CN101835234A - 一种基于接力节点的工业无线传感器网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护基于接力节点的工业无线传感器网络通信方法，涉及传感器网络通信领域。网络管理中心根据源节点的请求和当前网络状态信息，分配首选通信路径资源；根据约束条件选择接力节点和接力路径，并分配接力路径的通信资源。通信过程中，当接力节点收到上一跳节点的负响应后从接力路径进行重发，降低了传输延迟超过门限的概率，减少源节点发起重传的次数，降低重传数据的能量消耗。同时接力节点还动态改变数据包的优先级，避免数据包的发送被一再延迟，保证数据包能够在时延要求内到达目的节点。通过接力节点、目的节点、网络管理中心间协作，降低丢包率，减少源节点发起重传的次数，降低重传数据的能量消耗。

Description

一种基于接力节点的工业无线传感器网络通信方法

技术领域

本发明涉及工业无线传感器网络，尤其涉及工业无线传感器网络通信领域中的协同通信技术。

技术背景

工业无线传感器网络是无线传感器网络技术的最新应用领域，与传感器网络相比具有显著的特点。首先正在制定中的工业无线传感器网络标准，从工业现场应用的需求出发，采用集中式(如ISA100)，或者集中分散相结合的混合式网络管理(WIA-PA)，对节点间的通信进行严格的管理。其次工业无线传感器网络的工作环境复杂，除了各种通信干扰外，还有工作空间的限制和各种外部因素如车辆、大型金属构件、机械设备等遮蔽造成的节点间通信中断。此外工业无线传感器网络的节点数目较少。

工业现场为工业无线传感器网络的应用提出了严格的实时性和可靠性要求。其中空间分集(Spatial Diversity)是其中重要的技术领域。在当前的研究中，主要提出了多路径传输、Mesh网、冗余路径、协同通信等方法。多路径传输技术中通信路径上的每个节点都能够选择多条路径进行数据包的传递，每个节点根据数据包的时延，选择速度最快的传输路径。这种方式虽然能够极大的提高通信的实时性和可靠性，但是会消耗大量的通信资源和能量，降低网络的吞吐量。Mesh网虽然能保证节点间的K连接度，但通常需要占用大量的通信资源。在通信资源有限，尤其是在节点数量有限的情况下就不能保证Mesh网的性能，也不能满足工业无线网络的要求。

路径冗余技术是工业无线网络中使用最频繁也最简单的技术，在节点间的首选路径失效的情况下，节点选择路由表中设有备选路径。但是在备选路径也不能完成信息传输的情况下，源节点与目的节点间的通信就告以失败。上述技术对网络的拓扑和节点的数量都有要求。比如多路径传输技术要求源节点与目的节点间存在多条不相交的路径。在前提条件不能满足的情况下，性能会大大下降。而工业无线网络与开阔地带的传感器网络相比，在空间和网络规模上都会受到限制。

无论采用何种技术提高工业无线传感器网络通信的实时性和可靠性，都不能完全避免传输失败的情况。一旦进入重传，就需采用由源节点发起重传的方式，这种方式不仅会消耗较大的能量，而且在网络故障没有排除的情况下，进行简单的重传并不能传输成功。在无线传感器网络技术中，采用接力节点进行协同通信的网络，通常采用分布式的算法，虽然可以不需要进行基础设置，并可对网络环境的变化做出实时的反应。但是在多跳的情况下，由于影响节点传输速率、可靠性、实时性的因素众多(如多跳路径选择、多跳节点之间的传输干扰、多跳节点的重传次数等)，难以取得优化的值。因此大多用在单跳接力的场合。同时接力节点功能单一，只能进行缓存数据的重传。接力节点的使用未能解决接力节点和源节点都收到重传请求造成的冲突。而与工业无线传感器网络最大的冲突在于，分布式的算法需要自由发起通信。[MMSPEED：Multipath Multi-SPEED Protocol for QoS Guarantee ofReliability and Timeliness in Wireless Sensor Networks]中单纯利用节点位置估算接收到的报文的传输速度，据此选择不同传输速度的路径转发数据。这种方式对每一个单一节点都进行速度的判断，容易造成节点的负载失衡。上述技术应用于工业无线传感器网络均不能适应工业现场的需要，一方面不能形成完善的解决方案，另一方面不符合工业无线传感器网络技术应用的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为，现有无线传感器网络使用接力节点技术未能针对工业无线传感器网络技术特点的问题，接力节点和源节点都收到重传请求时易造成节点同时传输的冲突、能量消耗过大、分布式协同传输的方法造成节点负载失衡等问题，提供一种基于接力节点的工业无线传感器网络通信方法，改善工业无线传感器网络的实时性和可靠性。

本发明解决上述问题的技术方案是，接力节点、网络管理中心、目的节点协调保证源节点和目标节点间的通信。网络管理中心在本发明中起核心管理作用，初始化、优化并管理节点间接力节点的通信过程。网络管理中心NM根据源节点的请求和当前的网络状态信息，用源路由的方法选择首选路径；选择包括接力节点R，目的节点D，中间节点集合的接力路径；NM对接力路径和首选路径进行资源配置；通过接力路径连接源节点和目的节点。并建立源节点和目的节点之间的通信。可选择首选路径上的节点作为接力节点，也可选择与首选路径上节点的相邻节点。当接力节点属于首选路径，从首选路径的中间节点中选择到目的节点D的与首选路径不相交的路径即两条路径上没有相同的中间节点；在上述不相交的路径中选择满足条件delay_RD+delay_SR＜deadline_SD的中间节点作为接力节点，其中，中间节点到目的节点D的路径传输延迟delay_RD、源节点到中间节点的路径传输延迟为delay_SR，数据包的失效时间为deadline_SD。选择节点集合I中的任意节点i，计算接力路径的有效时间LT，接力路径的电池寿命满足源节点所发起通信的时间要求；由任意节点i的邻居节点集合Nbr_i并集中包含的节点数目确定接力路径造成的通信干扰和资源限制Inf；根据报文优先级队列的深度计算节点间的延迟delay_i，i+1，由此计算接力节点R到目的节点D的延时，根据上述指标确定接力路径。资源配置包括，接力源地址A_rs用于监听该源地址发送的数据，接力源地址接力目的地址用于接收接力节点监听到的数据；配置首选路径失效门限L_fm、接力路径失效门限L_fr、接力路径测试失效门限L_tr、优先级更改门限L_pc，用于决定接力节点向NM报告首选路径，接力路径和SR路径通信故障的门限；当节点被NM选中成为接力节点后，NM向接力节点发送一个设置报文。

当接力节点R辅助源节点S与目的节点D之间通信时，接力节点根据接收数据包的时间计算从S传输到R使用的时间delay_SR，当delay_SR≤D₀，采用首选路径进行传输，当D₀≤delay_SR≤D₁，R根据delay_SR对报文的优先级进行调整，再进行发送和重传，如果delay_SR＞D₁，丢弃数据包，首选路径上的节点传数据失败时，向上一跳节点发送负响应，接力节点收到负响应报文后，经过首选路径传输失败的报文通过接力路径进行转发；当接力路径使用频率低，主动发起接力路径的探测。当由网络管理中心管理SD间带接力节点的通信时，目的节点统计从首选路径和接力路径接收报文的次数，以及丢失报文的次数；网络管理中心据此对首选路径、接力路径的实时性进行评估，及时更新并优化所使用的资源。

通信过程中，当接力节点收到上一跳节点的负响应后从接力路径进行重发，降低了传输延迟超过门限的概率，减少源节点发起重传的次数，降低重传数据的能量消耗。同时接力节点还动态改变数据包的优先级。首选路径和接力路径上的节点在向下一跳节点发送数据失败时，向上一跳节点发送负响应报文，接力节点收到负响应报文后，经过首选路径传输失败的报文通过接力路径进行转发。接力节点改变延误数据包的优先级，避免在后续的传输过程中被高优先级的数据包延误，确保数据包能够在规定的时延内到达目的节点。为了适应通信环境，尤其是工作环境变化造成的影响。接力节点统计首选路径、接力路径的失败次数，不可靠节点的地址，源节点到接力节点的延误次数，以便掌握全网信息。同时可以计算首选路径失败次数、源节点到接力节点延误次数的平均值，如果首选路径失败次数低于平均值者，则说明接力路径使用频率低。接力节点在接力路径使用频率低的情况下，将主动发起对新的接力路径的探测。目的节点统计从首选路径和接力路径接收报文的次数，以及丢失报文的次数。接力节点和目的节点通过管理路径向网络管理者报告上述信息。网络管理中心据此对首选路径、接力路径的实时性进行评估，及时更新并优化所使用的资源。

本发明能够在出现节点间通信中断，报文传输延误的情况下，通过接力节点、目的节点、网络管理中心间协作，降低丢包率，减少源节点发起重传的次数，降低重传数据的能量消耗。网络管理中心实时更新并优化参与通信的节点和资源，自适应能力强、实现简单、对***要求不高。充分考虑了工业无线传感器网络技术的时分复用、报文具有优先级、集中式网络管理的特点，具有良好的适应性。

附图说明

图1网络管理中心工作流程图

图2本发明中NM分配的通信资源示例图

图3时隙分配图

图4接力节点工作的流程图

具体实施方式

如图1所示为本发明工作流程图，工业无线传感器网络结构包括网络管理中心NM、源节点S、目的节点D、中间节点、以及接力节点R。网络管理中心NM管理网络中的所有节点，源节点S首先向网络管理中心发出通信请求，网络管理中心NM利用现有的资源，根据源节点的请求和当前的网络状态信息，确定分配给源节点S和目的节点D的首选路径和首选时隙，网络管理中心在首选路径上选择接力节点，并建立与首选路径不相交的接力路径；网络管理中心分配拥有接力节点的通信资源，包括分配时隙资源、目的节点地址、失效门限值，接力节点等；分配资源完成后，网络管理中心通知源节点、目的节点、接力节点进行传输。传输过程中，根据接力节点所起的作用，通过接力路径建立源节点和目的节点之间的通信，接力节点R通过调整数据报文优先级、发起重传等方法辅助源节点S与目的节点D之间的通信。

建立接力路径的规则包括，接力节点构成的接力路径要与包括源节点在内的首选路径不相交、源节点到接力节点的延时要符合数据报文失效时间及等待延时、充分考虑接力节点周围的干扰程度以及数据报文优先级和延时。

以下针对上述技术方案对通信的过程进行具体描述。

1.源节点向网络管理中心发出通信请求

工业无线传感器网络的资源由网络管理中心NM统一管理，源节点S向网络管理中心发出的通信请求报文包含源节点S、目的节点D、时延限制、报文优先级，是否需要设置接力节点等信息。

2.网络管理中心确定首选通信路径

在正常情况下，S与D间的数据传输采用首选通信资源，中间节点集合为I。NM利用网络的拓扑信息TP，节点负载信息OL，节点能量信息PR，节点间链路信息LS，采用集中式的资源分配算法为节点S、D和中间节点集合I分配通信资源。通信资源包括通信路径、通信时隙、通信信道等信息。首选通信资源可能是次优解，即包含不可靠的中间节点或者通信路径穿越易发生拥塞的区域。

3.选择接力路径

接力路径包括接力节点R，目的节点D，中间节点集合I，即R→I→D。传输延迟delay_AB表示从A到B的传输延时。采用的接力节点数目与位置的不同使得采用接力路径与多路径传输、冗余路径技术具有很大的相似性。考虑到工业环境的复杂性，本实施例从资源占用最小化和方案可行的角度选择单接力路径实现方式。以下具体描述接力节点R的选择。

接力节点可以选择首选路径上的点，也可以选用与之相邻的节点。如接力节点R属于首选路径的中间节点中的点，即要求R∈I，接力节点属于首选路径，依据下述规则选择接力节点。

从首选路径的中间节点中选择到目的节点D的与首选路径不相交的路径；如上述中间节点到目的节点D的路径传输延迟delay_RD、源节点到上述中间节点I的路径传输延迟为delay_SR，数据包的失效时间为deadline_SD，在上述与首选路径不相交的路径中选择满足delay_RD+delay_SR＜deadline_SD的中间节点作为接力节点。

确定了节点节点以后，需要确定接力路径。接力节点R，目的节点D，中间节点集合I确定接力路径。接力路径需满足以下要求：

接力路径的电池寿命满足源节点所发起通信的时间要求。接力路径P′属于首选通信资源的可选集合，通过保留首选通信资源分配过程的中间结果得到。选择节点集合I中的任意节点i，其中节点i∈I。节点i在网络运行期间周期性向NM报告该节点电池剩余电量和节点功耗，根据公式(1)计算接力路径的有效时间LT，

NM根据接力路径的有效时间及时了解节点的实时信息，保持路径选择的最优性，同时保证接力路径的电池剩余电量满足源节点所发起通信的时间要求。

计算接力路径造成的通信干扰和资源限制。邻居节点并集所包含的节点数目一定程度上反映可能产生的干扰和资源使用限制。由任意节点i的邻居节点集合Nbr_i并集中包含的节点数目确定接力路径造成的通信干扰和资源限制Inf，根据以下公式：

$\mathrm{Inf}=\left|\right|\underset{i\∈I^{\′}}{U}\mathrm{Nb}{r}_i\left|\right|---\left(2\right)$

计算接力路径造成的通信干扰和资源限制。计算节点间的延迟delay_i，i+1、接力节点R到目的节点D的延时。在短距离通信的工业无线传感器网络中，传输延迟主要由处理延迟、队列延迟和拥塞造成。处理延迟t_handle是节点接收到数据包到可以转发该数据包的时间间隔，最小值为一个时隙。队列时延是由节点的负载和节点所承担通信的周期确定，周期越短，每个超帧内可分配的时隙就越少，每个时隙上的队列就越长。节点i，i+1∈I间的延迟delay_i，i+1由公式(3)计算：

${\mathrm{delay}}_{i,i+1}=t_{\mathrm{handle}}+(\stackrel{\‾}{Q}\left(t_i\right)+Q\left(t_i\right))\×\mathrm{SF}---\left(3\right)$

其中t_i为分配给i向i+1发送报文的时隙，

为优先级高于报文优先级的队列并集的深度，Q(t_i)为优先级与报文优先级相等的队列的深度，SF为超帧长度(毫秒)。

由公式(4)计算接力节点R到目的节点D的延时，

${\mathrm{delay}}_{R,D}={\mathrm{delay}}_{R,1}+\underset{i=2}{\overset{\left|\right|I^{\′}\left|\right|-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{delay}}_{i,i+1}---\left(4\right)$

接力路径的优化目标为

P为接力路径，具体的限制包括：LT、Inf、delay_i，i+1、delay_RD。其中LT表示接力路径的有效时间，Inf表示接力路径造成的通信干扰和资源限制，delay_i，i+1表示节点间的延迟，delay_RD表示接力节点R到目的节点D的延时。以上的优化目标就是一个多目标联合优化模型，非线性(NP)问题。根据公式：

得到的

值最大变为最优化的值，即为接力路径的首选值。公式中的α，β，ε，η值根据网络中的具体情况和要求来确定。

上述过程是单接力路径的选择方法。也可以考虑用多接力路径，方法同单接力路径，通过在多条路径分别设置接力节点来辅助通信。

4.NM分配通信资源

NM对接力路径和首选路径进行资源配置，包括对首选路径分配时隙，从源节点S分配资源。分配通信资源需遵循以下原则，不能让节点在传输中相互产生冲突，在此基础上，尽可能的挑选并使用最优的分配方法，要充分考虑接力节点重传的可能性，为重传预留出相应时隙。

为了支持采用接力节点的通信，需要进行相应的资源配置，包括接力路径资源配置、首选路径资源配置，具体的配置方法可以采用常规的TDMA的分配方式。把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙，根据时隙向NM发送信号，在满足定时和同步的条件下，NM可以分别在各时隙中接收到各节点的信号而不产生冲突。NM发向多个节点的信号都按顺序安排在特定算法计算得到的时隙中传输，各节点只要在指定的时隙内接收，就能在准确的将其他节点发出的信号接收到。

如图2为本实施例中NM分配的通信资源。图2中首选路径是S→n1→R→m1→D，接力路径为S→i1→i2→D。取超帧长度为10，每个节点采用单超帧方式。

NM首先为首选路径及接力路径上节点分配时隙。由图2知首选路径上的节点需要分配的时隙数为[12532]，接力路径上的节点需要分配的时隙数为[43]。NM首先从管理信息库中调出相关节点的时隙占用信息，判断剩余时隙数，如果剩余时隙数少于所需时隙，则需重新分配。从S节点开始分配资源。为S分配时隙t2用于向n1节点发送报文；对应的n1节点的t2时隙被用来接收S发出的报文；n1节点需要另一个时隙向R转发源节点的报文；为了缩短时延，直接选取t3向R发送报文；R需要3个接收时隙和2个发送时隙。3个接收时隙分别用来接收n1的转发报文和m1，i1的负响应报文，2个发送时隙用来分别向首选路径和接力路径上的下一跳节点发送数据。t3时隙被分配用来接收源节点发出的报文，t4被用来接收接力路径上节点i1的负响应报文，t5时隙不进行收发，接力节点R处理本地操作。在时隙t6，R向首选路径上的m1发送报文；时隙t7空闲，分配t8用于接收m1发送的负响应；t9用于将在m1上发送失败的报文向接力路径上的节点i1发送。m1的t6时隙接收节点R发送的报文，然后在t7向目的节点D发送，在发送失败时利用t8向R报告发送失败。接力路径上的节点i1，利用t2、t9接收负响应和R的报文，t4、t10发送负响应和被接力节点重传的报文。节点i2利用t1向目的节点发送数据，t2时刻向上一跳节点发送负响应，t10时隙接收i1的报文。目的节点t1和t7分别接收接力路径和首选路径上发送来的报文。

5.配置R内部参数并通知S可以开始通信

NM为接力节点R配置相关参数。

(1)NM首先向接力节点配置最基本的信息，包括配置接力源地址A_rs，接力目的地址A_rd。将接力源地址用于监听该源地址发送的数据，接力目的地址用于接收接力节点监听到的数据。

(2)配置首选路径失效门限L_fm，接力路径失效门限L_fr，接力路径测试失效门限L_tr，优先级更改门限L_pc，用于决定接力节点向NM报告首选路径，接力路径和SR路径通信故障的门限。接力节点都是以发送报文给NM的形式进行信息传递。

(3)将节点设定为接力节点。当节点被NM选中成为接力节点后，NM向接力节点发送一个设置报文，接力节点收到后，设置标志位，节点从报文中采集出有效信息，正式成为接力节点。

6.接力节点R辅助源节点S与目的节点D之间通信

接力节点根据接收数据包的时间计算从S传输到R使用的时间delay_SR，判断时间delay_SR，当delay_SR≤D₀，采用首选路径进行传输，当D₀≤delay_SR≤D₁，R根据delay_SR对报文的优先级进行调整，再进行发送和重传。如果delay_SR＞D₁，接力节点判定该数据包不能按时到达目的节点，丢弃数据包。

如图4为接力节点辅助源节点与目的节点之间通信的流程图。R接收到S发出的数据包后，记录接收时间T_A，计算数据包从S传输到R使用的时间delay_SR。如果delay_SR≤D₀(D₀为数据包传输的理论最短时间)，R向首选路径上的下一跳节点转发数据包。并开启计时器T_r，定时器的初始值等于报文的生存周期，定时器超时后丢弃缓存的报文。首选路径上的节点前传数据失败时，向上一跳节点发送负响应，经过多跳传输到达接力节点R。接力节点利用接力路径向目的节点发送缓存的报文。

如图2中首选路径上从R到D只有两跳，当m1在t7时刻m1(t7)向目的节点D发送失败后，m1(t8)向R发送负响应，经过R(t9)转发到i1，i1(t10)转发到i2，最终于i2(t1+FR)到达目的地址。本实施例中，经过接力路径的转发，图2中报文到达目的节点的时间延迟为3个时隙。

如果D₀≤delay_SR≤D₁(D₁为数据包的失效时间)将接收到的数据包的优先级改为更高的优先级p′并转发出去。本实施例中超帧长度为10，每个时隙为10ms，D₀＝20ms。由于图3的时隙分配中没有直接分配重发时隙，因此一旦错过了分配的发送时隙就会造成延迟至少一个超帧的长度(100ms)。若S或n1发生延时，delay_SR＝120ms，从S到D的时延为160ms。如果SD的传输时延门限值为200ms，那么在传输过程中只能有一次延误的传输。因此D₁＝120ms。本实施例将报文优先级分为0，1，2，3共四级，0级最高，3级最低。节点将接收到的报文，按照优先级存放到对应的队列。当两个队列中都有发送到同一节点的报文时，低优先级的报文发送被延后。为了保证报文能够按照分配的时间发送出去，R根据delay_SR对报文的优先级进行调整。例如将优先级为3的报文提升为1或2，优先级为2的报文提升为1。优先级调整避免将报文优先级调整为0，以免干扰关键报文的传输。R节点直接改写缓存报文的优先级域。如果delay_SR＞D₁，接力节点判定该数据包不能按时到达目的节点，丢弃数据包。

7.接力节点R辅助NM管理S与D间的通信

工业无线传感器网络工作环境恶劣，NM管理灵活性较差。当环境变化导致S与D间的通信发生故障，性能下降时，需要自适应调整通信资源。接力节点管理协议栈内部参数，R主动发起对接力路径的探测，周期性检测接力路径。根据接力节点内部管理的各种参数，如首选路径单位时间失效次数C_fm、接力路径单位时间失效次数C_fr等，R根据各参数的变化，向NM发送相应报警报文，NM能及时了解并调整路径参数。

接力节点R管理协议栈内部参数具体有：首选路径单位时间失效次数C_fm、接力路径单位时间失效次数C_fr、接力路径测试单位时间失效次数C_tr、首选路径失效地址A_fm、接力路径失效地址A_fr、更改优先级次数C_cp。参数C_fm，C_fr，A_fm，A_fr由R在运行过程中维护。实施例中R在时隙m1(t8)接收到负响应时C_fm加1，在m1(t4)接收到负响应时C_fr加1。同时将发送负响应的地址A_fm，A_fr保存在相应的队列中。同样每改变报文优先级1次，C_cp增加1。

如果C_fm≥L_fm或者C_fr≥L_fr，C_cp≥L_cp，R利用管理路径向NM发送包含C_fm，A_fm，C_fr A_fr，C_cp的报警报文，并清零。通知NM发生故障或者质量下降的节点。

在网络运行稳定的情况下，接力路径使用频率较低。为了维护接力路径，及时发现接力路径上的隐患，R主动发起对接力路径的探测。由于发起检测时，可能首选路径上仍有报文传输，因此对接力路径的检测要避免冲突。本实施例中，在接力路径检测周期，R将接收到的报文分别从R(t6)，R(t9)时隙发送出去。节点D最终从D(t1)，D(t7)时隙接收到检测报文和原始报文。如果R从接力路径接收到了负响应，同样对C_tr进行操作。

8.网络管理中心NM管理SD间带接力节点的通信

NM根据接收到的接力节点信息，判断首选通信资源、接力路径的资源分配是否需要更新。SD节点间带接力节点的通信可以由S发起，在SD资源申请期间分配。在通信的建立阶段，选择合适的接力路径，分配通信资源。也可以由NM根据SD间通信的成功率和时延决定是直接进行带接力节点的资源再分配，还是将现有的通信路径作为首选路径，添加接力路径。虽然在NM可以运行最优化的算法，但是网络环境、工作环境的变化，往往使得分配的资源，选择的接力路径发生变化。因此NM需要对SD间的通信进行实时监督、管理、优化。NM的管理功能包括建立SD间的通信关系，优化SD间的通信关系，中止SD间的通信关系，基于R、D向NM报告的统计信息优化SD间的通信关系。SD间通信的优化基于R、D向NM报告的统计信息。R报告的信息分别表示首选路径、接力路径上的可靠程度，不可靠节点地址，SR的时延。目的节点D维护内部参数C_rm，用于记录设定时间间隔T_r内D成功从首选路径接收到的报文数量，C_rr用于记录T_r内，D成功从接力路径接收到的报文数量，C_f用于记录D未能接收到报文的次数。设定统计时间间隔到后，上述参数停止计数。D利用管理路径向NM发送上述参数，发送成功后将其置为0。NM接收到节点R报告上来的A_fm、A_fr信息后，将管理信息库中对应地址设定为不可靠节点，然后调用相应的路由算法、资源分配算法、重新分配首选路径或者接力路径，并进行路径的切换。当数据报文的周期期限截止，或者NM收到R发出的报警报文，判断得出需要停止SD间的通信关系。NM就需要及时的中止SD的通信，对路径进行调整。

首先中止源节点S的发送功能、R节点的接力功能、D节点的接收管理功能。NM调出管理信息库中SD间通信资源的相关记录，向相关节点发送包含停止命令和停止时间，需要释放的资源的报文。在停止时间到达后，S、R、D同时停止功能，并释放图2中分配的时隙。随后NM向其余节点发送报文释放通信资源，如果资源没有释放完全，很可能会干扰其他节点发送，产生通信故障。节点通信资源释放完成后，NM释放SD间通信资源的相关记录。

上述具体实例只讲述了如何利用接力节点进行工业无限传感器网络通信的实现方法，并不用于局限本发明，凡在本发明的方法和原则之内所做的任何修改，等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于接力节点的工业无线传感器网络通信方法，其特征在于，网络管理中心NM根据源节点的请求和当前的网络状态信息，选择首选路径；选择包括接力节点R，目的节点D，中间节点集合的接力路径；NM对接力路径和首选路径进行资源配置；通过接力路径建立源节点和目的节点之间的通信。

2.根据权利要求1所述工业无线传感器网络通信方法，其特征在于，当接力节点属于首选路径，从首选路径的中间节点中选择到目的节点D的与首选路径不相交的路径即两条路径上没有相同的中间节点；在上述不相交的路径中选择满足delay_RD+delay_SR＜deadline_SD的中间节点作为接力节点，其中，中间节点到目的节点D的路径传输延迟为delay_RD、源节点到中间节点的路径传输延迟为delay_SR，数据包的失效时间为deadline_SD。

3.根据权利要求1所述工业无线传感器网络通信方法，其特征在于，选择接力路径的步骤具体为，选择节点集合I中的任意节点i，计算接力路径的有效时间LT，接力路径的电池寿命满足源节点所发起通信的时间要求；由任意节点i的邻居节点集合Nbr_i并集中包含的节点数目确定接力路径造成的通信干扰和资源限制Inf；根据报文优先级队列的深度计算节点间的延迟，由此计算接力节点R到目的节点D的延时delay_RD，根据公式：

得到最终的接力路径P。

4.根据权利要求1所述工业无线传感器网络通信方法，其特征在于，资源配置包括，接力源地址A_rs用于监听该源地址发送的数据，接力源地址、接力目的地址用于接收接力节点监听到的数据；配置首选路径失效门限L_fm、接力路径失效门限L_fr、接力路径测试失效门限L_tr、优先级更改门限L_pc，用于决定接力节点向NM报告首选路径，接力路径和SR路径通信故障的门限；当节点被NM选中成为接力节点后，NM向接力节点发送一个设置报文。

5.根据权利要求1所述工业无线传感器网络通信方法，其特征在于，当接力节点R辅助源节点S与目的节点D之间通信时，接力节点根据接收数据包的时间计算从S传输到R使用的时间delay_SR，当delay_SR≤D₀，采用首选路径进行传输，当D₀≤delay_SR≤D₁，R根据delay_SR对报文的优先级进行调整，再进行发送和重传，如果delay_SR＞D₁，丢弃数据包，向上一跳节点发送负响应，接力节点收到负响应报文后，经过首选路径传输失败的报文通过接力路径进行转发。

6.根据权利要求1所述工业无线传感器网络通信方法，其特征在于，当由网络管理中心管理SD间带接力节点的通信时，目的节点统计从首选路径和接力路径接收报文的次数，以及丢失报文的次数；网络管理中心据此对首选路径、接力路径的实时性进行评估，及时更新并优化所使用的资源。

7.根据权利要求5所述工业无线传感器网络通信方法，其特征在于，接力节点统计首选路径、接力路径的失败次数、不可靠节点的地址，源节点到接力节点的延误次数，计算首选路径失败次数、源节点到接力节点延误次数的平均值，低于平均值者，则接力节点在接力路径使用频率低。

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