無線傳感網的組網方法
2023-07-11 18:56:26
專利名稱：無線傳感網的組網方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感技術，尤其涉及一種無線傳感網的組網方法。
背景技術：
傳感器是一種能感受規定的被測量件並按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，無線傳感網(Wireless Sensor Network, WSN)是由眾多的傳感器通過無線通信的方式，相互聯繫，處理、傳遞信息的網絡。該網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，可以實時監測、感知和採集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，並對這些信息進行處理，傳送給所需用戶。無線傳感網在軍事、工業控制、交通、安全、醫療、野外勘探、環境監測、家庭和辦公環境等很多方面都有著廣泛的應用。無線傳感網是一種的新興的網絡，它由多個單個傳感器節點組成，各節點通過傳感或控制參數來實現與外部環境的交互。無線傳感網的一個典型特徵是在一個很小的區域裡部署著很多節點，為了保證一個區域的覆蓋率足夠高或者使網絡中有冗餘來防止節點失效。雖然這些都是密集型網絡部署的優點，但是它也存在著以下缺點:在一個相對擁擠的網絡中，由於鄰居節點數目眾多，節點之間容易互相干擾，各種可能的路由方式太多，節點可能會使用較大的功率來與遠處的節點直接通信，限制了無線帶寬的重新使用，因此在很多節點密集分布的網絡中，節點之間都在彼此的通信範圍內，在網絡初始化階段，很容易因為衝突碰撞而產生的數據包丟失並導致網絡的組成需要耗費相當長的一段時間，同時形成的網絡拓撲結構也極不穩定，在通信過程中也會因此而導致數據傳輸的中斷及網絡的重組，額外消耗了大量的能量。針對以上問題，我們需要一種有效的組網方法針對這種幹擾性極強的網絡在網絡的初始階段能夠快速組網並調度好時隙的分配，以保證整個網絡數據傳輸的可靠性和有效性。一個網絡的組成涉及到了網絡的拓撲控制和時隙調度兩個方面。而網絡拓撲控制協議和媒體訪問控制協議(Media Access Control, MAC)也一直是無線傳感網的研究熱點。網絡拓撲控制協議能夠優化路由協議和MAC協議的效率，使之緊密的結合，為數據融合、時間同步和目標定位等很多方面提供基礎，有利於延長整個網絡的生存時間，對網絡性能的影響很大。MAC協議決定了無線信道的使用方式，構建了無線傳感網的底層基礎結構，在傳感器節點之間分配有限的無線通信資源，使得不同節點能夠合理的使用這些資源。無線傳感網中單個節點的作用是微弱的，傳感器網絡的強大功能是由眾多節點協作分工實現的，多個節點之間的通信需要各種協議在局部範圍內協調各個節點之間的資源分配，充分利用有限的通信資源來共同完成一定的任務。無線傳感網拓撲控制主要的研究目的是如何在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，功率控制和骨幹網節點選擇，剔除節點之間不必要的通信鏈路，形成一個數據轉發的優化網絡結構。在節點發射功率不變的情況下，主要考慮層次型拓撲結構組織，它利用分簇機制讓一些節點成為簇頭節點，由簇頭節點形成一個處理並轉發數據的骨幹網，也就是簇，其他非簇頭節點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態以節省能量。目前主要的層次型拓撲控制方法有TopDisc成簇算法、LEACH自組織成簇算法和GAF虛擬地理網格分簇算法等，但是這些算法考慮的往往不夠全面，只是針對網絡拓撲的某一方面進行了優化設計。隨著無線傳感網技術的發展，拓撲控制的研究分類已經沒有那麼嚴格，往往是與其他各種方式相結合，並引入啟發性、數據捎帶等機制，以達到節省能量和拓撲快速形成的目的。尤其是與MAC協議的結合能夠讓節點在前期組網過程中直接進行時隙的調度，在網絡拓撲形成的同時也確定了其分配到的時隙。目前的MAC協議主要分為固定配置協議以及隨機接入協議。在固定配置協議中，可用的資源在節點間長期配置，使得每個節點可以獨立使用這些資源，沒有碰撞的風險，典型的協議包括TDMA、FDMA、CDMA等。對於注重傳輸質量的網絡而言，這種協議能夠滿足Qos要求，協議將固定的時隙或者信道分配給固定的節點，這樣避免了在同一時隙或者同一信道上產生數據碰撞，但是這種協議單獨的使用除了對網絡的時鐘同步要求較高外，還對網絡穩定性有著很高的要求，而且當節點過於密集時，一個簇頭節點下面掛載的簇成員節點過多會導致整個超幀的時隙過多，由此大大增加了每個節點上傳數據的時間延遲；而在隨機接入協議中，節點是非協同工作的，且協議是以完全分布式的方式執行的，但是使用這種MAC協議容易發生數據碰撞，從而產生隱終端和顯終端的問題，數據的碰撞重傳也導致了能量的浪費。而目前已有的ZigBee(紫蜂技術)的MAC協議採用了將 CSMA(Carrier Sense Multiple Access,載波偵聽多路訪問)與 TDMA(Time DivisionMultiple Access，時分多址)相結合的方式來進行數據的傳輸，在非節點密集的網絡中，一定程度上兼顧了網絡的吞吐量和能量、延遲等特性，但在高密度的傳感器網絡中，僅僅將CSMA與TDMA相結合還是不夠的，若不採用多信道機制，每個簇頭節點下面掛載的簇成員節點數量太多，不僅前期組網的CSMA階段容易產生數據碰撞，時隙太多還會導致同步時鐘的漂移以及較長的通信延遲。
發明內容
本發明的目的在於提供一種無線傳感網的組網方法，用於解決密集分布的大量傳感器節點在網絡初始化階段組網時發生的碰撞及相關的時隙分配等問題。為解決上述問題及其他問題，本發明提供一種適用於傳感器節點密集分布的無線傳感網的組網方法，包括:簇頭節點及其全局通信時隙的確定:網絡以信標模式工作，採用超幀結構組織數據的接收和發送；匯聚節點首先以廣播全局信標幀來進行全網同步，然後根據請求節點的剩餘能量確定簇頭節點，並根據接收到的請求順序為每一個簇頭節點依次分配全局通信時隙及其簇內通信子信道；簇成員節點及其簇內通信時隙的確定:在確定簇頭節點後，各個所述簇頭節點廣播自身的子信道信息和空閒時隙情況；未成為簇頭節點的普通節點偵聽所有簇頭節點的廣播信息，選擇接收信號強度最強的廣播信息所對應的簇頭節點，並向那一個所述簇頭節點發送請求幀以請求入簇，所述簇頭節點最先接收到請求後確定簇成員節點，並根據接收到的請求順序為每個簇成員節點分配簇內通信時隙；在某一個所述普通節點競爭入簇失敗後，繼續在下一周期偵聽全局通信頻段，重新選擇其他的簇頭節點競爭入簇；當簇建立完成且網絡穩定後，所有簇頭節點在全局通信時段非自身通信時隙進入休眠狀態，所有簇成員節點在全局通信時段及簇內通信時段的非自身通信時隙時進入休眠狀態。可選地，所述無線傳感網的組網方法還包括:建立簇後，若匯聚節點連續多次未收到簇頭節點的廣播信息，則認為簇頭節點失效；簇頭節點失效後，匯聚節點重新發起簇頭節點的選舉，未成為簇頭節點的普通節點未入簇的普通節點重新開始競爭成為簇頭節點，即，在新的周期內偵聽全局通信頻段，接收到匯聚節點的全局信標幀後，以CSMA的方式在空閒時段發起請求以競爭成為簇頭節點，發起CSMA的時段在簇內通信時段，發起的信道在全局通信頻段；當新的簇頭確定後，重新建立自己的新簇。可選地，在簇頭節點失效後，未入簇的普通節點重新開始競爭成為簇頭節點，包括如下步驟:在網絡穩定後，簇頭節點在全局通信時段依次按照自身分配的時隙廣播數據幀，若匯聚節點在連續多個周期未收到某個簇頭節點的廣播數據幀，則認為此簇頭節點失效；若簇頭節點由於自身能量不足也可以在廣播數據幀中和簇內信標幀中主動添加請求失效信息；當匯聚節點和簇成員節點分別得知所述信息後，由匯聚節點重新發起組網命令，簇成員節點變成普通節點，偵聽全局信道中匯聚節點的全局信標幀，重新選舉出一個新的簇頭節點，其餘普通節點則請求重新入簇。可選地，當簇成員節點失效時,簇頭節點將之前分配給失效的所述簇成員節點的時隙收回，並在下一周期的簇內信標幀中將所述時隙定為空時隙。可選地，選擇簇頭節點並為其分配全局通信時隙以及簇內通信子信道，包括如下步驟:匯聚節點啟動後的第一個時隙在全局通信頻段內周期性的廣播全局信標幀，所述全局信標幀中包含有同步信息、匯聚節點轄屬的簇頭節點數及其對應的子信道和通信時隙，其中，網絡中允許的最大簇頭節點數目N、每個子信道頻率f 以及一個周期所包含的通信時隙數目T是預先設定的，所述通信時隙包括已被佔用的通信時隙和空閒的通信時隙；除匯聚節點之外，所有的其他節點第一次醒來後偵聽信道，若接收到所述匯聚節點的全局信標幀，根據所述全局信標幀內的信息判斷網絡中的簇頭節點數是否達到了最大簇頭節點數；若判斷得到網絡中的簇頭節點數達到了最大簇頭節點數，則節點以目前的同步算法做同步處理，然後繼續偵聽；若判斷得到網絡中的簇頭節點數還未達到最大簇頭節點數，則在空閒時段以CSMA的方式發送請求幀以競爭成為簇頭節點，所述請求幀中包含節點的剩餘能量；匯聚節點接收到所述請求幀並 記錄，查看目前已確定的簇頭節點數目n是否達到最大簇頭節點數目N，並在得到目前已確定的簇頭節點數目n沒有達到最大簇頭節點數目N的情況下，從中選擇剩餘能量最多的(N-n)個節點作為簇頭節點並按照接收順序為其分配(N-n)個全局通信時隙以及子信道，並在下一周期廣播的全局信標幀中包含此信息。可選地，所述無線傳感網的組網方法還包括:節點在發出成為簇頭節點的請求後，在下一周期中偵聽到的全局信標幀中，若發現沒有包含自己成為簇頭節點的信息，則表示競爭簇頭節點失敗；節點再根據全局信標幀中的信息判斷簇頭節點數目是否已達到最大簇頭節點數，若判斷得到目前已確定的簇頭節點數目n已達到最大簇頭節點數目N，則放棄競爭，繼續偵聽信道，準備在簇內通信時段請求入簇；若判斷得到目前已確定的簇頭節點數目n沒有達到最大簇頭節點數目N，則繼續在所述周期內以CSMA的方式發送請求幀以競爭成為簇頭節點。可選地，確定每個簇的簇成員節點並為其分配簇內通信時隙，包括如下步驟:簇頭節點在匯聚節點廣播全局信標幀後，在其分配到的全局通信時隙內廣播包含額外信息的數據幀，其中額外信息包括本簇的簇內通信時段以及通信子信道；競爭簇頭節點失敗的普通節點接收到簇內信標幀後，選擇接收到信號強度最強的簇頭節點作為自己的簇頭節點，並以CSMA的方式發起競爭入簇的請求；簇頭節點接收到普通節點的入簇請求後,根據接收請求的順序，依次將簇內通信時隙分配給簇成員節點，並在下一周期廣播簇內信標幀時加入組播應答信號信息，若簇內通信時隙已經分配完畢，則在組播信息告知請求節點所述簇頭節點轄屬的簇成員節點已滿員；若普通節點在發出入簇請求後，在下一周期繼續偵聽簇內信標幀，分析所述簇內信標幀中的組播應答信號信息，若得知請求簇成員節點成功，則按照分配到的時隙上傳分組；若請求簇成員節點失敗，查看簇頭節點的時隙數是否已分配完畢，若分配完畢，則在下一周期全局通信階段變頻到主信道偵聽匯聚節點的全局信標幀，從中選擇還有空閒時隙的簇頭，並在空閒時隙內以CSMA的方式繼續請求入簇；若所有簇頭節點的時隙都已分配完畢，則所述普通節點不再發出入簇請求，而是在每個全局通信時段保持偵聽匯聚節點的全局信標幀，直到發現有空閒時隙的簇頭節點並隨後發起入簇請求。本發明提供的無線傳感網的組網方法，利用CSMA、TDMA與多信道技術相結合的方式依序完成簇頭節點及其全局通信時隙的確定和每一個簇中各個簇成員節點及其簇內通信時隙的確定，減少了每一個簇的形成時間，從而實現快速組網，並保證簇成員節點在固定的不同時隙上傳數據，不會發生簇內的數據碰撞；而多信道技術的應用使得多個簇可以在同一時段內在不同的子信道上通信，互不幹擾，減少了全網組網的時間以及每個簇數據傳輸的延時。
圖1為本發明無線傳感網的組網方法在一個實施方式中的流程示意圖。圖2a至2d為本發明網絡從初始化到組網的變化示意圖。
具體實施例方式本發明的發明人發現:在現有的無線傳感網絡中，由於需要組網的傳感器節點是密集分布的，節點數目眾多，節點之間容易互相干擾，在網絡初始化階段，很容易因為衝突碰撞而產生的數據包丟失並導致網絡的組成需要耗費相當長的一段時間，同時形成的網絡拓撲結構也極不穩定，在通信過程中也會因此而導致數據傳輸的中斷及網絡的重組，額外消耗了大量的能量。因此，本發明提出了一種基於時隙CSMA、TDMA與多信道技術相結合的無線傳感網的組網方法，從而解決密集分部的大量節點在網絡初始化階段組網時發生的碰撞及相關的時隙分配問題。下面結合圖示更完整的描述本發明，本發明提供的優選實施例，但不應被認為僅限於在此闡述的實施例中。參考圖是本發明的示意圖，圖中的表示只是示意性質的，不應該被認為限制本發明的範圍。圖1為本發明無線傳感網的組網方法在一個實施方式中的流程示意圖。如圖1所示，所述組網方法適用於傳感器節點密集分布的無線傳感網中，無線傳感網可以應用於例如智能家居、環境監控、工業控制、野外勘探、軍事偵察等多種場景中。以下結合圖1對上述組網方法進行詳細描述。需說明的是，在本實方式中，假定無線傳感網是以信標(beacon)模式工作，並採用超幀結構組織數據的接收和發送。首先，確定匯聚(Sink)節點(在以下描述中，以Sink節點作為匯聚節點的簡稱)轄屬的簇頭節點及其數目。傳感網中允許的最大簇頭節點數目N、每個子信道頻率f以及一個周期所包含的通信時隙數目T是預先設定的，所述通信時隙包括已被佔用的通信時隙和空閒的通信時隙。現假設網絡中允許的最大簇頭節點數目為6 (即N = 6)，並確定一個超幀為20時隙，這樣，一個簇頭節點最多掛載12(20-1-6-1 = 12)個普通節點。第I個周期:(1-1)、上電後，Sink節點在第一個時隙開始發出用於全網同步的全局信標幀。在本實施方式中，全局信標幀的結構如下表所示:
權利要求
1.一種適用於傳感器節點密集分布的無線傳感網的組網方法，其特徵在於，包括如下步驟: 簇頭節點及其全局通信時隙的確定:網絡以信標模式工作，採用超幀結構組織數據的接收和發送；匯聚節點首先以廣播全局信標幀來進行全網同步，然後根據請求節點的剩餘能量確定簇頭節點，並根據接收到的請求順序為每一個簇頭節點依次分配全局通信時隙及其簇內通信子信道； 簇成員節點及其簇內通信時隙的確定:在確定簇頭節點後，各個所述簇頭節點廣播自身的子信道信息和空閒時隙情況；未成為簇頭節點的普通節點偵聽所有簇頭節點的廣播信息，選擇接收信號強度最強的廣播信息所對應的簇頭節點，並向那一個所述簇頭節點發送請求幀以請求入簇，所述簇頭節點最先接收到請求後確定簇成員節點，並根據接收到的請求順序為每個簇成員節點分配簇內通信時隙；在某一個所述普通節點競爭入簇失敗後，繼續在下一周期偵聽全局通信頻段，重新選擇其他的簇頭節點競爭入簇； 當簇建立完成且網絡穩定後，所有簇頭節點在全局通信時段非自身通信時隙進入休眠狀態，所有簇成員節點在全局通信時段及簇內通信時段的非自身通信時隙時進入休眠狀態。
2.根據權利要求1所述的無線傳感網的組網方法，其特徵在於，還包括: 建立簇後，若匯聚節點連續多次未收到簇頭節點的廣播信息，則認為簇頭節點失效；簇頭節點失效後，匯聚節點重新發起簇頭節點的選舉，未成為簇頭節點的普通節點未入簇的普通節點重新開始競爭成為簇頭節點，即，在新的周期內偵聽全局通信頻段，接收到匯聚節點的全局信標幀後，以CSMA的方式在空閒時段發起請求以競爭成為簇頭節點，發起CSMA的時段在簇內通信時段，發起的信道在全局通信頻段；當新的簇頭確定後，重新建立自己的新簇。
3.根據權利要求2所述的無線傳感網的組網方法，其特徵在於，在簇頭節點失效後，未入簇的普通節點重新開始競爭成為簇頭節點，包括如下步驟: 在網絡穩定後，簇頭節點在全局通信時段依次按照自身分配的時隙廣播數據幀，若匯聚節點在連續多個周期未收到某個簇頭節點的廣播數據幀，則認為此簇頭節點失效；若簇頭節點由於自身能量不足也可以在廣播數據幀中和簇內信標幀中主動添加請求失效信息； 當匯聚節點和簇成員節點分別得知所述信息後，由匯聚節點重新發起組網命令，簇成員節點變成普通節點，偵聽全局信道中匯聚節點的全局信標幀，重新選舉出一個新的簇頭節點，其餘普通節點則請求重新入簇。
4.根據權利要求3所述的無線傳感網的組網方法，其特徵在於，當簇成員節點失效時，簇頭節點將之前分配給失效的所述簇成員節點的時隙收回，並在下一周期的簇內信標幀中將所述時隙定為空時隙。
5.根據權利要求1或2所述的無線傳感網的組網方法，其特徵在於，選擇簇頭節點並為其分配全局通信時隙以及簇內通信子信道，包括如下步驟: 匯聚節點啟動後的第一個時隙在全局通信頻段內周期性的廣播全局信標幀，所述全局信標幀中包含有同步信息、匯聚節點轄屬的簇頭節點數及其對應的子信道和通信時隙，其中，網絡中允許的最大簇頭節點數目N、每個子信道頻率f以及一個周期所包含的通信時隙數目T是預先設定的，所述通信時隙包括已被佔用的通信時隙和空閒的通信時隙； 除匯聚節點之外，所有的其他節點第一次醒來後偵聽信道，若接收到所述匯聚節點的全局信標幀，根據所述全局信標幀內的信息判斷網絡中的簇頭節點數是否達到了最大簇頭節點數；若判斷得到網絡中的簇頭節點數達到了最大簇頭節點數，則節點以目前的同步算法做同步處理，然後繼續偵聽；若判斷得到網絡中的簇頭節點數還未達到最大簇頭節點數，則在空閒時段以CSMA的方式發送請求幀以競爭成為簇頭節點，所述請求幀中包含節點的剩餘能量； 匯聚節點接收到所述請求幀並記錄，查看目前已確定的簇頭節點數目n是否達到最大簇頭節點數目N，並在得到目前已確定的簇頭節點數目n沒有達到最大簇頭節點數目N的情況下，從中選擇剩餘能量最多的(N-n)個節點作為簇頭節點並按照接收順序為其分配(N-n)個全局通信時隙以及子信道，並在下一周期廣播的全局信標幀中包含此信息。
6.根據權利要求5所述的無線傳感網的組網方法，其特徵在於，還包括: 節點在發出成為簇頭節點的請求後，在下一周期中偵聽到的全局信標幀中，若發現沒有包含自己成為簇頭節點的信息，則表示競爭簇頭節點失敗；節點再根據全局信標幀中的信息判斷簇頭節點數目是否已達到最大簇頭節點數，若判斷得到目前已確定的簇頭節點數目n已達到最大簇頭節點數目N，則放棄競爭，繼續偵聽信道，準備在簇內通信時段請求入簇；若判斷得到目前已確定的簇頭節點數目n沒有達到最大簇頭節點數目N，則繼續在所述周期內以CSMA的方式發送請求幀以競爭成為簇頭節點。
7.根據權利要求1所述的無線傳感網的組網方法，其特徵在於，確定每個簇的簇成員節點並為其分配簇內通信時隙，包括如下步驟: 簇頭節點在匯聚節點廣播全局信標幀後，在其分配到的全局通信時隙內廣播包含額外信息的數據幀，其中額外信息包括本簇的簇內通信時段以及通信子信道； 競爭簇頭節點失敗的普通節點接收到簇內信標幀後，選擇接收到信號強度最強的簇頭節點作為自己的簇頭節點，並以CSMA的方式發起競爭入簇的請求； 簇頭節點接收到普通節點的入簇請求後,根據接收請求的順序,依次將簇內通信時隙分配給簇成員節點，並在下一周期廣播簇內信標幀時加入組播應答信號信息，若簇內通信時隙已經分配完畢，則在組播信息告知請求節點所述簇頭節點轄屬的簇成員節點已滿員； 若普通節點在發出入簇請求後，在下一周期繼續偵聽簇內信標幀，分析所述簇內信標幀中的組播應答信號信息，若得知請求簇成員節點成功，則按照分配到的時隙上傳分組；若請求簇成員節點失敗，查看簇頭節點的時隙數是否已分配完畢，若分配完畢，則在下一周期全局通信階段變頻到主信道偵聽匯聚節點的全局信標幀，從中選擇還有空閒時隙的簇頭，並在空閒時隙內以CSMA的方式繼續請求入簇；若所有簇頭節點的時隙都已分配完畢，則所述普通節點不再發出入簇請求，而是在每個全局通信時段保持偵聽匯聚節點的全局信標幀，直到發現有空閒時隙的簇頭節點並隨後發起入簇請求。
全文摘要
本發明提供一種無線傳感網的組網方法，主要是利CSMA、TDMA與多信道技術相結合的方式依序完成簇頭節點及其全局通信時隙的確定、每一個簇中各個簇成員節點及其簇內通信時隙的確定，減少了每一個簇的形成時間，從而實現快速組網，並保證多個簇可以在同一時段內在不同的子信道上通信，互不幹擾，減少了全網組網的時間以及每個簇數據傳輸的延時，而簇成員節點在固定的不同時隙上傳數據，不會發生簇內的數據碰撞，為工程設計提供了一種切實可行的組網方法，能夠適用於傳感器節點密集分布的無線傳感網中。
文檔編號H04W84/18GK103188825SQ20111045762
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者於峰, 高丹, 張唯易, 張帥, 王晶, 張星 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所