专利名称：一种无线传感器网络及其通信和建立方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无线传感器网络及其通信和建立方法。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种特殊的无线通信系统，它由成千上万个传感器节点构成。每个节点包括微处理器、内存、传感器、电池和微型无线电收发机。无线传感器网络被部署在应用现场后能够实时采集指定监测对象的信息，并对其进行处理，然后将处理结果传送到基站，由基站做进一步处理。特殊的应用场合决定了网络稳定性和寿命，以及通信的可靠性是WSN最重要的特性。
现有的WSN的实现一般采用基于分组的同构二层结构。所谓同构，指的是WSN中所有节点性能相同。所谓二层结构，指的是将WSN中的所有节点分为组长节点和组员节点，一个组的组长节点和组员节点之间构成组内层，各个组的组长节点和基站之间构成组间层。同构二层结构相对于单层结构具有很多优点，但是其缺点也是很明显的，即组长节点需要负责计算组内路由、中继组内和组间消息以及与远方的基站直接通信，其计算能耗和通信能耗都要比组员节点大很多，因此需要频繁更换，影响WSN的稳定性和寿命。
另一方面，多天线节点采用多入多出(Multi-Input-Multi-Output，MIMO)技术，利用多根天线进行无线传输，并且采用空时编码，因此具有较强的干扰抑制特性，可以提高无线通信的可靠性。但是MIMO技术应用于同构二层结构受到很多因素的限制。首先，多天线节点与普通单天线节点相比价格昂贵，如果同构二层结构中的所有节点都采用多天线节点，会导致WSN的成本大大提高。其次，多天线节点适合远距离通信，但在近距离通信中，为了达到相同的通信可靠性，多天线节点比单天线节点的能耗更大，而在二层结构中，组内层的通信距离最大为组半径，属于近距离通信，因而不仅无法充分发挥多天线节点适于远距离通信的特点，而且还提高了网络的整体能耗。
由以上描述可以看出，现有的同构二层结构一方面由于网络能耗大，影响了WSN的稳定性和寿命；另一方面限制了将能够提高通信可靠性的MIMO技术在WSN中的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种新的WSN结构及其通信和建立方法，在WSN成本增加不大的情况下，将MIMO技术应用于WSN中，提高WSN中通信的可靠性，同时降低网络的整体能耗。
为了达到上述目的，本发明提供了一种无线传感器网络，该网络是异构二层网络，分为组间层和组内层，该网络包括多天线传感器节点，用于在组内层中担任组长节点，与组员节点通信以建立组，并且在组间层中与除自身外其他作为组长的多天线传感器节点和基站通信；单天线传感器节点，用于在组内层中担任组员节点，负责将通过自身传感器采集到的信息发送给组长节点。
其中，所述多天线传感器节点进一步用于在组间层中，中继除自身外其他作为组长的多天线传感器节点与基站之间的通信。
其中，所述单天线传感器节点进一步用于在组内层中，中继组内除自身外的其他单天线传感器节点与作为组长的多天线传感器节点之间的通信。
其中，发射端为多天线节点，接收端为单天线节点时，所述多天线传感器节点与单天线传感器节点之间的通信为单入单出SISO方式；
接收端为多天线节点，发射端为单天线节点时，所述多天线传感器节点与单天线传感器节点之间的通信为单入多出SIMO方式或SISO方式；所述多天线传感器节点之间，或多天线传感器节点与基站之间的通信为多入多出MIMO方式。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种无线传感器网络的建立方法，该网路包括多天线传感器节点和多天线传感器节点，该方法包括A、多天线传感器节点竞争组长节点；B、成为组长节点的多天线传感器节点广播组建立消息，收到组建立消息的单天线传感器节点加入组长节点所建立的组。
其中，预先设定竞争等待时长，步骤A所述多天线传感器节点竞争组长节点包括A1、多天线传感器节点判断是否需要进入激活状态，如果需要，则执行步骤A2，否则继续执行步骤A1；A2、多天线传感器节点广播组长宣告消息；A3、多天线传感器节点判断从广播组长宣告消息起，在竞争等待时长内，是否需要退出组长竞争，如果需要，则退出组长竞争后结束当前流程，否则执行步骤B。
其中，预先设置激活门限，步骤A1所述多天线传感器节点判断是否需要进入激活状态包括A11、多天线传感器节点判断通过自身传感器采集到的信息量是否超过激活门限，如果超过，则认为需要进入激活状态，否则执行步骤A12；A12、多天线传感器节点判断是否收到基站的激活指令，如果收到，则认为需要进入激活状态，否则认为不需要进入激活状态。
其中，所述组长宣告消息内至少携带本多天线传感器节点的标识号以及通过自身传感器采集到的信息量，步骤A3所述判断从广播组长宣告消息起，在竞争等待时长内，是否需要退出组长竞争包括A311、多天线传感器节点判断是否收到除自身外其他多天线传感器节点所发送的组长宣告消息，如果收到，则执行步骤A312，否则执行步骤A315；A312、多天线传感器节点判断步骤A311中收到的组长宣告消息中所携带的信息量是否不大于自身通过传感器采集到的信息量，如果是，则执行步骤A313，否则认为需要退出组长竞争；A313、多天线传感器节点判断步骤A311中收到的组长宣告消息中所携带的信息量是否等于自身通过传感器采集到的信息量，如果是，则执行步骤A314，否则执行步骤A315；A314、多天线传感器节点判断步骤A311中收到的组长宣告消息中所携带的标识号是否大于自身的标识号，如果是则认为需要退出竞争，否则执行步骤A315；A315、多天线传感器节点判断是否从广播组长宣告消息起，经过了竞争等待时长，如果是则认为不需要在竞争等待时长内退出组长竞争，否则执行步骤A311。
其中，所述组长宣告消息内至少携带本多天线传感器节点的标识号以及通过自身传感器采集到的信息量，步骤A3所述从广播组长宣告消息起，在竞争等待时长内，是否需要退出组长竞争包括A321、多天线传感器节点判断是否收到除自身外其他多天线传感器节点所发送的组长宣告消息，如果收到，则执行步骤A322，否则执行步骤A325；A322、多天线传感器节点判断步骤A321中收到的组长宣告消息中所携带的信息量是否不大于自身通过传感器采集到的信息量，如果是，则执行步骤A323，否则认为需要退出组长竞争；A323、多天线传感器节点判断步骤A321中收到的组长宣告消息中所携带的信息量是否等于自身通过传感器采集到的信息量，如果是，则执行步骤A324，否则执行步骤A325；A324、多天线传感器节点判断步骤A321中收到的组长宣告消息中所携带的标识号是否小于自身的标识号，如果是则认为需要退出竞争，否则执行步骤A325；
A325、多天线传感器节点判断是否从广播组长宣告消息起，经过了竞争等待时长，如果是则认为不需要在竞争等待时长内退出组长竞争，否则执行步骤A321。
其中，步骤B所述收到组建立消息的单天线传感器节点加入组长所建立的组包括B11、单天线传感器节点选定自己的组长节点，并广播加入组消息；B12、单天线传感器节点判断是否收到响应消息，如果收到，则以发送响应消息的节点为父节点，完成加入组过程，然后执行步骤B14，否则执行步骤B13；B13、单天线传感器节点判断是否收到除自身外其他单天线传感器节点所发送的中继消息，如果收到则选定自己的中继节点，向该中继节点发送中继请求消息，然后返回执行步骤B12，否则继续执行步骤B13；B14、单天线传感器节点判断是否需要为除自身外的其他单天线传感器节点提供中继，如果需要则为所述除自身外的其他单天线传感器节点提供中继，否则结束当前流程。
其中，步骤B11所述单天线传感器节点选定自己的组长节点为单天线传感器节点选择最先收到的组建立消息所对应的多天线传感器节点作为自己的组长节点；或单天线传感器节点选择从收到第一条组建立消息起，到达组长选择等待时长前所收到的组建立消息中，信号强度最大的组建立消息所对应的多天线传感器节点作为自己的组长节点。
其中，步骤B12所述单天线传感器节点选定自己的中继节点为单天线传感器节点选择最先收到的中继消息所对应的单天线传感器节点作为自己的中继节点；或单天线传感器节点选择所收到的中继消息中，信号强度最大的中继消息所对应的单天线传感器节点作为自己的中继节点。
其中，步骤B14所述单天线传感器节点判断是否需要为除自身外的其他单天线传感器节点提供中继，如果需要则为所述除自身外的其他单天线传感器节点提供中继为B141、单天线传感器节点判断是否收到除自身外其他单天线传感器节点所发送的加入组消息，如果收到则执行步骤B142，否则继续执行步骤B141；B142、单天线传感器节点判断所收到的加入组消息是否来自于自己的被中继节点，如果是则执行步骤B145，否则执行步骤B143；B143、单天线传感器节点向发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点发送中继消息；B144、单天线传感器节点判断是否收到发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点所发送的中继请求消息，如果收到，则执行步骤B145，否则继续执行步骤B144；B145、单天线传感器节点将发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点作为自己的被中继节点，然后将步骤B141所述加入组消息转发给自己的中继节点；B146、单天线传感器节点将自己的中继节点所发送的响应消息返回给发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点。
其中，预先设定中继请求等待时长，步骤B144在判断是否收到发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点所发送的中继请求消息之前进一步包括判断从步骤B143发送中继消息起，是否经过了中继请求等待时长，如果经过，则判断是否收到发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点所发送的中继请求消息，否则结束当前流程。
为了达到以上目的，本发明还提供了一种多天线节点接收信号的方法，该方法包括a、用多天线进行信号接收；b、判断所接收到的信号是否为多入多出MIMO信号，如果是则执行步骤c，否则执行步骤d；c、采用MIMO解调技术对所收到的信号进行解调，结束本次流程；d、采用单入多出SIMO技术对所收到的信号进行解调。
其中，采用时分复用技术，设置MIMO信号和SIMO信号所对应的时隙，步骤b所述判断所接收到的信号是否为MIMO信号为判断当前时隙是否为MIMO信号所对应的时隙，如果是则认为所接收到的信号为MIMO信号，否则认为所接收到的信号不是MIMO信号。
其中，预先设置发射MIMO信号前所需要发射的模拟波形，步骤b所述判断所接收到的信号是否为MIMO信号为判断是否接收到所述模拟波形，如果收到则认为所收到的信号为MIMO信号，否则认为所接收到的信号不是MIMO信号。
其中，预先设置用于通知多天线节点以MIMO方式进行信号接收的通知消息，多天线节点默认收到的信号是SIMO信号，步骤b所述判断所接收到的信号是否为MIMO信号为判断在收到当前信号前是否收到由SIMO方式发送的所述通知消息，如果收到则认为当前收到的信号为MIMO信号，否则认为当前接收到的信号不是MIMO信号。
在本发明所提供的技术方案中，采用异构二层结构建立WSN，由多天线节点充当组长节点，由单天线节点充当组员节点，并且多天线节点相比单天线而言具有更多的能量储备。在距离比较远的组间层通信中采用MIMO技术，而在距离比较近的组内层通信中仍然采用单天线通信。在通信的可靠性方面，MIMO技术的采用提高了组间层通信的可靠性，尤其是与基站通信的可靠性。在能耗方面，由于在远距离通信中，为了达到同样的通信可靠性，多天线节点的能耗低于单天线节点，因此网络的整体能耗得到了降低。在网络成本方面，由于作为组员节点的单天线节点的数目远远多于作为组长节点的多天线节点的数目，因此不会使WSN的成本有很大的提高。因此，本发明的技术方案既降低了WSN的功耗，提高了网络的稳定性和寿命，也提高了通信的可靠性。此外，在本发明所提供的技术方案中，组的建立更加迅速。
图1是本发明所提供的无线传感器网络的结构图；图2是本发明所提供的无线传感器网络建立方法中确定组长的流程图；图3是本发明所提供的无线传感器网络建立方法中加入组的流程图；图4是本发明所提供的无线传感器网络通信方法中多天线节点接收信号的流程图；图5是本发明所提供的无线传感器网络通信方法中多天线节点发射信号的流程图。
具体实施例方式
本发明的核心思想是采用异构二层结构实现WSN，用多天线节点充当组长节点，用单天线节点充当组员节点。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
请参考图1，图1是本发明所提供的无线传感器网络的结构图。
在本发明中，整个无线传感器网络分为若干组，每一组至少包括一个作为组长的多天线节点，通常情况下还包括若干个作为组员的单天线节点。组长节点负责组的建立，还负责与其他组的组长节点以及基站通信。组员节点用于将采集到的信息发送给组长节点，以及为其他组员节点充当与组长节点通信的中继。组长节点的能量储备比组员节点更多，例如具有更大容量的电池。
在图1中，第一组中的组长是多天线节点1，第二组中的组长是多天线节点2。当然，一个组内可以包括多个多天线节点，但是只有一个作为组长，具体由哪个多天线节点作为组长在图2中进行详细的说明。
在一个组内部，单天线节点与组长节点之间可以直接通信，也可以通过作为组内中继的其他单天线节点通信。由于单天线节点的远距离通信能力比多天线节点弱，因此单天线节点的最大通信距离一般小于由多天线节点最大通信距离决定的组半径，这样有的单天线节点与组长节点之间的距离就有可能大于单天线节点的最大通信距离，这些单天线与组长节点的通信就需要其他与组长节点距离较近的单天线节点作为中继。例如在图1中，第一组中的单天线节点11直接与组长节点通信，而单天线节点12以单天线节点11作为中继与组长节点通信。单天线节点具体决定如何与组长节点通信在图3中进行详细的说明。
作为组长的多天线节点可以直接与基站通信，也可以通过作为组间中继的其他多天线节点与基站通信。如果组长节点与基站的距离超过多天线节点的最大通信距离，那么就需要依靠其他与基站距离较近的组长节点作为中继。组长节点具体决定如何与基站通信与单天线节点决定如何与组长节点通信的过程类似。
单天线节点之间的通信采用单入单出(Single-Input-Single-Output，SISO)方式，即发送和接收都采用单天线进行；多天线节点之间的通信采用MIMO方式；单天线向多天线节点发送数据通常采用单入多出(Single-Input-Multi-Output，SIMO)，即多天线节点采用多根天线接收单天线节点所发送的数据，也可以采用SISO方式；多天线节点向单天线节点发送数据采用SISO方式，即利用自身多根天线中的一根天线向单天线节点发送数据。这样，对于多天线节点来说，在发送数据之前，需要判断是向单天线节点还是多天线节点发送数据，然后决定采用何种调制方式和发射技术；在接收到数据之后，需要判断该数据是由单天线节点还是多天线节点发出，然后决定采用何种方式解调数据。具体如何进行判断在图5和图6中进行详细的说明。
请参考图2(a)和图2(b)，图2是本发明所提供的无线传感器网络建立方法中确定组长的流程图。
在本发明所提供的无线传感器网络中，有多天线节点和单天线节点。其中，只有多天线节点可以作为组长节点。在网络的初始阶段，所有的节点，包括单天线节点和多天线节点都处于空闲状态。然后各多天线节点按照以下步骤决定成为组长的多天线节点。
步骤201清零计时器，开始计时，并进入空闲状态。
多天线节点有三种状态，分别是休眠状态、空闲状态和激活状态。在进入激活状态之前，多天线节点按照预先设定的时间在空闲状态和休眠状态之间轮换。处于休眠状态的多天线节点，会利用自身的传感器进行指定信息的采集，但是不会通过天线接收和发送任何数据；处于空闲状态的多天线节点，会利用自身的传感器进行指定信息的采集，也会通过天线接收数据，但是不会通过天线发送数据；处于激活状态的多天线节点，处理利用自身的传感器进行指定信息的采集以外，还会通过天线发送和接收数据。
步骤202采集指定信息。
根据传感器网络的应用环境，所述指定信息可能有不同的种类。由于多天线节点本身也是包含传感器，因此具有采集信息的能力。
步骤203判断采集到的信息量是否大于门限值，如果大于门限值，则执行步骤210，否则执行步骤204。
所述门限值是在多天线节点进入应用现场前设定的。所述信息量大于门限值，即可以是一段时间内的平均信息量大于门限值，也可以是单次采集到的信息量大于门限值，该门限值可以称为激活门限。
步骤204多天线节点判断是否收到基站的激活指令，如果收到，则执行步骤210，否则执行步骤205。
多天线节点处于空闲状态时可以通过天线接收信号。因此，如果基站需要激活多天线节点，可以向多天线节点发送激活指令，如果此时多天线节点处于空闲状态，则可以收到激活指令，然后执行步骤210。
步骤205多天线节点判断是否计时器是否到达时间Ti，如果到达，则执行步骤206，否则返回执行步骤202。
根据对步骤201的描述，在进入激活状态之前，多天线节点按照预先设定的时间在空闲状态和休眠状态之间轮换。所述时间Ti表示在多天线节点进入应用现场之前所设定的，在所述轮换过程中，从多天线节点进入空闲状态开始，到多天线节点进入休眠状态截止所经过的时间。
步骤206清零计时器，开始计时，并进入休眠状态。
步骤207多天线节点判断是否计时器是否到达时间Ts，如果到达，则返回执行步骤201，否则返回执行步骤208。
所述时间Ts表示在多天线节点进入应用现场之前所设定的，在轮换过程中，从多天线节点进入休眠状态开始，到多天线节点进入空闲状态截止所经过的时间。
步骤208采集指定信息。
步骤209判断采集到的信息量是否大于门限值，如果大于门限值，则执行步骤210，否则返回执行步骤207。
步骤210广播组长宣告消息，在消息中携带自身所采集到的信号量以及自身的标识号，并且清零计时器，开始计时。
根据前面的描述，多天线节点在自身采集的信息量大于预先设定的门限值，或者收到基站的激活指令以后，从空闲状态或休眠状态进入激活状态，准备开始在传感器网络中进行组的划分。
在实际应用中，往往同时会有多个多天线节点被激活，或者在一段时间内有多个多天线节点被激活。因此，首先需要邻近的多个多天线节点中，哪一个作为组长节点，即进行组长竞选。多天线节点通过广播组长宣告消息来参与组长竞选。
所述标识号对于多天线节点来说是唯一的。
由于组长宣告消息是发送给其他多天线节点的，因此该消息采用MIMO方式发送。
步骤211多天线节点判断是否收到与自身距离小于阈值的其他多天线节点广播的组长宣告消息，如果收到，则执行步骤212，否则执行步骤215。
所述阈值在多天线节点进入应用现场前，根据多天线节点间通过MIMO方式进行通信时所能达到的最大通信距离确定。由于在组内部，作为组长的多天线节点理论上应该位于组的中心，因此所述阈值的理论最大值是多天线节点间通过MIMO方式进行通信时所能达到的最大通信距离一半，在实际应用中应该更小。
在组建立起来以后，所述阈值实际上就是组半径。
步骤212多天线节点根据所收到的组长宣告消息中携带的信息量参数，判断所收到的组长宣告消息中携带的信息量是否小于自身所采集到的信息量，如果小于，则执行步骤215，否则执行步骤213。
步骤213多天线节点根据所收到的组长宣告消息中携带的信息量参数，判断所收到的组长宣告消息中携带的信息量是否大于自身所采集到的信息量，如果大于，则执行步骤217，否则执行步骤214。
步骤214多天线节点根据所收到的组长宣告消息中携带的多天线节点标识号，判断广播该组长宣告消息的多天线节点的标识号是否小于自身的标识号，如果小于则执行步骤215，否则执行步骤217。
作为一种替代方案，多天线节点也可以在所收到的组长宣告消息中携带的节点标识号大于自身的标识号时执行步骤215。
步骤215多天线节点判断是否经过时间Tc，如果是则执行步骤216，否则返回执行步骤211。
所述Tc时间表示在多天线节点进入应用现场之前所设定的，从多天线节点广播组长宣告消息开始，到广播组建立消息截止所需要等待的时间，该时间可以称为竞争等待时长。
步骤216多天线节点当选组长，广播组建立消息后结束组长竞选过程。
所述组建立消息中至少包括组长节点自身的标识号。
由于组建立消息是发送给单天线节点的，因此该消息通过SISO方式广播。
步骤217多天线节点退出组长竞选，进入空闲状态，并且在空闲状态和休眠状态之间轮换。
经过以上步骤，在以步骤211中所述阈值为半径的范围内，只有一个多天线节点能够当选组长。当选组长的多天线节点是该范围内采集到的信号量最大的多天线节点，或者是该范围内采集到的信号量最大的多天线节点之一。
请参考图3，图3是本发明所提供的无线传感器网络建立方法中加入组的流程图.
步骤301单天线节点从空闲状态开始执行后续步骤。
单天线节点有三种状态，分别是休眠状态、空闲状态和激活状态。在进入激活状态之前，单天线节点按照预先设定的时间在空闲状态和休眠状态之间轮换。处于休眠状态的单天线节点，会利用自身的传感器进行指定信息的采集，但是不会通过天线接收和发送任何数据；处于空闲状态的单天线节点，会利用自身的传感器进行指定信息的采集，也会通过天线接收数据，但是不会通过天线发射数据。由于收到组长节点所发送的组建立消息是单天线节点进入激活状态的必要条件之一，因此只有处于空闲状态的单天线节点才能够执行后续步骤。
步骤302单天线节点判断是否收到组长节点发送的组建立消息，如果收到，则执行步骤303，否则继续执行步骤302。
步骤303清零计时器，开始计时。
步骤304单天线节点判断是否到达预定时间，如果到达，则执行步骤305，否则继续执行步骤304。
所述预定时间是在单天线节点进入应用现场之前设置的。单天线节点在这个预定时间中，判断是否接收到除步骤302中接收到的组建立消息外，其他的组建立消息。为了减少通信能耗，单天线节点应该加入距离自己最近的组长节点所建立的组。但是由于激活的先后不同以及组长竞争过程持续的时间不同，各个组长当选后广播组建立消息的时刻也不同。因此，单天线节点在收到第一个组建立消息以后，并不是加入广播第一个组建立消息的组长节点所建立的组中，而是等待一个预定时间，以判断是否有距离自己更近的组长节点广播组建立消息。所述预定时间可以称为组长选择等待时长。
步骤305单天线节点选择接收到的组建立消息中，强度最大的组建立消息所对应的组长节点作为自己的组长节点。
信号强度是反映距离远近的标志。
作为一种替代方案，单天线节点也可以以最先广播组建立消息的多天线组长节点作为自己的组长节点。这样就可以省略步骤303到步骤305。
步骤306单天线节点判断自身是否进入激活状态，如果是则执行步骤308，否则执行步骤307。
步骤307单天线节点保存步骤305所述强度最大的组建立消息中的组长标识号，继续在空闲状态和休眠状态之间轮换，然后结束本次流程。
步骤308单天线节点广播加入组消息。
步骤309单天线节点判断是否收到响应消息，如果收到则执行步骤312，否则执行步骤310。
如前所述，单天线节点的通信距离小于多天线节点，这里所说的通信距离实际上是发射信号所覆盖的范围。因此，虽然在图3前面的步骤中，单天线节点可以收到组长节点所广播的组建立消息，但是单天线节点所广播的加入组消息却未必能被组长节点收到。而组长节点只有收到加入组消息后，才会向发送加入组消息的单天线节点返回响应消息。这样，广播了加入组消息的单天线节点也就有可能收不到组长所发送的响应消息。
从后面的描述可以看出，单天线节点可能收到已经完成加入组过程的单天线节点所转发的响应消息，如果收到所述已经完成加入组过程的单天线节点所转发的响应消息，则单天线节点以所述已经完成加入组过程的单天线节点为中继，完成加入组的过程。
步骤310单天线节点判断是否收到已经完成加入组过程的单天线节点发送的中继消息，如果是则执行步骤311，否则继续执行步骤310。
已经完成加入组过程的单天线节点，在收到除自身外其他单天线节点广播的加入组消息后，会向广播加入组消息的单天线节点发送中继消息。详细的步骤见步骤313到步骤315。
步骤311向信号强度最强的中继消息所对应的单天线节点发送中继请求消息，然后执行步骤309。
由于未完成加入组过程的单天线节点可能同时或在一定时间内收到多个已完成加入组过程的单天线节点发送的中继消息，为了减少通信能耗，单天线节点应该选择离自己最近的已经完成加入组过程的单天线节点作为自己的中继节点，而中继消息的信号强度是反映距离远近的指标。在这种方案中，选择中继节点的具体步骤，与根据组建立消息的强度选择组长节点的具体步骤类似。
作为一种替代方案，单天线节点也可以选择收到的第一条中继消息所对应的已经完成加入组过程的单天线节点作为中继。
当第一节点以第二节点作为中继节点时，可以将第二节点看作第一节点的父节点或者中继节点，而将第一节点看作第二节点的子节点或者被中继节点。特殊的，所有与组长节点直接通信的组员节点也都可以看作是组长节点的子节点或被中继节点，而组长节点是与自身直接通信的组员节点的父节点或者中继节点。
步骤312单天线节点以发送响应消息的节点作为父节点，完成加入组的过程。
步骤313单天线节点判断是否收到其他节点发送的加入组消息，如果收到则执行步骤314，否则继续执行步骤313。
需要说明的是，在步骤312中，单天线节点已经完成加入组的过程，并且开始作为组员进行工作。与此同时，已经完成加入组过程的单天线节点执行步骤314到步骤318。
步骤314单天线节点判断发送该加入组消息的单天线节点是否为自身的子节点，如果是则执行步骤317，否则执行步骤315。
步骤315向步骤313中所述发送加入组消息的单天线节点发送中继消息。
步骤316判断步骤313中所述发送加入组消息的单天线节点是否返回中继请求消息，如果返回则执行步骤317，否则执行步骤316。
作为一种替代方案，也可以预先设定一个中继请求等待时长。从步骤315发送中继消息开始计时，如果在中继请求等待时长内未收到所述发送加入组消息的单天线节点返回中继请求消息，则认为所述发送加入组消息的单天线节点不需要自身作为中继，结束当前流程。
步骤317将步骤313中所述发送加入组消息的单天线节点作为自身的子节点，并向自身的父节点转发所收到的加入组消息。
步骤318将自身父节点所发送的响应消息转发给步骤313中所述发送加入组消息的单天线节点。
下面通过具体的例子来对以上步骤进行详细的解释。
假设第一节点是第二节点的中继节点，也就是父节点；第三节点是未完成加入组过程的节点，并且第三节点所广播的加入组消息未被组长节点收到，也未被第一节点收到，但是被第二节点收到；第一节点、第二节点和第三节点都是单天线节点。第二节点收到第三节点所广播的第一加入组消息，进行执行步骤314所述的判断。由于第三节点并不是第二节点的子节点，因此第二节点执行步骤315，向第三节点发送中继消息，并且执行步骤316等待第三节点返回中继请求消息。
由于第三节点所广播的第一加入组消息未被组长节点收到，因此组长节点不会向第三节点返回响应消息，于是第三节点执行步骤310，并且在收到第二节点所发送的中继消息后执行步骤311，向第二节点发送中继请求消息，然后执行步骤309，等待第二节点返回的响应消息。
第二节点收到第三节点所发送的中继请求消息后，执行步骤317，向第一节点转发第二节点所收到的由第三节点广播的第一加入组消息。第二节点将第三节点所广播的第一加入组消息作为新的第二加入组消息的消息体，然后以第二节点为源节点，第一节点为目的节点发送第二加入组消息。由于第二节点是第一节点的子节点，因此第一节点根据第二加入组消息的源节点，执行步骤314中所述的判断后，直接执行步骤317，向第一节点的父节点转发第二加入组消息。第一节点将第二加入组消息作为新的第三加入组消息的消息体，然后以第一节点为源节点，第一节点的父节点为目的节点发送第三加入组消息。
如果第一节点的父节点就是组长节点，那么组长节点会向第一节点返回第一响应消息。第一节点执行步骤318，将组长节点发送的第一响应消息作为第二响应消息的消息体，将第二响应消息发送给第二节点。第二节点再执行步骤318，将第二响应消息作为第三响应消息的消息体，将第三响应消息发送给第三节点。第三节点执行步骤313。这样第三节点就完成了加入组的过程。
经过以上步骤，组长节点就可以获取组内的网络结构。
请参考图4，图4是本发明所提供的无线传感器网络通信方法中多天线节点接收信号的流程图。
步骤401多天线节点利用多天线接收技术，进行信号接收。
步骤402多天线节点判断所接收到的信号是否为MIMO信号，如果是则执行步骤403，否则执行步骤404。
多天线节点判断所接收到的信号是由单天线节点发出还是由多天线节点发出有三种方法。第一种方法是，在发射端多天线节点向接收端多天线节点发送MIMO信号时，在信号前加入预先设定的特定的模拟波形。接收端多天线节点接收到信号后，判断是否有所述预先设定的特定的模拟波形，如果有则认为该信号是MIMO信号，如果没有则认为该信号是由单天线节点发出的SIMO信号。
第二种方法是，接收端多天线节点默认接收到的信号是由单天线节点发出的。发射端多天线节点在向接收端多天线节点发送MIMO信号前，采用SIMO技术，发送预先设定的通知消息，通知接收端多天线节点准备进行MIMO信号接收。接收端多天线节点在收到通知消息后，则认为接下来收到的信号是由多天线节点采用MIMO方式发送的。在这种方法中，接收端多天线节点在以MIMO方式完成本次数据接收以后，需要重新开始以SIMO方式接收数据的状态。
第三种方法是，接收端多天线节点采用时分复用技术来判断所收到的信号是SIMO信号还是MIMO信号。即在一个时隙内接收端多天线节点认为所收到的信号是SIMO信号，在下一个时隙内接收端多天线节点认为所收到的信号时MIMO信号，依次交替。
以上三种方式，具体采用哪一种是在多天线节点进入应用现场之前设置好的。
步骤403利用信号合成器对接收到的信号进行解码得到原始信号，结束本次接收流程。
步骤404利用空时解码器进行解码得到多路子信号。
步骤405将多路子信号合并成原始信号，结束本次接收流程。
其中，步骤403就是现有的对接收到的SIMO信号进行处理的过程；步骤404和步骤405就是现有的对接收到的MIMO信号进行处理的过程。
请参考图5，图5是本发明所提供的无线传感器网络通信方法中多天线节点发射信号的流程图。
步骤501准备发送数据。
步骤502多天线节点判断是否要以MIMO方式发送数据，如果是则执行步骤503，否则执行步骤505。
在这一步中，发射端多天线节点首先判断是要向单天线节点发送数据还是向多天线节点发送数据。如果是向单天线节点发送数据，则执行步骤505。
如果是向多天线节点发送数据，则发射端多天线节点进一步判断接收端多天线节点采用步骤402中所述三种方式的哪一种来判断接收到的信号是否为MIMO信号。如果采用第二种方式，则发射端多天线节点进一步判断当前要发送的数据是否为通知消息，如果是则执行步骤505，否则执行步骤503。
如果接收端多天线节点采用步骤402中所述的第一种或第三种方式来判断接收到的信号是否为MIMO信号，则发射端多天线节点执行步骤503。
步骤503对待发送的数据进行空时编码。
步骤504采用多天线技术发射数据，结束本次发射流程。
步骤503和步骤504是现有的MIMO信号发射端的处理过程。
如果在步骤502中，发射端多天线节点判断出，接收端多天线节点采用第一种方式判断接收到的信号是否为MIMO信号，则在步骤504中，发射端多天线节点在待发射信号前加入预先设定的模拟波形。
步骤505确定发射天线。
多天线节点首先判断自身的多根天线中哪根天线空闲，如果只有一根天线空闲，则将该空闲天线作为发射天线；如果有多根天线空闲，则随机选取其中的某一根为发射天线。
步骤506通过所确定的发射天线发射数据，结束本次发射流程。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种无线传感器网络，其特征在于，该网络是异构二层网络，分为组间层和组内层，该网络包括多天线传感器节点，用于在组内层中担任组长节点，与组员节点通信以建立组，并且在组间层中与除自身外其他作为组长的多天线传感器节点和基站通信；单天线传感器节点，用于在组内层中担任组员节点，负责将通过自身传感器采集到的信息发送给组长节点。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于，所述多天线传感器节点进一步用于在组间层中，中继除自身外其他作为组长的多天线传感器节点与基站之间的通信。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于，所述单天线传感器节点进一步用于在组内层中，中继组内除自身外的其他单天线传感器节点与作为组长的多天线传感器节点之间的通信。
4.根据权利要求1到3任意一项所述的无线传感器网络，其特征在于，发射端为多天线节点，接收端为单天线节点时，所述多天线传感器节点与单天线传感器节点之间的通信为单入单出SISO方式；接收端为多天线节点，发射端为单天线节点时，所述多天线传感器节点与单天线传感器节点之间的通信为单入多出SIMO方式或SISO方式；所述多天线传感器节点之间，或多天线传感器节点与基站之间的通信为多入多出MIMO方式。
5.一种无线传感器网络的建立方法，其特征在于，该网路包括多天线传感器节点和多天线传感器节点，该方法包括A、多天线传感器节点竞争组长节点；B、成为组长节点的多天线传感器节点广播组建立消息，收到组建立消息的单天线传感器节点加入组长节点所建立的组。
6.根据权利要求5所述的无线传感器网络的建立方法，其特征在于，预先设定竞争等待时长，步骤A所述多天线传感器节点竞争组长节点包括A1、多天线传感器节点判断是否需要进入激活状态，如果需要，则执行步骤A2，否则继续执行步骤A1；A2、多天线传感器节点广播组长宣告消息；A3、多天线传感器节点判断从广播组长宣告消息起，在竞争等待时长内，是否需要退出组长竞争，如果需要，则退出组长竞争后结束当前流程，否则执行步骤B。
7.根据权利要求6所述的无线传感器网络的建立方法，其特征在于，预先设置激活门限，步骤A1所述多天线传感器节点判断是否需要进入激活状态包括A11、多天线传感器节点判断通过自身传感器采集到的信息量是否超过激活门限，如果超过，则认为需要进入激活状态，否则执行步骤A12；A12、多天线传感器节点判断是否收到基站的激活指令，如果收到，则认为需要进入激活状态，否则认为不需要进入激活状态。
8.根据权利要求6所述的无线传感器网络的建立方法，其特征在于，所述组长宣告消息内至少携带本多天线传感器节点的标识号以及通过自身传感器采集到的信息量，步骤A3所述判断从广播组长宣告消息起，在竞争等待时长内，是否需要退出组长竞争包括A311、多天线传感器节点判断是否收到除自身外其他多天线传感器节点所发送的组长宣告消息，如果收到，则执行步骤A312，否则执行步骤A315；A312、多天线传感器节点判断步骤A311中收到的组长宣告消息中所携带的信息量是否不大于自身通过传感器采集到的信息量，如果是，则执行步骤A313，否则认为需要退出组长竞争；A313、多天线传感器节点判断步骤A311中收到的组长宣告消息中所携带的信息量是否等于自身通过传感器采集到的信息量，如果是，则执行步骤A314，否则执行步骤A315；A314、多天线传感器节点判断步骤A311中收到的组长宣告消息中所携带的标识号是否大于自身的标识号，如果是则认为需要退出竞争，否则执行步骤A315；A315、多天线传感器节点判断是否从广播组长宣告消息起，经过了竞争等待时长，如果是则认为不需要在竞争等待时长内退出组长竞争，否则执行步骤A311。
9.根据权利要求6所述的无线传感器网络的建立方法，其特征在于，所述组长宣告消息内至少携带本多天线传感器节点的标识号以及通过自身传感器采集到的信息量，步骤A3所述从广播组长宣告消息起，在竞争等待时长内，是否需要退出组长竞争包括A321、多天线传感器节点判断是否收到除自身外其他多天线传感器节点所发送的组长宣告消息，如果收到，则执行步骤A322，否则执行步骤A325；A322、多天线传感器节点判断步骤A321中收到的组长宣告消息中所携带的信息量是否不大于自身通过传感器采集到的信息量，如果是，则执行步骤A323，否则认为需要退出组长竞争；A323、多天线传感器节点判断步骤A321中收到的组长宣告消息中所携带的信息量是否等于自身通过传感器采集到的信息量，如果是，则执行步骤A324，否则执行步骤A325；A324、多天线传感器节点判断步骤A321中收到的组长宣告消息中所携带的标识号是否小于自身的标识号，如果是则认为需要退出竞争，否则执行步骤A325；A325、多天线传感器节点判断是否从广播组长宣告消息起，经过了竞争等待时长，如果是则认为不需要在竞争等待时长内退出组长竞争，否则执行步骤A321。
10.根据权利要求5所述的无线传感器网络的建立方法，其特征在于，步骤B所述收到组建立消息的单天线传感器节点加入组长所建立的组包括B11、单天线传感器节点选定自己的组长节点，并广播加入组消息；B12、单天线传感器节点判断是否收到响应消息，如果收到，则以发送响应消息的节点为父节点，完成加入组过程，然后执行步骤B14，否则执行步骤B13；B13、单天线传感器节点判断是否收到除自身外其他单天线传感器节点所发送的中继消息，如果收到则选定自己的中继节点，向该中继节点发送中继请求消息，然后返回执行步骤B12，否则继续执行步骤B13；B14、单天线传感器节点判断是否需要为除自身外的其他单天线传感器节点提供中继，如果需要则为所述除自身外的其他单天线传感器节点提供中继，否则结束当前流程。
11.根据权利要求10所述的无线传感器网络的建立方法，其特征在于，步骤B11所述单天线传感器节点选定自己的组长节点为单天线传感器节点选择最先收到的组建立消息所对应的多天线传感器节点作为自己的组长节点；或单天线传感器节点选择从收到第一条组建立消息起，到达组长选择等待时长前所收到的组建立消息中，信号强度最大的组建立消息所对应的多天线传感器节点作为自己的组长节点。
12.根据权利要求10所述的无线传感器网络的建立方法，其特征在于，步骤B12所述单天线传感器节点选定自己的中继节点为单天线传感器节点选择最先收到的中继消息所对应的单天线传感器节点作为自己的中继节点；或单天线传感器节点选择所收到的中继消息中，信号强度最大的中继消息所对应的单天线传感器节点作为自己的中继节点。
13.根据权利要求10所述的无线传感器网络的建立方法，其特征在于，步骤B14所述单天线传感器节点判断是否需要为除自身外的其他单天线传感器节点提供中继，如果需要则为所述除自身外的其他单天线传感器节点提供中继为B141、单天线传感器节点判断是否收到除自身外其他单天线传感器节点所发送的加入组消息，如果收到则执行步骤B142，否则继续执行步骤B141；B142、单天线传感器节点判断所收到的加入组消息是否来自于自己的被中继节点，如果是则执行步骤B145，否则执行步骤B143；B143、单天线传感器节点向发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点发送中继消息；B144、单天线传感器节点判断是否收到发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点所发送的中继请求消息，如果收到，则执行步骤B145，否则继续执行步骤B144；B145、单天线传感器节点将发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点作为自己的被中继节点，然后将步骤B141所述加入组消息转发给自己的中继节点；B146、单天线传感器节点将自己的中继节点所发送的响应消息返回给发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点。
14.根据权利要求13所述的无线传感器网络的建立方法，其特征在于，预先设定中继请求等待时长，步骤B144在判断是否收到发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点所发送的中继请求消息之前进一步包括判断从步骤B143发送中继消息起，是否经过了中继请求等待时长，如果经过，则判断是否收到发出步骤B141所述加入组消息的单天线传感器节点所发送的中继请求消息，否则结束当前流程。
15.一种多天线节点接收信号的方法，其特征在于，该方法包括a、用多天线进行信号接收；b、判断所接收到的信号是否为多入多出MIMO信号，如果是则执行步骤c，否则执行步骤d；c、采用MIMO解调技术对所收到的信号进行解调，结束本次流程；d、采用单入多出SIMO技术对所收到的信号进行解调。
16.根据权利要求15所述的多天线节点接收信号的方法，其特征在于，采用时分复用技术，设置MIMO信号和SIMO信号所对应的时隙，步骤b所述判断所接收到的信号是否为MIMO信号为判断当前时隙是否为MIMO信号所对应的时隙，如果是则认为所接收到的信号为MIMO信号，否则认为所接收到的信号不是MIMO信号。
17.根据权利要求15所述的多天线节点接收信号的方法，其特征在于，预先设置发射MIMO信号前所需要发射的模拟波形，步骤b所述判断所接收到的信号是否为MIMO信号为判断是否接收到所述模拟波形，如果收到则认为所收到的信号为MIMO信号，否则认为所接收到的信号不是MIMO信号。
18.根据权利要求15所述的多天线节点接收信号的方法，其特征在于，预先设置用于通知多天线节点以MIMO方式进行信号接收的通知消息，多天线节点默认收到的信号是SIMO信号，步骤b所述判断所接收到的信号是否为MIMO信号为判断在收到当前信号前是否收到由SIMO方式发送的所述通知消息，如果收到则认为当前收到的信号为MIMO信号，否则认为当前接收到的信号不是MIMO信号。
全文摘要
本发明公开了一种无线传感器网络，其特征在于，该网络是异构二层网络，分为组间层和组内层，该网络包括多天线传感器节点，用于在组内层中担任组长节点，与组员节点通信以建立组，并且在组间层中与除自身外其他作为组长的多天线传感器节点和基站通信；单天线传感器节点，用于在组内层中担任组员节点，负责将通过自身传感器采集到的信息发送给组长节点。本发明还公开了所述异构二层无线传感器网络的通信方法和建立方法。采用本发明所提供的技术方案，可以在无线传感器网络成本增加不大的前提下，既降低了网络的功耗，提高了网络的稳定性和寿命，又提高了通信的可靠性。此外，在本发明所提供的技术方案中，网络的分组更加迅速。
文档编号H04L12/28GK1984048SQ20061007269
公开日2007年6月20日 申请日期2006年4月11日 优先权日2006年4月11日
发明者赵宝华, 屈玉贵, 李婧, 张炜, 张英堂, 刘桂英, 张建伟 申请人:华为技术有限公司, 中国科学技术大学