專利名稱：基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖?shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展和 日益成熟，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器和網(wǎng)絡(luò)開始大范圍出現(xiàn)。無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)檢測(cè)、跟蹤和采集網(wǎng)絡(luò)布設(shè)區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息， 并對(duì)這些信息進(jìn)行協(xié)同、融合處理，獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)論，然后傳送至用戶。它在軍事、環(huán) 境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)自動(dòng)化、公共安全等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
微型傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電使得傳感網(wǎng)的一大特點(diǎn)是能量受限，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽 命首要考慮因素是提高能量效率，使節(jié)點(diǎn)在無需參與網(wǎng)絡(luò)工作或獲取傳感數(shù)據(jù)時(shí)盡量進(jìn)入睡 眠狀態(tài)。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)生存期間，節(jié)點(diǎn)會(huì)動(dòng)態(tài)的加入和離開網(wǎng)絡(luò)，因此要求網(wǎng)絡(luò)具有良好的可 擴(kuò)展性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是應(yīng)用特定性，為了提高上傳數(shù)據(jù)信息熵和事件準(zhǔn)確 率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間常需要多類型傳感器、多節(jié)點(diǎn)協(xié)同信息處理，并要求實(shí)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)區(qū)域的無縫 覆蓋，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)布設(shè)密度高，節(jié)點(diǎn)感知信息具有冗余性等特點(diǎn)。另外，無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)不依賴于固定的基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求具有自組織能力。
針對(duì)以上特點(diǎn)，傳統(tǒng)的平面拓?fù)淇刂茩C(jī)制已不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模組網(wǎng)的要 求，而且不能很好的支持局部數(shù)據(jù)融合、高效能耗管理以及傳感器的工作、休眠調(diào)度機(jī)制等， 因此，分簇機(jī)制已經(jīng)成為部署和實(shí)現(xiàn)高效可擴(kuò)展性密集布設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品椒ā?它與平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，在數(shù)據(jù)匯聚、融合、能量效率、滿足網(wǎng)絡(luò)QoS要求等方面能取得較 好的改善?，F(xiàn)有的分簇方法有幾類，如低能量自適應(yīng)分簇分級(jí)算法(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH )、混合能效分布分簇方法(Hybrid Energy-Efficient Distributed Clustering, HEED)等，主要關(guān)注如何形成基本分簇結(jié)構(gòu)，而沒有考慮有效的 簇間通信機(jī)制，只是簡(jiǎn)單的假設(shè)簇頭可一跳到基站，該假設(shè)對(duì)于能量受限的傳感節(jié)點(diǎn)來說是 過于苛刻和較難實(shí)現(xiàn)的。較為著名的S-MAC協(xié)議雖然也提出了虛擬分簇的思想，但從拓?fù)淇?制上來講，仍舊是一種平面結(jié)構(gòu)，因此無法有效支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的需求，而且S-MAC本身在 設(shè)計(jì)上存在著如邊界節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過重、無網(wǎng)絡(luò)能量均衡機(jī)制、無法有效支持?jǐn)?shù)據(jù)融合等問題。 Zigbee在802. 15. 4的基礎(chǔ)上提出了簇樹的拓?fù)淇刂茩C(jī)制，伹該方案是一種完全集中式組網(wǎng)方 法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的方式要求較高，而且在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延與規(guī)模可擴(kuò)展性方面存在嚴(yán)重制約。而其 他一些分簇算法雖然考慮了簇間通信機(jī)制，但往往是在假設(shè)全局時(shí)間同步的前提下進(jìn)行，而 這一假設(shè)對(duì)于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說難以實(shí)現(xiàn)或網(wǎng)絡(luò)額外開銷過大。還有一類簇間通信 機(jī)制是通過簇間的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于網(wǎng)絡(luò)生存周期為主要衡量指標(biāo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 來說，要有效保持與周圍所有鄰居簇的簇間通信，就須保證對(duì)應(yīng)的簇間網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處于工作狀 態(tài)，因此，網(wǎng)絡(luò)整體時(shí)序控制復(fù)雜，不利于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和節(jié)能。簇間通信若完全基于簇頭間競(jìng) 爭(zhēng)接入機(jī)制實(shí)現(xiàn)，則會(huì)導(dǎo)致簇間干擾嚴(yán)重、數(shù)據(jù)傳輸效率低等問題。近來也有關(guān)于采用虛擬 多天線(MIM0)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)簇間通信，但該方法對(duì)于簇頭物理層實(shí)現(xiàn)要求較高，且對(duì)節(jié)點(diǎn)間 協(xié)同、同步和方案預(yù)制要求極高，缺乏可實(shí)現(xiàn)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒ā１?發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，包括以下步驟
A、 物理分簇，確定各節(jié)點(diǎn)的簇頭或簇成員身份，形成物理簇；
B、 虛擬分簇，通過分布式競(jìng)爭(zhēng)的方式，所述物理簇的簇頭產(chǎn)生自身或遵從相鄰簇簇頭產(chǎn) 生的周期調(diào)度表，使相鄰物理簇的簇頭組成周期性工作、休眠同步的虛擬分簇，并通過自適 應(yīng)通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)所述簇頭間的通信。所述虛擬簇間自適應(yīng)通信時(shí)段根據(jù)對(duì)方簇間通信時(shí)段的 相對(duì)起始、結(jié)束時(shí)間，在本簇頭超幀周期中的相應(yīng)位置設(shè)定。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述步驟A具體包括以下步驟
al、節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)后，掃描附近是否存在簇頭；如果是，則進(jìn)入步驟a3，否則轉(zhuǎn)步驟a2; a2、通過分布式競(jìng)爭(zhēng)方式，選舉出物理簇簇頭，其余節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)記為簇成員； a3、以簇成員身份申請(qǐng)加入該簇頭所在物理簇，并服從物理簇的周期時(shí)間調(diào)度策略。 作為本發(fā)明的又一優(yōu)選方式，所述步驟a2具體為，節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送包含自身基本屬性 和加權(quán)平均值信息的信息幀，同時(shí)偵聽、接收鄰居節(jié)點(diǎn)的信息幀，完成鄰居發(fā)現(xiàn)和節(jié)點(diǎn)的局 部信息收集，根據(jù)加權(quán)平均值的選舉算法選舉出物理簇簇頭，其余節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)記為簇成員。 作為本發(fā)明的再一優(yōu)選方式，在所述步驟a2確定各節(jié)點(diǎn)的簇頭或簇成員身份之后，所述
簇成員在所述簇頭確立自己的周期調(diào)度策略后申請(qǐng)加入該物理簇，該物理簇的簇成員到該簇 頭均為一跳可達(dá)。
作為本發(fā)明的再一優(yōu)選方式，所述周期調(diào)度表包括同步時(shí)段、簇內(nèi)通信時(shí)段、簇間通信
時(shí)段和休眠時(shí)段， 一個(gè)調(diào)度周期為一個(gè)超幀，所述簇頭及簇成員均依據(jù)所在物理簇簇頭的周 期調(diào)度表來設(shè)置各自的休眠、工作時(shí)段。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，在所述步驟B具體為，
M、所述簇頭確立身份后，在一段時(shí)間內(nèi)掃描鄰居簇頭的包含周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻 信息的同步幀，如果掃描到，則進(jìn)入步驟b3，否則轉(zhuǎn)步驟b2;
b2、所述簇頭產(chǎn)生自身的周期調(diào)度表，并廣播包含自身周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息的 同步幀；
b3、所述簇頭接收該同步幀，判定是否己確立自身的周期調(diào)度表，如果是，則進(jìn)入步驟 b4，否則轉(zhuǎn)步驟b5;
b4、所述簇頭判定自身的周期調(diào)度表與接收到周期調(diào)度表是否相同，如果是，則進(jìn)入步 驟b6,否則轉(zhuǎn)步驟b7;
b5、所述簇頭遵從該接收到周期調(diào)度表，并廣播包含自身周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息 的同步幀；
b6、所述簇頭記錄并更新鄰居簇頭列表，該鄰居簇頭列表記錄自身及鄰居簇頭的周期調(diào) 度信息；
b7、所述簇頭根據(jù)鄰居簇頭列表判定是否已存在和自身調(diào)度周期相同的鄰居簇頭，如果 是，則進(jìn)入步驟b8，否則轉(zhuǎn)步驟b9;
b8、所述簇頭根據(jù)接收周期調(diào)度表修正自身周期調(diào)度表，建立和該鄰居簇頭的簇間通信 時(shí)段，更新鄰居簇頭列表，并廣播包含自身周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息的同步幀；
b9、所述簇頭拋棄自身周期調(diào)度表，轉(zhuǎn)步驟5。
作為本發(fā)明的又一改進(jìn)，所述步驟B后還包括
C、網(wǎng)絡(luò)值守，按照所述周期調(diào)度表以超幀方式進(jìn)行周期性的同步、簇內(nèi)通信、簇間通信 和休眠調(diào)度。
作為本發(fā)明的再一改進(jìn)，所述步驟C的周期性同步方法為，所述簇頭以某一同步周期通 過同步幀廣播自身的周期調(diào)度表，所述鄰居簇頭通過該同步幀進(jìn)行時(shí)間重同步，新建立的物 理簇簇頭通過掃描、接收該同步幀，服從現(xiàn)有虛擬分簇的周期調(diào)度表。
作為本發(fā)明的再一改進(jìn)，所述步驟C中還包括一鄰居虛擬簇發(fā)現(xiàn)步驟，各簇頭在某一段
期間內(nèi)偵聽一個(gè)同步周期，以發(fā)現(xiàn)鄰居虛擬簇。
作為本發(fā)明的再一改進(jìn)，所述偵聽為連續(xù)偵聽，在此同步周期內(nèi)，簇頭在所述超幀的休
眠時(shí)段均保持偵聽狀態(tài)。
作為本發(fā)明的再一改進(jìn)，所述步驟C中還包括一新成員節(jié)點(diǎn)邀請(qǐng)步驟，在所述超幀的簇 內(nèi)通信時(shí)段設(shè)有邀請(qǐng)時(shí)隙，所述簇頭以某一周期在邀請(qǐng)時(shí)隙發(fā)送邀請(qǐng)幀，新成員通過掃描該 邀請(qǐng)幀，向所述簇頭申請(qǐng)加入現(xiàn)有物理簇，并接受該物理簇的周期調(diào)度表。
本發(fā)明提供的基于雙重分簇的分布式拓?fù)淇刂品椒?，它以具有較好的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡特性 和簇頭分布均勻性的物理分簇結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，同時(shí)通過分布式選擇和維護(hù)各物理分簇的周期性 工作調(diào)度表，使相鄰物理簇的簇頭組成休眠喚醒自動(dòng)同步的虛擬分簇，通過自適應(yīng)通信機(jī)制 實(shí)現(xiàn)不同簇頭間通信，從而在無需全局網(wǎng)絡(luò)同步的前提下，實(shí)現(xiàn)局部信息傳輸?shù)耐胶痛亻g 多跳到基站的數(shù)據(jù)傳輸，并減少控制開銷和簇間幀沖突概率。同時(shí)基于虛擬分簇局部簇頭輪 換策略來進(jìn)一步均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。本發(fā)明在物理分簇的基礎(chǔ)上，形成了一個(gè)使鄰居簇頭能彼此 自由通信的骨干網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同步簇頭間形成一個(gè)無簇內(nèi)通信沖突的虛擬簇，很容易適應(yīng)拓
撲結(jié)構(gòu)的改變。本發(fā)明能在滿足特定應(yīng)用QoS要求的基礎(chǔ)上有效的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，提高
網(wǎng)絡(luò)能耗效率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)壽命。依據(jù)本發(fā)明組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在單信道的條件下 即可實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省物理層設(shè)計(jì)成本。 以下結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。


圖1為本發(fā)明一個(gè)完整的超幀結(jié)構(gòu)；
圖2為本發(fā)明物理分簇控制流程圖實(shí)施例；
圖3本發(fā)明虛擬分簇流程圖實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
為方便本發(fā)明實(shí)施例的描述，先介紹本發(fā)明實(shí)施例中使用的超幀結(jié)構(gòu)及各時(shí)段的屬性參 數(shù)。 一個(gè)調(diào)度周期為一個(gè)超幀。所述周期調(diào)度表規(guī)定了一個(gè)物理簇簇頭和簇成員的工作、休 眠調(diào)度機(jī)制，主要包括同步時(shí)段、簇內(nèi)通信時(shí)段、簇間通信時(shí)段和休眠時(shí)段， 一個(gè)調(diào)度周期 為一個(gè)超幀，所述簇頭及簇成員均依據(jù)所在物理簇簇頭的周期調(diào)度表來設(shè)置各自的工作、休
眠時(shí)段。如圖1所示， 一個(gè)完整的超幀7>包括如下時(shí)段
簇間同步即同步時(shí)段7;^，為簇頭發(fā)送同步幀設(shè)置，在該時(shí)段內(nèi)有一定的時(shí)間余量，使每 次發(fā)送同步幀時(shí)按CSMA-CA機(jī)制發(fā)送。該時(shí)段可采用公共信道，較大級(jí)發(fā)射功率。
簇內(nèi)通信時(shí)段7;^，主要分為簇內(nèi)邀請(qǐng)時(shí)隙7;^、簇內(nèi)同步時(shí)隙7;^—^和簇內(nèi)上行通信
時(shí)段^t,a。簇成員在該時(shí)段內(nèi)喚醒，在超幀的其他時(shí)段均處于休眠狀態(tài)，以節(jié)省能耗。其中
簇內(nèi)邀請(qǐng)時(shí)隙7;^，由簇頭根據(jù)新成員節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的頻繁度來決定邀請(qǐng)幀的發(fā)送間隔
周期，當(dāng)新加入節(jié)點(diǎn)偵聽到邀請(qǐng)時(shí)隙后，即在隨后的簇內(nèi)通信時(shí)段申請(qǐng)加入該物理簇，該時(shí) 隙采用公共信道，較低級(jí)發(fā)射功率。
簇內(nèi)同步時(shí)隙r，c，為簇頭和簇成員間同步和簇頭下行幀而設(shè)置的，同步幀主要為了
糾正時(shí)鐘漂移而引起的簇頭與各簇成員節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏差，下行幀主要包括一些命令控制及時(shí) 隙預(yù)約等。該時(shí)隙采用本地信道，較低級(jí)發(fā)射功率。
簇內(nèi)上行通信時(shí)段7;^。，主要為簇成員節(jié)點(diǎn)上行數(shù)據(jù)至簇頭而設(shè)置，有兩個(gè)主要時(shí)段
非競(jìng)爭(zhēng)上行時(shí)段、隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段。非競(jìng)爭(zhēng)上行時(shí)段中劃分為若干時(shí)隙，由簇成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)需 要在上一個(gè)超幀周期的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)上行時(shí)段向簇頭進(jìn)行預(yù)約，然后由簇頭在本超幀的簇內(nèi)同步 時(shí)隙中通過時(shí)隙預(yù)約幀廣播非競(jìng)爭(zhēng)上行時(shí)段的使用情況。隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)上行時(shí)段由簇成員節(jié)點(diǎn)采 用時(shí)隙csma-ca訪問機(jī)制與簇頭進(jìn)行通信。簇內(nèi)上行通信時(shí)段采用本地信道，較低級(jí)發(fā)射 功率。
簇間通信時(shí)段7;^，主要為同一虛擬簇內(nèi)簇頭間相互通信而設(shè)置，保證在虛擬簇內(nèi)以較
小的時(shí)延進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。若簇頭c7/,只有一種調(diào)度周期，即C巧鄰居簇頭均在同一虛擬分簇內(nèi)，
則簇間通信時(shí)段只要維護(hù)簇間通信時(shí)段即可。該時(shí)段采用公共信道，較大級(jí)發(fā)射功率。
虛擬簇間自適應(yīng)通信時(shí)段7^^一^ ，主要為偵聽鄰居虛擬簇簇間通信而設(shè)置。當(dāng)簇頭C//,
位于兩個(gè)虛擬簇交界時(shí)，即c/z,有鄰居簇頭位于另一個(gè)虛擬簇，則c/z,需要維護(hù)虛擬簇間自適
應(yīng)通信時(shí)段，而對(duì)于Ci/,所有鄰居簇頭均在同一虛擬分簇內(nèi)時(shí)，無需維護(hù)虛擬簇間自適應(yīng)通
信時(shí)段。該時(shí)段采用公共信道，較大級(jí)發(fā)射功率。
休眠時(shí)段 ; ，如果簇頭不在兩個(gè)虛擬簇交界，則進(jìn)入休眠節(jié)能狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)的通信模塊
均關(guān)閉。
上述各時(shí)段的長(zhǎng)度存在如下
<formula>formula see original document page 8</formula>
一種基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，包括以下步驟A、物理分簇，確定各節(jié)點(diǎn)的簇頭或簇成員身份，形成物理簇；如圖1所示，具體包括以 下步驟-
al、節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)后，掃描附近是否存在簇頭；即掃描附近是否存在已經(jīng)形成的物理簇; 為了盡量加入網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的物理簇，先在公共信道上掃描A^個(gè)周期為j;,的時(shí)長(zhǎng)，通過檢測(cè)簇
頭發(fā)出的邀請(qǐng)幀(Invite-Frame),判別周圍是否存在物理簇。由新成員加入和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)
頻繁度以及網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間等因素決定。如在物理簇建立初期A^值較大，簇頭會(huì)以較高的頻率
發(fā)送邀請(qǐng)幀，而在物理簇生存后期A^值較小。；即為周期調(diào)度表的時(shí)長(zhǎng)。邀請(qǐng)幀中可包含如
本簇周期調(diào)度表、本簇簇內(nèi)通信所用信道、本簇成員飽和度等信息。如果周圍已經(jīng)存在物理 簇，則進(jìn)入步驟a3，否則轉(zhuǎn)步驟a2;
a2、通過分布式競(jìng)爭(zhēng)方式，選舉出物理簇簇頭，其余節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)記為簇成員；該步驟 具體可以是，節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送(可采用現(xiàn)有技術(shù)中的載波偵聽沖突避免多址接入方式， Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoid, CSMA-CA)包含自身基本屬性和加權(quán)平 均值信息的信息幀，同時(shí)偵聽、接收鄰居節(jié)點(diǎn)的信息幀，完成鄰居發(fā)現(xiàn)和節(jié)點(diǎn)的局部信息收 集，根據(jù)加權(quán)平均值的選舉算法選舉出物理簇簇頭，其余節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)記為簇成員。并且在 確定各節(jié)點(diǎn)的簇頭或簇成員身份之后，所述簇成員在所述簇頭確立自己的周期調(diào)度策略后申 請(qǐng)加入該物理簇，該物理簇的簇成員到該簇頭均為一跳可達(dá)。具體可以采用如下方式實(shí)現(xiàn) 在掃描期間沒有收到邀請(qǐng)幀，進(jìn)入簇頭競(jìng)爭(zhēng)選舉階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)以7;周期廣播HELLO幀，同
時(shí)收集鄰居節(jié)點(diǎn)信息。HELLO幀中包含節(jié)點(diǎn)自身的加權(quán)平均值。節(jié)點(diǎn)通過接收鄰居節(jié)點(diǎn)的HELLO 幀來更新自身網(wǎng)絡(luò)通信成本的加權(quán)平均值，更新后再通過HELLO幀進(jìn)行廣播。節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送
服LL0幀均采用CSMA-CA方式，此過程持續(xù)K后可達(dá)到局部節(jié)點(diǎn)信息一致性，r =7;*A^， 7VA
為HELLO幀廣播次數(shù)，iVA、 7;均可根據(jù)節(jié)點(diǎn)布設(shè)密度配置。其中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)所收集的鄰居節(jié)
點(diǎn)加權(quán)平均值分布，使用的策略例如基于最小加權(quán)平均值算法選舉確定簇頭和簇成員，該策 略可采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此省略對(duì)該部分的詳細(xì)說明。
a3、以簇成員身份申請(qǐng)加入該簇頭所在物理簇，并服從物理簇的周期時(shí)間調(diào)度策略。即 節(jié)點(diǎn)收到邀請(qǐng)幀，并在隨后的簇內(nèi)通信時(shí)段向簇頭發(fā)起加入請(qǐng)求，得到簇頭許可后開始按該 簇的周期調(diào)度表工作。
完成物理分簇后，簇成員雖已獲知所在物理簇的簇頭，但簇成員暫不正式向簇頭申請(qǐng)加入物理簇，直至物理簇頭確立自己的周期調(diào)度表，開始進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)值守階段。并且物理簇簇成 員到簇頭均為一跳可達(dá)。在此階段，各節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率設(shè)置在較低的水平，該功率水平從統(tǒng)計(jì) 上保證節(jié)點(diǎn)具有一定數(shù)量的鄰居數(shù)目即可。
B、虛擬分簇，物理簇簇頭選舉完成后，通過分布式競(jìng)爭(zhēng)的方式，所述物理簇的簇頭產(chǎn)生 自身或遵從相鄰簇簇頭產(chǎn)生的周期調(diào)度表，使相鄰物理簇的簇頭組成周期性工作、休眠同步 的虛擬分簇，并通過自適應(yīng)通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)所述簇頭間的通信。虛擬簇并沒有一個(gè)實(shí)際存在的 簇頭，而是指維護(hù)同一周期調(diào)度表的物理簇簇頭形成的虛擬集合。在此階段，各簇頭發(fā)射功 率設(shè)置在較高的水平，該功率水平從統(tǒng)計(jì)上保證每個(gè)簇頭擁有合適的鄰居簇頭數(shù)目。簇頭間 交換周期調(diào)度表，即在同步幀中告知鄰居簇頭本地調(diào)度周期的相)^起始時(shí)刻。
其中，所述虛擬分簇步驟B可具體采用圖3所示的方式實(shí)現(xiàn)，具體描述如下 bl、所述物理簇簇頭確立身份后，同樣可采用CSMA-CA方式偵聽無線信道，在一段時(shí)間 內(nèi)掃描鄰居簇頭的包含周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息的同步幀，例如掃描N個(gè)超幀調(diào)度周期 7>，以發(fā)現(xiàn)周圍已經(jīng)存在虛擬分簇。以保證當(dāng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入值守階段后，簇頭在N個(gè)超幀調(diào)度周
期7^中以較高的概率成功發(fā)送一次同步幀。如果掃描到，則轉(zhuǎn)步驟b3，否則進(jìn)入步驟b2;
b2、所述簇頭判定是否己確立自身的周期調(diào)度表，如果是，則在下一調(diào)度周期進(jìn)入網(wǎng)絡(luò) 職守階段；否則，產(chǎn)生自身的周期調(diào)度表，并廣播包含自身周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息的
同步幀；即以當(dāng)前時(shí)間巧為基準(zhǔn)建立自己的周期調(diào)度表。在本調(diào)度周期7;的同步時(shí)段內(nèi)
(《，《+ ;，)以CSMA-CA方式向鄰居簇頭C/ft,和簇成員集aW5,廣播宣布本地周期調(diào)度表的 同步幀；
b3、所述簇頭接收該同步幀，判定是否已確立自身的周期調(diào)度表，如果是，則進(jìn)入步驟 b4，否則轉(zhuǎn)步驟b5;
b4、所述簇頭判定自身的周期調(diào)度表與接收到周期調(diào)度表是否相同，如果是，則進(jìn)入步 驟b6，否則轉(zhuǎn)步驟b7;
b5、所述簇頭遵從該接收到周期調(diào)度表，并廣播包含自身周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息
的同步幀；即釆用收到C/^的周期調(diào)度表，設(shè)C/4本調(diào)度周期的起始時(shí)刻為^ ，當(dāng)前時(shí)刻為 ^ ，并在本調(diào)度周期剩余時(shí)段，々+7V )以CS區(qū)-CA隨機(jī)退避方式向鄰居簇頭C/^,及 簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)CM^.廣播自己的周期調(diào)度表，并在下一個(gè)調(diào)度周期開始時(shí)^ 進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)職
守階段；
b6、所述簇頭記錄并更新鄰居簇頭列表，該鄰居簇頭列表記錄自身及鄰居簇頭的周期調(diào) 度信息；即記錄C/^調(diào)度表簇間通信時(shí)段信息，然后根據(jù)接收到的周期調(diào)度表修改CZ/,的周
期調(diào)度表，設(shè)c/f,本調(diào)度周期的起始時(shí)刻為^當(dāng)前時(shí)刻為/1 ，并在本調(diào)度周期剩余時(shí)段(^ ，
〔+;)以CSMA-CA方式向鄰居簇頭C他,及簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)CMy,廣播C/7,.的周期調(diào)度表，并
在下一個(gè)調(diào)度周期按新的時(shí)段劃分進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)值守階段，該種情況表明簇頭C巧、C/^處于兩
個(gè)虛擬簇的交界，兩個(gè)簇頭都需要知道對(duì)方的調(diào)度周期，并修改本地周期調(diào)度表，在超幀調(diào) 度周期中預(yù)留時(shí)段來保持兩個(gè)虛擬簇間的正常通信；
b7、所述簇頭根據(jù)鄰居簇頭列表判定是否已存在和自身調(diào)度周期相同的鄰居簇頭，如果 是，則進(jìn)入步驟b8，否則轉(zhuǎn)步驟b9;
b8、所述簇頭根據(jù)接收周期調(diào)度表修正自身周期調(diào)度表，建立和該鄰居簇頭的簇間通信 時(shí)段，更新鄰居簇頭列表，并廣播包含自身周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息的同步幀；
b9、所述簇頭拋棄自身周期調(diào)度表，轉(zhuǎn)步驟5。
C、網(wǎng)絡(luò)值守，按照所述周期調(diào)度表以超幀方式進(jìn)行周期性的同步、簇內(nèi)通信、簇間通信 和休眠調(diào)度。所述步驟C的周期性同步方法為，所述簇頭以某一同步周期(例如各簇頭C巧以
N個(gè)超幀調(diào)度周期;為同步周期r, = W *7V ，即在A^，個(gè)超幀周期內(nèi)成功發(fā)送一次同步 幀)通過同步幀廣播自身的周期調(diào)度表，所述鄰居簇頭通過該同步幀進(jìn)行時(shí)間重同步，新建 立的物理簇簇頭通過掃描、接收該同步幀，服從現(xiàn)有虛擬分簇的周期調(diào)度表。
其中，由于在虛擬分簇階段可能存在廣播幀沖突等問題，從而導(dǎo)致鄰居簇頭不能成功交 互周期調(diào)度表，即兩個(gè)虛擬簇間無法正常通信；另外新建立的虛擬簇和鄰近的虛擬簇由于周 期調(diào)度表的不同，可能無法正常接收到對(duì)方的同步幀，為保證在網(wǎng)絡(luò)值守期間能發(fā)現(xiàn)鄰居虛 擬簇的存在，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟C中可包括一鄰居虛擬 簇發(fā)現(xiàn)步驟，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)值守階段，簇頭會(huì)以一定的同步周期間隔發(fā)送同步幀，因此各簇頭 在某一段期間內(nèi)偵聽一個(gè)同步周期，即可實(shí)現(xiàn)鄰居虛擬簇的發(fā)現(xiàn)。所述偵聽可以是連續(xù)偵聽，
在此同步周期內(nèi)，簇頭在所述超幀的休眠時(shí)段均保持偵聽狀態(tài)。即簇頭e《連續(xù)工作一段較
長(zhǎng)的時(shí)間^w，然后在一段緊接的長(zhǎng)度為同步周期^的時(shí)間內(nèi)，簇頭C/Z,在休眠時(shí)段均保持偵 聽喚醒狀態(tài)，其他時(shí)段的工作機(jī)制保持不變。由于簇頭的同步機(jī)制設(shè)置，在該時(shí)間范圍內(nèi)，
各個(gè)簇頭均會(huì)以較高的概率成功發(fā)送一次同步幀。因此，通過鄰居虛擬簇發(fā)現(xiàn)機(jī)制，可發(fā)現(xiàn) 鄰居虛擬簇建立不同虛擬簇間的有效通信。7> ,可根據(jù)應(yīng)用要求以及鄰居簇頭數(shù)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。
其中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)值守工作時(shí)，可能會(huì)有新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，或者少數(shù)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)物理簇移 動(dòng)到另一個(gè)物理簇，作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟C中還包括一新成員節(jié)點(diǎn)邀請(qǐng)步驟， 在所述超幀的簇內(nèi)通信時(shí)段設(shè)有邀請(qǐng)時(shí)隙，所述簇頭以某一周期在邀請(qǐng)時(shí)隙發(fā)送邀請(qǐng)幀，新 成員通過掃描該邀請(qǐng)幀，向所述簇頭申請(qǐng)加入現(xiàn)有物理簇，并接受該物理簇的周期調(diào)度表。 所述簇頭發(fā)送邀請(qǐng)幀的周期性根據(jù)新成員加入和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的頻繁度確定。
權(quán)利要求
1、基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，其特征包括以下步驟A、物理分簇，確定各節(jié)點(diǎn)的簇頭或簇成員身份，形成物理簇；B、虛擬分簇，通過分布式競(jìng)爭(zhēng)的方式，所述物理簇的簇頭產(chǎn)生自身或遵從相鄰簇簇頭產(chǎn)生的周期調(diào)度表，使相鄰物理簇的簇頭組成周期性工作、休眠同步的虛擬分簇，并通過自適應(yīng)通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)所述簇頭間的通信。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，其特?在于所述步驟A具體包括以下步驟al、節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)后，掃描附近是否存在簇頭；如果是，則進(jìn)入步驟a3，否則轉(zhuǎn)步驟a2; a2、通過分布式競(jìng)爭(zhēng)方式，選舉出物理簇簇頭，其余節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)記為簇成員； a3、以簇成員身份申請(qǐng)加入該簇頭所在物理簇，并服從物理簇的周期時(shí)間調(diào)度策略。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，其特?在于所述步驟a2具體為，節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送包含自身基本屬性和加權(quán)平均值信息的信息幀， 同時(shí)偵聽、接收鄰居節(jié)點(diǎn)的信息幀，完成鄰居發(fā)現(xiàn)和節(jié)點(diǎn)的局部信息收集，根據(jù)加權(quán)平均值 的選舉算法選舉出物理簇簇頭，其余節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)記為簇成員。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣?在于在所述步驟a2確定各節(jié)點(diǎn)的簇頭或簇成員身份之后，所述簇成員在所述簇頭確立自己 的周期調(diào)度策略后申請(qǐng)加入該物理簇，該物理簇的簇成員到該簇頭均為一跳可達(dá)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，其特?在于所述周期調(diào)度表包括同步時(shí)段、簇內(nèi)通信時(shí)段、簇間通信時(shí)段和休眠時(shí)段， 一個(gè)調(diào)度 周期為一個(gè)超幀，所述簇頭及簇成員均依據(jù)所在物理簇簇頭的周期調(diào)度表來設(shè)置各自的休眠、 工作時(shí)段。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于在所述步驟B具體為，bl、所述簇頭確立身份后，在一段時(shí)間內(nèi)掃描鄰居簇頭的包含周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息的同步幀，如果掃描到，則進(jìn)入步驟b3，否則轉(zhuǎn)步驟b2;b2、所述簇頭產(chǎn)生自身的周期調(diào)度表，并廣播包含自身周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息的同步幀-,b3、所述簇頭接收該同步幀，判定是否已確立自身的周期調(diào)度表，如果是，則進(jìn)入步驟 b4，否則轉(zhuǎn)步驟b5;b4、所述簇頭判定自身的周期調(diào)度表與接收到周期調(diào)度表是否相同，如果是，則進(jìn)入步驟b6，否則轉(zhuǎn)步驟b7;b5、所述簇頭遵從該接收到周期調(diào)度表，并廣播包含自身周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息 的同步幀；b6、所述簇頭記錄并更新鄰居簇頭列表，該鄰居簇頭列表記錄自身及鄰居簇頭的周期調(diào) 度信息；b7、所述簇頭根據(jù)鄰居簇頭列表判定是否已存在和自身調(diào)度周期相同的鄰居簇頭，如果 是，則進(jìn)入步驟b8，否則轉(zhuǎn)步驟b9;b8、所述簇頭根據(jù)接收周期調(diào)度表修正自身周期調(diào)度表，建立和該鄰居簇頭的簇間通信 時(shí)段，更新鄰居簇頭列表，并廣播包含自身周期調(diào)度表相對(duì)起始時(shí)刻信息的同步幀；b9、所述簇頭拋棄自身周期調(diào)度表，轉(zhuǎn)步驟5。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，其特?在于所述步驟B后還包括C、網(wǎng)絡(luò)值守，按照所述周期調(diào)度表以超幀方式進(jìn)行周期性的同步、簇內(nèi)通信、簇間通信 和休眠調(diào)度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于所述步驟C的周期性同步方法為，所述簇頭以某一同步周期通過同步幀廣播自身的周期調(diào)度表，所述鄰居簇頭通過該同步幀進(jìn)行時(shí)間重同步，新建立的物理簇簇頭通過掃描、接 收該同步幀，服從現(xiàn)有虛擬分簇的周期調(diào)度表。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于所述步驟C中還包括一鄰居虛擬簇發(fā)現(xiàn)步驟，各簇頭在某一段期間內(nèi)偵聽一個(gè)同步周期，以發(fā)現(xiàn)鄰居虛擬簇。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于所述偵聽為連續(xù)偵聽，在此同步周期內(nèi)，簇頭在所述超幀的休眠時(shí)段均保持偵聽狀態(tài)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于所述步驟C中還包括一新成員節(jié)點(diǎn)邀請(qǐng)步驟，在所述超幀的簇內(nèi)通信時(shí)段設(shè)有邀請(qǐng)時(shí)隙，所述簇頭以某一周期在邀請(qǐng)時(shí)隙發(fā)送邀請(qǐng)幀，新成員通過掃描該邀請(qǐng)幀，向所述簇頭 申請(qǐng)加入現(xiàn)有物理簇，并接受該物理簇的周期調(diào)度表。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于雙重分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂茖?shí)現(xiàn)方法，包括物理分簇步驟和虛擬分簇步驟，其中物理分簇步驟，確定各節(jié)點(diǎn)的簇頭或簇成員身份，形成物理簇；虛擬分簇步驟則通過分布式競(jìng)爭(zhēng)的方式，所述物理簇的簇頭產(chǎn)生自身或遵從相鄰簇簇頭產(chǎn)生的周期調(diào)度表，使相鄰物理簇的簇頭組成周期性工作、休眠同步的虛擬分簇，并通過自適應(yīng)通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)所述簇頭間的通信。本發(fā)明針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量受限性、應(yīng)用特定性、節(jié)點(diǎn)隨機(jī)密集布設(shè)等特點(diǎn)，在滿足特定應(yīng)用的QoS要求的基礎(chǔ)上有效的實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡、提高網(wǎng)絡(luò)能耗效率、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)壽命。
文檔編號(hào)H04L12/28GK101184004SQ200710038130
公開日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者劉海濤, 姚道遠(yuǎn), 杰 沈, 袁曉兵, 濤 邢, 奎 馬, 黃河清 申請(qǐng)人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心