用于重新分配无线网络中的无线节点的角色的方法

摘要

本发明是一种用于维护无线通信系统中的无线网络的网络寿命的方法，所述网络包括多个设备节点(A-C，Q，N’)。无线节点中的选定无线节点(A，B，C)具有网络中的分配的角色(1，2，3，GW)。为了提高和维护网络寿命，该方法包括确定(4，14，24)分配给第一角色(1)的第一传感器节点(A)的在阈值以下的操作条件以及将该第一角色重新分配(5，19，29)给所述网络中的另一第二节点(Q)。在本发明的其他方面中，描述一种方法、用于实现该方法的系统和计算机程序。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于提高和维护包括多个无线设备节点的无线通信网络的网络寿命的方法。具体而言，本发明涉及一种用于监控网络的方法，该方法包括以能量高效方式分配无线网络中的角色并且可以包括分配角色以提高网络功能；并且涉及被布置有用于实现该方法的硬件和软件设备的无线设备。该方法在用来维护工业控制系统的或者具有过程控制系统的无线传感器网络的网络寿命时特别有利。

背景技术

制造业中的工业控制系统、过程控制系统、分布式控制系统等经常包括硬接线数据网络和无线数据网络。制造业可以包括诸如造纸、制药、食品生产、石油和天然气开采、生产、加工等产业分支。无线传感器网络用来在无线现场设备(比如传感器)与工业控制系统之间传送测量和一些控制数据。无线传感器最常由电池供电。

电池供电的无线传感器的服务寿命依赖于功率使用。无线传感器网络的服务寿命因此也依赖于各个无线传感器的功率使用。无线传感器的无线电接收器/发射器通常在发送传输之时消耗最多功率并且在监听传输之时消耗功率而在不活跃状态期间几乎未消耗功率。为了方便，WSN中的无线传感器被配置成在也称为休眠状态的不活跃时段期间使用很少或者未使用能量，从而为用于监听信号和/或用于传输信号的有限数目的时段节省能量。

工业生产设备可以包含数以百计或者数以千计的微小电子器件，其能够感测环境、计算简单任务、相互通信并形成更大的无线网状传感器网络(WSN)。传感器收集的信息(例如温度、湿度等)经由直接邻居(网状网络)以多跳跃方式向控制系统传输。利用诸如自配置和自组织这样的方法，网络对由于耗尽电池能量所致的节点故障和断开节点做出反应。

由于节点的所需小尺寸以及强约束的电池容量，WSN中的一个主要要求是以高效方式分布网络服务。该要求的长期策略是将网络的寿命延长至最大。更具体而言，需要在相同的高可靠性和预期确定性时尽可能长久保持全部传感器网络服务。

WSN必须提供具有不同资源要求的多种分立服务。另外，不同服务也具有不同电池能量消耗，这意味着存在很高能量消耗的任务和较少能量消耗的任务。节点的位置也对这一能量消耗具有影响，而具有聚合功能的在网络中间的节点和许多邻居将无疑地比在边界仅有少数邻居的具有聚合角色的节点消耗更多的功率。一些功能在任何特定时间仅需由节点子集执行。这样的功能可以例如是聚合(需要聚合器服务)、群集路由(需要网关服务)、局部化(需要具有已知位置的参考节点)。最后，所需不同角色的数目可以根据应用而变化。定义这样的节点功能子集作为角色，并且执行角色的节点将被称为角色节点。

角色的能量需求针对不同角色显著地变化。通常，角色节点由于需要更复杂的计算和更高的通信工作而比其他传感器节点消耗不可比较地更多的能量。角色节点必须提供高可用性并且不能与其他节点一样长久且频繁地休眠。这使它们更容易遭受电池耗尽。角色节点的迅速耗尽很快地限制和阻止整个网络的操作和功能。

标题为Method and system for power-based control of an ad hocwireless communications network(用于自组织无线通信网络的基于功率的控制的方法和系统)并且转让给Nokia公司的专利申请US20090111532描述了一种用于实施具有多个设备的无线网络的方法、系统和程序代码，其中设备之一协调在设备之间的无线通信。该说明书在电池电平方面描述了节点条件并且目的在于协调设备以优化跨越网络的通信。相同标题、相同受让人的申请US20050059420也相对于节点功率电平描述了网络中的协调。

标题为Communication system，and communication device andcommunication method for use in the Communication system(通信系统、通信设备和在通信系统中使用的通信方法)、转让给Toshiba公司的专利US6901275描述了一种系统，其目的在于防止(网络)将通信集中于一个终端上、由此避免功率消耗增加并且由此在由多个设备形成网络时延长网络配置时间。然而网络寿命的考虑限于节点电池功率参数，并且网络结构限于单个主控具有多个从属的情形。

标题为Energy-driven cluster aggregation point re-election in awireless sensor network(无线传感器网络中能量驱动的集群聚合点重新选择)，转让给University College Dublin(都柏林大学)的WO2008/141719描述了一种包括被布置成相互无线通信的多个节点的传感器网络，节点中的至少一些节点被布置成作为用于网络的聚合点来操作，其中聚合点在网络的其他节点与网络外部之间传送数据。然而这里只考虑了数据聚合功能或者角色这一个功能或者角色，并且网络寿命有效延长限于仅基于节点电池功率。

标题为Enhancement of node connectivity in a wirelesscommunications network with changing topology via adaptive rolechanging(具有经由自适应角色改变的变化拓扑的无线通信网络中的节点连通性的增强)、转让给BAE Systems Information(BAE系统信息)的专利申请US20090141653描述了一种用于通过适应网络拓扑的改变来增强在无线通信网络的节点之间的连通性的过程和系统。网络的节点被配置成根据以下各项操作：(i)自组织协议，其中给定的节点承担能够与其他相似配置的节点连接的网状节点的角色，或者(ii)点到多点协议，其中给定的节点承担基站或者用户站的角色，该用户站由承担基站角色的另一节点服务。确定每个节点应当根据自组织协议还是点到多点协议来操作，以便维护网络的所有节点之间的最优连通状态。描述的角色仅为网状节点、基站等，因此它们限于网络性质。

然而无线网络的寿命也可以受除了节点电池的功率电平之外的因素影响。在一个或者多个无线节点的某些其他操作条件之一降至操作阈值以下从而形成这里描述为不良条件的条件时，比如误比特率(BER)、低存储器可用性、欠精确的位置、减少的可用带宽、不完整或者未成功完成的自测试、未验证的节点(在安全性方面)、不良位置、环境中的高EMI噪声、旧软件版本、不良连通性(太少邻近节点)、不良或者退化的天线方向，然后可能危及无线网络的维护。

一般存在在业内使用的许多不同无线协议。这包括专有协议、开放协议和具有在相同广播/接收区域中操作的不止一种协议类型的网络。这样的协议例如包括Bluetooth和ZigBee。在业内使用的无线标准的两个其他例子称为用于工业自动化应用中的无线感测的ISA100(也包括版本ISA 100.11a)以及WirelessHART。WirelessHART是被开发用于与用于在工业设备之间通信的更旧HART标准兼容的标准。

发明内容

本发明的目的是弥补上文提到的问题中的一个或者多个问题。这一以及其他目的通过以权利要求1为特征的方法来实现。

在本发明的第一方面中，公开一种用于维护无线网络，比如工业控制或者监视系统的无线传感器网络(WSN)，的网络寿命的方法，所述无线网络包括多个设备节点。

根据本发明的第一方面，描述一种用于维护无线通信系统的无线网络的网络寿命的方法，所述网络包括多个设备节点，其中选定的节点具有所述网络中的分配的角色，其中该方法包括确定分配给角色的第一节点的在阈值以下的操作条件，以及将该角色重新分配给所述网络中的另一第二节点。

根据本发明的一个实施例，描述一种用于维护无线通信系统的无线网络的网络寿命的方法，所述网络包括多个设备节点，其中选定的节点具有所述网络中的分配的角色，并且其中该方法包括确定分配给角色的第一节点的在阈值以下的操作条件，以及将该角色重新分配给所述网络中的另一第二节点，其中该方法还包括以下步骤：确定第二节点是操作条件未在阈值以下的候选节点，第二节点是来自候选节点列表的候选节点。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于维护无线通信系统的无线网络的网络寿命的方法，其中该方法包括确定分配给角色的第一节点的在阈值以下的操作条件，以及将该角色重新分配给所述网络中的另一第二节点，其中该方法还包括确定第二节点没有在阈值以下的操作条件并且节点接受该角色这样的步骤。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于维护无线通信系统的无线网络的网络寿命的方法，其中该方法包括确定分配给角色的第一节点的在阈值以下的操作条件，以及将该角色重新分配给所述网络中的另一第二节点，其中该方法还包括确定第二节点具有在阈值以下的操作条件并且第二节点向候选列表上的另一候选传递该角色。

根据本发明的又一实施例，描述一种用于维护无线通信系统的无线网络的网络寿命的方法，其中该方法包括确定分配给角色的第一节点的在阈值以下的操作条件，以及将该角色重新分配给所述网络中的另一第二节点，其中该方法还包括确定第二节点具有在阈值以下的操作条件并且从候选列表移除第二节点。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于维护无线通信系统的无线网络的网络寿命的方法，其中该方法包括确定分配给角色的第一节点的在阈值以下的操作条件，以及将该角色重新分配给所述网络中的另一第二节点，其中第一传感器节点确定或者检测自身的在阈值以下的操作条件并且利用释放请求向所述网络的网络协调器请求重新分配。

根据本发明的另一进一步实施例，描述一种用于维护无线通信系统的无线网络的网络寿命的方法，其中该方法包括确定分配给角色的第一节点的在阈值以下的操作条件，以及将该角色重新分配给所述网络中的另一第二节点，其中该方法还包括以下步骤：网络协调器根据至少一个预定准则搜索候选节点列表以发现操作条件未在阈值以下的节点或者具有更好操作条件的节点。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于维护无线通信系统的无线网络的网络寿命的方法，其中该方法包括确定分配给角色的第一节点的在阈值以下的操作条件，以及将该角色重新分配给所述网络中的另一第二节点，其中网络协调器在根据一个或者多个优化准则发现操作条件未在阈值以下的候选时，向该候选节点发送角色重新分配命令并且向第一节点发送角色释放命令。

根据本发明的另一进一步实施例，描述一种用于维护无线通信系统的无线网络的网络寿命的方法，其中该方法包括确定分配给角色的第一节点的在阈值以下的操作条件，以及将该角色重新分配给所述网络中的另一第二节点，其中所述方法还包括在网络的所有节点的存储器单元中存储候选节点的候选列表作为列表或者文件，或者仅在运行网络协调器功能的节点中存储候选列表。

本发明提供用于维护、提高并且在一些情况下延长无线网络、比如无线传感器网络的寿命的多种方式。具体而言，分配和重新分配在无线网络中提供网络服务的角色的方式和方法具有以下优点：

新解决方案在整个寿命内维护预期的网络功能；

利用提出的解决方案，将按照多达与节点数目除以角色节点数目之比成比例的因子增加网络寿命；

新解决方案以更高效方式利用网络资源，因此增加了网络的可靠性。

无线节点可能具体在设备节点的操作参数或者其他操作条件降至阈值以下时是不良条件的受体。不良条件在可用功率、例如电池功率已经降至预定电平以下时最常见，但是也可以或者代之以归因于另一操作条件的退化，比如误比特率(BER)、低存储器可用性、欠精确的位置、减少的可用带宽、不完整或者未成功完成的自测试、未验证的节点(在安全性方面)、不良位置、环境中的高EMI噪声、旧软件版本、不良连通性(太少邻居节点)、不良或者退化的天线方向等。如果或者当角色节点检测到不良条件时，它可以通过向候选节点传递角色来从角色释放本身。候选节点列表起初包含邻居节点。候选节点应当承担该角色，除非它本身具有不良条件。在它具有不良条件的情况下或者在确定该节点的操作条件已经降至预定阈值以下时，它应当：

i)向它的候选节点之一传递角色，

ii)从它自己的候选列表移除这一节点，

iii)它从其接收角色的节点应当是候选列表中的最后节点。

必须允许向如上文描述的从其接收角色的节点返回角色以避免角色陷入叶节点。然而，利用上文描述的过程，角色不会陷入循环，因为一旦已经传递角色(i)就从候选列表移除候选(ii)。

因此，通过以下操作来改进使用本发明的方法的无线网络，比如无线传感器网络：

·增加网络的寿命、随时间在许多节点上分散处理负荷；

·增加维护之间的间隔；

·增加网络的鲁棒性，因为整个功能将保持直至结束；

·减少对单节点故障的脆弱性，因为角色将被传递；

·自动实现角色分配从而造成更少人工配置。

这通过一种避免由于更集中方式所需的任何通信开销的方法和方案实现。在无线传感器设备之间的自动角色重新分配使得网络能够被维护更长时段而无电池更换。减少的能量使用的优点在具有数以百计或者数以千计的无线传感器的工业生产设备中特别明显。维修无线传感器设备通常意味着停止工厂的部分持续数周，从而在危险区域中实施严格安全例程并且部署熟练的工程师和技术人员以对各种设备定位和维修。避免或者减少维护停机大量地减少停机或者启动引起的问题并且提高生产率。

可选地，可以在网络协调器NC这一个中心节点上维护候选列表而不是每个节点维护候选列表。这一点的优点在于用最少的集中式功能使得候选节点的维护和更新更鲁棒。

无线传感器网络可以出于监视和控制目的而持久或者暂时连接到控制系统，并且其广泛使用于多个不同工业环境中，例如造纸过程、石油和天然气生产过程以及电功率生产过程。存在针对关于工厂设备、当前和历史过程数据、趋势等的信息的持续和一般增长的需求，以实现对过程、工业工厂和生产设施的控制的监控和控制。这一信息通常由控制系统提供并且通常是以一个或者多个分布式控制系统(DCS)和/或监控控制和数据采集(SCADA)系统的形式。控制系统又依赖于来自传感器、诸如阀等致动器的测量数据、温度测量、压强测量等的稳定和及时流。

在本发明的另一方面中，公开一种无线设备，该无线设备包括电路和存储器存储设备，其布置有计算机或者处理器和适当指令以用于实现将角色从无线网络中的一个节点重新分配给另一节点的方法。

在本发明的另一方面中，公开一种无线网络系统，该无线网络系统包括被布置用于在无线网络中使用的多个无线设备，其中每个无线设备节点布置有电路和存储器存储设备，存储器存储设备布置有适当指令，这些指令用于实现将角色从无线网络中的一个节点重新分配给另一节点的方法。

在本发明的另一方面中公开一种计算机程序和在计算机可读介质、比如计算机程序产品上记录的计算机程序。

附图说明

在与以下附图结合时通过参照下文具体描述可以更完整理解本发明的方法和系统：

图1示出根据本发明的第一方面的用于分配无线网络中的角色的方法的示意流程图；

图2示出用于图1的根据本发明的方法的示意流程图，并且具体而言，其中网络协调器执行用于实现本发明的方法步骤；

图3也示出用于图1的根据本发明的方法的示意流程图，其中网络协调器执行用于图1的根据本发明的方法的更多方法步骤；以及

图4示出简单无线网络的示意框图，在该无线网络中应用图1的根据本发明的方法。

具体实施方式

现在下文将参照其中示出本发明的某些实施例的附图更完整描述本发明。贯穿说明书，相似标号指代相似单元。

图1示出流程图，该流程图概括在根据本发明的第一方面的用于无线传感器网络中的多个设备节点的方法中的步骤。该图示出在网络的无线设备节点中发生的过程，无线设备节点比如在图4中示意地示出的无线节点A或者Q。进行以下假设：a)传感器节点能够检测各种不良条件(例如传感器电池降至定义电平以下或者传感器节点无线通信错误率超过定义值)；以及b)传感器节点可以直接或者经由邻居跳跃来通信。

可以在具体或者一般情形中视为不良条件的示例参数是：

a)低电池(或者在蓄电池、凝结器、电容器中的低电平)

b)很少带宽(可能因为区域中的许多节点活跃)

c)高误比特率(BER)

d)欠精确的位置

e)不完整或者未成功完成的自测试(可能归因于硬件错误)

f)不安全或者未验证的节点(在安全性方面，可能未被正确标识)

g)低存储器可用性

h)旧软件版本

i)环境中的高EMI噪声

j)不良连通性(太少邻居节点)

k)不良或者退化的天线方向(如果适用)

l)现场中的不良位置(可能接近边界，但是这有时也可能是优点)

m)低功率供应电平，比如在由本地功率源、比如燃料电池、太阳能电池；风或者波浪涡轮，或者来自换气功率源、比如感应功率换气的功率；来自热磁到电能转换单元或者TME发电机的功率；来自将动态运动或者振动转换成电荷/电流的换能器的功率，利用细菌的生物电池；热功率供电时。

在分配角色以避免某些不良条件、比如上述条件i-l或者m时，继而以更能量高效方式实现网络通信。因此，在不良条件j下，在网络的该区域中的节点通过太多次重发来消耗过量功率，从而将该角色重新分配给具有足够邻居的节点提高了网络的该部分的能量效率。以这一方式，改善网络功能。此外，这还用于简化将角色从具有不良条件(比如低电池)的一个节点重新分配给具有可接受电池电平的下一节点。

某些不良条件，比如基于误比特率BER的参数，可以用如下方式表达，比如1/BER，该方式使得不良条件在表达的绝对值升至预定水平以上时出现。因此，如这里所用表达落在“阈值以下的操作条件”覆盖操作条件退化的情况，即使确定涉及到的参数的绝对值已经升至预定值以上。

如果或者当角色节点，比如A、B或者C，检测到由于操作条件或者参数降至阈值以下所致的不良条件时，它可以通过向候选节点传递角色而将自身从该角色中释放。角色的重新分配以基本上随机方式发生。候选节点列表(图4中所示CL，见下文)起初包含节点。候选节点列表可以由网络协调器NC维护或者在每个节点上被维护并且存储于处理器中。在每个无线节点上维护候选列表的情况下，候选列表可以是仅与无线节点邻近的节点的列表；或者它可以是具有网络中的一组或者多组节点的列表；或者它可以是网络中的所有节点的列表。候选节点除非它本身具有不良条件否则应当承担该角色。在它已经具有不良条件的情况或者它随后进入不良条件的情况下，它应当检查、然后根据它是否具有不良条件(例如低电池或者超过预设值的高错误率)来动作。

图1示出用于实现根据本发明的第一方法的流程图。在一个实施例的这一示例描述中执行图1中的以下步骤：

4具有角色1(1-3)的传感器节点A针对自身检测不良条件；

5传感器节点A在应当具有更好条件的候选节点的列表上选择(邻居)候选节点Q作为下一节点；

6传感器节点Q从节点A接收角色分配请求并且检查以查看它是否具有不良条件；

如果不是，则：

7节点Q承担角色1，以及

如果是，则：

8节点Q向候选列表上的另一候选传递角色1，并且

9节点Q从候选列表中移除自身并且优选地也移除节点A。

必须允许向如上文描述的从其接收角色的节点返回角色，以避免角色变成陷入叶节点。然而利用上文描述的过程，角色不会进入循环，因为一旦已经传递角色就从候选列表移除不适合的候选。这一方法具有的优点在于它是一种用于重新分配角色的自动方式以及一种在网络建立期间需要非常小配置的方式。尽管性质简单，但是该方法通过随时间在许多节点之上分散网络处理负荷来增加网络的寿命。它也增加了维护间隔的长度。它还增加网络的鲁棒性，因为整个功能将被保持直至网络停止工作的点，并且它提供减少的对单节点故障的脆弱性，因为角色被传递。

在无线传感器网络中的无线节点被布置有某种传感器。无线节点可以是以无线仪器或者无线换能器的形式；它也可以是以无线适配器连接到的传感器这一形式。如上文描述的那样，传感器在工业生产设备中用来监视或者感测温度、压强并且向控制系统传递参数值。可以在装置或者过程中直接应用感测。感测也可以应用于装置或者过程的环境中并且测量温度、振动、检测在感兴趣的装置或者过程的环境中的气体或者感兴趣的其他参数。

这一简单和基本上随机的方法实现无线网络内的角色分配，同时避免更集中方式将需要的任何通信开销。然而未协调角色节点分配，因此更少保证最优布局或者最优分布。为了更优分布，需要考虑不同节点的条件。

也可以部分地使用网络协调器来执行角色分配或者重新分配。网络协调器(NC)可以知道不同节点的条件(其必须向NC传送)以便发现最优分布。NC然后将分配和释放角色(也利用关联的通信)。图4是示出无线网络20的示意图，该无线网络具有网络拓扑的简单例子。无线网络具有多个无线节点A、B、C，这些无线节点中的每个无线节点具有分配给它的角色(1，2，3)。该图也示出无线网络中的未被分配角色的多个其他无线节点Q、N’。根据另一实施例，具有角色的节点，比如具有角色1的节点A，可以用优化的方式将该角色重新分配给网络中的另一节点。进行以下附加假设：a)这适用于具有实体、比如网络协调器(NC)或者相似实体的网络；NC监控网络，以及b)传感器节点可以直接或者经由邻居跳跃与NC通信并且反之亦然。

在这一实施例中，网络协调器NC应用或者功能实现一种用于为角色发现更好候选的过程。网络协调器是实现网络中的监管的功能或者应用。这一功能可以由另一节点、由网关、接入点或者其他设备实现。

本发明可以应用于维护、提高和/或延长无线网络的寿命，在该无线网络中，节点具有用于许多终端用户的角色，该无线网络包括在家中的无线网络、移动无线网络和在公共空间或者商业大楼中的无线网络或者包括站点。本发明在用工业WSN实现时通常具有可预测的通信模式，该通信模式具有大部分确定性的传输、具有根据预定任务和已知过程操作的无线传感器以及预期的数据收集/报告。工业WSN也可以经历在某些节点中的数据收集和发送活动‘热点’，例如在诸如漏气的事件出现时或者例如在特定时间区间期间在某个区域中生成增加数目的异常报告时生成特定报警时。这也可以在向无线节点分配角色的其他应用或者无线网络中发生。例如在监视区域的市政安全应用中或者在市政用途中，比如出于农业目的而监视土地地区，其中无线传感器分布于土地地区以收集例如与用于种植作物等的条件有关的天气现象或者测量。类似地，在本发明应用于出于军用目的而收集土地地区中的温度、压强、振动读数等时，某些活动热点可能出现。通信强度和/或网络部分中的改变可以通过分配或者重新分配角色来处理，比如用于数据收集的角色，以提高或者延长无线网络的寿命。

如果针对角色节点检测到不良条件，则意味着设备节点的操作条件或者参数已经降至预定阈值以下，并且在网络中的具有更好条件的、这里称为候选节点的其他传感器节点存在时，该角色被重新分配给候选节点。通过使用适当优化准则来确定在所有候选节点之中的选择。角色重新分配可以是分布式的(由节点启动)或者集中的(由NC或者等效实体启动)。先描述分布式角色重新分配。在该实施例的示例描述中，执行图2中的以下步骤：

14.具有角色(角色1至3)之一的传感器节点，例如具有角色1的传感器节点A(图4中所示)，检测自身的不良条件；

15.节点A向网络协调器NC发送角色释放请求RR；

16.NC通过检查候选列表(CL)来搜索具有更好条件的所有候选节点；

17.NC发现具有更好条件的候选节点、例如节点Q；

18.NC向候选节点Q发送角色重新分配命令；

19.NC向角色节点A发送角色释放确认RC；

20.角色节点A停止执行角色1并且不再是角色节点；

21.候选节点Q变成具有角色1的角色节点Q。

在一个可选发展中，该过程可以包括附加的接受(确认)消息或者用于确认接受角色的消息，比如在上述步骤18与19之间的一个或者多个额外步骤，从而以更安全方式完成角色改变。在一些网络中可以优选的是在释放当前具有角色的节点之前肯定地确认接受新分配的角色。在该方法的另一变体中，可以可选地在有或者无接受消息(确认)的情况下在步骤18之前执行步骤19。

上述方法的优点在于集中式过程执行角色的重新分配，但是它基于分布式触发机制。可以基于预定准则进行重新分配并且以针对网络寿命或者针对另一无线网络方面的方式优化重新分配。由于网络协调者集中保持准则，所以可以用针对作为整体的无线网络的最小重配置并且在未重新配置无线节点时集中实现这些准则的适配和升级。

根据另一实施例，可以用另一进一步的优化的方式将角色(例如节点A的角色1)重新分配给网络中的另一节点，在该方式中，网络协调器启动重新分配。在这一方法中，网络协调器检测或者确定具有角色的节点(例如具有角色1的节点A)具有不良条件，或者节点A出于另一原因而不应继续执行角色1。角色重新分配可以被集中分布、由NC或者等效或者相似功能启动。

根据该实施例的示例描述，执行图3中的以下步骤：

24.NC检测或者以其他方式确定角色节点之一的不良条件，例如具有角色1的节点A；

26.NC搜寻具有更好条件的候选节点以将角色重新分配给其；

27.NC发现具有更好条件的候选节点Q；

28.NC向角色节点A发送释放命令和/或释放确认RC；

29.NC向候选节点Q发送重新分配命令；

30.角色节点A停止角色执行并且不再是角色节点；

31.候选节点Q变成具有角色1的角色节点Q。

与关于图2描述的方法相似，该过程的可选发展可以包括附加的接受(确认)消息或者用于确认接受角色的消息，例如在上述步骤28与29之间的一个或者多个额外步骤，从而以更安全方式完成角色改变。

这一方法的优点在于集中执行整个重新分配过程并且节点未承担处理负荷。因此，在使用这一方法时未显著增加通常由电池供电的、仅具有有限数量的能量的传感器节点上的能量需求。网络协调器功能也可以优选地由具有基本上无限功率供应、由电网供电或者由线路供电的设备来实现，比如网关、接入点或者其他设备。此外，可以集中实现用于不良条件或者用于从第一节点重新分配角色的任何其他原因的准则配置，从而无需用于所有无线节点的重新配置或者软件更新。

无线传感器网络也可以连接到无线LAN的节点或者接入点或者网关和/或可以是运行适合于工业环境的任何无线电协议的另一种无线节点，无线电协议诸如蓝牙特别兴趣组(SIG)发布的任何标准、IEEE-802.11的任何变体、WiFi、超宽带(UWB)、ZigBee或者IEEE-802.15.4、IEEE-802.13或者等效或者相似协议。可以使用在ISM频带中、例如在来自ABB的称为用于传感器和致动器的无线接口(Wisa)的协议中使用的无线电技术。

如上文参照图1-3和在本说明书中其他地方描述的分配和重新分配无线网络中的角色的方法可以由包括计算机程序单元或者软件代码的计算机应用实现，该计算机程序单元或者软件代码在被加载到处理器或者计算机中时使得计算机或者处理器实现方法步骤。处理不良条件的确定和将角色从一个节点重新分配给另一节点的功能可以通过处理数字功能、算法和/或计算机程序和/或由模拟部件或者模拟电路或者由数字和模拟功能的组合来实现。功能可以由标准处理器或者微处理器或者微控制器或者由硬件或者可配置硬件，比如现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或者专用集成电路(ASIC)来实现。该或者每个处理器可以具有存储器存储单元或者可以连接到另一单元的存储器存储单元，比如过程系统控制单元或者PLC(可编程逻辑控制器)或者其其他系统部分的存储器存储单元。

计算机程序包括计算机程序代码单元或者软件代码部分，这些计算机程序代码单元或者软件代码部分使计算机使用先前描述的算法和/或方程、数据、存储的值、预定值和计算来执行向节点分配和重新分配角色的方法。部分程序可以存储在如上文描述的处理器中、但是也可以在ROM、RAM、PROM、EPROM或者EEPROM芯片或者相似存储器装置中。程序也可以部分或者全部存储于其他适当计算机可读介质中，比如磁盘、比如CD(紧致盘)或者DVD(数字多功能盘)、硬盘、光磁存储器存储装置上或者中、易失性存储器中、闪存中、存储为固件、存储于数据服务器上或者一个或者多个数据服务器阵列上。也可以使用其他已知和适当介质，这些介质包括可拆卸存储器介质、比如USB记忆棒和其他可拆卸闪存、硬驱等。

应当注意，尽管上文描述本发明的示例实施例，但是存在对这里描述的重新分配角色的方法的若干变体和修改，尤其是对确定何时应当重新分配角色的方式的若干变化和修改，可以对公开的解决方案进行这些变化和修改而未脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围。

实施例逐项目列举

1.一种用于维护无线通信系统的无线网络(20)的网络寿命的方法，所述网络包括多个无线设备节点(A-C，Q，N’)，其中选定的节点(A，B，C)具有所述网络中的分配的角色(1，2，3，GW)，其特征在于确定(4，14，24)分配给角色(1)的第一无线设备节点(A)的在阈值以下的操作条件，以及将所述角色重新分配(5，18，28)给所述网络中的另一第二无线节点(Q)。

2.根据项目1所述的方法，其特征在于从候选节点(Q，N’)列表(CL)确定(6)所述第二无线节点是操作条件未在阈值以下的候选。

3.根据项目2所述的方法，其特征在于将所述角色(1)重新分配给第二无线节点(Q)并且从所述第二无线节点(Q)保持的至少一个候选列表中移除所述第一无线节点A。

4.根据项目2或者3所述的方法，其特征在于确定(7)所述第二无线节点(Q)没有在阈值以下的操作条件并且所述无线节点(Q)接受所述角色(1)。

5.根据项目2所述的方法，其特征在于确定所述第二无线节点(Q)具有在阈值以下的操作条件并且无线节点(Q)向所述列表上的另一候选传递(8)所述角色。

6.根据项目2或者3所述的方法，其特征在于确定第二节点(Q)具有在阈值以下的操作条件并且从所述候选列表移除(9)第二无线节点Q。

7.根据项目1所述的方法，其特征在于所述第一无线设备(A)确定或者检测自身的在阈值以下的操作条件，并且利用释放请求(RR)向所述网络的网络协调器(NC)请求(15)重新分配。

8.根据项目6所述的方法，其特征在于所述网络协调器(NC)搜索(16，26)所述候选节点(N’，Q)列表(CL)，以根据至少一个预定准则发现操作条件未在阈值以下的无线节点或者具有更好操作条件的无线节点。

9.根据项目6所述的方法，其特征在于所述网络协调器(NC)在发现操作条件未在阈值以下的候选(Q)时向所述候选无线节点(Q)发送角色重新分配(18，28)命令，并且向所述第一无线设备节点(A)发送角色释放(19，29)确认(RC)。

10.根据项目1所述的方法，其特征在于所述网络的网络协调器(NC)确定具有所述角色(1)的所述第一无线节点(A)的在阈值以下的操作条件(24)并且将所述角色(1)重新分配(18，28)给所述网络中的另一无线节点(Q，N’)。

11.根据项目9所述的方法，其特征在于所述网络协调器(NC)在根据一个或者多个优化准则发现操作条件未在阈值以下的候选(Q)时向所述无线候选节点(Q)发送角色重新分配(18，28)命令并且向所述第一无线设备节点(A)发送角色释放(19，29)命令。

12.根据项目1所述的方法，其特征在于在网络节点(A-C，Q，N’，NC)的存储器存储单元中维护所述候选节点列表(CL)作为列表或者文件。

13.一种被布置用于无线通信系统的无线网络(20)中的无线通信的无线设备，其被布置用于维护所述无线网络的网络寿命，所述无线网络包括多个无线设备节点(A-C，Q，N’)，其中选定的无线节点(A，B，C)具有所述网络中的分配的角色(1，2，3，GW)，其特征在于所述无线设备包括电路和布置有用于执行方法的适当指令的存储器存储设备，所述方法确定(4，14，24)分配给角色(1)的第一无线设备(A)的在阈值以下的操作条件，以及将所述角色重新分配(5，18，28)给所述网络中的另一第二无线节点(Q)。

14.根据项目13所述的设备，其特征在于所述无线设备被配置成与来自无线HART、ISA100、Bluetooth、ZigBee的组中的任何标准或者协议兼容。

15.根据项目13所述的设备，其特征在于所述无线设备被布置成至少部分由能量存储单元供电，所述能量存储单元包括来自电池、蓄电池、电容器、凝结器、动态运动或者振动到电能换能器、温度差热磁电转换发电机、太阳能电池、利用细菌的生物电池、风或者水动发电机的组中的任何能量存储单元。

16.根据项目13所述的设备，其特征在于所述无线设备被布置有至少一个处理器和存储器存储设备。

17.根据项目13所述的设备，其特征在于所述无线设备被布置为配备有至少一个换能器的无线传感器节点，所述至少一个换能器用于感测或者测量来自设备、过程、在设备或者过程附近的环境条件的组中的任一项的条件。

18.一种将根据项目13所述的无线设备用于在工业控制系统或者过程控制系统的无线传感器网络中连接的无线设备之间传送数据的用途。

19.一种计算机程序，包括用于使计算机或者处理器执行根据项目1-12中的任一项目所述的方法的步骤的软件代码部分或者计算机代码。

20.一种具有在计算机可用介质上存储的软件代码部分或者计算机代码的计算机程序产品，包括用于使计算机执行根据项目1-12中的任一项目所述的方法的步骤的计算机可读程序装置。

21.一种工业控制系统的无线传感器网络(WSN)系统，包括被布置用于维护无线网络的网络寿命的多个无线设备节点，，其中选定的无线节点(A，B，C)具有所述网络中的分配的角色(1，2，3，GW)，其特征在于一个或者多个无线设备节点包括电路和布置有用于执行方法的适当指令的存储器存储设备，所述方法确定(4，14，24)分配给角色(1)的第一无线节点(A)的在阈值以下的操作条件，以及将所述角色重新分配(5，18，28)给所述网络中的另一第二无线节点(Q)。

22.根据项目21所述的系统，其特征在于在任一时间至少一个无线设备已经被分配网络协调器(NC)的角色，并且针对来自候选无线节点(Q，N’)列表(CL)的、操作条件未在阈值以下的所有无线节点维护候选列表(CL)，并且执行网关的功能。

23.根据项目21所述的系统，其特征在于在多个无线设备节点(A-C，Q，N’)处，每个无线设备节点针对操作条件未在阈值以下的无线节点维护其自己的候选列表(CL)。