專利名稱：無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感技術(shù)，尤其涉及一種無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法。
背景技術(shù)：
傳感器是一種能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，無線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Network, WSN)是由眾多的傳感器通過無線通信的方式，相互聯(lián)系，處理、傳遞信息的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，傳送給所需用戶。無線傳感網(wǎng)在軍事、工業(yè)控制、交通、安全、醫(yī)療、野外勘探、環(huán)境監(jiān)測、家庭和辦公環(huán)境等很多方面都有著廣泛的應(yīng)用。無線傳感網(wǎng)是一種的新興的網(wǎng)絡(luò)，它由多個(gè)單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，各節(jié)點(diǎn)通過傳感或控制參數(shù)來實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境的交互。無線傳感網(wǎng)的一個(gè)典型特征是在一個(gè)很小的區(qū)域里部署著很多節(jié)點(diǎn)，為了保證一個(gè)區(qū)域的覆蓋率足夠高或者使網(wǎng)絡(luò)中有冗余來防止節(jié)點(diǎn)失效。雖然這些都是密集型網(wǎng)絡(luò)部署的優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在著以下缺點(diǎn):在一個(gè)相對擁擠的網(wǎng)絡(luò)中，由于鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，節(jié)點(diǎn)之間容易互相干擾，各種可能的路由方式太多，節(jié)點(diǎn)可能會使用較大的功率來與遠(yuǎn)處的節(jié)點(diǎn)直接通信，限制了無線帶寬的重新使用，因此在很多節(jié)點(diǎn)密集分布的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間都在彼此的通信范圍內(nèi)，在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，很容易因?yàn)闆_突碰撞而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包丟失并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的組成需要耗費(fèi)相當(dāng)長的一段時(shí)間，同時(shí)形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也極不穩(wěn)定，在通信過程中也會因此而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嗉熬W(wǎng)絡(luò)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(wǎng)方法針對這種干擾性極強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)的初始階段能夠快速組網(wǎng)并調(diào)度好時(shí)隙的分配，以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行?。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組成涉及到了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂坪蜁r(shí)隙調(diào)度兩個(gè)方面。而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茀f(xié)議和媒體訪問控制協(xié)議(Media Access Control, MAC)也一直是無線傳感網(wǎng)的研究熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茀f(xié)議能夠優(yōu)化路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，使之緊密的結(jié)合，為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面提供基礎(chǔ)，有利于延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，對網(wǎng)絡(luò)性能的影響很大。MAC協(xié)議決定了無線信道的使用方式，構(gòu)建了無線傳感網(wǎng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，使得不同節(jié)點(diǎn)能夠合理的使用這些資源。無線傳感網(wǎng)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的作用是微弱的，傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能是由眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)作分工實(shí)現(xiàn)的，多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信需要各種協(xié)議在局部范圍內(nèi)協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(wù)。無線傳感網(wǎng)拓?fù)淇刂浦饕难芯磕康氖侨绾卧跐M足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，形成一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率不變的情況下，主要考慮層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織，它利用分簇機(jī)制讓一些節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)，由簇頭節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，也就是簇，其他非簇頭節(jié)點(diǎn)可以暫時(shí)關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。目前主要的層次型拓?fù)淇刂品椒ㄓ蠺opDisc成簇算法、LEACH自組織成簇算法和GAF虛擬地理網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪骋环矫孢M(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著無線傳感網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，拓?fù)淇刂频难芯糠诸愐呀?jīng)沒有那么嚴(yán)格，往往是與其他各種方式相結(jié)合，并引入啟發(fā)性、數(shù)據(jù)捎帶等機(jī)制，以達(dá)到節(jié)省能量和拓?fù)淇焖傩纬傻哪康摹Ｓ绕涫桥cMAC協(xié)議的結(jié)合能夠讓節(jié)點(diǎn)在前期組網(wǎng)過程中直接進(jìn)行時(shí)隙的調(diào)度，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬傻耐瑫r(shí)也確定了其分配到的時(shí)隙。目前的MAC協(xié)議主要分為固定配置協(xié)議以及隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。在固定配置協(xié)議中，可用的資源在節(jié)點(diǎn)間長期配置，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立使用這些資源，沒有碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，典型的協(xié)議包括TDMA、FDMA、CDMA等。對于注重傳輸質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)而言，這種協(xié)議能夠滿足Qos要求，協(xié)議將固定的時(shí)隙或者信道分配給固定的節(jié)點(diǎn)，這樣避免了在同一時(shí)隙或者同一信道上產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，但是這種協(xié)議單獨(dú)的使用除了對網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步要求較高外，還對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性有著很高的要求，而且當(dāng)節(jié)點(diǎn)過于密集時(shí)，一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)下面掛載的簇成員節(jié)點(diǎn)過多會導(dǎo)致整個(gè)超幀的時(shí)隙過多，由此大大增加了每個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲；而在隨機(jī)接入?yún)f(xié)議中，節(jié)點(diǎn)是非協(xié)同工作的，且協(xié)議是以完全分布式的方式執(zhí)行的，但是使用這種MAC協(xié)議容易發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，從而產(chǎn)生隱終端和顯終端的問題，數(shù)據(jù)的碰撞重傳也導(dǎo)致了能量的浪費(fèi)。而目前已有的ZigBee(紫蜂技術(shù))的MAC協(xié)議采用了將 CSMA(Carrier Sense Multiple Access,載波偵聽多路訪問)與 TDMA(Time DivisionMultiple Access，時(shí)分多址)相結(jié)合的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，在非節(jié)點(diǎn)密集的網(wǎng)絡(luò)中，一定程度上兼顧了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和能量、延遲等特性，但在高密度的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，僅僅將CSMA與TDMA相結(jié)合還是不夠的，若不采用多信道機(jī)制，每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)下面掛載的簇成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量太多，不僅前期組網(wǎng)的CSMA階段容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，時(shí)隙太多還會導(dǎo)致同步時(shí)鐘的漂移以及較長的通信延遲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，用于解決密集分布的大量傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)初始化階段組網(wǎng)時(shí)發(fā)生的碰撞及相關(guān)的時(shí)隙分配等問題。為解決上述問題及其他問題，本發(fā)明提供一種適用于傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布的無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，包括:簇頭節(jié)點(diǎn)及其全局通信時(shí)隙的確定:網(wǎng)絡(luò)以信標(biāo)模式工作，采用超幀結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；匯聚節(jié)點(diǎn)首先以廣播全局信標(biāo)幀來進(jìn)行全網(wǎng)同步，然后根據(jù)請求節(jié)點(diǎn)的剩余能量確定簇頭節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)接收到的請求順序?yàn)槊恳粋€(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)依次分配全局通信時(shí)隙及其簇內(nèi)通信子信道；簇成員節(jié)點(diǎn)及其簇內(nèi)通信時(shí)隙的確定:在確定簇頭節(jié)點(diǎn)后，各個(gè)所述簇頭節(jié)點(diǎn)廣播自身的子信道信息和空閑時(shí)隙情況；未成為簇頭節(jié)點(diǎn)的普通節(jié)點(diǎn)偵聽所有簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播信息，選擇接收信號強(qiáng)度最強(qiáng)的廣播信息所對應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)，并向那一個(gè)所述簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求幀以請求入簇，所述簇頭節(jié)點(diǎn)最先接收到請求后確定簇成員節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)接收到的請求順序?yàn)槊總€(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)分配簇內(nèi)通信時(shí)隙；在某一個(gè)所述普通節(jié)點(diǎn)競爭入簇失敗后，繼續(xù)在下一周期偵聽全局通信頻段，重新選擇其他的簇頭節(jié)點(diǎn)競爭入簇；當(dāng)簇建立完成且網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，所有簇頭節(jié)點(diǎn)在全局通信時(shí)段非自身通信時(shí)隙進(jìn)入休眠狀態(tài)，所有簇成員節(jié)點(diǎn)在全局通信時(shí)段及簇內(nèi)通信時(shí)段的非自身通信時(shí)隙時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)?？蛇x地，所述無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法還包括:建立簇后，若匯聚節(jié)點(diǎn)連續(xù)多次未收到簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播信息，則認(rèn)為簇頭節(jié)點(diǎn)失效；簇頭節(jié)點(diǎn)失效后，匯聚節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起簇頭節(jié)點(diǎn)的選舉，未成為簇頭節(jié)點(diǎn)的普通節(jié)點(diǎn)未入簇的普通節(jié)點(diǎn)重新開始競爭成為簇頭節(jié)點(diǎn)，即，在新的周期內(nèi)偵聽全局通信頻段，接收到匯聚節(jié)點(diǎn)的全局信標(biāo)幀后，以CSMA的方式在空閑時(shí)段發(fā)起請求以競爭成為簇頭節(jié)點(diǎn)，發(fā)起CSMA的時(shí)段在簇內(nèi)通信時(shí)段，發(fā)起的信道在全局通信頻段；當(dāng)新的簇頭確定后，重新建立自己的新簇?？蛇x地，在簇頭節(jié)點(diǎn)失效后，未入簇的普通節(jié)點(diǎn)重新開始競爭成為簇頭節(jié)點(diǎn)，包括如下步驟:在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，簇頭節(jié)點(diǎn)在全局通信時(shí)段依次按照自身分配的時(shí)隙廣播數(shù)據(jù)幀，若匯聚節(jié)點(diǎn)在連續(xù)多個(gè)周期未收到某個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播數(shù)據(jù)幀，則認(rèn)為此簇頭節(jié)點(diǎn)失效；若簇頭節(jié)點(diǎn)由于自身能量不足也可以在廣播數(shù)據(jù)幀中和簇內(nèi)信標(biāo)幀中主動添加請求失效信息；當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)和簇成員節(jié)點(diǎn)分別得知所述信息后，由匯聚節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起組網(wǎng)命令，簇成員節(jié)點(diǎn)變成普通節(jié)點(diǎn)，偵聽全局信道中匯聚節(jié)點(diǎn)的全局信標(biāo)幀，重新選舉出一個(gè)新的簇頭節(jié)點(diǎn)，其余普通節(jié)點(diǎn)則請求重新入簇?？蛇x地，當(dāng)簇成員節(jié)點(diǎn)失效時(shí),簇頭節(jié)點(diǎn)將之前分配給失效的所述簇成員節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙收回，并在下一周期的簇內(nèi)信標(biāo)幀中將所述時(shí)隙定為空時(shí)隙。可選地，選擇簇頭節(jié)點(diǎn)并為其分配全局通信時(shí)隙以及簇內(nèi)通信子信道，包括如下步驟:匯聚節(jié)點(diǎn)啟動后的第一個(gè)時(shí)隙在全局通信頻段內(nèi)周期性的廣播全局信標(biāo)幀，所述全局信標(biāo)幀中包含有同步信息、匯聚節(jié)點(diǎn)轄屬的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)及其對應(yīng)的子信道和通信時(shí)隙，其中，網(wǎng)絡(luò)中允許的最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N、每個(gè)子信道頻率f 以及一個(gè)周期所包含的通信時(shí)隙數(shù)目T是預(yù)先設(shè)定的，所述通信時(shí)隙包括已被占用的通信時(shí)隙和空閑的通信時(shí)隙；除匯聚節(jié)點(diǎn)之外，所有的其他節(jié)點(diǎn)第一次醒來后偵聽信道，若接收到所述匯聚節(jié)點(diǎn)的全局信標(biāo)幀，根據(jù)所述全局信標(biāo)幀內(nèi)的信息判斷網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)是否達(dá)到了最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)；若判斷得到網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到了最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)，則節(jié)點(diǎn)以目前的同步算法做同步處理，然后繼續(xù)偵聽；若判斷得到網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)還未達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)，則在空閑時(shí)段以CSMA的方式發(fā)送請求幀以競爭成為簇頭節(jié)點(diǎn)，所述請求幀中包含節(jié)點(diǎn)的剩余能量；匯聚節(jié)點(diǎn)接收到所述請求幀并 記錄，查看目前已確定的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目n是否達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N，并在得到目前已確定的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目n沒有達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N的情況下，從中選擇剩余能量最多的(N-n)個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)并按照接收順序?yàn)槠浞峙?N-n)個(gè)全局通信時(shí)隙以及子信道，并在下一周期廣播的全局信標(biāo)幀中包含此信息?？蛇x地，所述無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法還包括:節(jié)點(diǎn)在發(fā)出成為簇頭節(jié)點(diǎn)的請求后，在下一周期中偵聽到的全局信標(biāo)幀中，若發(fā)現(xiàn)沒有包含自己成為簇頭節(jié)點(diǎn)的信息，則表示競爭簇頭節(jié)點(diǎn)失敗；節(jié)點(diǎn)再根據(jù)全局信標(biāo)幀中的信息判斷簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目是否已達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)，若判斷得到目前已確定的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目n已達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N，則放棄競爭，繼續(xù)偵聽信道，準(zhǔn)備在簇內(nèi)通信時(shí)段請求入簇；若判斷得到目前已確定的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目n沒有達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N，則繼續(xù)在所述周期內(nèi)以CSMA的方式發(fā)送請求幀以競爭成為簇頭節(jié)點(diǎn)?？蛇x地，確定每個(gè)簇的簇成員節(jié)點(diǎn)并為其分配簇內(nèi)通信時(shí)隙，包括如下步驟:簇頭節(jié)點(diǎn)在匯聚節(jié)點(diǎn)廣播全局信標(biāo)幀后，在其分配到的全局通信時(shí)隙內(nèi)廣播包含額外信息的數(shù)據(jù)幀，其中額外信息包括本簇的簇內(nèi)通信時(shí)段以及通信子信道；競爭簇頭節(jié)點(diǎn)失敗的普通節(jié)點(diǎn)接收到簇內(nèi)信標(biāo)幀后，選擇接收到信號強(qiáng)度最強(qiáng)的簇頭節(jié)點(diǎn)作為自己的簇頭節(jié)點(diǎn)，并以CSMA的方式發(fā)起競爭入簇的請求；簇頭節(jié)點(diǎn)接收到普通節(jié)點(diǎn)的入簇請求后,根據(jù)接收請求的順序，依次將簇內(nèi)通信時(shí)隙分配給簇成員節(jié)點(diǎn)，并在下一周期廣播簇內(nèi)信標(biāo)幀時(shí)加入組播應(yīng)答信號信息，若簇內(nèi)通信時(shí)隙已經(jīng)分配完畢，則在組播信息告知請求節(jié)點(diǎn)所述簇頭節(jié)點(diǎn)轄屬的簇成員節(jié)點(diǎn)已滿員；若普通節(jié)點(diǎn)在發(fā)出入簇請求后，在下一周期繼續(xù)偵聽簇內(nèi)信標(biāo)幀，分析所述簇內(nèi)信標(biāo)幀中的組播應(yīng)答信號信息，若得知請求簇成員節(jié)點(diǎn)成功，則按照分配到的時(shí)隙上傳分組；若請求簇成員節(jié)點(diǎn)失敗，查看簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙數(shù)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(jié)點(diǎn)的全局信標(biāo)幀，從中選擇還有空閑時(shí)隙的簇頭，并在空閑時(shí)隙內(nèi)以CSMA的方式繼續(xù)請求入簇；若所有簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙都已分配完畢，則所述普通節(jié)點(diǎn)不再發(fā)出入簇請求，而是在每個(gè)全局通信時(shí)段保持偵聽匯聚節(jié)點(diǎn)的全局信標(biāo)幀，直到發(fā)現(xiàn)有空閑時(shí)隙的簇頭節(jié)點(diǎn)并隨后發(fā)起入簇請求。本發(fā)明提供的無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，利用CSMA、TDMA與多信道技術(shù)相結(jié)合的方式依序完成簇頭節(jié)點(diǎn)及其全局通信時(shí)隙的確定和每一個(gè)簇中各個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)及其簇內(nèi)通信時(shí)隙的確定，減少了每一個(gè)簇的形成時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)，并保證簇成員節(jié)點(diǎn)在固定的不同時(shí)隙上傳數(shù)據(jù)，不會發(fā)生簇內(nèi)的數(shù)據(jù)碰撞；而多信道技術(shù)的應(yīng)用使得多個(gè)簇可以在同一時(shí)段內(nèi)在不同的子信道上通信，互不干擾，減少了全網(wǎng)組網(wǎng)的時(shí)間以及每個(gè)簇?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)。


圖1為本發(fā)明無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法在一個(gè)實(shí)施方式中的流程示意圖。圖2a至2d為本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)從初始化到組網(wǎng)的變化示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn):在現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，由于需要組網(wǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)是密集分布的，節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，節(jié)點(diǎn)之間容易互相干擾，在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，很容易因?yàn)闆_突碰撞而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包丟失并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的組成需要耗費(fèi)相當(dāng)長的一段時(shí)間，同時(shí)形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也極不穩(wěn)定，在通信過程中也會因此而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嗉熬W(wǎng)絡(luò)的重組，額外消耗了大量的能量。因此，本發(fā)明提出了一種基于時(shí)隙CSMA、TDMA與多信道技術(shù)相結(jié)合的無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，從而解決密集分部的大量節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)初始化階段組網(wǎng)時(shí)發(fā)生的碰撞及相關(guān)的時(shí)隙分配問題。下面結(jié)合圖示更完整的描述本發(fā)明，本發(fā)明提供的優(yōu)選實(shí)施例，但不應(yīng)被認(rèn)為僅限于在此闡述的實(shí)施例中。參考圖是本發(fā)明的示意圖，圖中的表示只是示意性質(zhì)的，不應(yīng)該被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。圖1為本發(fā)明無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法在一個(gè)實(shí)施方式中的流程示意圖。如圖1所示，所述組網(wǎng)方法適用于傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布的無線傳感網(wǎng)中，無線傳感網(wǎng)可以應(yīng)用于例如智能家居、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)控制、野外勘探、軍事偵察等多種場景中。以下結(jié)合圖1對上述組網(wǎng)方法進(jìn)行詳細(xì)描述。需說明的是，在本實(shí)方式中，假定無線傳感網(wǎng)是以信標(biāo)(beacon)模式工作，并采用超幀結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。首先，確定匯聚(Sink)節(jié)點(diǎn)(在以下描述中，以Sink節(jié)點(diǎn)作為匯聚節(jié)點(diǎn)的簡稱)轄屬的簇頭節(jié)點(diǎn)及其數(shù)目。傳感網(wǎng)中允許的最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N、每個(gè)子信道頻率f以及一個(gè)周期所包含的通信時(shí)隙數(shù)目T是預(yù)先設(shè)定的，所述通信時(shí)隙包括已被占用的通信時(shí)隙和空閑的通信時(shí)隙。現(xiàn)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中允許的最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目為6 (即N = 6)，并確定一個(gè)超幀為20時(shí)隙，這樣，一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)最多掛載12(20-1-6-1 = 12)個(gè)普通節(jié)點(diǎn)。第I個(gè)周期:(1-1)、上電后，Sink節(jié)點(diǎn)在第一個(gè)時(shí)隙開始發(fā)出用于全網(wǎng)同步的全局信標(biāo)幀。在本實(shí)施方式中，全局信標(biāo)幀的結(jié)構(gòu)如下表所示:
權(quán)利要求
1.一種適用于傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布的無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，其特征在于，包括如下步驟: 簇頭節(jié)點(diǎn)及其全局通信時(shí)隙的確定:網(wǎng)絡(luò)以信標(biāo)模式工作，采用超幀結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；匯聚節(jié)點(diǎn)首先以廣播全局信標(biāo)幀來進(jìn)行全網(wǎng)同步，然后根據(jù)請求節(jié)點(diǎn)的剩余能量確定簇頭節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)接收到的請求順序?yàn)槊恳粋€(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)依次分配全局通信時(shí)隙及其簇內(nèi)通信子信道； 簇成員節(jié)點(diǎn)及其簇內(nèi)通信時(shí)隙的確定:在確定簇頭節(jié)點(diǎn)后，各個(gè)所述簇頭節(jié)點(diǎn)廣播自身的子信道信息和空閑時(shí)隙情況；未成為簇頭節(jié)點(diǎn)的普通節(jié)點(diǎn)偵聽所有簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播信息，選擇接收信號強(qiáng)度最強(qiáng)的廣播信息所對應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)，并向那一個(gè)所述簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求幀以請求入簇，所述簇頭節(jié)點(diǎn)最先接收到請求后確定簇成員節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)接收到的請求順序?yàn)槊總€(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)分配簇內(nèi)通信時(shí)隙；在某一個(gè)所述普通節(jié)點(diǎn)競爭入簇失敗后，繼續(xù)在下一周期偵聽全局通信頻段，重新選擇其他的簇頭節(jié)點(diǎn)競爭入簇； 當(dāng)簇建立完成且網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，所有簇頭節(jié)點(diǎn)在全局通信時(shí)段非自身通信時(shí)隙進(jìn)入休眠狀態(tài)，所有簇成員節(jié)點(diǎn)在全局通信時(shí)段及簇內(nèi)通信時(shí)段的非自身通信時(shí)隙時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，其特征在于，還包括: 建立簇后，若匯聚節(jié)點(diǎn)連續(xù)多次未收到簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播信息，則認(rèn)為簇頭節(jié)點(diǎn)失效；簇頭節(jié)點(diǎn)失效后，匯聚節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起簇頭節(jié)點(diǎn)的選舉，未成為簇頭節(jié)點(diǎn)的普通節(jié)點(diǎn)未入簇的普通節(jié)點(diǎn)重新開始競爭成為簇頭節(jié)點(diǎn)，即，在新的周期內(nèi)偵聽全局通信頻段，接收到匯聚節(jié)點(diǎn)的全局信標(biāo)幀后，以CSMA的方式在空閑時(shí)段發(fā)起請求以競爭成為簇頭節(jié)點(diǎn)，發(fā)起CSMA的時(shí)段在簇內(nèi)通信時(shí)段，發(fā)起的信道在全局通信頻段；當(dāng)新的簇頭確定后，重新建立自己的新簇。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，其特征在于，在簇頭節(jié)點(diǎn)失效后，未入簇的普通節(jié)點(diǎn)重新開始競爭成為簇頭節(jié)點(diǎn)，包括如下步驟: 在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，簇頭節(jié)點(diǎn)在全局通信時(shí)段依次按照自身分配的時(shí)隙廣播數(shù)據(jù)幀，若匯聚節(jié)點(diǎn)在連續(xù)多個(gè)周期未收到某個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播數(shù)據(jù)幀，則認(rèn)為此簇頭節(jié)點(diǎn)失效；若簇頭節(jié)點(diǎn)由于自身能量不足也可以在廣播數(shù)據(jù)幀中和簇內(nèi)信標(biāo)幀中主動添加請求失效信息； 當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)和簇成員節(jié)點(diǎn)分別得知所述信息后，由匯聚節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起組網(wǎng)命令，簇成員節(jié)點(diǎn)變成普通節(jié)點(diǎn)，偵聽全局信道中匯聚節(jié)點(diǎn)的全局信標(biāo)幀，重新選舉出一個(gè)新的簇頭節(jié)點(diǎn)，其余普通節(jié)點(diǎn)則請求重新入簇。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，其特征在于，當(dāng)簇成員節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)將之前分配給失效的所述簇成員節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙收回，并在下一周期的簇內(nèi)信標(biāo)幀中將所述時(shí)隙定為空時(shí)隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，其特征在于，選擇簇頭節(jié)點(diǎn)并為其分配全局通信時(shí)隙以及簇內(nèi)通信子信道，包括如下步驟: 匯聚節(jié)點(diǎn)啟動后的第一個(gè)時(shí)隙在全局通信頻段內(nèi)周期性的廣播全局信標(biāo)幀，所述全局信標(biāo)幀中包含有同步信息、匯聚節(jié)點(diǎn)轄屬的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)及其對應(yīng)的子信道和通信時(shí)隙，其中，網(wǎng)絡(luò)中允許的最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N、每個(gè)子信道頻率f以及一個(gè)周期所包含的通信時(shí)隙數(shù)目T是預(yù)先設(shè)定的，所述通信時(shí)隙包括已被占用的通信時(shí)隙和空閑的通信時(shí)隙； 除匯聚節(jié)點(diǎn)之外，所有的其他節(jié)點(diǎn)第一次醒來后偵聽信道，若接收到所述匯聚節(jié)點(diǎn)的全局信標(biāo)幀，根據(jù)所述全局信標(biāo)幀內(nèi)的信息判斷網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)是否達(dá)到了最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)；若判斷得到網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到了最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)，則節(jié)點(diǎn)以目前的同步算法做同步處理，然后繼續(xù)偵聽；若判斷得到網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)還未達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)，則在空閑時(shí)段以CSMA的方式發(fā)送請求幀以競爭成為簇頭節(jié)點(diǎn)，所述請求幀中包含節(jié)點(diǎn)的剩余能量； 匯聚節(jié)點(diǎn)接收到所述請求幀并記錄，查看目前已確定的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目n是否達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N，并在得到目前已確定的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目n沒有達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N的情況下，從中選擇剩余能量最多的(N-n)個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)并按照接收順序?yàn)槠浞峙?N-n)個(gè)全局通信時(shí)隙以及子信道，并在下一周期廣播的全局信標(biāo)幀中包含此信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，其特征在于，還包括: 節(jié)點(diǎn)在發(fā)出成為簇頭節(jié)點(diǎn)的請求后，在下一周期中偵聽到的全局信標(biāo)幀中，若發(fā)現(xiàn)沒有包含自己成為簇頭節(jié)點(diǎn)的信息，則表示競爭簇頭節(jié)點(diǎn)失??；節(jié)點(diǎn)再根據(jù)全局信標(biāo)幀中的信息判斷簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目是否已達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)，若判斷得到目前已確定的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目n已達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N，則放棄競爭，繼續(xù)偵聽信道，準(zhǔn)備在簇內(nèi)通信時(shí)段請求入簇；若判斷得到目前已確定的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目n沒有達(dá)到最大簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目N，則繼續(xù)在所述周期內(nèi)以CSMA的方式發(fā)送請求幀以競爭成為簇頭節(jié)點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，其特征在于，確定每個(gè)簇的簇成員節(jié)點(diǎn)并為其分配簇內(nèi)通信時(shí)隙，包括如下步驟: 簇頭節(jié)點(diǎn)在匯聚節(jié)點(diǎn)廣播全局信標(biāo)幀后，在其分配到的全局通信時(shí)隙內(nèi)廣播包含額外信息的數(shù)據(jù)幀，其中額外信息包括本簇的簇內(nèi)通信時(shí)段以及通信子信道； 競爭簇頭節(jié)點(diǎn)失敗的普通節(jié)點(diǎn)接收到簇內(nèi)信標(biāo)幀后，選擇接收到信號強(qiáng)度最強(qiáng)的簇頭節(jié)點(diǎn)作為自己的簇頭節(jié)點(diǎn)，并以CSMA的方式發(fā)起競爭入簇的請求； 簇頭節(jié)點(diǎn)接收到普通節(jié)點(diǎn)的入簇請求后,根據(jù)接收請求的順序,依次將簇內(nèi)通信時(shí)隙分配給簇成員節(jié)點(diǎn)，并在下一周期廣播簇內(nèi)信標(biāo)幀時(shí)加入組播應(yīng)答信號信息，若簇內(nèi)通信時(shí)隙已經(jīng)分配完畢，則在組播信息告知請求節(jié)點(diǎn)所述簇頭節(jié)點(diǎn)轄屬的簇成員節(jié)點(diǎn)已滿員； 若普通節(jié)點(diǎn)在發(fā)出入簇請求后，在下一周期繼續(xù)偵聽簇內(nèi)信標(biāo)幀，分析所述簇內(nèi)信標(biāo)幀中的組播應(yīng)答信號信息，若得知請求簇成員節(jié)點(diǎn)成功，則按照分配到的時(shí)隙上傳分組；若請求簇成員節(jié)點(diǎn)失敗，查看簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙數(shù)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(jié)點(diǎn)的全局信標(biāo)幀，從中選擇還有空閑時(shí)隙的簇頭，并在空閑時(shí)隙內(nèi)以CSMA的方式繼續(xù)請求入簇；若所有簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙都已分配完畢，則所述普通節(jié)點(diǎn)不再發(fā)出入簇請求，而是在每個(gè)全局通信時(shí)段保持偵聽匯聚節(jié)點(diǎn)的全局信標(biāo)幀，直到發(fā)現(xiàn)有空閑時(shí)隙的簇頭節(jié)點(diǎn)并隨后發(fā)起入簇請求。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，主要是利CSMA、TDMA與多信道技術(shù)相結(jié)合的方式依序完成簇頭節(jié)點(diǎn)及其全局通信時(shí)隙的確定、每一個(gè)簇中各個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)及其簇內(nèi)通信時(shí)隙的確定，減少了每一個(gè)簇的形成時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)，并保證多個(gè)簇可以在同一時(shí)段內(nèi)在不同的子信道上通信，互不干擾，減少了全網(wǎng)組網(wǎng)的時(shí)間以及每個(gè)簇?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)，而簇成員節(jié)點(diǎn)在固定的不同時(shí)隙上傳數(shù)據(jù)，不會發(fā)生簇內(nèi)的數(shù)據(jù)碰撞，為工程設(shè)計(jì)提供了一種切實(shí)可行的組網(wǎng)方法，能夠適用于傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布的無線傳感網(wǎng)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(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者于峰, 高丹, 張唯易, 張帥, 王晶, 張星 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所