CN101184005B

CN101184005B - 基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法

Info

Publication number: CN101184005B
Application number: CN2007100381319A
Authority: CN
Inventors: 沈杰; 姚道远; 黄河清; 马奎; 邢涛; 袁晓兵; 刘海涛
Original assignee: JIAXING WIRELESS SENSOR NETWORKS ENGINEERING CT CAS
Current assignee: JIAXING WIRELESS SENSOR NETWORKS ENGINEERING CT CAS
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: CN101184005A

Abstract

一种基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，包括以下步骤：M、簇内通信，簇成员将数据发送至簇头；N、簇间通信，即簇头间通信；当两个簇头处于同一虚拟簇时，该两个簇头在簇间通信时段进行数据交互，当两个簇头处于不同虚拟簇时，该两个簇头在虚拟簇间自适应通信时段进行数据交互，位于两个虚拟簇交界的簇头节点需要在一个超帧周期中设置所述虚拟簇间自适应通信时段，所述虚拟簇间自适应通信时段根据对方簇间通信时段的相对起始、结束时间，在本簇头超帧周期中的相应位置设定。本发明能很好的支持网络中的数据传输，且兼顾能量效率和网络规模的扩展性，对节点的时钟同步要求不高，适合在资源受限的传感器网络节点MAC层设计。

Description

基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法

适用于大规模随机布设无线传感器网络的传感数据通信、分级路由管理以及节点动态睡眠低能耗管理等，该通信方法主要在无线传感器网络的MAC层进行设计

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，特别涉及基于双重分簇的无线传感器网络自适应通信方法。

背景技术

随着传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器和网络开始大范围出现。无线传感器网络能够协作地实时检测、跟踪和采集网络布设区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行协同、融合处理，获得较为准确的结论，然后传送至用户。它在军事、环境监测、医疗卫生、工业自动化、公共安全等方面具有广泛的应用前景。微型传感器节点一般采用电池供电使得传感网的一大特点是能量受限，为了延长网络寿命首要考虑因素是提高能量效率，使节点在无需参与网络工作或获取传感数据时尽量进入睡眠状态。同时在网络生存期间，节点会动态的加入和离开网络，因此要求网络具有良好的可扩展性。传感器网络的另一个重要特点是应用特定性，为了提高上传数据信息熵和事件准确率，网络节点间常需要在局部区域内进行多类型传感器、多节点协同信息处理，并要求实现被监测区域的无缝覆盖。这一特点决定了无线传感器网络对数据传输时延在局部区域内要求较高，而经协同处理、融合后的高信息熵数据传输时延要求则略低。另外，无线传感器网络不依赖于固定的基础设施，网络节点要求具有自组织能力。

现有的Zigbee网络是工业界一种无线传感器网络解决方案，采用的是自下而上的分层设计方法，建立在无线个域网(WPAN)标准IEEE802.15.4基础。Zigbee网络适合低速率短距无线传输，但并没有针对传感网中特有的协同处理要求做专门的优化设计，同时对于无线传感器网络的节点能量受限性和流量突发性特点也缺乏系统优化设计，另外zigbee的集中式组网方式随着网络规模的增大实际组网性能会急剧下降，且网络扩展性差。IEEE802.15.4在MAC层定义了超帧和非超帧两种通信机制。在超帧管理机制中，超帧结构划分为信标帧时段(Beacon)、竞争接入时段(CAP)、调度接入时段(CFP)、不活跃时段(Inactive)，但该超帧结构不能很好的支持节点间的数据路由转发和协同处理，不活跃时段也缺乏自适应机制。

另外，现有专门针对无线传感器网络提出了多种以调度接入机制如时分多址接入(TDMA)和竞争接入机制如载波侦听多路访问(CSMA-CA)为基础的兼顾睡眠节能的MAC层协议。如较为著名的S-MAC协议提出了虚拟分簇的思想，即每个节点维护一种超帧调度机制，但从拓扑控制上来讲，仍是一种平面结构，因此无法有效支持大规模网络的需求，而且S-MAC本身在设计上存在着如：边界节点负担过重无有效轮换机制、无网络能量均衡机制、无法有效支持协同处理、数据传输时延受两跳限制等问题。

发明内容

缘此，本发明提一种基于双重分簇的无线传感器网络自适应通信方法，该自适应通信方法基于超帧管理机制在MAC层实现。在满足无线传感器网络特定应用的QoS要求的基础上，有效实现网络节点间低时延数据传输并节省网络能耗。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，包括以下步骤：

M、簇内通信，簇成员将数据发送至簇头；

N、簇间通信，即簇头间通信；当两个簇头处于同一虚拟簇时，该两个簇头在簇间通信时段进行数据交互，当两个簇头处于不同虚拟簇时，该两个簇头在虚拟簇间自适应通信时段进行数据交互，位于两个虚拟簇交界的簇头节点需要在一个超帧周期中设置所述虚拟簇间自适应通信时段，以保证和邻居虚拟簇的簇头节点间的正常通信。所述虚拟簇间自适应通信时段根据对方簇间通信时段的相对起始、结束时间，在本簇头超帧周期中的相应位置设定。

作为本发明的一种改进，当某一簇头与另一簇头处于不同虚拟簇并且与该另一簇头的簇间通信时段的相对起始、结束时间与该某一簇头的簇内通信时段存在重合区间时，则将该某一簇头的簇内通信时段在时间轴上进行位移至其休眠时段。

作为本发明的又一种改进，所述位移的相对距离为超帧调度周期T_sf减去簇内上行通信时段T_intra和簇间通信时段T_inter的值。

作为本发明的再一种改进，所述步骤N中，当簇头需要发送的数据长度小于某一门限L_Data或数据帧为广播帧时，则等待至最先到达的簇间通信时段，按CSMA-CA方式发送，如发送成功则完成本数据帧的发送；如发送不成功则在下一簇间通信时段继续以CSMA-CA方式直接发送，当重发次数超过门限值时，则丢弃该数据帧。

作为本发明的再一种改进，所述步骤N中，如果本数据帧为单播帧且长度大于某一门限L_Data时，采用RTS/CTS信道预约机制进行发送，具体包括以下步骤：

NO、簇头CH_j判断下一跳簇头CH_i是否位于同一虚拟分簇内：

如果是，CH_j在紧接的第一个簇间通信时段通过CSMA-CA方式发送RTS帧，转步骤N1；其中，所述RTS帧中包含下一跳节点地址CH_i、最终目的节点S_i地址、本次数据传输所需的时间T_k-data以及发送起始时刻t_m′；

如果否，CH_j在紧接的第一个虚拟簇间自适应通信时段通过CSMA-CA方式发送所述RTS帧，转步骤N1；

N1、当下一跳簇头CH_i收到该RTS帧时，向CH_j发送CTS帧，该CTS帧包括本次数据传输的时间起始时刻t_m和结束时刻t_n，其中时间起始t_m和结束时刻t_n根据收到的RTS帧中的起始时刻t_m′以及CH_i本地超帧结构中休眠时段的分布决定，即本次数据传输时段(t_m，t_n)为CH_i和CH_j的超帧结构中第一段长度为T_k-data的休眠重合时段；

N2、CH_j收到所述CTS帧后，在t_m时刻唤醒并发送数据帧DATA至CH_i；

N3、CH_i收到该数据帧后，延迟一个帧间保护时隙T_sift，向CH_j回复ACK帧。

作为本发明的再一种改进，所述步骤N3中，若发生数据帧或ACK帧丢失，则CH_j，CH_i不进行重发，在时刻t_n后进入休眠，再按超帧调度唤醒，转步骤N0。

作为本发明的再一种改进，在于：CH_j的除CH_i之外的簇头CHs_j收到RTS帧后，则立即进入休眠状态，按超帧调度唤醒。

作为本发明的再一种改进，CH_i的除CH_j之外的邻居簇头，收到CTS帧后，在(t_m，t_n)时段进入休眠状态，其余时间按超帧调度唤醒。

作为本发明的再一种改进，所述N1步骤中，当CH_i的下一跳簇头CH_k收到CTS帧时，CH_k根据该CTS帧中的数据传输时段设置信息判定，如果在该次数据传输完成后到达t_n时刻，CH_k 超帧结构的剩余休眠时间Δt′大于一次数据传输时间T_k-data，则CH_k在本次数据传输完毕时刻t_n自适应唤醒一段时间T_adaptive，和CH_i进行RTS/CTS交互，并进行数据传输，数据传输结束后进入休眠状态，按超帧调度唤醒。

作为本发明的再一种改进，如果Δt′小于一次数据传输时间T_k-data，则在时段(t_m，t_n)进入休眠状态，其余时间按超帧调度唤醒。

作为本发明的再一种改进，当CH_k根据CTS中数据传输起始时刻t_m，判定CH_k超帧结构中最先到达的簇间通信时段结束时刻t_k，如果t_m晚于t_k，则CH_k虽然未收到数据，但可利用CTS帧获得的信息预先和下一跳节点CH_l通过RTS/CTS帧交互进行发送预约，在该簇间通信时段中通过CSMA-CA方式发送RTS帧，RTS帧中包含下一跳节点地址CH_l、最终目的节点S_i地址、本次数据传输所需的时间T_k-data以及发送起始时刻t_m＂，CH_l接收该RTS帧的操作转步骤N0。

作为本发明的再一种改进，所述步骤M具体包括以下步骤：

设有物理簇C_i在网络值守阶段按超帧进行调度，当到达簇内邀请时隙起始时刻后，簇头CH_i根据上层协议设置决定本周期是否广播邀请帧，如果是，则在该时隙内在公共信道立刻发送邀请帧，如果不需要，CH_i在该时隙休眠；

当到达簇内同步时隙起始时刻后，簇头CH_i根据上层协议设置决定本周期是否广播簇内同步帧或其他下行帧，如果是，则在该时隙内在本簇信道上以较低功率立刻发送同步帧或下行控制帧，如果既要发送同步帧又要发送下行控制帧，则只发送其它下行帧，如果无需发送任何帧，CH_i在该时隙保持休眠，在该时隙内，簇成员保持唤醒侦听状态；

当进入随机竞争上行时段后，待发送簇成员节点CM_j按照时隙CSMA-CA方式将数据或上传至簇头CH_i，每次上传数据需要在整数个时隙内完成；

当到达非竞争上行时段的起始时刻后，各簇成员节点按照在簇内同步时隙收到的下行控制中的时隙预约信息，确定非竞争上行时段各时隙的配置，获得预约时隙的簇成员节点CM_i在对应的时隙将数据上传至簇头CH_i，如果没有收到预约时隙，或者在下行控制帧中表明没有节点预约非竞争上行时段时隙，各簇成员节点进入休眠时段，按正常超帧调度唤醒。

本发明提供的簇间自适应通信机制及超帧结构能很好的支持网络中的数据传输，且兼顾能量效率和网络规模的扩展性，对节点的时钟同步要求不高，适合在资源受限的传感器网络节点MAC层设计。

附图说明

图1为本发明一个完整的超帧结构；

图2为本发明簇内通信时段帧结构；

图3为本发明物理分簇控制流程图实施例；

图4本发明虚拟分簇流程图实施例；

图5为本发明虚拟簇间调度周期同步示意图；

图6为本发明虚拟簇间调度周期同步示意图；

具体实施方式

为方便本发明实施例的描述，先介绍本发明实施例中使用的超帧结构及各时段的属性参数。一个调度周期为一个超帧。如图1所示，一个完整的超帧T_sf包括如下时段：

簇间同步即同步时段T_sync，为簇头发送同步帧设置，在该时段内有一定的时间余量，使每次发送同步帧时按CSMA-CA机制发送。该时段可采用公共信道，较大级发射功率。

簇内通信时段T_inter，如图2所示，

主要分为簇内邀请时隙T_invite、簇内同步时隙T_{sync_pc}和簇内上行通信时段T_intra。簇成员在该时段内唤醒，在超帧的其他时段均处于休眠状态，以节省能耗。其中：

簇内邀请时隙T_invite，由簇头根据新成员节点加入网络的频繁度来决定邀请帧的发送间隔周期，当新加入节点侦听到邀请时隙后，即在随后的簇内通信时段申请加入该物理簇，该时隙采用公共信道，较低级发射功率。

簇内同步时隙T_{sync_pc}，为簇头和簇成员间同步和簇头下行帧而设置的，同步帧主要为了纠正时钟漂移而引起的簇头与各簇成员节点的时间偏差，下行帧主要包括一些命令控制及时隙预约等。该时隙采用本地信道，较低级发射功率。

簇内上行通信时段T_intra，主要为簇成员节点上行数据至簇头而设置，有两个主要时段：非竞争上行时段、随机竞争时段。非竞争上行时段中划分为若干时隙，由簇成员节点根据需要在上一个超帧周期的随机竞争上行时段向簇头进行预约，然后由簇头在本超帧的簇内同步时隙中通过时隙预约帧广播非竞争上行时段的使用情况。随机竞争上行时段由簇成员节点采用时隙CSMA-CA访问机制与簇头进行通信。簇内上行通信时段采用本地信道，较低级发射功率。

簇间通信时段T_inter，主要为同一虚拟簇内簇头间相互通信而设置，保证在虚拟簇内以较小的时延进行数据通信。若簇头CH_i只有一种调度周期，即CH_i邻居簇头均在同一虚拟分簇内，则簇间通信时段只要维护簇间通信时段即可。该时段采用公共信道，较大级发射功率。

虚拟簇间自适应通信时段T_inter-vc，主要为侦听邻居虚拟簇簇间通信而设置。当簇头CH_i位于两个虚拟簇交界时，即CH_i有邻居簇头位于另一个虚拟簇，则CH_i需要维护虚拟簇间自适应通信时段，而对于CH_i所有邻居簇头均在同一虚拟分簇内时，无需维护虚拟簇间自适应通信时段。该时段采用公共信道，较大级发射功率。

休眠时段T_sleep，如果簇头不在两个虚拟簇交界，则进入休眠节能状态，节点的通信模块均关闭。

上述各时段的长度存在如下：

T_sleep>T_intra>T_inter>T_inter-vc>T_sync>T_{sync_pc}>T_in vite。

一种基于双重分簇的无线传感器网络分布式拓扑控制方法，包括以下步骤：

A、物理分簇，确定各节点的簇头或簇成员身份，形成物理簇；如图3所示，具体包括以下步骤：

a1、节点上电启动后，扫描附近是否存在簇头；即扫描附近是否存在已经形成的物理簇；为了尽量加入网络中现有的物理簇，先在公共信道上扫描N_C个周期为T_sf的时长，通过检测簇头发出的邀请帧(Invite-Frame)，判别周围是否存在物理簇。N_C由新成员加入和节点移动频繁度以及网络生存时间等因素决定。如在物理簇建立初期N_C值较大，簇头会以较高的频率发送邀请帧，而在物理簇生存后期N_C值较小。T_sf即为周期调度表的时长。邀请帧中可包含如本簇周期调度表、本簇簇内通信所用信道、本簇成员饱和度等信息。如果周围已经存在物理簇，则进入步骤a3，否则转步骤a2；

a2、通过分布式竞争方式，选举出物理簇簇头，其余节点的身份标记为簇成员；该步骤具体可以是，节点周期性地发送(可采用现有技术中的载波侦听冲突避免多址接入方式，Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoid，CSMA-CA)包含自身基本属性和加权平均值信息的信息帧，同时侦听、接收簇头的信息帧，完成邻居发现和节点的局部信息收集，根据加权平均值的选举算法选举出物理簇簇头，其余节点的身份标记为簇成员。并且在确定各节点的簇头或簇成员身份之后，所述簇成员在所述簇头确立自己的周期调度策略后申请加入该物理簇，该物理簇的簇成员到该簇头均为一跳可达。具体可以采用如下方式实现：在扫描期间没有收到邀请帧，进入簇头竞争选举阶段，每个节点以T_h周期广播HELLO帧，同时收集簇头信息。HELLO帧中包含节点自身的加权平均值。节点通过接收簇头的HELLO帧来更新自身网络通信成本的加权平均值，更新后再通过HELLO帧进行广播。节点每次发送HELLO帧均采用CSMA-CA方式，此过程持续T_n后可达到局部节点信息一致性，T_n＝T_h*N_h，N_h为HELLO帧广播次数，N_h、T_h均可根据节点布设密度配置。其中，节点根据所收集的簇头加权平均值分布，使用的策略例如基于最小加权平均值算法选举确定簇头和簇成员，该策略可采用现有技术实现，在此省略对该部分的详细说明。

a3、以簇成员身份申请加入该簇头所在物理簇，并服从物理簇的周期时间调度策略。即节点收到邀请帧，并在随后的簇内通信时段向簇头发起加入请求，得到簇头许可后开始按该簇的周期调度表工作。

完成物理分簇后，簇成员虽已获知所在物理簇的簇头，但簇成员暂不正式向簇头申请加入物理簇，直至物理簇头确立自己的周期调度表，开始进入网络值守阶段。并且物理簇簇成员到簇头均为一跳可达。在此阶段，各节点发射功率设置在较低的水平，该功率水平从统计上保证节点具有一定数量的邻居数目即可。

B、虚拟分簇，物理簇簇头选举完成后，通过分布式竞争的方式，所述物理簇的簇头产生自身或遵从相邻簇簇头产生的周期调度表，使相邻物理簇的簇头组成周期性工作、休眠同步的虚拟分簇，并通过自适应通信机制实现所述簇头间的通信。虚拟簇并没有一个实际存在的簇头，而是指维护同一周期调度表的物理簇簇头形成的虚拟集合。在此阶段，各簇头发射功率设置在较高的水平，该功率水平从统计上保证每个簇头拥有合适的邻居簇头数目。簇头间交换周期调度表，即在同步帧中告知邻居簇头本地调度周期的相对起始时刻。所述虚拟分簇步骤B可具体采用图4所示的方式实现，具体描述如下：

b1、所述物理簇簇头确立身份后，同样可采用CSMA-CA方式侦听无线信道，在一段时间内扫描邻居簇头的包含周期调度表相对起始时刻信息的同步帧，例如扫描N个超帧调度周期T_sf，以发现周围已经存在虚拟分簇。以保证当网络进入值守阶段后，簇头在N个超帧调度周期T_sf中以较高的概率成功发送一次同步帧。如果扫描到，则转步骤b3，否则进入步骤b2；

b2、所述簇头判定是否已确立自身的周期调度表，如果是，则在下一调度周期进入网络职守阶段；否则，产生自身的周期调度表，并广播包含自身周期调度表相对起始时刻信息的同步帧；即以当前时间t_i为基准建立自己的周期调度表。在本调度周期T_sf的同步时段内(t_i，t_i+T_sync)以CSMA-CA方式向邻居簇头CHs_i和簇成员集CMs_i广播宣布本地周期调度表的同步帧；

b3、所述簇头接收该同步帧，判定是否已确立自身的周期调度表，如果是，则进入步骤b4，否则转步骤b5；

b4、所述簇头判定自身的周期调度表与接收到周期调度表是否相同，如果是，则进入步骤b6，否则转步骤b7；

b5、所述簇头遵从该接收到周期调度表，并广播包含自身周期调度表相对起始时刻信息的同步帧；即采用收到CH_k的周期调度表，设CH_k本调度周期的起始时刻为t_k，当前时刻为t，并在本调度周期剩余时段(t，t_k+T_sf)以CSMA-CA随机退避方式向邻居簇头CHs_i及簇内成员节点CMs_i广播自己的周期调度表，并在下一个调度周期开始时t_k+T_sf进入网络职守阶段；

b6、所述簇头记录并更新邻居簇头列表，该邻居簇头列表记录自身及邻居簇头的周期调度信息；即记录CH_k调度表簇间通信时段信息，然后根据接收到的周期调度表修改CH_i的周期调度表，设CH_i本调度周期的起始时刻为t_i当前时刻为t，并在本调度周期剩余时段(t，t_i+T_sf)以CSMA-CA方式向邻居簇头CHs_i及簇内成员节点CMs_i广播CH_i的周期调度表，并在下一个调度周期按新的时段划分进入网络值守阶段，该种情况表明簇头CH_i、CH_k处于两个虚拟簇的交界，两个簇头都需要知道对方的调度周期，并修改本地周期调度表，在超帧调度周期中预留时段来保持两个虚拟簇间的正常通信；

b7、所述簇头根据邻居簇头列表判定是否已存在和自身调度周期相同的邻居簇头，如果是，则进入步骤b8，否则转步骤b9；

b8、所述簇头根据接收周期调度表修正自身周期调度表，建立和该邻居簇头的簇间通信时段，更新邻居簇头列表，并广播包含自身周期调度表相对起始时刻信息的同步帧；

b9、所述簇头抛弃自身周期调度表，转步骤5。

C、网络值守，按照所述周期调度表以超帧方式进行周期性的同步、簇内通信、簇间通信和休眠调度。所述步骤C的周期性同步方法为，所述簇头以某一同步周期(例如各簇头CH_i以N个超帧调度周期T_sf为同步周期T_s＝N*T_sf，即在N_sync个超帧周期内成功发送一次同步帧)通过同步帧广播自身的周期调度表，所述邻居簇头通过该同步帧进行时间重同步，新建立的物理簇簇头通过扫描、接收该同步帧，服从现有虚拟分簇的周期调度表。

其中，由于在虚拟分簇阶段可能存在广播帧冲突等问题，从而导致邻居簇头不能成功交互周期调度表，即两个虚拟簇间无法正常通信；另外新建立的虚拟簇和邻近的虚拟簇由于周期调度表的不同，可能无法正常接收到对方的同步帧，为保证在网络值守期间能发现邻居虚拟簇的存在，保证网络的连通性，所述步骤C中可包括一邻居虚拟簇发现步骤，因为在网络值守阶段，簇头会以一定的同步周期间隔发送同步帧，因此各簇头在某一段期间内侦听一个同步周期，即可实现邻居虚拟簇的发现。所述侦听可以是连续侦听，在此同步周期内，簇头在所述超帧的休眠时段均保持侦听状态。即簇头CH_i连续工作一段较长的时间T_find，然后在一段紧接的长度为同步周期T_s的时间内，簇头CH_i在休眠时段均保持侦听唤醒状态，其他时段的工作机制保持不变。由于簇头的同步机制设置，在该时间范围内，各个簇头均会以较高的概率成功发送一次同步帧。因此，通过邻居虚拟簇发现机制，可发现邻居虚拟簇建立不同虚拟簇间的有效通信。T_find可根据应用要求以及邻居簇头数等进行动态调整。

其中，当网络值守工作时，可能会有新的节点加入网络，或者少数节点从一个物理簇移动到另一个物理簇，所述步骤C中还包括一新成员节点邀请步骤，在所述超帧的簇内通信时段设有邀请时隙，所述簇头以某一周期在邀请时隙发送邀请帧，新成员通过扫描该邀请帧，向所述簇头申请加入现有物理簇，并接受该物理簇的周期调度表。所述簇头发送邀请帧的周期性根据新成员加入和节点移动的频繁度确定。

上述方法流程在申请人的另一专利申请中有相同描述。与本发明本实施例——基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法相关的部分有：

在上述B虚拟分簇步骤中：当扫描N个超帧调度周期T_sf后，簇头CH_i如果没有监听到邻居簇头发送的同步帧，则以当前时间t_i为基准建立自己的周期调度表。然后在本调度周期T_sf的同步时段内(t_i，t_i+T_sync)以CSMA-CA方式向邻居簇头CHs_i和簇成员节点集CMs_i广播宣布本地周期调度表的同步帧。发送同步帧之后，簇头在接收到第一个邻居簇头CH_j的同步帧以前，会在每个调度周期的同步时段中广播同步帧，且在休眠时段暂不进入休眠状态。

如果簇头CH_i在所设N个超帧调度周期T_sf内或者宣布自己的周期调度表之前收到邻居簇头CH_j的周期调度表，则将CH_j的周期调度表设定为CH_i的周期调度表，设CH_i本调度周期的起始时刻为t_i当前时刻为t，然后在CH_i本调度周期的剩余时段中(t，t_i+T_sf)以CSMA-CA方式向邻居簇头CHs_i及簇成员节点CMs_i广播CH_i的周期调度表。若本调度周期结束仍在所设固定时间内，簇头CH_i则持续侦听至N个超帧调度周期T_sf结束，然后根据CH_i的调度周期进入网络值守时段；若所设N个超帧调度周期T_sf已经结束，则在下一个CH_i调度周期进入网络值守阶段。

簇头CH_i在选择或宣布了自己的周期调度表后，如果收到相邻簇头CH_k的同步帧，则分三种情况进行处理：

一、如果CH_k的周期调度表与自己的调度表相同，则记录该信息并更新邻居簇头表，在下一个调度周期开始进入网路值守阶段；

二、如果CH_k的周期调度表与自己的调度表不同，而且簇头CH_i没有收到过其他邻居簇头相同的调度表，则丢弃其当前本地周期调度表并采用刚接收到CH_k的周期调度表，设CH_k本调度周期的起始时刻为t_k，当前时刻为t，并在本调度周期剩余时段(t，t_k+T_sf)以CSMA-CA随机退避方式向邻居簇头CHs_i及簇内成员节点CMs_i广播自己的周期调度表，并在下一个调度周期开始时t_k+T_sf进入网络值守阶段；

三、如果簇头CH_i接收到CH_k的周期调度表与自己的调度表不同，而且CH_i已经收到过一个或以上邻居簇头相同的周期调度表，则记录CH_k调度表簇间通信时段信息，然后根据接收到的周期调度表修改CH_i本地的周期调度表，设CH_i调度周期的起始时刻为t_i，当前时刻为t，并在本调度周期剩余时段(t，t_i+T_sf)以CSMA-CA方式向邻居簇头CHs_i及簇内成员节点CMs_i广播CH_i的周期调度表，并在下一个调度周期按新的时段划分进入网络值守阶段。

第三种情况表明：簇头CH_i、CH_k处于两个虚拟簇的交界，两个簇头都需要知道对方的调度周期，并更新本地周期调度表，即在对方的簇间通信时段保持侦听状态，保正两个虚拟簇间的正常通信。更新方法有以下几种情况：

a)当CH_k簇间通信时段与CH_i的簇内通信时段存在重合区间时，将CH_i的簇内通信时段进行位移，位移相对距离为(T_sf-T_intra-T_inter)，位移如图5所示。

b)当CH_k簇间通信时段与CH_i的簇内通信时段不存在重合区间时，不需移动CH_i的簇内通信时段，只要在对方的簇间通信时段保持侦听状态即可，如图6所示。

簇成员节点CMs_i在簇头CH_i申明自己的周期调度表的下一个调度周期的簇内通信时段(t_i，t_i+t_intra)申请加入所在物理簇C_i，设t_i为CH_i下一个调度周期簇内通信时段的起始时刻。随后进入网络值守阶段，即在整个调度周期中，仅在簇内通信时段唤醒，与簇头进行必要的交互后，马上进入休眠状态。

对于物理簇内的通信(步骤M)，可采用现有技术实现，本发明实施例采用如下方法：

设有物理簇C_i在网络值守阶段按超帧进行调度，当到达簇内邀请时隙起始时刻后，簇头CH_i根据上层协议设置决定本周期是否广播邀请帧。如果是，则在该时隙内在公共信道以较低功率立刻发送邀请帧，如果不需要，CH_i在该时隙休眠。在该时隙内，簇成员节点无需唤醒。

当到达簇内同步时隙起始时刻后，簇头CH_i根据上层协议设置决定本周期是否广播簇内同步帧或下行控制帧。如果是，则在该时隙内在本簇信道Channel_i上以较低功率立刻发送同步帧或下行控制帧，如果既要发送同步帧又要发送下行控制帧，则发送下行控制帧。如果无需发送任何帧，CH_i在该时隙保持休眠。在该时隙内，簇成员节点保持唤醒侦听状态。

当进入随机竞争上行时段后，待发送簇成员节点CM_j按照时隙CSMA-CA方式将数据上传至簇头CH_i，每次上传数据在整数个时隙内完成。

当到达非竞争上行时段的起始时刻后，各簇成员节点按照在簇内同步时隙收到的时隙预约帧，确定非竞争上行时段各时隙的配置，获得预约时隙的簇成员节点CM_i在对应的时隙将数据上传至簇头CH_i。如果没有收到时隙预约帧，或者在时隙预约帧中表明没有节点申请非竞争上行时段，各簇成员节点进入随机竞争上传时段。

对于簇间自适应通信(步骤N)，采用以下方法：

簇间通信分同一虚拟簇内簇头间通信和不同虚拟簇簇头间通信两种情况。根据簇头是否位于相邻虚拟簇的边界，分别通过设置相应的时段监听是否有邻居簇头CH_j发送数据给本簇头CH_i。各簇头为保证能正确接收任意一个邻居簇头的数据帧，需要在簇间通信时段和虚拟簇间自适应通信时段均保持侦听状态，从节能设计考虑，该两个时段的长度较短，为RTS发送退避时间窗长度T_BO、CTS帧时长及帧间保护时隙T_sift之和。所有单播数据传输均通过在簇间通信时段或虚拟簇间自适应通信时段的RTS/CTS帧交互，预约收发双方最近的重合休眠段内进行数据传输和应答。簇间通信需要分以下几种不同的情况来决定传输。

所述步骤N中，当簇头CH_j有数据需要发送时，如果该数据帧的长度小于某一门限L_Data或数据帧为广播帧时，则等待至最先到达的簇间通信时段，按CSMA-CA方式发送，如发送成功则完成本数据帧的发送；如发送不成功则在下一超帧周期的簇间通信时段继续以CSMA-CA方式直接发送，当重发次数超过某一门限值N_ReTx时，则丢弃该数据帧。

所述步骤N中，当簇头CH_j有数据需要发送时，如果该数据帧为单播帧且长度大于某一门限L_Data时，为保证传输该数据的QoS及减少簇头的串音侦听，采用RTS/CTS信道预约机制进行发送，具体包括以下步骤：

N0、发送时，簇头CH_j判断下一跳簇头CH_i是否位于同一虚拟分簇内(可通过查找前述邻居簇头列表中否存在下一跳簇头CH_i得知)：

如果是，CH_j在紧接的第一个簇间通信时段通过CSMA-CA方式发送RTS帧，转步骤N1；其中，所述RTS帧中包含下一跳节点地址CH_i、最终目的节点S_i地址、本次数据传输所需的时间T_k-data以及发送起始时刻t_m′；T_k-data可根据数据帧长度L_Data、发送数据速率R_Data、帧间保护时隙T_sift以及ACK应答帧的时长等确定。t_m′为CH_j在超帧调度中当前时刻t起第一段时长为T_k-data的休眠时段的起始时刻。

N1、当下一跳簇头CH_i收到该RTS帧时，按超帧调度唤醒。而CH_j的除CH_i之外的簇头CHs_j收到RTS帧后，则立即进入休眠状态。下一跳簇头CH_i在延迟一个较短的帧间保护时隙T_sift后，立即向CH_j发送CTS帧，该CTS帧包括本次数据传输的时间起始时刻t_m、结束时刻t_n、该数据帧的最终目的节点S_i信息以及本次数据路由中CH_i的下一跳节点CH_k地址等；其中时间起始t_m和结束时刻t_n根据收到的RTS帧中的起始时刻t_m′以及CH_i本地超帧结构中休眠时段的分布决定，即本次数据传输时段(t_m，t_n)为CH_i和CH_j的超帧结构中第一段长度为T_k-data的休眠重合时段；其中，当CH_i的下一跳簇头CH_k收到CTS帧时，CH_k根据该CTS帧中的数据传输时段设置信息判定，如果在该次数据传输完成后到达t_n时刻，CH_k超帧结构的剩余休眠时间Δt′大于一次数据传输时间T_k-data，则CH_k在本次数据传输完毕时刻t_n自适应唤醒一段时间T_adaptive，和CH_i进行RTS/CTS交互，并进行数据传输，数据传输结束后进入休眠状态，按超帧调度唤醒。如果Δt′小于一次数据传输时间T_k-data，则在时段(t_m，t_n)进入休眠状态，其余时间按超帧调度唤醒。当CH_k根据CTS中数据传输起始时刻t_m，判定CH_k超帧结构中最先到达的簇间通信时段结束时刻t_k，如果t_m晚于t_k，则CH_k虽然未收到数据，但可利用CTS帧获得的信息预先和下一跳簇头CH_l通过RTS/CTS帧交互进行发送预约，在该簇间通信时段中通过CSMA-CA方式发送RTS帧，RTS帧中包含下一跳节点地址CH_l、最终目的节点Si地址、本次数据传输所需的时间T_k-data以及发送起始时刻t_m＂，否则不进行该步操作。CH_l接收该RTS帧的操作转步骤N0。

N3、CH_i收到该数据帧DATA后，延迟一个帧间保护时隙T_sift，向CH_j回复ACK帧。其中，若发生数据帧DATA或ACK帧丢失，则CH_j，CH_i不进行重发，在时刻t_n后进入休眠，按超帧调度唤醒，转步骤N0，即CH_j在下一个簇间通信期间重新发起数据帧通信。当CH_i的除CH_j之外的邻居簇头，收到CTS帧后，在(t_m，t_n)时段进入休眠状态，其余时间按超帧调度唤醒。

Claims

1.基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，其特征在于包括以下步骤：

M、簇内通信，簇成员将数据发送至簇头；

N、簇间通信，即簇头间通信；当两个簇头处于同一虚拟簇时，该两个簇头在簇间通信时段进行数据交互，当两个簇头处于不同虚拟簇时，该两个簇头在虚拟簇间自适应通信时段进行数据交互，所述虚拟簇间自适应通信时段根据对方簇间通信时段的相对起始、结束时间，在本簇头超帧周期中的相应位置设定；

所述相应位置是：当某一簇头与另一簇头处于不同虚拟簇并且与该另一簇头的簇间通信时段的相对起始、结束时间与该某一簇头的簇内通信时段存在重合区间时，则将该某一簇头的簇内通信时段在时间轴上进行位移至其休眠时段；

所述位移的相对距离为超帧调度周期T_sf减去簇内上行通信时段T_intra和簇间通信时段T_inter的值。

2.根据权利要求1所述的基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，其特征在于，所述步骤N中，当簇头需要发送的数据长度小于某一门限L_Data或数据帧为广播帧时，则等待至最先到达的簇间通信时段，按CSMA-CA方式发送，如发送成功则完成本数据帧的发送；如发送不成功则在下一簇间通信时段继续以CSMA-CA方式直接发送，当重发次数超过门限值时，则丢弃该数据帧。

3.根据权利要求1所述的基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，其特征在于，所述步骤N中，如果本数据帧为单播帧且长度大于某一门限L_Data时，采用RTS/CTS信道预约机制进行发送，具体包括以下步骤：

N0、簇头CH_j判断下一跳簇头CH_i是否位于同一虚拟分簇内：

如果是，CH_j在紧接的第一个簇间通信时段通过CSMA-CA方式发送RTS帧，转步骤N1；其中，所述RTS帧中包含下一跳节点地址CH_i、最终目的节点S_i地址、本次数据传输所需的时间T_k-data以及发送起始时刻t′_m；

N1、当下一跳簇头CH_i收到该RTS帧时，向CH_j发送CTS帧，该CTS帧包括本次数据传输的时间起始时刻t_m和结束时刻t_n，其中时间起始t_m和结束时刻t_n根据收到的RTS帧中的起始时刻t′_m以及CH_i本地超帧结构中休眠时段的分布决定，即本次数据传输时段(t_m，t_n)为CH_i和CH_j的超帧结构中第一段长度为T_k-data的休眠重合时段；

4.根据权利要求3所述的基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，其特征在于，所述步骤N3中，若发生数据帧或ACK帧丢失，则CH_j，CH_i不进行重发，在时刻t_n后进入休眠，再按超帧调度唤醒，转步骤N0。

5.根据权利要求3或4所述的基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，其特征在于：CH_j的除CH_i之外的簇头CHs_j收到RTS帧后，则立即进入休眠状态，按超帧调度唤醒。

6.根据权利要求3或4所述的基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，其特征在于：CH_i的除CH_j之外的邻居簇头，收到CTS帧后，在(t_m，t_n)时段进入休眠状态，其余时间按超帧调度唤醒。

7.根据权利要求3或4所述的基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，其特征在于，所述N1步骤中，当CH_i的下一跳簇头CH_k收到CTS帧时，CH_k根据该CTS帧中的数据传输时段设置信息判定，如果在该次数据传输完成后到达t_n时刻，CH_k超帧结构的剩余休眠时间Δt′大于一次数据传输时间T_k-data，则CH_k在本次数据传输完毕时刻t_n自适应唤醒一段时间T_adaptive，和CH_i进行RTS/CTS交互，并进行数据传输，数据传输结束后进入休眠状态，按超帧调度唤醒。

8.根据权利要求7所述的基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，其特征在于：如果Δt′小于一次数据传输时间T_k-data，则在时段(t_m，t_n)进入休眠状态，其余时间按超帧调度唤醒。

9.根据权利要求7所述的基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，其特征在于：当CH_k根据CTS中数据传输起始时刻t_m，判定CH_k超帧结构中最先到达的簇间通信时段结束时刻t_k，如果t_m晚于t_k，则CH_k虽然未收到数据，但可利用CTS帧获得的信息预先和下一跳节点CH_l通过RTS/CTS帧交互进行发送预约，在该簇间通信时段中通过CSMA-CA方式发送RTS帧，RTS帧中包含下一跳节点地址CH_l、最终目的节点S_i地址、本次数据传输所需的时间T_k-data以及发送起始时刻t″_m，CH_l接收该RTS帧的操作转步骤N0。

10.根据权利要求7所述的基于双重分簇无线传感器网络的自适应通信方法，其特征在于，所述步骤M具体包括以下步骤：

当到达非竞争上行时段的起始时刻后，各簇成员节点按照在簇内同步时隙收到的下行控制帧中的时隙预约信息，确定非竞争上行时段各时隙的配置，获得预约时隙的簇成员节点CM_i在对应的时隙将数据上传至簇头CH_i，如果没有收到预约时隙，或者在下行控制帧中表明没有节点预约非竞争上行时段时隙，各簇成员节点进入休眠时段，按正常超帧调度唤醒。