。通常，传感器节点可用的资源有限，这实际地阻止了前向纠错码或者其它计算强度大的方法的使用。

无线数据网络用于各种环境。例如，无线蜂窝网络、WiFi、蓝牙、WiMax和RF都适用于它们各自的应用领域。工业控制和自动化中的应用的主要候选技术是IEEE 802.15.4标准针对多跳无线网状网中的MAC层和物理层所定义的规范。然而，当前的IEEE 802.15.4-2006标准不能满足对工业部署所需要的等待时间和可靠性性能的严格要求。

一些MAC类型是公知的，包括载波侦听多址访问(CSMA：carriersense multiple accesses)、时分多址(TDMA：time division multiple access)、码分多址(CDMA：code division multiple access)以及跳频(FH：frequencyhopping)。混合MAC类型使用CSMA、TDMA和FH的组合。

IEEE 802.15.4标准为低速无线个域网(LR-WPAN)规定了物理层和下层的介质访问控制(MAC)。此标准是为此标准未涉及的上层提供了网络解决方案的ZigBee和MiWi规范的基础。

IEEE 802.15.4标准提供了无线个域网(WPAN)类型的基本的下层网络层，与如Wi-Fi的其它更加面向终端用户的方法相比，IEEE 802.15.4标准专注于设备之间的低成本、低速度的泛在通信(ubiquitouscommunication)。重点在于在几乎没有下层基础设施的条件下与附近的设备进行成本极低的通信，旨在藉此来进一步降低功耗。

已经广泛使用了三种访问无线传感器网络中的通信信道的方法。被称为TDMA的第一种方法将时间轴划分为时隙，然后将这些时隙分配给参与的节点以进行没有竞争的信道访问。该方法在如无线蜂窝电话系统的由中央实体来管理如时隙、信道和通信信号功率等网络资源的单跳(single-hop)网络中非常有用。

对于信道条件频繁变化、路由不可靠、并且网络拓扑不可用的大型多跳(multi-hop)无线传感器网络而言，中央管理方法通常不是非常可行并且不具有扩展性。在这样的网络中，有效管理网络资源并且一直保持更新资源分配的中央储存库并不是简单或可行的任务。

更重要的是，由于不能提供重传的机会，因此基于TDMA的系统缺乏处理失败的传输所需要的灵活性，而这种失败的传输在无线传感器网络中很常见。并且，由于通常以静态的非自适应的方式来分配时隙，那些系统通常不擅于处理突发业务。一些方法把在这样的网络中分配资源的责任委派给上层。这样做会导致两种不利的因素。第一，网络变得无效率。响应多变的操作环境(无线传感器网通常在其中工作)中的变化的等待时间使得网络更加不能自适应。第二，由于对于与下层网络组件相关的重点和问题的熟悉程度有限，使得包括应用网络设计的上层设计更加困难。

被称为CSMA的第二种方法只要节点需要发送帧就允许每个节点尝试访问信道。然而，在开始发送前，节点对信道进行“监听”，以确保该发送将不会干扰已经开始发送的节点。这种方法需要最小程度的资源分配。然而，由于发送之间的冲突，吞吐量降低。