专利名称：基于ieee 802.15.4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构建方法
技术领域：
本发明涉及无线通信组网技术，具体地说明是一种基于IEEE 802. 15. 4的网状及 星型混合拓扑无线传感器网络构建方法。
背景技术：
人类进入二十一世纪以来，微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的飞速发展孕育了一种新型的测控网 络-无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)。无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密 集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测 控网络系统。无线传感器网络是一种超大规模、无人值守、资源严格受限的全分布系统，采 用多跳对等的通信方式，其网络拓扑动态变化，具有自组织、自治、自适应等智能属性。无线 传感器网络是继因特网之后，将对二十一世纪人类生活方式产生重大影响的IT热点技术。 如果说因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，那么无线传感器网络则将逻辑上的信 息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的方式。无线传感器网络的出现 引起了全世界范围的广泛关注。.在目前的无线通信标准中，IEEE 802. 15. 4以其低功耗、低成本和简单灵活等特 点，最有希望地成为无线传感器网络底层通信协议的无线标准。无线传感器网络，特别是 工业无线网络已经成为IEEE 802. 15.4的主要市场对象。网状及星型混合拓扑结构网络 是无线传感器网络经常采用的一种拓扑结构。而现有无线传感器网络构建方法对IEEE 802. 15. 4不兼容，且目前基于IEEE 802. 15. 4的网状及星型混合拓扑结构无线传感器网络 的网络构建方法尚未见报道。
发明内容
针对现有无线传感器网络构建方法对IEEE 802. 15. 4不兼容的缺陷，本发明要解 决的技术问题是提供一种可提高系统兼容性的基于IEEE 802. 15. 4的网状及星型混合拓 扑无线传感器网络构建方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是本发明基于IEEE 802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构建方法包 括以下步骤将无线传感器网络中的各种节点搭建成网状及星型混合拓扑结构；在上述拓扑结构基础上建立基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络通信协议栈 模型；基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于IEEE 802. 15. 4的超帧结构；定义基于IEEE 802. 15. 4的网络层的加入请求、指示、响应和证实原语；
定义基于IEEE 802. 15. 4的网络层的加入请求命令包格式和加入响应命令包格 式；基于上述超帧结构、原有IEEE 802. 15. 4的介质访问控制层加入原语和命令帧以 及网络层加入原语和命令包，实现网络中节点的加入过程。所述网状及星型混合拓扑结构包括星型网络，由路由节点和传感器节点构成，又称为簇；传感器节点之间不直接通 信，传感器节点只和一个路由节点通信；网状网络，由路由节点、汇聚节点及上位机构成；路由节点至少和一个传感器节点 通信，路由节点和汇聚节点通信，或者路由节点至少和一个其它路由节点通信，上位机和汇 聚节点通信；所述上位机为用户及管理者提供与无线传感器网络交互的平台；汇聚节点提供无 线传感器网络与其它无线传感器网络之间的接口 ；路由节点完成网络互连、传感器节点数 据的简单处理和局部的网络管理功能；传感器节点将传感器或执行器接入无线传感器网 络。本发明还具有手持节点，是用户临时访问无线传感器网络的接入节点，用于现场 维护与网络配置。所述通信协议栈模型包括物理层、介质访问控制层、数据链路子层、网络层和应用 层，其中物理层和介质访问控制层分别采用IEEE 802. 15. 4的物理层和介质访问控制层， 数据链路子层对介质访问控制层的超帧进行扩展，负责控制节点的加入过程。所述超帧结构包括信标帧阶段、CAP阶段、CFP阶段、簇内通信阶段、簇间通信阶段 和休眠阶段；其中信标帧用于时隙同步和发布超帧信息；CAP阶段用于节点加入和簇内管 理；CFP阶段用于紧急通信和移动节点与簇首间通信，由路由节点自主分配；簇内通信阶段 用于相对稳定的簇内通信；簇间通信阶段用于簇间通信和管理；在CAP阶段中路由节点、传 感器节点和手持节点采用CSMA方式竞争加入网络；传感器节点和手持节点的加入需要已 在网的路由节点转发该节点的加入请求和加入响应；路由节点在无法一跳到达汇聚节点的 情况下，也需要其它路由节点转发该节点的加入请求和加入响应；将一跳范围内用于转发 加入请求和加入响应的在网路由节点称为代理路由节点；代理路由节点转发加入请求和加 入响应的过程是在网络层实现的，包括网络层的加入原语、加入请求命令包和加入响应命 令包。所述超帧长度为基本超帧长度的2N倍，N为正整数，其中定义基本超帧长度为32 个时隙；传感器节点的超帧长度由应用的数据更新速率决定，路由节点的超帧长度由星型 网络内所有传感器节点的最小超帧长度决定，汇聚节点的超帧长度取其邻居路由节点的最 小超帧长度。网络层的通用命令包格式包括网络层包头和网络层有效载荷，其中网络层包头 包括包控制、目的地址、源地址、路由ID、时间戳、分段序列号和载荷长度；网络层有效载荷 包括网络层命令包标识符和网络层命令包载荷；所述包控制字段包括包类型、路由方式和 分段标志。所述网络层的加入请求命令包格式包括网络层包头、命令标识符、待加入节点物 理地址和节点类型，其中命令标识符为0。
6
所述网络层的加入响应命令包格式包括网络层包头、命令标识符、加入状态、待加 入节点物理地址和待加入节点短地址。所述节点加入网络的一般过程如下1)网络发现待加入网络的节点持续扫描网络中的可用信道，直到成功收到已加 入路由节点或汇聚节点发出的信标；2)时间同步待加入网络的节点选择信标发出节点作为代理路由节点，使用信标 中的时间信息完成时间同步；3)发送加入请求待加入网络的节点向代理路由节点发出加入请求，代理路由节 点将此加入请求转发到汇聚节点；4)返回加入响应汇聚节点收到加入请求后，完成安全认证，且返回加入响应；5)响应处理待加入网络的节点收到代理路由节点转发来的加入响应，如果加入 响应是负响应，待加入网络的节点将重新开始加入过程；如果确认信息是正响应，加入过程 成功，结束；6)广播信标如果待加入网络的节点加入成功且为路由节点，则广播信标。所述基于介质访问控制层加入原语和命令帧以及网络层加入原语和命令包实现 节点的加入过程，具体为待加入网络的节点利用原有IEEE 802. 15. 4协议的MAC层加入原语 MLME-ASSOCIATE. request ()生成MAC层加入请求报文，发送给代理路由节点；代理路由节点的MAC收到加入请求后，指示给本地管理进程；代理路由节点的本地管理进程调用原语NLME-JOIN. request ()在本地网络层生 成加入请求命令包后，利用MAC层的MCPS-DATA. request ()原语将网络层生成的加入请求 报文以MAC层数据报文的形式发送出去，经过在网其它路由节点的转发后，最后到达汇聚 节占.
I— /、、、 汇聚节点生成网络层的的加入响应报文，调用MAC层的原语MCPS-DATA. response ()将其以数据报文的形式发送给代理路由节点；代理路由节点收到汇聚节点的加入响应后，调用MAC层的MLME-ASSOCIATE. request ()原语，在MAC层生成加入响应报文后，返回给待加入网络的节点；收到加入响应后，如果待加入网络的节点加入成功且加入类型为路由节点，则开 始发送Beacon帧，用于其他路由节点或者传感器节点的加入。待加入网络的传感器节点和 手持节点不发送Beacon帧。本发明具有以下有益效果及优点1.本发明方法采用网状及星型(Mesh+Mar)混合拓扑结构，一方面通过星型 (Star)结构简化了网络结构，降低了维护和管理的难度，提高了系统的灵活性，另一方面， 利用网状(Mesh)结构，提高了网络的可靠性。2.本发明方法设计了基于IEEE 802. 15. 4的通信协议栈和超帧结构，一方面充分 利用了 IEEE 802. 15.4的优势，提高了系统的兼容性，保护了已有投资，另一方面通过扩展 满足了工业应用的要求。3.本发明方法设计了网络层的加入原语和命令包格式，支持路由节点的多跳加 入，以及路由节点转发传感器节点的加入请求；一方面待加入的节点不需要位于汇聚节点的接收范围内，扩大了网络规模；另一方面可以实现汇聚节点对网络节点的统一管理。4.本发明方法设计了路由节点的多跳加入过程，一方面充分利用了 IEEE 802. 15. 4协议的MAC层所支持的加入机制，另一方面在原有IEEE802. 15. 4协议的基础上扩 展了网络节点的多跳加入方式。
图1为一个典型的混合网状及星型拓扑结构的无线传感器网络示意图；图2为基于IEEE 802. 15. 4的通信协议栈示意图；图3为基于IEEE 802. 15. 4的超帧扩展结构示意图；图4为基于IEEE 802. 15. 4的网络层的通用命令包格式示意图；图5为基于IEEE 802. 15. 4的网络层的通用命令包中包控制字段的格式示意图；图6为基于IEEE 802. 15. 4的网络层的命令包的标识符示意图；图7为基于IEEE 802. 15. 4的网络层的加入请求命令包格式示意图；图8为基于IEEE 802. 15. 4的网络层的加入响应命令包格式示意图；图9为节点一般的加入过程示意图；图IOA为节点具体的加入时序图(待加入节点到在网路由节点端)；图IOB为节点具体的加入时序图(在网路由节点到汇聚节点端)。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步详细说明。本发明方法包括以下步骤将无线传感器网络中的各种节点搭建成网状及星型混合拓扑结构；在上述拓扑结构基础上建立基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络通信协议栈 模型；基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于IEEE 802. 15. 4的超帧结构；定义基于IEEE 802. 15. 4的网络层的加入请求、指示、响应和证实原语；定义基于IEEE 802. 15. 4的网络层的加入请求和加入响应命令包格式；基于上述超帧结构、原有IEEE 802. 15. 4的介质访问控制层加入原语和命令帧以 及网络层加入原语和命令包，实现网络中节点的加入过程。如图1所示，所述网状及星型(mesh+star)混合拓扑结构包括第一层为星型(star) (mesh)网络，由路由节点和传感器节点构成，又称为簇；传 感器节点之间不直接通信，传感器节点只和一个路由节点通信；第二层为网状(mesh)网络，由路由节点、汇聚节点及上位机构成；路由节点至少 和一个传感器节点通信，路由节点和汇聚节点通信，或者路由节点至少和一个其它路由节 点通信，上位机和汇聚节点通信；本发明方法定义了以下节点上位机、汇聚节点、路由节点以及传感器节点，其中， 上位机为用户及管理者提供与无线传感器网络交互的平台；汇聚节点提供无线传感器网络 与其它无线传感器网络之间的接口 ；路由节点完成网络互连、传感器节点数据的简单处理 和局部的网络管理功能；传感器节点将传感器或执行器接入无线传感器网络。
8
上述节点中还可具有手持节点，是用户临时访问无线传感器网络的接入节点，用 于现场维护与网络配置。同时，汇聚节点完成网络管理和安全管理的功能。其中，网络管理功能负责通信资 源分配等，安全管理功能负责路由节点及传感器节点的密钥管理与安全认证。如图2所示，所述通信协议栈模型包括物理层、介质访问控制层(MAC层)、数据链 路子层、网络层和应用层，其中物理层和MAC层分别采用IEEE802. 15. 4的物理层和MAC层， 数据链路子层对MAC层的超帧进行扩展，负责控制节点的加入过程。如图3所示，为了兼容IEEE 802. 15. 4和构建网状及星型混合拓扑结构的网络，本 发明提出了基于IEEE 802. 15. 4的扩展超帧结构，具体包括信标(Beacon)帧阶段、CAP阶 段、CFP阶段、簇内antra-cluster)通信阶段、簇间anter-cluster)通信阶段和休眠阶 段，其中(1)信标帧阶段，用于时隙同步和发布超帧信息；(2) CAP阶段，主要用于节点加入和簇内管理；(3) CFP阶段，用于紧急通信和移动节点与簇首间通信，由路由节点自主分配；(4)非活动期，包括簇内通信阶段、簇间通信阶段以及休眠阶段，用于簇内通信、簇 间通信以及休眠，由汇聚节点统一分配，其中htra-cluster阶段用于相对稳定的簇内通 信，Inter-cluster阶段用于簇间通信和管理。考虑到本发明在IEEE 802. 15. 4超帧非活动期的时隙用于簇内通信、簇间通信以 及休眠，本发明的基本超帧长度为32个时隙，本发明的超帧长度为基本超帧长度的2N倍，N 为正整数；传感器节点的超帧长度由应用的数据更新速率决定，路由节点的超帧长度取其 星型网络内所有传感器节点的最小超帧长度，汇聚节点的超帧长度取其邻居路由节点的最 小超帧长度。本发明主要是利用基于IEEE 802. 15. 4超帧的CAP段用于路由节点、传感器节点 和手持节点的加入。在CAP阶段中路由节点、传感器节点和手持节点采用CSMA方式竞争加 入网络。传感器节点和手持节点的加入需要已在网的路由节点转发该节点的加入请求和 加入响应；路由节点在无法一跳到达汇聚节点的情况下，也需要其它路由节点转发该节点 的加入请求和加入响应。将一跳范围内用于转发加入请求和加入响应的在网路由节点称为 代理路由节点。代理路由节点转发加入请求和加入响应的过程是在网络层实现的，包括网 络层的加入原语、加入请求命令包和加入响应命令包。本发明定义了网络层的加入请求、指示、响应和证实原语。其中，网络层的加入请 求原语用于代理路由节点代表待加入网络的节点向汇聚节点申请加入网络。网络层的加入 指示原语用于收到加入请求的路由节点或者汇聚节点向本地的管理进程汇报。网络层的加 入响应原语用于收到加入请求的汇聚节点返回申请加入的结果及相关参数。网络层的加入 证实原语用于代理路由节点在收到来自汇聚节点的加入响应后，向本地的管理进程汇报加 入的结果。具体包括网络层的加入请求原语语义如下
权利要求
1.一种基于IEEE 802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构建方法，其特征 在于包括以下步骤将无线传感器网络中的各种节点搭建成网状及星型混合拓扑结构；在上述拓扑结构基础上建立基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络通信协议栈模型；基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于IEEE 802. 15. 4的超帧结构；定义基于IEEE 802. 15. 4的网络层的加入请求、指示、响应和证实原语；定义基于IEEE 802. 15. 4的网络层的加入请求命令包格式和加入响应命令包格式；基于上述超帧结构、原有IEEE 802. 15. 4的介质访问控制层加入原语和命令帧以及网 络层加入原语和命令包，实现网络中节点的加入过程。
2.按权利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构 建方法，其特征在于所述网状及星型混合拓扑结构包括星型网络，由路由节点和传感器节点构成，又称为簇；传感器节点之间不直接通信，传 感器节点只和一个路由节点通信；网状网络，由路由节点、汇聚节点及上位机构成；路由节点至少和一个传感器节点通 信，路由节点和汇聚节点通信，或者路由节点至少和一个其它路由节点通信，上位机和汇聚 节点通信；所述上位机为用户及管理者提供与无线传感器网络交互的平台；汇聚节点提供无线传 感器网络与其它无线传感器网络之间的接口 ；路由节点完成网络互连、传感器节点数据的 简单处理和局部的网络管理功能；传感器节点将传感器或执行器接入无线传感器网络。
3.按权利要求2所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构 建方法，其特征在于还具有手持节点，是用户临时访问无线传感器网络的接入节点，用于 现场维护与网络配置。
4.按权利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构 建方法，其特征在于所述通信协议栈模型包括物理层、介质访问控制层、数据链路子层、网络层和应用层， 其中物理层和介质访问控制层分别采用IEEE 802. 15. 4的物理层和介质访问控制层，数据 链路子层对介质访问控制层的超帧进行扩展，负责控制节点的加入过程。
5.按权利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构 建方法，其特征在于所述超帧结构包括信标帧阶段、CAP阶段、CFP阶段、簇内通信阶段、簇间通信阶段和 休眠阶段；其中信标帧用于时隙同步和发布超帧信息；CAP阶段用于节点加入和簇内管理； CFP阶段用于紧急通信和移动节点与簇首间通信，由路由节点自主分配；簇内通信阶段用 于相对稳定的簇内通信；簇间通信阶段用于簇间通信和管理。
6.按权利要求5所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构 建方法，其特征在于在CAP阶段中路由节点、传感器节点和手持节点采用CSMA方式竞争加 入网络。
7.按权利要求6所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构 建方法，其特征在于传感器节点和手持节点的加入需要已在网的路由节点转发该节点的 加入请求和加入响应；路由节点在无法一跳到达汇聚节点的情况下，也需要其它路由节点转发该节点的加入请求和加入响应；将一跳范围内用于转发加入请求和加入响应的在网路 由节点称为代理路由节点；代理路由节点转发加入请求和加入响应的过程是在网络层实现 的，包括网络层的加入原语、加入请求命令包和加入响应命令包。
8.按权利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构 建方法，其特征在于超帧长度为基本超帧长度的2N倍，N为正整数，其中定义基本超帧长 度为32个时隙；传感器节点的超帧长度由应用的数据更新速率决定，路由节点的超帧长度 由星型网络内所有传感器节点的最小超帧长度决定，汇聚节点的超帧长度取其邻居路由节 点的最小超帧长度。
9.按权利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构 建方法，其特征在于网络层的通用命令包格式包括网络层包头和网络层有效载荷，其中网络层包头包括 包控制、目的地址、源地址、路由ID、时间戳、分段序列号和载荷长度；网络层有效载荷包括 网络层命令包标识符和网络层命令包载荷。
10.按权利要求9所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络 构建方法，其特征在于所述包控制字段包括包类型、路由方式和分段标志。
11.按权利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络 构建方法，其特征在于所述网络层的加入请求命令包格式包括网络层包头、命令标识符、待加入节点物理地 址和节点类型，其中命令标识符为0。
12.按权利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络 构建方法，其特征在于所述网络层的加入响应命令包格式包括网络层包头、命令标识符、加入状态、待加入节 点物理地址和待加入节点短地址。
13.按权利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络 构建方法，其特征在于所述节点加入网络的一般过程如下1)网络发现待加入网络的节点持续扫描网络中的可用信道，直到成功收到已加入路 由节点或汇聚节点发出的信标；2)时间同步待加入网络的节点选择信标发出节点作为代理路由节点，使用信标中的 时间信息完成时间同步；3)发送加入请求待加入网络的节点向代理路由节点发出加入请求，代理路由节点将 此加入请求转发到汇聚节点；4)返回加入响应汇聚节点收到加入请求后，完成安全认证，且返回加入响应；5)响应处理待加入网络的节点收到代理路由节点转发来的加入响应，如果加入响应 是负响应，待加入网络的节点将重新开始加入过程；如果确认信息是正响应，加入过程成 功，结束；6)广播信标如果待加入网络的节点加入成功且为路由节点，则广播信标。
14.按权利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构建方法，其特征在于所述基于介质访问控制层加入原语和命令帧以及网络层加入原语和命令包实现节点 的加入过程，具体为待加入网络的节点利用原有IEEE 802. 15. 4协议的MAC层加入原语MLME-ASSOCIATE. request ()生成MAC层加入请求报文，发送给代理路由节点；代理路由节点的MAC收到加入请求后，指示给本地管理进程；代理路由节点的本地管理进程调用原语NLME-JOIN. request ()在本地网络层生成加 入请求命令包后，利用MAC层的MCPS-DATA. request ()原语将网络层生成的加入请求报文 以MAC层数据报文的形式发送出去，经过在网其它路由节点的转发后，最后到达汇聚节点； 汇聚节点生成网络层的的加入响应报文，调用MAC层的原语MCPS-DATA. response ()将 其以数据报文的形式发送给代理路由节点；代理路由节点收到汇聚节点的加入响应后，调用MAC层的MLME-ASSOCIATE. request () 原语，在MAC层生成加入响应报文后，返回给待加入网络的节点；收到加入响应后，如果待加入网络的节点加入成功且加入类型为路由节点，则开始发 送Beacon帧，用于其他路由节点或者传感器节点的加入。待加入网络的传感器节点和手持 节点不发送Beacon中贞。
全文摘要
本发明涉及一种基于IEEE 802.15.4的网状及星型混合拓扑无线传感器网络构建方法，包括以下步骤搭建网状及星型混合拓扑结构；建立基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络通信协议栈模型；定义基于IEEE 802.15.4的超帧结构；定义基于IEEE 802.15.4的网络层的加入请求、指示、响应和证实原语；定义基于IEEE 802.15.4的网络层的加入请求命令包格式和加入响应命令包格式；基于上述超帧结构、原有IEEE 802.15.4的介质访问控制层加入原语和命令帧以及网络层加入原语和命令包，实现网络中节点的加入过程。本发明方法一方面通过星型结构简化了网络结构，降低了维护和管理的难度，提高了系统的灵活性，另一方面，利用网状结构，提高了网络的可靠性，充分利用了IEEE 802.15.4的优势，满足系统的兼容性和工业应用的要求。
文档编号H04W84/18GK102065575SQ20091021979
公开日2011年5月18日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者于海斌, 张晓玲, 徐伟杰, 曾鹏, 杨淼, 梁炜, 郑萌 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所