在包括多个节点的无线网络中进行通信的方法

专利名称：在包括多个节点的无线网络中进行通信的方法
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) > ^v ^ tit (TDMA :time division multiple access) > 54 ^v ^ Jat (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。用于信道访问和网络资源管理的第三种方法使用混合网络，混合网络利用被称 为MAC超帧的一种恰当定义的结构来同时使用基于竞争的CSMA信道访问以及没有竞争的 TDMA信道访问。TDMA部分中的业务来自于节点在分配给它们的时隙中发送的帧。CSMA部 分中的网络业务旨在满足由管理帧、时隙分配请求、正常的数据帧的发送以及失败的TDMA 数据帧的重传产生的异步通信的需要。以MAC超帧的形式规定信道访问时间，并且在信标中周期性地进行通知。每个全 功能设备(FFD)通常“拥有”超帧。IEEE 802. 15. 4-2006标准遵循此混合方法。图1示出了根据IEEE 802. 15. 4标准的超帧160。横轴105表示时间。网络中的 各个协调器周期性发送信标100。信标用来进行同步和资源分配。两个连续信标之间的间 隔是信标间隔120。超帧包括使用CSMA的竞争访问时段(CAP) 150，随后是使用TDMA的免竞争时段 (CFP)。CFP 140包括保护时隙(GTS guaranteed time solt)145。将每个时隙145分配给 要求对信道进行免竞争访问的设备，以将该设备的发送与其它发送发生冲突的可能性减到 最小。通常，CFP用于必须及时到达的较重要的业务。CAP 150和CFP 140形成超帧160的活动部分110，随后是更长的休眠时段130。 该休眠时段可以由其它协调器使用，同时此超帧的协调器设备空闲并针对其它协调器的发 送而“监听”信道。子协调器11的超帧170可以在其父协调器12的超帧160的休眠部分 130中开始。叶节点仅在其父协调器10的超帧160的活动部分110中与其父协调器进行通 信。此休眠时段可以是几秒钟。然而，IEEE 802. 15. 4-2006标准不能满足包括可扩展性、可靠性以及等待时间问 题的工业部署的性能要求。并且，为了更高的可靠性和更好的信道效率，期望使用频率信道跳变。为了对失败 的发送进行重传，也期望动态地分配信道，并且，应当在同一超帧中根据要求动态地提供附 加信道访问以便于更好地处理数据业务的突然增加。

发明内容
本发明的实施方式提供了在收发器节点网络中以分布式方式工作的协议，并且提 供了本质上是分布式的并且可扩展的自动资源管理机制。该协议使用周期通知循环来指定 节点的通信调度。该网络提供了非常可靠的通信服务。通过在同一超帧中提供重传失败的数据帧的 机会，该网络提供了低等待时间。从将在同一超帧中传递数据帧的意义上而言，其提供了某 种程度的确定性。也就是说，超帧持续时间限定了单跳传输的最大传输延时。从具有不正 常的数据到达的节点能够从协调器节点请求额外带宽的意义而言，该网络适于突发业务。 在同一超帧中动态地分配此带宽。该协议不需要网络协议栈中的上层对信道访问管理的帮 助。


图1是根据IEEE 802. 15. 4-2006标准的常规MAC帧结构的框图2是根据本发明实施方式的MAC帧结构的框图3是具有ECFP、GACK2和ECAP多个字段的扩展的MAC帧结构的框图
图4是使用本发明实施方式的星形网络集合的示意图5是根据本发明实施方式的通知时段的框图6是具有信道切换的超帧的框图7是同步超帧的框图8是本发明实施方式使用的信标的框图9是本发明实施方式使用的GACK的框图10是本发明实施方式使用的信标时隙请求帧的框图11是本发明实施方式使用的信标时隙响应帧的框图；以及
图12是节点之间的同步的框图。
具体实施例方式首先描述超帧结构，然后说明能够有效使用网络的不同构造或者场景。超帧结构超帧规定了信道访问的时间和模式、以及能够访问信道的节点和能够用来访问信 道的模式。如图2所示，用于一个信标时段的超帧200包括如下字段。信标210 信标是在超帧中发送的第一个字段。信标标识了超帧的所有者节点，并 且可以具有关于网络和所有者节点的额外信息。信标规定了超帧的总长度、活动时段211、 竞争访问时段(CAP)212以及免竞争时段(CFP) 213这两个时段的开始时间、以及关于保护 时隙(GTS) 214的信息。信标还可以包括信道跳变信息。信标还用于相邻节点和子节点与 发送协调器节点的时间同步。CAP 212 此时段使得相邻节点能够使用基于竞争的CSMA/CA进行信道访问。在此 时段中，节点还能够向协调器节点发送数据帧。节点还能够利用超帧的所有者节点发送它 们对于GTS分配的请求。在CAP中，在信道访问成功的情况下，节点不需要来自协调器节点的任何预先许可就能够发送它们的帧。CFP 213 此时段是超帧的受管理部分。此时段通常被划分为根据要求而分配给相 邻节点的时隙。由于在任意给定时隙中仅允许一个节点访问信道，因此信道访问几乎总是 得到保证。因此，也将这些时隙称为GTS214。协调器对在超帧中向请求节点分配时隙进行 控制。协调器节点不能单个地确认接收到的GTS帧。除了 ACK帧的传输开销之外，对帧进 行单个地确认在Rx和Tax模式之间来回切换方面具有大量开销。发送器节点可以在数据 帧报头中指示是否需要对该帧的立即确认。否则，稍后将把确认作为组确认(GACK)帧220 的一部分进行发送。并且，发送器节点可以通过在其当前正在发送的GTS帧的报头中设置 标记来请求额外的GTS。例如，在有一些突发数据到达节点的情况下，额外的GTS可以用于 发送更多的数据帧。在同一个超帧的扩展CFP(ECFP)230中，协调器节点可以将一个或更多 个额外的时隙分配给请求节点。GACK1 (组确认1) :GACK帧由协调器在CFP终止后发送。GACK帧包含指示成功接 收了哪些GTS传输的位图(bit map)。针对将由各个发送机节点重传的发送失败的GTS帧， GACK帧还在ECFP中规定了新的GTS分配。并且，为了应对更高的分组到达速率，GACK帧可 以具有关于向请求节点分配额外的带宽(即，ECFP中的时隙)的信息。ECFP(扩展的CFP)如在GACK1帧中所规定的，此时段包括已经分配给请求节点的 零个或者更多个时隙，以便尝试对在CFP中初始分配的时隙中发送失败的GTS帧进行重传， 并且发送由于突发数据业务而到达的额外的数据帧。当在CFP中发送其数据帧时，节点能 够请求ECFP中的一个或者更多个额外的时隙。如果在CFP中成功发送了所有数据帧并且 没有节点请求额外的GTS分配，则不需要ECFP。GACK2 (组确认2)此帧与GACK1帧类似，并且包含指示成功接收了 ECFP中的哪些 帧的位图。该帧还指示正在分配给同一超帧中随后的ECFP的任何新的时隙。ECAP 240(扩展的竞争访问时段)此时段类似于CAP，但是服从于超帧中的时间 的可用性。如果进行重传，则由GACK1或者GACK2中的协调器来指示该时段的持续时间。由 于ECAP允许基于竞争的信道访问，因此节点能够在下一个超帧中参与发送对GTS分配的请 求，或者发送(或者重传)数据帧。需要指出，ECFP、GACK2、ECAP共同组成字段组300，如图3所示，该字段组可以在 超帧中出现零次或者更多次。在该组的每次出现中，可以存在或者缺失这三个成员(即， ECFP、GACK2和ECAP)中的任意一个或者两个。所有上述传输必须在下一个时段开始或者超帧结束前完成。在每个超帧中必须至少发送CAP或CFP的条件下，所有字段都是可选的。由协调器 刚好在其超帧开始之前发送的信标指示了是否缺失CAP或者CFP。如果存在CFP，则GACK1、 ECFP以及GACK2的存在与否动态地取决于是否有任意GTS传输失败和/或是否任意节点请 求了额外的时隙的事实。ECAP的存在与否取决于超帧中的空闲时间的可用性。CAP、CFP、ECFP和ECAP的大小可以在超帧之间发生变化，但是所有这些时段都被 划分为大小相等的时隙。这些时段中的这些时隙的总数以及时隙大小是固定的。这些配置 参数的值在协调器启动时被设置。在CAP或者CAP2中对于GTS分配的请求意味着在下一个超帧中分配时隙。该分配可以是临时的，仅对特定数量个超帧有效，或者可以是永久的。也就是说，被分配的节点 将永远在CFP中使用同一个GTS。节点稍后可以发送请求以取消当前分配给它的GTS。网络部署场景已经描述了 MAC超帧的结构，将要描述如何在不同的场景下有效使用此结构。例 如，工厂自动化中的应用要求具有极低的等待时间的极度可靠的通信。另一方面，工业加工 自动化中的应用要求高可靠性，但是放松了对等待时间的要求。诸如资产跟踪、建筑物中的 HVAC和气候控制系统、和环境监控的其它通用目的的应用对等待时间和可靠性的性能要求 不太严格。此超帧结构能够满足所有这些应用领域的要求。分簇无线传感器网络极低的等待时间和高可靠性由于工厂自动化中的应用对于无线传感器网络具有最苛刻的性能要求，因此仅能 适当地支持单跳无线通信。如图4所示，无线传感器网络可以包括(四个)簇400的集合，各个簇均具有被称 为簇头的中心父节点401、和一组无线叶节点402。所有的簇头通过接入点连接到高性能有 线主干410 (例如，以太网或者如IEEE802. llx网络的无线网络)。簇头可以是充当主干网 的接入点的双栈设备。本发明的实施方式允许叶节点在不同的簇中同时具有多个父节点。各个簇中的所有无线节点都能够通过单跳的无线通信与它们的指定的一个或者 更多个簇头节点进行通信。请注意，簇可以向该簇中的节点指定超过一个接入点/使超过 一个接入点对簇中的节点可用。这些接入点中仅有一个可以作为簇头。另一方面，传感器节点能够与不止一个簇头相关联。每个接入点从与其相关联的 簇中的所有传感器节点收集数据，可能聚合所接收的数据，并且将其转发到主干网上。各个 簇都可以是独立于相邻的其它簇的星形网络，或者所有簇都可以是一个逻辑无线网络的一 部分，因而共用单个地址空间。此外，所有簇都可以在同一频率信道上工作，或者各个簇可 以使用不同的频率信道以避免冲突。第三种操作方法是在各个簇中使用频率信道跳变，以便对信道用途分集，并且对 信道干扰更有抵抗力。在此情况下，各个簇中的节点能够遵循局部(对于簇来说)或者全 局的信道跳变顺序。信道跳变能够基于每个时隙或者每个字段(即，CAP、CFP、ECFP、ECAP 等)或者是这两者的混合。簇头拥有超帧，并且充当所在簇的协调器，而簇中的所有其它节 点充当协调器的子节点。此超帧结构允许移动节点，这在工业环境中是非常普遍的。例如，节点能够从装配 线的一段移动到另一段。通过向簇头发送解除关联请求，漫游节点能够解除其与当前的簇 的关联(或中止连接)。在节点移动到另一个簇的传输范围后，该节点等待由新簇的簇头发 送的信标。在节点接收到信标后，节点与局部超帧同步。然后，节点尝试通过在CAP或者ECAP 中发送异步通信帧以向簇头发送关联请求。如果必要，节点可以多次尝试。在加入簇时或 者在加入簇后，节点请求GTS分配，以在超帧的免竞争的CFP中更加可靠地发送其传感器数 据。如果节点在从一个簇漫游到另一个簇期间累积了较多数据，则节点还能够请求额外的 时隙。无线网状网络
极高的可靠性这些网络采用网状拓扑并且可以包括很多协调器节点，每个协调器节点都具有自 己的超帧。这些节点有时候被称为全功能设备(FFD)，而被称为简化功能设备的传感器节点 通常是该网络拓扑中的叶节点。协调器节点可以与它们的子RFD节点进行通信，从而收集 传感器数据或者发送命令，并且可以与相邻的协调器节点进行对等通信。这使得需要如本文中所述的那样限定调度机制。各FFD节点都可以以很多RFD和 FFD节点作为其子节点。网状无线网络通常允许多跳通信。也就是说，数据帧在网络中可以 通过多跳从源节点移动到目的地节点。各协调器(S卩，FFD节点)必须注意到可以与其通信的相邻FFD节点的超帧。这 不仅是促进有效的对等通信的需要，而且还在相邻的FFD节点的活动时段中避免了对通信 中的干扰或者将其减到最小。如图5所示，本发明使用这样一种机制，其中，所有FFD节点利用预定的通知信道 510上的信标时隙周期性地发送它们的信标Bm 501。这使得FFD节点能够监控并接收由相 邻节点发送的信标。此外，通知信道可以具有若干个保留的管理时隙Mk 502，这些管理时隙 Mk 502可以用于诸如通知由于节点加入网络而保留信标时隙或者由于节点离开网络而释 放信标时隙的管理目的。此外，通知信道500还用于在超帧时段503中对包括数据帧的超 帧进行广播发送，如下所述。通知时段的时间长度可以在网络的不同部分发生变化。此时段的最小和最大时长 是可配置的。利用分布式处理来选择并且保留时隙。在通知信道上对信标进行调度并不是本发明的重点。通知信道可以是在对网络进 行配置或者重新配置时静态选择的固定信道。另选地，可以周期性地或者有计划地改变通 知信道以避免由于干扰或者其它因素导致的低质量传输。简单的步骤可以在每个超帧改变 通知信道，以从高质量信道的列表中选出下一个信道。可以以分布式方式构造并且更新此 列表。节点在通知信道上发送其信标后，存在两种可能性。如图6所示，在发送信标(例如，B》后，FFD节点立即切换600到另一个信道610， 并且在超帧时段503中启动其超帧601的活动时段，使得与来自另一个信道620上的另一 个节点的传输没有直接冲突。还要注意，该超帧601比信标Bn的超帧602长。为此，各节点或者将特定信道用于其超帧，或者这些节点遵循信道跳变顺序。在将 特定信道用于超帧的情况下，有计划地选择信道以确保两个相邻的节点选择不同的信道。 一种方法是在信标调度过程中选择并保留信道。另一种方法是各节点对相邻节点进行足够长时段的监控，以选择没有使用的信 道。另一种方法是凭借准确的推测来选择信道，然后，如果检测到冲突，则改变信道。如果 网络允许信道跳变，则FFD节点在发送其信标后通过遵循信道跳变顺序立即开始其活动时 段。此顺序必须是预先规定的并为相邻节点所知，使得相邻节点能够与此节点(即，与此超 帧关联的节点)进行通信。信道跳变可以基于超帧中的每个时隙或者每组时隙(例如，每 个字段，如 CAP、CFP、ECFP 以及 ECAP)。利用以上方案，所有节点在下一个通知时段开始前结束通信。然而，此方案允许节 点具有不同大小的超帧。例如，使用信标时隙B1的节点的超帧比使用B2进行信标传输的节点的超帧长。大小可变的超帧允许较繁忙的节点(例如，更接近数据接收器的节点)具 有更长的信道访问时间。图6示出部署场景，其中，FFD节点在分配的信标时隙中发送信标，并立即切换600 到另一个信道610，并且开始它们的超帧。节点在超帧中能够使用信道跳变。并且，一些节 点的超帧比其它节点的超帧长。在信标时隙B1中发送信标的节点的超帧比在B2中或在B2 之后发送超帧的其它节点的超帧长。在另一种可能性中，如图7所示，各FFD节点在发送信标后等待，直到所有相邻的 FFD节点也发送了信标为止。然后，所有节点在不同的信道上同时开始超帧的活动时段。这使得所有节点可以从所有相邻节点接收信标，得到关于超帧(在当前的超帧时 段中，节点能够利用这些超帧进行通信)的信息。所有节点的超帧在下一个通知时段开始 前结束。除非节点正在发送管理帧，否则所有节点在管理时隙502 (M1-M4)中进行监听。类 似地，所有节点还对来自相邻节点的信标501进行监听。所有节点同时开始它们的超帧。每 个节点使用不同的信道，或者遵循信道跳变顺序。对等节点利用CAP、CFP、ECAP或者ECFP 与拥有者节点进行通信。信道和GTS分配需要上层的最小程度的干涉或不需要干涉。在节点能够从相邻节点接收信标后，节点能够与其它节点进行对等通信。FFD节点 还能够在它自己的活动时段中与它自己的(可能处于休眠状态的)子节点进行通信。对等 FFD节点或者子RFD节点能够在CAP或者ECAP中发送对GTS分配的请求。另选地，节点可以决定在CAP或者ECAP中向拥有者FFD节点发送数据帧。由于 CSMA/CA在CAP和ECAP中用于信道访问，因此可能由于冲突而导致传输失败。如果成功地 发送了对GTS分配的请求，则接收FFD节点可以向请求节点分配GTS，并在下一个信标中予 以通知。通知时段的时间长度可以在网络的不同部分中变化。时段的最小和最大时长是可 以配置的。利用分布式过程来选择信标时隙。前几个时隙用于管理消息502和广播。CSMA/ CA用于此时段的信道访问。图8分别示出了信标800的字段801到813 帧控制801 在IEEE 802. 15. 4规范中定义；序号802 指示正在发送的信标的序号。发送每个信标后，序号802加一；PAN ID 803 用于标识 PAN ；源ID 804 包含正在发送信标的节点的地址；信标间隔805 规定节点的连续信标之间的时间间隔；超帧间隔806 规定超帧的活动时段的长度。此字段的长度必须小于或等于信标 间隔的长度；时隙大小807 规定超帧中的每个时隙的以毫秒为单位的大小。将超帧间隔规定 的超帧中的活动时段的长度除以时隙大小，得到超帧中的时隙的总数。这与IEEE 802. 15.4 规范不同，在IEEE 802. 15. 4中，时隙数量固定为十六个；信道索引808 规定在超帧中进行通信所需要遵循的跳变顺序；可用虚拟时隙809 此字段规定超帧中的时隙总数。仅在活动时段具有比超帧间 隔参数规定的长度更长的扩展长度时才使用此字段。GTS设备列表810 规定已经被分配了 CFP或者ECFP中的保护时隙的节点的列表；
GTS索引811 按照与设备列表相同的顺序规定所分配的GTS与相邻节点的边界；GTS方向812 规定拥有者协调器节点将把分配的GTS用于发送还是用于接收；信标有效载荷数据813。这里仅列出该帧中的基本字段。然而，如果有必要，可以在信标中包含更多字段。 IEEE 802. 15. 4标准的信标也提供了能够使用的若干个其它字段。图9示出了包括以下字段901到907的GACK帧PAN ID 901 用于标识发送节点的PAN ；源ID 902 用于标识发送节点；组ACK标记903 是指示在CFP或者ECFP中由协调器节点接收的GTS帧的状态的 位图；CAP信道索引904 如果存在ECAP，则规定在随后的ECAP中将要遵循的跳变顺序。 ECFP可以跟随或可以不跟随在GACK帧后面。并且，ECAP可以跟随在ECFP后面或跟随在 GACK帧后面(如果ECFP不存在)。如果不存在ECAP，则将不存在CAP信道索引字段。如果 存在ECAP但缺失CAP信道索引字段，则将遵循在信标中规定的跳变顺序；EGTS设备列表905 规定已经被分配了 ECFP中的时隙的相邻节点；EGTS索引906 按照与设备列表字段中遵循的相同的顺序规定分配给节点的时 隙；以及EGTS方向907 规定在各个已分配的EGTS中协调器将接收数据帧还是发送数据 帧。如下示例过程能够用来得到信标时隙。在加入PAN前，节点以充足的时间扫描网 络以确定通知时段的大小，并且确定空闲或可用的的信标时隙501。节点确定哪个信道有利 于其数据通信，并且得到它的每一个相邻节点的相邻节点组(NG:Neighbor Group)。节点根据接收到的NG来构造扩展相邻节点组(ENG :ExtendedNeighbor Group)。 节点在其ENG中选择最靠前的可用空闲时隙，并且在下一个通知时段的管理帧中发送它所 选择的时隙。该节点还向信道表示，这些节点将用于该节点的超帧。现在，图10示出了信标时隙请求帧1000的结构，节点在通知时段中使用该信标时 隙请求帧1000来通知其保留特定的信标时隙并将其用于发送该节点的信标的意图。该帧 包括PAN ID 1001和源ID 1002，用于标识PAN和发送节点;信标时隙ID 1003，说明正在发送通知的节点希望该节点的信标占据的时隙号 Bi ；通知计数，指出已经对信标&进行了多少次通知。在节点开始使用信标&前，可 以要求节点进行“k”次通知，其中，k彡1。k的值可以是配置参数；以及重试计数，说明此节点不成功地尝试了多少个其它的信标时隙。在节点由于任何 原因而未能保留信标时隙Bi 501时，节点尝试保留另外的信标时隙，同时递增其通知帧中 的重试计数。以上两个计数器中的任一个或者全部可以用于在竞争的情况下使一个节点优先 于其它节点。在进行通知后，“发出通知”的节点监听剩余的管理时隙和当前通知时段中的所有
10信标帧。图11示出了由节点队响应于由另一个节点凡发送的信标时隙请求帧而发送的信 标-时隙响应帧1100的帧结构。该帧用于指出，节点凡对保留信标时隙的尝试(如在节点 凡的信标时隙请求帧中所指定的)将导致网络出现问题。该帧在管理时隙虬中发出。该 帧包括PAN ID 1101和源ID 1102，用于标识PAN和发送节点;目标ID 1103是之前发送信标时隙请求帧的节点的地址；信标时隙ID 104指定发出通知的节点计划为该节点的信标保留的时隙号& ；以 及错误码1105，用于说明占用请求的信标时隙将导致问题的原因。如果节点看到信标时隙请求帧中的问题，则该节点有两种选择来将该问题告知发 出通知的节点。一种选择是使用上述的信标时隙请求帧。另一种选择是使用该节点的信标 帧将错误码传达给发出通知的节点。目标ID、信标时隙ID以及错误码可以包含在信标帧 800的信标有效载荷字段813中。图12示出了节点之间的同步。可以注意到，并非所有信标时隙都可以用于任何区 域中。节点在某些信标时隙中不能观察到任何活动。例如，在时隙B5中发送信标的节点仅 观察信标时隙B8中的无线活动。在时隙B8中发送信标的节点仅在Bi和B5中从其它节点 接收信标。类似地，在信标时隙B2中发送信标的节点仅在B5、B8和B9中从其它节点接收信 标。这使得不同的节点在彼此的无线范围之外的情况下可以同时使用信标时隙。尽管已经参照一些优选实施方式说明了本发明，但是应当理解，在本发明的精神 和保护范围之内可以得到各种其它变型和修改。因此，所附权利要求的目的是涵盖所有这 些落入本发明的真正的精神和范围之内的变型和修改。
权利要求
一种在包括多个节点的无线网络中进行通信的方法，该方法包括以下步骤将通信调度的每个周期性通知时段划分为一组时隙，所述一组时隙包括一组管理时隙、一组信标时隙以及一组超帧时隙；在所述管理时隙中对管理帧进行广播，其中所述管理帧指定了信标；在所述信标时隙中对所述信标进行广播，其中所述信标指定了超帧；以及在所述超帧时隙中发送所述超帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络包括多个星形网络，并且其中，各个星 形网络都包括中心父节点和多个叶节点，并且其中，所述中心节点是有线主干。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述叶节点包括传感器，并且所述中心节点聚合 由所述传感器获得的数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发送步骤使用频率信道跳变。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络包括移动节点。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述广播步骤和所述发送步骤使用通知信道。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发送步骤使用与所述通知信道不同的信道。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述通知时段的时间长度能够在所述网络的不 同部分中变化。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，利用分布式过程来选择并保留所述时隙。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述通知时段的时间长度动态地变化。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述节点在所述通知时段的最后一个信标时隙 后同时开始发送所述超帧，并且所述节点使用不同的信道或者信道跳变顺序。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超帧具有不同的大小。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信标包括指定超帧时隙大小的字段。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信标包括指定超帧的信道索引的字段。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信标包括用于信标有效载荷数据的字段。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述管理帧包括信标时隙请求，所述信标时隙 请求由特定节点使用以通知保留并使用特定信标时隙的意图。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述管理帧包括信标时隙响应帧，所述信标时 隙响应帧用于指出所述使用并保留的意图将导致网络出现问题。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超帧时隙包括用于发送保护时隙帧的保护 时隙，并且其中，在所述保护时隙帧中包括额外的数据帧。
19.根据权利要求2所述的方法，其中，特定的叶节点同时具有多个中心父节点。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超帧包括在接收到所述超帧后是否立即确 认的指示。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络具有用于通过多跳与所述节点通信的 网状拓扑。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网络的资源以分布式方式分配。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述资源包括时间和频率。
全文摘要
在包括多个节点的无线网络中，将通信调度的每个周期性通知时段划分为一组时隙，该一组时隙包括一组管理时隙、一组信标时隙以及一组超帧时隙。在管理时隙中对管理帧进行广播以指定信标。在信标时隙中发送信标以指定在超帧时隙中何时发送超帧。
文档编号H04W74/02GK101978761SQ200980109510
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月18日 优先权日2008年3月18日
发明者吴拉姆·巴蒂, 扎菲尔·沙欣奥卢 申请人:三菱电机株式会社