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CN101420280A - 一种低功率通信网络中的通信方法、系统及网络节点 - Google Patents

一种低功率通信网络中的通信方法、系统及网络节点 Download PDF

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CN101420280A
CN101420280A CNA2007101814399A CN200710181439A CN101420280A CN 101420280 A CN101420280 A CN 101420280A CN A2007101814399 A CNA2007101814399 A CN A2007101814399A CN 200710181439 A CN200710181439 A CN 200710181439A CN 101420280 A CN101420280 A CN 101420280A
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China
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CNA2007101814399A
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兰普·马蒂尔斯
邬金
杨帆
仝杰
李娟娟
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Siemens Corp
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Siemens Corp
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Abstract

本发明提供了一种低功率通信网络中的通信方法以及相应的低功率通信网络系统和网络节点，可使低功率通信网络中的数据发送节点的功率消耗较少并同时保证低功率通信网络的通信效率。其中，所述网络中包括一个第一网络节点和一个第二网络节点，第一网络节点发送信标帧，所述信标帧用以指示第一网络节点的数据传输时间；第二网络节点检测所述信标帧以同步其与第一网络节点间的数据传输。进一步的，所述第一网络节点在发送所述信标帧之前发送哑信标帧，所述哑信标帧用以指示所述信标帧的发送时间；所述第二网络节点在检测到所述信标帧之前检测所述哑信标帧以获知所述信标帧的发送时间，并在检测到所述信标帧后同步地与所述第一网络节点进行数据传输。

Description

一种低功率通信网络中的通信方法、系统及网络节点
技术领域
本发明涉及低功率通信网络技术，特别涉及一种低功率通信网络中的通信方法、系统及网络节点。
背景技术
在低功率的通信网络中，如无线传感网(WSN，Wireless Sensor Network)，单个网络节点只有在一小段时间内才处于唤醒(wake-up)状态(即发送或接收状态，也称为激活状态)，而其余时间则处于休眠(sleep)状态。在休眠状态下，网络节点只需要保持基本功能模块处于工作状态(如唤醒计时器)，因此其消耗的功率仅为保持基本功能模块所需的功率。
图1示出了低功率通信网络中一种典型超帧(SF，Superframe)的帧结构。该帧结构包括信标帧(Beacon Frame)、唤醒期(Data period)和休眠期(Sleepperiod)，其中唤醒期又称为数据期，该超帧的时长表示为tSF。作为数据发送端的网络节点和作为数据收集端的网络节点基于图1所示的超帧结构进行通信。对于作为数据发送端的网络节点而言，当其检测到作为数据收集端的网络节点发送的信标帧后，该数据发送节点由休眠状态转为唤醒状态(即从休眠期进入到唤醒期)并开始发送数据至所述数据收集节点。在发送完数据后所述数据发送节点再次转为休眠状态(即由唤醒期进入到休眠期)，直到收到下一信标帧后重新回到唤醒状态以再次发送数据。因此，为了与其邻近网络节点进行数据传输，网络节点必须与作为其通信对端的网络节点同步双方的唤醒期，以保证双方能成功通信。所述信标帧即用于指示所述唤醒期的位置并被用来同步所述两端网络节点的唤醒期。
在图2所示的具有星形拓扑结构的低功率通信网络中，网络协调器(Network Coordinator)100与其覆盖范围内的各个网络节点(Network Node)进行通信，如与网络节点101。该网络协调器根据其超帧时长周期性地发送信标帧。该网络协调器的覆盖范围内的各网络节点通过扫描所述信标帧同步它们与所述网络协调器间的数据传输，也即同步它们与所述网络协调器的唤醒期。所述网络协调器除了可以作为通往其它网络的网关(Network Gateway)，也可以作为数据源(Source)或处理数据的汇点(sink)，还可以作为在网络节点间交换数据的路由转发设备(Router)。
图3为具有星形拓扑的移动网关在网络中移动的场景示意图。假定一个移动网关(如WSN中的移动数据收集设备)穿过多个无线节点(如WSN中的传感节点，其通常固定设置于网络中)所分布的区域，并希望与其覆盖范围内的所有无线节点进行通信。如图3中所示，一个移动网关将从位置A移至位置B，从而该移动网关的覆盖范围将由区域1变为区域2。其中，区域1内的无线节点包括：无线节点1、2、3、4、5和6，区域2内的无线节点包括：无线节点2、3、4、5、7、8和9，各无线节点在图中以单圆圈表示。上述信标帧辅助的唤醒期同步方法并不适于此应用场景。由于在移动网关的覆盖范围之外的无线节点无法收到信标帧，则这些无线节点就不能够被同步并因此不能休眠。而且由于移动网关的移动性，进入到移动网关覆盖范围内的无线节点为了及时检测到移动网关发送的信标帧也必须持续监测通信链路并因此不能休眠。结果，这些未能与移动网关同步唤醒期的无线节点将比那些已与移动网关同步了唤醒期的无线节点所消耗的功率大得多。对于典型的低功率网络应用场景中以电池供电的无线节点设备而言，这将不仅导致过短的设备维护周期(比如：使设备充电过于频繁)，而且还可能导致移动网关与无线节点之间无法及时有效的同步唤醒期。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种低功率通信网络中的通信方法以及相应的低功率通信网络系统和网络节点，从而使低功率通信网络中的数据发送节点的功率消耗较少并同时保证低功率通信网络的通信效率。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种低功率通信网络中的通信方法，其中，所述网络中包括一个第一网络节点和一个第二网络节点；所述第一网络节点发送信标帧，所述信标帧用以指示所述第一网络节点的数据传输时间；所述第二网络节点检测所述信标帧以同步其与所述第一网络节点间的数据传输；该方法还包括：
所述第一网络节点在发送所述信标帧之前发送哑信标帧，所述哑信标帧用以指示所述信标帧的发送时间；
所述第二网络节点在检测到所述信标帧之前检测所述哑信标帧以获知所述信标帧的发送时间，并在检测到所述信标帧后同步地与所述第一网络节点进行数据传输。
可选的，所述第一网络节点在发送所述信标帧之前连续地发送多个所述哑信标帧。
优选的，所述第一网络节点在发送所述信标帧之前间歇地发送多个所述哑信标帧。
根据具体的应用场景，所述第一网络节点周期性地发送所述信标帧和所述哑信标帧。
相应的，所述第二网络节点在检测到一个所述哑信标帧和所述信标帧之后即周期性地检测所述哑信标帧和所述信标帧。
或者，所述第二网络节点在检测到一个所述哑信标帧和所述信标帧之后即周期性地检测所述信标帧。
当所述网络中存在两个以上的所述第一网络节点时，各所述第一网络节点发送所述信标帧和所述哑信标帧的周期长度互不相同。
其中，各所述第一网络节点发送所述信标帧和所述哑信标帧的周期长度分别为一预设值或由一网络协调器进行设置。
进一步的，各所述第一网络节点在发送所述哑信标帧之前首先监听其它所述第一网络节点是否正在发送所述信标帧或所述哑信标帧，并只在其它所述第一网络节点未发送时才发送所述哑信标帧。
一种低功率通信网络系统，所述系统中包括一个第一网络节点和一个第二网络节点，所述第一网络节点用于发送信标帧，所述信标帧用以指示所述第一网络节点的数据传输时间；所述第二网络节点用于检测所述信标帧以同步其与所述第一网络节点间的数据传输；并且：
所述第一网络节点还用于在发送所述信标帧之前发送哑信标帧，所述哑信标帧用以指示所述信标帧的发送时间；
所述第二网络节点还用于在检测到所述信标帧之前检测所述哑信标帧以获知所述信标帧的发送时间，并在检测到所述信标帧后同步地与所述第一网络节点进行数据传输。
一种低功率通信网络中的数据收集节点，所述数据收集节点用于发送信标帧，所述信标帧用以指示所述数据收集节点的数据传输时间；并且：所述数据收集节点还用于在发送所述信标帧之前发送哑信标帧，所述哑信标帧用以对所述信标帧的发送时间进行指示。
可选的，所述数据收集节点用于在发送所述信标帧之前连续地发送多个所述哑信标帧。
优选的，所述数据收集节点用于在发送所述信标帧之前间歇地发送多个所述哑信标帧。
可选的，所述数据收集节点用于周期性地发送所述信标帧和所述哑信标帧。
当所述网络中存在两个以上的所述数据收集节点时，各所述数据收集节点发送所述信标帧和所述哑信标帧的周期长度互不相同。
进一步的，各所述数据收集节点用于在发送所述哑信标帧之前首先监听其它所述数据收集节点是否正在发送所述信标帧或所述哑信标帧，并只在其它所述数据收集节点未发送时才发送所述哑信标帧。
一种用于与所述的数据收集节点进行通信的数据发送节点，所述数据发送节点用于检测所述信标帧；并且：所述数据发送节点还用于在检测到所述信标帧之前检测所述哑信标帧以获知所述信标帧的发送时间，并在检测到所述信标帧后同步地与所述数据收集节点进行数据传输。
综上所述，本发明所带来的有益效果包括：
采用本发明的数据发送节点具有较低的功率消耗，并能够与数据收集节点较快同步唤醒期。采用本发明的多个数据收集节点具有较低的发送碰撞概率。采用本发明的低功率通信网络具有较低的功率消耗以及较高的通信效率。同时，本发明实施简单并可基于标准组件实现，具有较强的可实施性。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
图1为低功率通信网络中一种典型超帧的帧结构。
图2为一个具有星形拓扑结构的低功率通信网络示意图。
图3为一个移动网关在一个具有星形拓扑结构的低功率通信网络中移动的场景示意图。
图4为根据本发明的一个具体实施例中的超帧结构以及唤醒期同步过程示意图。
图5为根据本发明的另一具体实施例中的超帧结构以及唤醒期同步过程示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于，考虑到低功率通信网络中的移动网关通常并不具有与无线节点一样严格的功率限制，为了使无线节点能够休眠尽量多的时间，并在进入到该移动网关的覆盖范围内后能快速地检测到信标帧从而与该移动网关同步唤醒期，根据本发明的移动网关在发送信标帧之前发送至少一个哑信标帧，所述哑信标帧用以指示所述信标帧的发送时间，而根据本发明的无线节点则可通过检测所述哑信标帧来获知所述信标帧的发送时间，并进而在检测到所述信标帧后同步其与移动网关的数据期，因此显著提高了无线节点检测到信标帧的成功概率，从而降低了无线节点的功率消耗，同时还可以保证低功率网络的通信效率。
图4中示出了根据本发明的一个具体实施例中的超帧结构以及无线节点与移动网关同步唤醒期的过程示意。在该具体实施例中，如图4所示，超帧时长为tSF，与现有技术中的超帧结构相同，其中也包括信标帧、唤醒期与休眠期，移动网关通过发送信标帧来指示其唤醒期所在的位置，无线节点通过检测信标帧来同步其与移动网关的唤醒期，从而与移动网关之间建立数据通信。
在此基础上，根据本发明，移动网关在发送信标帧之前还将发送哑信标帧，所述哑信标帧用以指示信标帧的发送时间，无线节点则可在检测到信标帧之前同时针对哑信标帧和信标帧进行检测，即可通过检测哑信标帧来得知信标帧的发送时间，从而提高信标帧的检测成功概率，进而在检测到信标帧后同步其与移动网关的唤醒期，与移动网关进行数据传输。如图4所示，在本具体实施例中，移动网关在超帧结构中的休眠期持续不断的发送哑信标帧，这些哑信标帧可以具有专门定义的格式，或者采用与信标帧相同的格式，从而当无线节点检测到其中的一个哑信标帧时就可得知信标帧的发送时间，并进而检测信标帧以同步其与移动网关的唤醒期。
可选的，移动网关在休眠期也可间歇地发送哑信标帧，这样可在保证无线节点能与移动网关较快同步唤醒期的基础上降低移动网关的功率消耗。
在本具体实施例中，根据不同的应用场景，移动网关还可基于图4所示的超帧结构周期性地发送信标帧和哑信标帧，此时，信标帧中可以进一步携带超帧时长的有关信息。无线节点在未与移动网关同步唤醒期之前可以按与超帧时长tSF不同的时间间隔(即图4中的扫描间隔)扫描哑信标帧。这里的扫描间隔与超帧时长不同指的是与该超帧时长既不相等且非该超帧时长的整数倍，这样可以保证当无线节点的一次哑信标帧检测期间落在移动网关的唤醒期间时，该无线节点的下一次哑信标帧检测期间就可以避开移动网关的唤醒期，并可能检测到一个哑信标帧。当无线节点检测到一个哑信标帧并进而检测到一个信标帧之后，该无线节点就可根据信标帧中携带的超帧时长的有关信息周期性地检测哑信标帧和信标帧，或者只周期性地检测信标帧，从而同步其与移动网关的唤醒期。
在本具体实施例中，相应的，一个低功率通信网络系统可以包括一个移动网关和一个无线节点。所述移动网关作为数据收集节点用于发送信标帧，所述信标帧用以指示所述第一网络节点的数据传输时间。所述无线节点作为数据发送节点用于检测所述信标帧以同步其与所述移动网关间的数据传输。在此功能的基础上，所述移动网关还用于在发送所述信标帧之前发送哑信标帧，所述哑信标帧用以指示所述信标帧的发送时间。所述无线节点还用于在检测到所述信标帧之前检测所述哑信标帧以获知所述信标帧的发送时间，并在检测到所述信标帧后同步地与所述移动网关进行数据传输。
具体地，所述移动网关可以用于在发送所述信标帧之前连续地发送多个所述哑信标帧，或者优选的，用于在发送所述信标帧之前间歇地发送多个所述哑信标帧，从而可在保证无线节点能与其较快同步唤醒期的基础上降低自身的功率消耗。
根据具体的应用场景，所述移动网关还可以用于按照超帧时长tSF周期性地发送所述信标帧和所述哑信标帧，此时信标帧中还可以进一步携带超帧时长的有关信息。相应的，无线节点还可以用于在未与移动网关同步唤醒期之前按与超帧时长tSF不同的时间间隔扫描哑信标帧，并在检测到一个哑信标帧并进而检测到一个信标帧之后，根据信标帧中携带的超帧时长的有关信息周期性地检测哑信标帧和信标帧，或者只周期性地检测信标帧，从而同步其与移动网关的唤醒期。
采用根据本发明的上述具体实施例，根据超帧时长选取合适的扫描间隔，之前在一个移动网关的覆盖范围之外的无线节点在进入到该移动网关的覆盖范围之内后，通常可以通过一到两次的哑信标帧检测并在一个单独的超帧时长内完成唤醒期的同步。其中，通过选择更长的无线节点的扫描间隔可得到更低的无线节点功率消耗。
下面将结合附图5具体描述根据本发明的另一个具体实施方案，该方案主要适用于在一个区域内存在多个移动网关的低功率通信网络应用场景。
在本具体实施例中，网关1和网关2的覆盖范围重叠，网关1采用的超帧时长为tSF1，网关2采用的超帧时长为tSF2，相应的超帧结构中均包括信标帧、唤醒期和休眠期，网关1和网关2均在休眠期发送哑信标帧。网关1和网关2可以在休眠期连续地发送多个哑信标帧，优选地，如图5所示，网关1和网关2将随机地或根据预定的方式来间歇地发送哑信标帧，这些哑信标帧的密度可以根据具体的系统需求而进行优化。其中，较高的哑信标帧密度将导致网关1和网关2之间较高的发送碰撞概率，而较低的哑信标帧密度将增加无线节点与网关1和网关2同步唤醒期的平均同步时延。
网关1和网关2覆盖范围内的无线节点可以通过分别检测网关1和网关2发送的哑信标帧，进而检测网关1和网关2发送的信标帧并同步其与网关1和网关2的唤醒期。
根据具体的应用场景，网关1和网关2还可以基于图5所示的超帧结构周期性地发送信标帧和哑信标帧，此时，信标帧中还可以进一步携带超帧时长的有关信息。为了降低网关1和网关2之间的发送碰撞概率，各网关发送信标帧和哑信标帧的周期长度互不相同，这里的周期长度互不同指的是各周期长度既不相等且互不为整数倍关系。各周期长度可以分别为一预设值或由网关1和网关2所属的网络协调器进行设置，这样当网关1和网关2之间发生一次发送碰撞时，网关1和网关2的下一次发送时间就可以因为不同的周期长度而相互错开。此外，各网关在发送所述哑信标帧或信标帧之前还可以首先监听另一网关是否正在发送所述信标帧或所述哑信标帧，并只在另一网关未发送时才发送所述哑信标帧或信标帧，从而进一步降低各网关之间的发送碰撞概率。
在本具体实施例中，相应的，一个低功率通信网络系统可以包括网关1和网关2以及需要与所述网关1和网关2通信的无线节点。所述网关1、网关2和无线节点的相应功能分别如上一具体实施例中所述，在此不再赘述。在此基础上，为了降低网关1和网关2之间的发送碰撞概率，各网关发送信标帧和哑信标帧的周期长度tSF1和tSF2可以互不相同。此外，各网关也可以用于在发送所述哑信标帧或信标帧之前首先监听另一网关是否正在发送所述信标帧或所述哑信标帧，并只在另一网关未发送时才发送所述哑信标帧或信标帧，从而进一步降低各网关之间的发送碰撞概率。相应的，网关1和网关2覆盖范围内的无线节点可以用于在未与各网关同步唤醒期之前按与各超帧时长不同的时间间隔扫描哑信标帧，并在检测到一个哑信标帧并进而检测到一个信标帧之后，根据信标帧中携带的超帧时长的有关信息周期性地检测哑信标帧和信标帧，或者只周期性地检测信标帧，从而同步其与网关1或网关2的唤醒期。
在根据本发明的上述各具体实施例中，只需要移动网关持续处于激活状态，从而高功率消耗被限制在移动网关，而移动网关通常具有高电池容量并容易维护(如再充电等)，因此适合于多数应用场景。
上述各具体实施例的典型应用场景为WSN网络。假定大量传感器(相当于具体实施例中的无线节点)部署在一个大的区域，这些传感器以电池为动力并负责收集环境数据(如：交通或天气信息)。由一个移动数据收集设备(相当于具体实施例中的移动网关)穿过该部署了大量传感器的区域并查询各个传感器的数据。这种数据收集设备可以被安装在规律移动的火车或汽车中。采用本发明后，能显著降低传感器的功耗，从而使传感器的电池寿命显著提高。
本发明还可应用于工作环境安全领域。在危险的工作区，比如矿场，传感器(相当于无线节点)用于监控工作环境(比如气体密度)，携带移动设备(相当于实施例中的网关)的工作人员在从当前工作区域穿过时可从部署在该工作区域内的各个传感器中获得工作环境数据。
此外，本发明的上述各具体实施例也同样可以应用于数据收集节点固定不动的低功率通信网络，从而降低数据收集节点之间的发送碰撞概率，同时缩短数据发送节点与数据收集节点的唤醒期同步时间。
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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (17)

1、一种低功率通信网络中的通信方法，其中，所述网络中包括一个第一网络节点和一个第二网络节点；所述第一网络节点发送信标帧，所述信标帧用以指示所述第一网络节点的数据传输时间；所述第二网络节点检测所述信标帧以同步其与所述第一网络节点间的数据传输；其特征在于，该方法还包括：
所述第一网络节点在发送所述信标帧之前发送哑信标帧，所述哑信标帧用以指示所述信标帧的发送时间；
所述第二网络节点在检测到所述信标帧之前检测所述哑信标帧以获知所述信标帧的发送时间，并在检测到所述信标帧后同步地与所述第一网络节点进行数据传输。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一网络节点在发送所述信标帧之前连续地发送多个所述哑信标帧。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一网络节点在发送所述信标帧之前间歇地发送多个所述哑信标帧。
4、根据权利要求1至3中任一所述的方法，其特征在于：所述第一网络节点周期性地发送所述信标帧和所述哑信标帧。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述第二网络节点在检测到一个所述哑信标帧和所述信标帧之后即周期性地检测所述哑信标帧和所述信标帧。
6、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述第二网络节点在检测到一个所述哑信标帧和所述信标帧之后即周期性地检测所述信标帧。
7、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：当所述网络中存在两个以上的所述第一网络节点时，各所述第一网络节点发送所述信标帧和所述哑信标帧的周期长度互不相同。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于：各所述第一网络节点发送所述信标帧和所述哑信标帧的周期长度分别为一预设值或由一网络协调器进行设置。
9、根据权利要求7所述的方法，其特征在于：各所述第一网络节点在发送所述哑信标帧之前首先监听其它所述第一网络节点是否正在发送所述信标帧或所述哑信标帧，并只在其它所述第一网络节点未发送时才发送所述哑信标帧。
10、一种低功率通信网络系统，所述系统中包括一个第一网络节点和一个第二网络节点，所述第一网络节点用于发送信标帧，所述信标帧用以指示所述第一网络节点的数据传输时间；所述第二网络节点用于检测所述信标帧以同步其与所述第一网络节点间的数据传输；其特征在于：
所述第一网络节点还用于在发送所述信标帧之前发送哑信标帧，所述哑信标帧用以指示所述信标帧的发送时间；
所述第二网络节点还用于在检测到所述信标帧之前检测所述哑信标帧以获知所述信标帧的发送时间，并在检测到所述信标帧后同步地与所述第一网络节点进行数据传输。
11、一种低功率通信网络中的数据收集节点，所述数据收集节点用于发送信标帧，所述信标帧用以指示所述数据收集节点的数据传输时间；其特征在于：
所述数据收集节点还用于在发送所述信标帧之前发送哑信标帧，所述哑信标帧用以对所述信标帧的发送时间进行指示。
12、根据权利要求11所述的数据收集节点，其特征在于：所述数据收集节点用于在发送所述信标帧之前连续地发送多个所述哑信标帧。
13、根据权利要求11所述的数据收集节点，其特征在于：所述数据收集节点用于在发送所述信标帧之前间歇地发送多个所述哑信标帧。
14、根据权利要求11至13中任一所述的数据收集节点，其特征在于：所述数据收集节点用于周期性地发送所述信标帧和所述哑信标帧。
15、根据权利要求14所述的数据收集节点，其特征在于：当所述网络中存在两个以上的所述数据收集节点时，各所述数据收集节点发送所述信标帧和所述哑信标帧的周期长度互不相同。
16、根据权利要求15所述的数据收集节点，其特征在于：各所述数据收集节点用于在发送所述哑信标帧之前首先监听其它所述数据收集节点是否正在发送所述信标帧或所述哑信标帧，并只在其它所述数据收集节点未发送时才发送所述哑信标帧。
17、一种用于与权利要求11至13中任一所述的数据收集节点进行通信的数据发送节点，所述数据发送节点用于检测所述信标帧；其特征在于：
所述数据发送节点还用于在检测到所述信标帧之前检测所述哑信标帧以获知所述信标帧的发送时间，并在检测到所述信标帧后同步地与所述数据收集节点进行数据传输。
CNA2007101814399A 2007-10-25 2007-10-25 一种低功率通信网络中的通信方法、系统及网络节点 Pending CN101420280A (zh)

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CNA2007101814399A CN101420280A (zh) 2007-10-25 2007-10-25 一种低功率通信网络中的通信方法、系统及网络节点
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