一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其通信方法
【專利摘要】一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括：基站節(jié)點、傳感器節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)控制中心；其中，基站節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點，負責(zé)本地網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，與覆蓋范圍內(nèi)的無線傳感器節(jié)點通信，轉(zhuǎn)發(fā)控制中心的查詢命令，并將查詢信息發(fā)回網(wǎng)絡(luò)控制中心；無線傳感器節(jié)點負責(zé)把載體的相關(guān)信息發(fā)送給基站；網(wǎng)絡(luò)控制中心負責(zé)全網(wǎng)絡(luò)的信道資源配置和全網(wǎng)絡(luò)的終端用戶管理，并承擔(dān)與外部網(wǎng)絡(luò)通信功能。以及提供了一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信方法。本發(fā)明旨在提供一種采用低功率中遠距離無線通信技術(shù)，能實現(xiàn)大區(qū)域覆蓋、超大規(guī)模容量、同時兼容不同應(yīng)用的通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其通信方法。
【專利說明】一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其通信方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信及物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域，尤指一種中遠距離超大容量，能兼容不同應(yīng)用的通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其通信方法。

【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)(1T)作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展，其目的是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將物融入到互聯(lián)網(wǎng)中，從而實現(xiàn)物與物以及物與人之間的通信，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的范在化。傳感器網(wǎng)絡(luò)(感知網(wǎng)絡(luò))是物聯(lián)網(wǎng)的底層及核心部分，負責(zé)終端信息的采集、處理和傳輸。因此研究傳感器網(wǎng)絡(luò)尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和通信技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用具有非常重要的意義。
[0003]相比于其它網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有其特殊性。一是終端數(shù)量眾多，對系統(tǒng)容量有一定的要求；二是傳感節(jié)點通常需通過電池供電，有低功耗的要求，并在一定程度上限制了節(jié)點協(xié)議的復(fù)雜性；三是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要針對低速率應(yīng)用，這些應(yīng)用通常具有一定的時延容忍。數(shù)量眾多的無線傳感器終端在網(wǎng)絡(luò)中形成了大量的短時小數(shù)據(jù)傳輸。
[0004]目前來說，受制于傳感器網(wǎng)絡(luò)的上述特點及其所采用的無線通信技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常只能實現(xiàn)近距離傳輸。對于較大范圍內(nèi)(如城市區(qū)域內(nèi))的終端覆蓋的實現(xiàn)，則需要通過節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，利用多跳的方式達到遠距離信息傳遞的目的。如Zigbee網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點的通信距離通常只有幾十米到上百米。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點被分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和普通節(jié)點。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責(zé)本地網(wǎng)絡(luò)的組建，并與其覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點直接通信。各本地網(wǎng)絡(luò)之間通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信，并可以關(guān)聯(lián)的方式，以多跳實現(xiàn)與基站的接入。因此，Zigbee在組建大分布范圍的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時，通常需要采用Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)在強壯性和自我恢復(fù)性上有一定的優(yōu)勢，但拓撲復(fù)雜，存在網(wǎng)絡(luò)傳輸效率與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的選擇強烈相關(guān)的問題。且路由協(xié)議復(fù)雜，易造成極大的傳輸延遲，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰。Zigbee在MAC層上采用基于CSMA/CA協(xié)議的競爭機制，各節(jié)點在單一傳輸信道上進行時隙競爭，其傳輸效率隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的增加而急劇下降。
[0005]由上可見，目前存在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案均是以低速率短距離通信為目的，所支持的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有限，并不適用于組建跨地域范圍超大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。然而隨著現(xiàn)代射頻集成電路技術(shù)的發(fā)展，支持低速率中遠距離傳輸(在城市范圍內(nèi)l-2Km)、低功率、低成本的通信芯片/模塊開始出現(xiàn)。隨著這類芯片在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的大規(guī)模應(yīng)用，可以預(yù)見，未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點的覆蓋范圍大大增加，整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模會急劇擴大(幾十乃至上百倍)。且隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中各種應(yīng)用共存，對網(wǎng)絡(luò)的通用性提出要求。而現(xiàn)存的這些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案，面對超大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，普遍存在以下問題:1)頻率資源缺乏統(tǒng)一管理機制:由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小(Zigbee單個本地網(wǎng)絡(luò)容量為256個節(jié)點)，目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常只工作在單信道模式下。然而隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，多信道模式成為必然趨勢。目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中缺乏一個頻率資源的統(tǒng)一管理機制，則隨著終端數(shù)增多，頻率資源緊張加劇，各網(wǎng)絡(luò)之間的信道沖突現(xiàn)象會變得嚴重，網(wǎng)絡(luò)負載均衡、信道利用率、傳輸效率無法得到保證；2)網(wǎng)絡(luò)拓撲復(fù)雜；3)路由協(xié)議復(fù)雜，傳輸延遲大，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差；4)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用相關(guān)，兼容性差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無法適用于遠距離超大容量、兼容性較差的不足，本發(fā)明旨在提供一種采用低功率中遠距離無線通信技術(shù)，能實現(xiàn)大區(qū)域覆蓋、超大規(guī)模容量、同時兼容不同應(yīng)用的通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其通信方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0008]一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括:基站節(jié)點、傳感器節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)控制中心；其中，基站節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點，負責(zé)本地網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，與覆蓋范圍內(nèi)的無線傳感器節(jié)點通信，轉(zhuǎn)發(fā)控制中心的查詢命令，并將查詢信息發(fā)回網(wǎng)絡(luò)控制中心；無線傳感器節(jié)點負責(zé)把載體的相關(guān)信息發(fā)送給基站；網(wǎng)絡(luò)控制中心負責(zé)全網(wǎng)絡(luò)的信道資源配置和全網(wǎng)絡(luò)的終端用戶管理，并承擔(dān)與外部網(wǎng)絡(luò)通信功能；
[0009]所述基站節(jié)點和傳感器節(jié)點采用低功率中遠距離通信技術(shù)，能建立直接鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的中遠距離傳輸；所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為2級星形網(wǎng)絡(luò)；基站節(jié)點與覆蓋范圍內(nèi)的無線傳感器節(jié)點構(gòu)成第I級星形網(wǎng)，各基站節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)控制中心構(gòu)成第2級星形網(wǎng)；所述基站節(jié)點為多信道基站，信道按功能分為信標(biāo)信道、網(wǎng)絡(luò)注冊信道、查詢信道和報警信道。
[0010]進一步，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義了 3種不同帶寬信道，分別為低速率信道、中等速率信道和高速率信道。
[0011]優(yōu)選的，所述不同信道以各自間隔分布在整個可用頻帶范圍內(nèi)，形成部分或完全覆蓋的信道頻率分布結(jié)構(gòu)。
[0012]再進一步，所述基站節(jié)點所用信道帶寬可調(diào)，各基站可依據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況及應(yīng)用需求對相應(yīng)信道帶寬進行調(diào)節(jié)。
[0013]又進一步，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用集中分布式的信道資源分配方式。
[0014]所述信道資源分配方式中，網(wǎng)絡(luò)控制中心負責(zé)集中分配全網(wǎng)內(nèi)各基站的信道，并根據(jù)基站狀況增加或減少其信道數(shù)。
[0015]所述信道資源分配方式中，各基站依據(jù)站內(nèi)傳感器節(jié)點的QoS需求，傳感器節(jié)點所處位置和當(dāng)前網(wǎng)內(nèi)信道利用狀況，對傳感器節(jié)點所用信道進行部分分配和調(diào)整。
[0016]一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信方法，網(wǎng)絡(luò)控制中心初始分配各基站工作信道，各基站工作在分配的信道上，并通過各自信標(biāo)信道廣播其工作頻點，基站還通過信標(biāo)信道廣播各網(wǎng)絡(luò)注冊信道的信道占用情況，并實時更新，各傳感器節(jié)點通過讀取信標(biāo)信號捕獲基站的工作頻點，并根據(jù)發(fā)布的各注冊信道占用情況選擇信道進行網(wǎng)絡(luò)注冊申請，所述通信方法包括如下步驟:
[0017](I)傳感器節(jié)點定時在既定頻帶內(nèi)進行掃描，獲取信標(biāo)信號并判斷是否進入新基站范圍，若不是則放棄，等待下一次掃描；若是則切換工作頻點，進入注冊信道選擇程序選擇信道進行注冊申請；
[0018](2)傳感器節(jié)點根據(jù)各信道占用情況對注冊信道進行排序，并在3個較空閑信道中隨機選擇進行網(wǎng)絡(luò)注冊申請；
[0019](3)傳感器節(jié)點基于CSMA/CA機制競爭時隙以發(fā)送注冊申請幀，基站在收到申請后，以確認幀回復(fù)，若傳感器節(jié)點在相應(yīng)時隙內(nèi)未收到確認幀則進行退避，等候再次提出申請，退避次數(shù)到達門限值則重新偵聽信標(biāo)信道的廣播信息，重新進入注冊信道選擇程序選擇信道進行注冊申請。
[0020]進一步，所述傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)注冊申請幀中包括應(yīng)用的QoS需求和應(yīng)用數(shù)據(jù)長度，基站根據(jù)應(yīng)用需求計算并配置傳感節(jié)點所在輪詢信道、信道設(shè)置及所需時隙長度，并在注冊確認幀中告之，過程如下:
[0021](1.1)基站根據(jù)收到的申請信號強度估測傳感器節(jié)點離基站的距離；
[0022](1.2)基站根據(jù)傳感器節(jié)點應(yīng)用的QoS要求和距離給出信道帶寬和擴頻因子的可能組合并按優(yōu)先級排列；
[0023](1.3)基站根據(jù)站內(nèi)各信道的占用情況為傳感器節(jié)點分配信道；
[0024](1.4)基站根據(jù)選定的信道和傳感器節(jié)點的應(yīng)用數(shù)據(jù)長度計算該節(jié)點所需傳輸時隙長度，同時給該節(jié)點分配網(wǎng)內(nèi)ID ；
[0025](1.5)基站將網(wǎng)內(nèi)ID、信道號、信道參數(shù)設(shè)置及時隙長度通過注冊申請確認幀發(fā)給傳感器節(jié)點；
[0026](1.6)傳感器節(jié)點按基站要求配置輪詢信道及信道參數(shù)。
[0027]進一步，所述基站以多個信道并行工作，基站信道分為信標(biāo)信道、網(wǎng)絡(luò)注冊申請信道、查詢信道和報警信道，查詢信道采用輪詢機制?；緦φ緝?nèi)各輪詢信道所有傳感器節(jié)點分組，構(gòu)建并發(fā)送輪詢命令幀，以實現(xiàn)分組查詢。各傳感器節(jié)點在基站規(guī)定時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。若基站在規(guī)定時隙未收到有效數(shù)據(jù)，則對相應(yīng)傳感器節(jié)點重新構(gòu)建輪詢命令再次查詢。當(dāng)查詢次數(shù)到達門限值則放棄查詢，轉(zhuǎn)入對下一組的查詢。
[0028]再進一步，所述報警信道采用CSMA/CA機制，各傳感器節(jié)點競爭時隙實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)上傳。
[0029]本發(fā)明的有益效果為:以小發(fā)射功率和高接收靈敏度射頻通信技術(shù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)中遠距離傳輸，通過合理設(shè)計，采用混合復(fù)用機制和自適應(yīng)的信道管理機制來均衡低傳輸速率條件下的頻率資源、系統(tǒng)容量和傳輸效率，并調(diào)整頻率參數(shù)和調(diào)制方式，從而能以簡單的拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大覆蓋范圍、超大容量的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。另外結(jié)合靈活的時隙分配機制，滿足不同應(yīng)用終端在不同網(wǎng)絡(luò)條件下的QoS需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；
[0031]圖2是基站結(jié)構(gòu)框圖；
[0032]圖3是基站信道定義圖，其中(a)是通道類型定義，(b)是基站信道分配圖；
[0033]圖4是基站網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖；
[0034]圖5是基站簇頻偏設(shè)置示意圖，圖中D為頻偏，可為120KHz、240KHz或360KHz ；
[0035]圖6是信道功能劃分；
[0036]圖7是通信時隙及幀定義；
[0037]圖8是系統(tǒng)工作流程圖，其中，(a)傳感器節(jié)點注冊申請流程，(b)基站查詢流程；
[0038]圖9是傳感器節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合具體實施實例對本發(fā)明作詳細描述。
[0040]參照圖1?圖9，一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括:基站節(jié)點、傳感器節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)控制中心；其中，基站節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點，負責(zé)本地網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，與覆蓋范圍內(nèi)的無線傳感器節(jié)點通信，轉(zhuǎn)發(fā)控制中心的查詢命令，并將查詢信息發(fā)回網(wǎng)絡(luò)控制中心；無線傳感器節(jié)點負責(zé)把載體的相關(guān)信息發(fā)送給基站；網(wǎng)絡(luò)控制中心負責(zé)全網(wǎng)絡(luò)的信道資源配置和全網(wǎng)絡(luò)的終端用戶管理，并承擔(dān)與外部網(wǎng)絡(luò)通信功能；
[0041]所述基站節(jié)點和傳感器節(jié)點采用低功率中遠距離通信技術(shù)，能建立直接鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的中遠距離傳輸；所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為2級星形網(wǎng)絡(luò)；基站節(jié)點與覆蓋范圍內(nèi)的無線傳感器節(jié)點構(gòu)成第I級星形網(wǎng)，各基站節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)控制中心構(gòu)成第2級星形網(wǎng)；所述基站節(jié)點為多信道基站，信道按功能分為信標(biāo)信道、網(wǎng)絡(luò)注冊信道、查詢信道和報警信道。
[0042]如圖1，本發(fā)明由專用基站、網(wǎng)絡(luò)控制中心、各傳感器終端節(jié)點構(gòu)成一個完整系統(tǒng)基站發(fā)射的無線信號頻率位于UHF頻段，有多個不同頻率的信道。單個信道發(fā)射功率小于17dBm，可以覆蓋半徑大于I公里的數(shù)量眾多的終端模塊。傳感器節(jié)點由基站配置在不同的工作頻率上，可以實現(xiàn)多信道的并行查詢，使系統(tǒng)容量和查詢效率得以保證。系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是二級星形網(wǎng)，各基站通過光纖專網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)直接與網(wǎng)絡(luò)控制中心建立連接，構(gòu)成第一級星形網(wǎng)；每個基站與自己覆蓋范圍內(nèi)的終端模塊構(gòu)成第二級星形網(wǎng)。每一級網(wǎng)絡(luò)各基站之間、各傳感器節(jié)點之間不需通信。
[0043]本發(fā)明中的基站由多個UHF無線收發(fā)單元構(gòu)成，各UHF單元為一單獨信道，工作于不同頻率點，多個UHF單元通過頻分復(fù)用構(gòu)成一個多信道系統(tǒng)。
[0044]基站內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2，由一塊數(shù)字控制板、多塊射頻復(fù)用板、一塊射頻功率合成板、一塊電源板構(gòu)成。數(shù)字控制板完成系統(tǒng)的主要控制功能，實現(xiàn)各射頻復(fù)用板的自動識別、信道頻率配置、功率配置、調(diào)制方式設(shè)置等功能，以及實現(xiàn)基站的射頻收發(fā)控制，管理識別覆蓋范圍內(nèi)的無線終端模塊并上報給網(wǎng)管中心，接收網(wǎng)管中心對某一模塊的查詢追蹤命令并啟動對應(yīng)的信道；每塊射頻復(fù)用板完成8個不同頻率的信道復(fù)用和功率放大，以堆疊方式插在數(shù)字控制板上。每個基站內(nèi)部可以插的射頻復(fù)用板數(shù)量原則上沒有限制，因此能夠?qū)崿F(xiàn)的最大信道容量主要取決于允許使用的無線頻譜帶寬。數(shù)字控制板能自動識別所插復(fù)用板的數(shù)量，給各復(fù)用板分配不同的信道，并控制各板各信道的收發(fā)，使它們并行工作；所有的射頻發(fā)射信號在復(fù)用板內(nèi)經(jīng)功率放大后匯總到射頻功率合成板上，在這里完成最后的功率信號合成，并輸出到外部天線，接收時為逆過程。采用堆疊式結(jié)構(gòu)使各射頻板互相獨立和隔離，所需板的數(shù)量根據(jù)信道數(shù)量的需要擴充。
[0045]系統(tǒng)定義3種不同帶寬的信道以滿足不同應(yīng)用對傳輸速率及時延的要求:低速率信道(帶寬為50KHz)，中速率信道(帶寬為10KHz)及高速率信道(帶寬為200KHz)。整個頻率資源采用頻分復(fù)用(FDM)和碼分復(fù)用(CDM)混合方式實現(xiàn)信道復(fù)用和分配，如圖3 (a)。圖中以系統(tǒng)可利用總帶寬為40MHz為例。則在FDM模式下，整個頻帶能支持666路低速率信道(信道間距大于60KHz)、333路中速率信道(信道間距大于120KHz)或166路高速率信道(信道間距大于240KHZ)。系統(tǒng)在采用FDM方式的基礎(chǔ)上每一路信道亦能同時采用CDM方式以進一步擴大系統(tǒng)容量，例如采用不同的擴頻設(shè)置參數(shù)可以使系統(tǒng)容量成倍增加。
[0046]系統(tǒng)中基站各信道所用帶寬和調(diào)制方式由基站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況及終端需求設(shè)定，并根據(jù)變化進行調(diào)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)采用蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)建，以7個基站為一頻率復(fù)用簇為例，其構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖4。
[0047]本系統(tǒng)采用集中分布式的信道資源管理，整個系統(tǒng)的信道資源由網(wǎng)絡(luò)控制中心統(tǒng)一分配，各基站也具備一定的自主靈活性。圖3(b)為基站的頻率資源分配示例。初始化時網(wǎng)絡(luò)控制中心給各基站均分配44路信道，其中包括32路中速率信道(信道1-32)，6路高速率信道(信道33-38)和6路低速率信道(信道39-44)。各信道除低速率信道外均以較大的頻率間隔分開。6路低速信道由相鄰物理信道構(gòu)成，可用于實現(xiàn)信道帶寬轉(zhuǎn)換。復(fù)用簇中各基站信道分布相同，但各基站對應(yīng)信道的中心頻率根據(jù)帶寬的不同分別按頻差120KHZ、240KHz或360KHz依次偏移，這樣一個簇中各基站的信道頻率沒有重疊，如圖5定義。工作中，各基站可根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況對站內(nèi)信道進行調(diào)節(jié)。如在某高速率信道空閑時，可將其設(shè)為2路中速率或4路低速率信道。在低速率信道39-44均空閑時，可設(shè)置為I路高速率信道或3路中速率信道?；矩撠?zé)向網(wǎng)絡(luò)管理中心報告信道使用情況，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，負責(zé)向管理中心釋放或申請信道。網(wǎng)絡(luò)管理中心在收到基站的信道申請后，根據(jù)當(dāng)前基站復(fù)用簇中信道使用情況，分配相應(yīng)信道或拒絕申請。
[0048]本發(fā)明中基站的多個信道按其功能分為信標(biāo)信道、網(wǎng)絡(luò)注冊申請信道、查詢信道和報警信道，如圖6為信道分布示例。各信道具體功能為:
[0049](I)信標(biāo)信道:信道32為信標(biāo)信道，用以廣播該基站所用頻點和發(fā)布當(dāng)前各網(wǎng)絡(luò)注冊申請信道占用情況。該信道為保留信道，采用固定的帶寬及擴頻設(shè)置。該信道以很短的時間間隔周期性地發(fā)送信標(biāo)信號。當(dāng)傳感器節(jié)點需要加入一個基站或者從一個基站區(qū)域轉(zhuǎn)移到另一個基站區(qū)域時，需要切換到新基站的工作頻點。系統(tǒng)工作時傳感器節(jié)點定時切換到信道32，并按既定頻偏值依次調(diào)整工作頻點，搜索新的信標(biāo)信號，并根據(jù)所收到信標(biāo)信號的RSSI值選擇基站。判定進入新基站后傳感器節(jié)點按照信標(biāo)中給出的各網(wǎng)絡(luò)申請信道占用情況選擇較空閑信道，并切換到相應(yīng)信道(位于信道21?30)，準備申請注冊到該基站網(wǎng)絡(luò)。
[0050](2)網(wǎng)絡(luò)注冊申請信道:信道21?30為網(wǎng)絡(luò)注冊申請信道，采用固定的帶寬及擴頻設(shè)置，用于傳感器節(jié)點向基站進行網(wǎng)絡(luò)注冊。傳感器節(jié)點在切換到網(wǎng)絡(luò)注冊申請信道后，向基站發(fā)送網(wǎng)絡(luò)注冊請求。該請求包括終端應(yīng)用的QoS參數(shù)要求和應(yīng)用數(shù)據(jù)大小?；驹谑盏秸埱蠛蠡貜?fù)該終端，并根據(jù)終端QoS要求及網(wǎng)絡(luò)狀況給它分配一個查詢信道及網(wǎng)內(nèi)ID，并指定其查詢信道帶寬、調(diào)制方式和該終端傳輸時隙長度。若傳感器節(jié)點在規(guī)定時隙未收到回復(fù)，則進入退避程序，等待再次申請。達最大申請次數(shù)后重新進入注冊信道選擇程序。其具體的注冊流程如圖8(a)。
[0051](3)報警信道:信道31為報警信道，用來接收終端模塊的報警信息。該信道也采用固定的帶寬及擴頻設(shè)置。終端報警時通過競爭時隙來上報信號，直到收到基站的確認信息。該信道可用于某些應(yīng)用中終端報警狀態(tài)的及時傳輸，如可用于定位追蹤系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)中終端報警消息的傳輸。
[0052](4)查詢信道:查詢信道分為固定查詢信道I?20和可變查詢信道33?44，用于基站輪詢或即時查詢網(wǎng)內(nèi)傳感器節(jié)點的信息。其中固定查詢信道帶寬固定，調(diào)制方式由基站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)終端狀況決定?？勺儾樵冃诺腊?路高速率信道和6路低速率信道，并能在需要時進行帶寬調(diào)節(jié)。如高速率信道可工作為多路低速率信道，多路低速率信道可組成中速率信道或高速率信道。查詢信道的帶寬及擴頻參數(shù)由基站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況及終端需求靈活設(shè)置，并在注冊確認幀中通知終端模塊做相應(yīng)設(shè)置。具體的查詢流程如圖8 (b)。
[0053]本發(fā)明中基站根據(jù)終端QoS要求及終端所在位置為其配置相應(yīng)信道以實現(xiàn)查詢及輪詢功能。其基本過程為:終端向基站提出注冊申請，申請中包括QoS參數(shù)用以說明對數(shù)據(jù)速率r或延遲d的要求及要傳送的數(shù)據(jù)長度P?；驹诮拥缴暾埡螅紫葴y算終端離基站的距離1，并根據(jù)終端QoS要求，給出信道帶寬BW和擴頻因子SF的可能組合并按優(yōu)先級排列。然后根據(jù)站內(nèi)各信道的占用情況UiQ = 1，2，…N，N為站內(nèi)信道總數(shù))為終端分配信道，并計算該終端所需占用時隙長度SL。最后將信道號、信道參數(shù)設(shè)置及該信道數(shù)據(jù)上報時隙長度通過注冊申請確認幀發(fā)給終端。
[0054]以速率r為終端QoS參數(shù)為例，其信道參數(shù)選擇可示意為:
[0055](Bff, SF) = f (r, I1Ui)
[0056]其中f為選擇方程，其余參數(shù)如上述。時隙長度由下式?jīng)Q定:
[0057]SL = fSL (Bff, SF, p)
[0058]其中為計算公式。
[0059]一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信方法，網(wǎng)絡(luò)控制中心初始分配各基站工作信道，各基站工作在分配的信道上，并通過各自信標(biāo)信道廣播其工作頻點，基站還通過信標(biāo)信道廣播各網(wǎng)絡(luò)注冊信道的信道占用情況，并實時更新，各傳感器節(jié)點通過讀取信標(biāo)信號捕獲基站的工作頻點，并根據(jù)發(fā)布的各注冊信道占用情況選擇信道進行網(wǎng)絡(luò)注冊申請，所述通信方法包括如下步驟:
[0060](I)傳感器節(jié)點定時在既定頻帶內(nèi)進行掃描，獲取信標(biāo)信號并判斷是否進入新基站范圍，若不是則放棄，等待下一次掃描；若是則切換工作頻點，進入注冊信道選擇程序選擇信道進行注冊申請；
[0061](2)傳感器節(jié)點根據(jù)各信道占用情況對注冊信道進行排序，并在3個較空閑信道中隨機選擇進行網(wǎng)絡(luò)注冊申請；
[0062](3)傳感器節(jié)點基于CSMA/CA機制競爭時隙以發(fā)送注冊申請幀，基站在收到申請后，以確認幀回復(fù)，若傳感器節(jié)點在相應(yīng)時隙內(nèi)未收到確認幀則進行退避，等候再次提出申請，退避次數(shù)到達門限值則重新偵聽信標(biāo)信道的廣播信息，重新進入注冊信道選擇程序選擇信道進行注冊申請。
[0063]本發(fā)明設(shè)計了適合于大容量網(wǎng)絡(luò)中低速率小數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧椒?，并根?jù)各信道的性質(zhì)，分別采用輪詢機制和競爭機制以實現(xiàn)系統(tǒng)容量及效率的均衡。
[0064]如圖7(a)，查詢信道采用輪詢模式，其通信時隙由I個查詢命令時隙和多個數(shù)據(jù)上報時隙構(gòu)成。各數(shù)據(jù)上報時隙長度由信道參數(shù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)長度決定，并在傳感器節(jié)點注冊時通過注冊確認幀發(fā)布。上報時隙的個數(shù)由基站根據(jù)當(dāng)前信道狀況及查詢數(shù)據(jù)的實時性要求決定，并在命令時隙發(fā)布。各傳感器節(jié)點根據(jù)命令幀中被查詢傳感器節(jié)點ID的信息，在相應(yīng)時隙上報數(shù)據(jù)?；驹诎l(fā)送一個查詢命令后依次接收單個或多個數(shù)據(jù)，之后進入一個空時隙，該空時隙用于傳感器節(jié)點切換到信標(biāo)信道接收信標(biāo)并檢測是否需要注冊到新網(wǎng)絡(luò)。通過設(shè)置合適的命令發(fā)送間隔，可以保證網(wǎng)絡(luò)的同步性能?；景l(fā)送的命令幀結(jié)構(gòu)如圖7(b)，由基站編號、命令類型、起始被查詢傳感器節(jié)點網(wǎng)內(nèi)ID、被查詢終端個數(shù)、各終端占用時隙構(gòu)成。終端模塊上報的數(shù)據(jù)幀由基站編號、終端網(wǎng)內(nèi)ID、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)構(gòu)成(圖7(c))。
[0065]基站信標(biāo)信道的時隙由周期性的信標(biāo)幀時隙構(gòu)成，信標(biāo)幀之間以短時間空閑時隙隔開。其發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀如圖7(d):第一部分是信標(biāo)標(biāo)志，第二部分是基站編號，第三部分是各網(wǎng)絡(luò)注冊信道當(dāng)前信道占用情況。信標(biāo)標(biāo)志采用特殊的編碼以使終端容易接收識別不易出錯。
[0066]網(wǎng)絡(luò)注冊信道采用基于CSMA/CA的競爭模式，終端模塊爭用信道來發(fā)送網(wǎng)絡(luò)注冊申請幀，基站在成功收到網(wǎng)絡(luò)注冊申請后以確認幀回復(fù)。整個競爭時隙包括傳感器節(jié)點發(fā)送注冊申請幀時間和基站確認時間。傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)注冊申請幀如圖7 (e)，由網(wǎng)絡(luò)申請標(biāo)志、基站編號、模塊編號、QoS請求及數(shù)據(jù)長度構(gòu)成；基站對傳感器節(jié)點注冊申請的確認幀如圖7(f)。
[0067]報警信道與網(wǎng)絡(luò)注冊信道類似。該信道競爭時隙由終端發(fā)送報警幀時間和基站確認時間構(gòu)成。報警幀和報警確認幀格式如圖7 (g) ,7(h) 0
[0068]本發(fā)明的系統(tǒng)在工作時網(wǎng)絡(luò)中各基站按照網(wǎng)絡(luò)控制中心的要求設(shè)置到不同的頻偏點上，所有傳感器節(jié)點的工作頻率預(yù)先設(shè)置到信道32頻偏為O的頻點上，等待注冊到某個基站網(wǎng)絡(luò)。注冊成功后，傳感器節(jié)點轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)，等待基站查詢。并定時檢測網(wǎng)絡(luò)，如發(fā)現(xiàn)進入新的基站區(qū)域，則轉(zhuǎn)入網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)，進行新的網(wǎng)絡(luò)注冊。在報警條件滿足時，傳感器節(jié)點立即進入報警狀態(tài)，向基站報警，直到報警成功返回等待狀態(tài)。傳感器節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖9。
[0069]系統(tǒng)的主要工作流程如下:
[0070]傳感器節(jié)點注冊申請流程:如圖8(a)，每個基站啟動后在信道32的相應(yīng)頻偏點上按一定時間間隔發(fā)送信標(biāo)信號。傳感器節(jié)點工作時無論是否已經(jīng)注冊到某個網(wǎng)絡(luò)，都定時將信道切換至信道32，從頻偏O點依次掃描所有7個頻偏點，以偵聽信標(biāo)信號。如果偵聽到了新基站的信標(biāo)并且信號強度比原來所在基站的信號強度大，則說明進入了一個新的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，此時申請注冊到新基站。如果基站收到申請則給該傳感器節(jié)點分配一個查詢信道及網(wǎng)內(nèi)ID，并在回復(fù)的確認幀中告之?；竟ぷ鲿r將建立動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)注冊表，存儲注冊傳感器節(jié)點的編號、工作信道、時隙長度、網(wǎng)內(nèi)ID等信息；傳感器節(jié)點收到注冊確認幀后按照要求配置自己的頻點并設(shè)置相應(yīng)信道參數(shù)。此時本次網(wǎng)絡(luò)搜尋更新過程結(jié)束，進入等待查詢過程，直到下一次網(wǎng)絡(luò)搜尋更新。若在相應(yīng)時隙沒有收到確認信號，終端模塊將再次發(fā)起注冊申請，直到注冊成功。
[0071]基站查詢流程:如圖8(b)，基站的主要工作之一是定時查詢每個注冊到本站的傳感器節(jié)點?；就ㄟ^其網(wǎng)絡(luò)注冊表，對每個查詢信道內(nèi)的傳感器節(jié)點進行分組，并對每組構(gòu)建一個如圖7(b)的查詢命令幀，實現(xiàn)對組內(nèi)傳感器節(jié)點的一次性查詢，每個基站的所有查詢信道并行工作。查詢命令幀在命令時隙發(fā)布(如圖7(a))，被查詢傳感器節(jié)點在規(guī)定時隙上報各自信息。若基站在規(guī)定時隙沒有收到相應(yīng)節(jié)點的正確信息，則構(gòu)建新的查詢幀再次查詢。若連續(xù)3次對某個傳感器節(jié)點的查詢失敗，則認為該節(jié)點已脫離當(dāng)前基站，放棄查詢。此時基站將該傳感器節(jié)點從注冊表中刪除。傳感器節(jié)點自身如果在設(shè)定的時間內(nèi)沒有收到查詢命令，則認為自身已脫離了某個網(wǎng)絡(luò)，需要重新申請注冊。
[0072]基站在完成對一組節(jié)點的查詢后轉(zhuǎn)入下一組節(jié)點的查詢，按此方式不斷對所有注冊的節(jié)點進行輪詢。在輪詢過程中也可以插入對某個特定節(jié)點的查詢，實現(xiàn)即時查詢。
【權(quán)利要求】
1.一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于:該網(wǎng)絡(luò)包括:基站節(jié)點、傳感器節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)控制中心；其中，基站節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點，負責(zé)本地網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，與覆蓋范圍內(nèi)的無線傳感器節(jié)點通信，轉(zhuǎn)發(fā)控制中心的查詢命令，并將查詢信息發(fā)回網(wǎng)絡(luò)控制中心；無線傳感器節(jié)點負責(zé)把載體的相關(guān)信息發(fā)送給基站；網(wǎng)絡(luò)控制中心負責(zé)全網(wǎng)絡(luò)的信道資源配置和全網(wǎng)絡(luò)的終端用戶管理，并承擔(dān)與外部網(wǎng)絡(luò)通信功能； 所述基站節(jié)點和傳感器節(jié)點采用低功率中遠距離通信技術(shù)，能建立直接鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的中遠距離傳輸；所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為2級星形網(wǎng)絡(luò)；基站節(jié)點與覆蓋范圍內(nèi)的無線傳感器節(jié)點構(gòu)成第I級星形網(wǎng)，各基站節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)控制中心構(gòu)成第2級星形網(wǎng)；所述基站節(jié)點為多信道基站，信道按功能分為信標(biāo)信道、網(wǎng)絡(luò)注冊信道、查詢信道和報警信道。
2.如權(quán)利要求1所述的一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于:所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義了 3種不同帶寬信道，分別為低速率信道、中等速率信道和高速率信道。
3.如權(quán)利要求2所述的一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于:所述不同信道以各自間隔分布在整個可用頻帶范圍內(nèi)，形成部分或完全覆蓋的信道頻率分布結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1?3之一所述的一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于:所述基站節(jié)點所用信道帶寬可調(diào)，各基站可依據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況及應(yīng)用需求對相應(yīng)信道帶寬進行調(diào)節(jié)。
5.如權(quán)利要求1?3之一所述的一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于:所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用集中分布式的信道資源分配方式。
6.如權(quán)利要求5所述的一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于:所述信道資源分配方式中，網(wǎng)絡(luò)控制中心負責(zé)集中分配全網(wǎng)內(nèi)各基站的信道，并根據(jù)基站狀況增加或減少其信道數(shù)。
7.如權(quán)利要求5所述的一種中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于:所述信道資源分配方式中，各基站依據(jù)站內(nèi)傳感器節(jié)點的QoS需求，傳感器節(jié)點所處位置和當(dāng)前網(wǎng)內(nèi)信道利用狀況，對傳感器節(jié)點所用信道進行部分分配和調(diào)整。
8.—種如權(quán)利要求1所述的中遠距離超大容量通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的通信方法，其特征在于:網(wǎng)絡(luò)控制中心初始分配各基站工作信道，各基站工作在分配的信道上，并通過各自信標(biāo)信道廣播其工作頻點，基站還通過信標(biāo)信道廣播各網(wǎng)絡(luò)注冊信道的信道占用情況，并實時更新，各傳感器節(jié)點通過讀取信標(biāo)信號捕獲基站的工作頻點，并根據(jù)發(fā)布的各注冊信道占用情況選擇信道進行網(wǎng)絡(luò)注冊申請，所述通信方法包括如下步驟: (1)傳感器節(jié)點定時在既定頻帶內(nèi)進行掃描，獲取信標(biāo)信號并判斷是否進入新基站范圍，若不是則放棄，等待下一次掃描；若是則切換工作頻點，進入注冊信道選擇程序選擇信道進行注冊申請； (2)傳感器節(jié)點根據(jù)各信道占用情況對注冊信道進行排序，并在3個較空閑信道中隨機選擇進行網(wǎng)絡(luò)注冊申請； (3)傳感器節(jié)點基于CSMA/CA機制競爭時隙以發(fā)送注冊申請幀，基站在收到申請后，以確認幀回復(fù)，若傳感器節(jié)點在相應(yīng)時隙內(nèi)未收到確認幀則進行退避，等候再次提出申請，退避次數(shù)到達門限值則重新偵聽信標(biāo)信道的廣播信息，重新進入注冊信道選擇程序選擇信道進行注冊申請。
9.如權(quán)利要求8所述的通信方法，其特征在于:所述傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)注冊申請幀中包括應(yīng)用的QoS需求和應(yīng)用數(shù)據(jù)長度，基站根據(jù)應(yīng)用需求計算并配置傳感節(jié)點所在輪詢信道、信道設(shè)置及所需時隙長度，并在注冊確認幀中告之，過程如下: (1.D基站根據(jù)收到的申請信號強度估測傳感器節(jié)點離基站的距離； (1.2)基站根據(jù)傳感器節(jié)點應(yīng)用的QoS要求和距離給出信道帶寬和擴頻因子的可能組合并按優(yōu)先級排列； (1.3)基站根據(jù)站內(nèi)各信道的占用情況為傳感器節(jié)點分配信道； (1.4)基站根據(jù)選定的信道和傳感器節(jié)點的應(yīng)用數(shù)據(jù)長度計算該節(jié)點所需傳輸時隙長度，同時給該節(jié)點分配網(wǎng)內(nèi)ID ； (1.5)基站將網(wǎng)內(nèi)ID、信道號、信道參數(shù)設(shè)置及時隙長度通過注冊申請確認幀發(fā)給傳感器節(jié)點； (1.6)傳感器節(jié)點按基站要求配置輪詢信道及信道參數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的通信方法，其特征在于:所述基站以多個信道并行工作，基站信道分為信標(biāo)信道、網(wǎng)絡(luò)注冊申請信道、查詢信道和報警信道，查詢信道采用輪詢機制?；緦φ緝?nèi)各輪詢信道所有傳感器節(jié)點分組，構(gòu)建并發(fā)送輪詢命令幀，以實現(xiàn)分組查詢。各傳感器節(jié)點在基站規(guī)定時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。若基站在規(guī)定時隙未收到有效數(shù)據(jù)，則對相應(yīng)傳感器節(jié)點重新構(gòu)建輪詢命令再次查詢。當(dāng)查詢次數(shù)到達門限值則放棄查詢，轉(zhuǎn)入對下一組的查詢，所述報警信道采用CSMA/CA機制，各傳感器節(jié)點競爭時隙實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)上傳。
【文檔編號】H04W72/04GK104410979SQ201410679741
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】王新華, 戴芹 申請人:浙江科技學(xué)院