CN101252512B - 基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法，网络中各节点周期性地执行各自的任务调度，实现节点之间的通信。本通信调度方法的主要思想是，簇内通信方面，上层节点形成调度周期后，以周期性广播Beacon帧的形式通知下层节点，以便下层节点加入上层节点组建的簇以及维护与上层节点的时钟同步；簇间通信方面，由骨干节点负责路由建立和簇间数据传输。本通信调度方法通过簇内通信时段的划分和引入节点睡眠机制，有效的解决了簇间大功率通信对簇内通信的干扰以及节点过度空闲侦听的问题。本发明提出的通信调度方法，适用于相当一部分典型的无线传感网应用，同时可以作为其他无线传感网通信调度方法的扩展基础。

Description

基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别地，涉及一种无线传感网通信调度方法。

背景技术

无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。

许多研究表明，单一的拓扑结构只是侧重于无线传感网组网问题的某一个方面，总是存在一定的性能和功能上的不足。当前，在学术界和工业界都趋向于采用混合的拓扑结构，以结合不同拓扑结构的优点，得到更加优化的网络结构和组网方式。

Mesh结构的优点在于网络中的路由建立。

分簇的网络拓扑结构已经成为无线传感网研究的重要方向之一。在规模化的无线传感网中，分簇的网络结构在拓扑管理、能量效率方面都具有明显的优势。分簇的结构将大规模的网络划分为多个小规模的网络，从而降低了拓扑管理的难度。分簇结构中引入节点睡眠机制，可以有效实现节能。

骨干节点的大功率簇间通信会对簇内通信带来干扰；节点的睡眠会对网络的连通性带来负面影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，满足网络中各节点的通信的需要，本发明提供了一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法，无线传感网由骨干节点BB、簇头节点CH和簇成员节点CM组成；其中，BB之间是Mesh结构，BB与CH，CM之间是分簇结构，该方法包括以下步骤：

(4)形成BB节点超帧：BB节点形成自己的超帧，周期性广播携带有超帧信息的Beacon帧；

(5)形成CH节点超帧：CH节点收到BB的Beacon帧，申请加入BB组建的簇。CH被BB批准加入簇后，形成自己的超帧，周期性广播携带有簇内通信信息的Beacon帧；

(6)形成CM节点超帧：CM节点收到CH的Beacon帧，申请加入CH组建的簇。CM经CH批准加入簇后，形成自己的超帧。

本发明的有益效果是，

1.通过簇内通信时段的划分和引入节点睡眠机制，有效的解决了簇间大功率通信对簇内通信的干扰以及节点过度空闲侦听的问题。

2.本发明适用于相当一部分典型的无线传感网应用，同时可以作为其他无线传感网通信调度方法的扩展基础。

附图说明

图1是三类节点超帧结构示意图；其中，虚线表示该终点时刻可能因该时段的实际长度小于预设长度，或者时段的起始时刻前移，而向前移。

具体实施方式

本通信调度方法的主要思想是，簇内通信方面，上层节点形成调度周期后，以周期性广播Beacon帧的形式通知下层节点，以便下层节点加入上层节点组建的簇以及维护与上层节点的时钟同步；簇间通信方面，由骨干节点负责路由建立和簇间数据传输。

无线传感网由骨干节点(BB)、簇头节点(CH)和簇成员节点(CM)组成。其中，BB之间是Mesh结构，BB与CH，CM之间是分簇结构。

节点以超帧为周期组织通信的调度。网络中各节点形成自己的超帧，包括以下步骤：

一、形成BB节点超帧：BB节点形成自己的超帧，周期性广播携带有超帧信息的Beacon帧。

二、形成CH节点超帧：CH节点收到BB的Beacon帧，申请加入BB组建的簇。CH被BB批准加入簇后，形成自己的超帧，周期性广播携带有簇内通信信息的Beacon帧。

三、形成CM节点超帧：CM节点收到CH的Beacon帧，申请加入CH组建的簇。CM经CH批准加入簇后，形成自己的超帧。

经历上面3个阶段，网络中的节点将形成自己的超帧。从中可以看出，超帧的形成是一个由BB发起的，自上而下的过程。

下面对各个节点的超帧进行介绍。

1.BB的超帧

BB的超帧包括2个时段，它们依次是：Broadcast时段和Communication时段。

时段名称	任务描述
		Broadcast	以退避方式广播Beacon帧
Communication	路由建立和数据传输

2.CH的超帧

CH的超帧包括7个时段，它们依次是：Scan时段，Sync时段，Sleep(Sync与Broadcast之间)时段，Broadcast时段，Collect时段，Report时段，Sleep(Report之后到超帧周期结束)时段。

时段名称	任务描述
		Scan	扫描BB的Beacon帧
Sync	根据时戳信息，进行时钟同步计算
		Sleep(Sync与Broadcast之间)	处于节能状态
Broadcast	无冲突广播Beacon帧
		Collect	接收CM上报的数据包
Report	无冲突地向BB传输数据
		Sleep(Report之后到超帧周期结	处于节能状态

束)

3.CM的超帧

CM的超帧包括4个时段，它们依次是：Scan时段，Report时段，Sync时段，Sleep时段。

时段名称	任务描述
		Scan	扫描CH的Beacon帧
Report	以退避方式向CH传输数据
		Sync	根据时戳信息，进行时钟同步计算
Sleep	处于节能状态

本发明的超帧结构如附图1所示。图中以BB节点的超帧周期作为基准，解释了CH、CM的超帧结构关系。所有节点一个超帧周期的时间长度都相同，用符号T_Superframe表示。

超帧中各个时段的长度，由以下方法确定。

1.BB的超帧时段确定

BB的一个超帧周期包括2个时段，Broadcast时段和Communication时段。

一个超帧周期中第一个时段是Broadcast时段，其预设长度是T_Broadcast，该时段内BB节点以退避的方式向管理范围内的CH广播Beacon帧。Broadcast时段的实际长度取决于该超帧周期内BB成功广播Beacon帧需要的时间T₁。具体关系式如下：

$T_{\mathrm{BB}-\mathrm{Broadcast}}=\left\{\begin{array}{c}{T}_1,T_1<T_{\mathrm{Broadcast}}\\ T_{\mathrm{Broadcast}},T_1\&GreaterEqual;T_{\mathrm{Broadcast}}\end{array}\right..$

Broadcast时段结束后，是Communication时段。该时段内BB节点的任务包括路由建立和数据传输。Communication时段的长度是，

        T_{BB-Communication}＝T_Superframe-T_BB-Broadcast。

2.CH的超帧时段确定

CH的一个超帧周期包括了7个时段，Scan时段，Sync时段，Sleep(Sync与Broadcast之间)时段，Broadcast时段，Collect时段，Report时段，Sleep(Report之后到超帧周期结束)时段。

Scan时段用于扫描BB的Beacon帧，其长度等于BB的Broadcast时段的实际长度，即，

                T_CH-Scan＝T_BB-Broadcast。

Sync时段，CH启动时钟同步计算进程，根据计算结果调整本地时钟，保证与BB节点的时钟同步，其长度等于同步计算需要的时间，即，

                T_CH-Sync＝T_Sync。

CH的Broadcast时段的起点由BB节点指定，用符号t₁表示，同时用符号t₀表示Scan时段的预设终点。那么有下面的关系式成立，

    t₁-t₀＝n×(T_CH-Broadcast+T_CH-Collect+T_CH-Report)＞T_Sync。

Sleep(Sync与Broadcast之间)时段的长度用符号T_CH-Sleep1表示为，

    T_CH-Sleep1＝n×(T_CH-Broadcast+T_CH-Collect+T_CH-Report)-T_Sync

               +T_Broadcast-T_CH-Scan。

Broadcast时段，CH无冲突地广播Beacon帧，其长度等于发送Beacon帧需要的时间T_Beacon，即，

                T_CH-Broadcast＝T_Beacon。

Collect时段，CH接收来自CM的数据包，其长度用符号T_CH-Collect。

Report时段，CH无冲突地向BB发送数据包。假设CH发送数据包需要的时间为T_Data，那么有，

Sleep(Report之后到超帧周期结束)时段的长度用符号T_CH-Sleep2表示为，

    T_CH-Sleep2＝T_Superframe-T_CH-Scan-T_CH-Sync-T_CH-Sleep1

               -T_CH-Broadcast-T_CH-Collect-T_CH-Report。

3.CM的超帧时段确定

CM的一个超帧周期中包括4个时段Scan时段，Report时段，Sync时段，Sleep时段。

Scan时段，CM扫描CH的Beacon帧，其长度等于CH的Broadcast时段的长度，即，

            T_CM-Scan＝T_CH-Broadcast。

Report时段，CM以退避方式向CH发送数据包，其长度等于CH的Collect时段的长度，即，

其中T₂的计算，如果该超帧周期内，CM以退避方式成功发送一次数据包需要的时间为T₃，那么有，

$T_2=\left\{\begin{array}{c}{T}_3,T_3<T_{\mathrm{CH}-\mathrm{Collect}}\\ T_{\mathrm{CH}-\mathrm{Collect}},T_3\&GreaterEqual;T_{\mathrm{CH}-\mathrm{Collect}}\end{array}\right..$

Sync时段，CM启动时钟同步计算进程，根据结果调整本地时钟，保证与CH节点的时钟同步，其长度等于同步计算需要的时间，即，

            T_CM-Sync＝T_Sync

Sleep时段的长度，为

            T_CH-Sleep＝T_Superframe-T_CM-Scan-T_CM-Report-T_CM-Sync。

Claims (1)

1.一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法，其特征在于，无线传感网由骨干节点BB、簇头节点CH和簇成员节点CM组成；其中，BB之间是Mesh结构，BB与CH，CM之间是分簇结构，该方法包括以下步骤：

(1)形成BB节点超帧：BB节点形成自己的超帧，周期性广播携带有超帧信息的Beacon帧；

(2)形成CH节点超帧：CH节点收到BB的Beacon帧，申请加入BB组建的簇；CH被BB批准加入簇后，形成自己的超帧，周期性广播携带有簇内通信信息的Beacon帧；

(3)形成CM节点超帧：CM节点收到CH的Beacon帧，申请加入CH组建的簇；CM经CH批准加入簇后，形成自己的超帧；

BB节点超帧时段确定：

BB的一个超帧周期包括2个时段，Broadcast时段和Communication时段；一个超帧周期中第一个时段是Broadcast时段，其预设长度是T_Broadcast，该时段内BB节点以退避的方式向管理范围内的CH广播Beacon帧；Broadcast时段的实际长度取决于该超帧周期内BB成功广播Beacon帧需要的时间T₁；关系式如下：

$T_{\mathrm{BB}-\mathrm{Broadcast}}=\left\{\begin{array}{c}{T}_1,T_1<T_{\mathrm{Broadcast}}\\ T_{\mathrm{Broadcast}},T_1\&GreaterEqual;T_{\mathrm{Broadcast}}\end{array}\right.;$

Broadcast时段结束后，是Communication时段；该时段内BB节点的任务包括路由建立和数据传输；Communication时段的长度是，

T_{BB-Communication}＝T_Superframe-T_BB-Broadcast；

CH节点超帧时段确定：

CH的一个超帧周期包括了7个时段，Scan时段，Sync时段，Sleep时段，Broadcast时段，Collect时段，Report时段，Sleep时段；Scan时段用于扫描BB的Beacon帧，其长度等于BB的Broadcast时段的实际长度，即，

T_CH-Scan＝T_BB-Broadcast；

Sync时段，CH启动时钟同步计算进程，根据计算结果调整本地时钟，保证与BB节点的时钟同步，其长度等于同步计算需要的时间，即，

T_CH-Sync＝T_Sync；

CH的Broadcast时段的起点由BB节点指定，用符号t₁表示，同时用符号t₀表示Scan时段的预设终点；那么有下面的关系式成立，

t₁-t₀＝n×(T_CH-Broadcast+T_CH-Collect+T_CH-Report)＞T_Sync；

Sync与Broadcast之间的Sleep时段的长度用符号T_CH-Sleep1表示为，

T_CH-Sleep1＝n×(T_CH-Broadcast+T_CH-Collect+T_CH-Report)-T_Sync；

+T_Broadcast-T_CH-Scan

Broadcast时段，CH无冲突地广播Beacon帧，其长度等于发送Beacon帧需要的时间T_Beacon，即，

T_CH-Broadcast＝T_Beacon；

Collect时段，CH接收来自CM的数据包，其长度用符号T_CH-Collect；

Report时段，CH无冲突地向BB发送数据包；假设CH发送数据包需要的时间为T_Data，那么有，

Report之后到超帧周期结束的Sleep时段的长度用符号T_CH-Sleep2表示为，

T_CH-Sleep2＝T_Superframe-T_CH-Scan-T_CH-Sync-T_CH-Sleep1

-T_CH-Broadcast-T_CH-Collect-T_CH-Report；

CM节点超帧时段确定：

CM的一个超帧周期中包括4个时段Scan时段，Report时段，Sync时段，Sleep时段；

Scan时段，CM扫描CH的Beacon帧，其长度等于CH的Broadcast时段的长度，即，

T_CM-Scan＝T_CH-Broadcast；

Report时段，CM以退避方式向CH发送数据包，其长度等于CH的Collect时段的长度，即，

其中T₂的计算，如果该超帧周期内，CM以退避方式成功发送一次数据包需要的时间为T₃，那么有，

$T_2=\left\{\begin{array}{c}{T}_3,T_3<T_{\mathrm{CH}-\mathrm{Collect}}\\ T_{\mathrm{CH}-\mathrm{Collect}},T_3\&GreaterEqual;T_{\mathrm{CH}-\mathrm{Collect}}\end{array}\right.;$

Sync时段，CM启动时钟同步计算进程，根据结果调整本地时钟，保证与CH节点的时钟同步，其长度等于同步计算需要的时间，即，

T_CM-Sync＝T_Sync

Sleep时段的长度，为

T_CH-Sleep＝T_Superframe-T_CM-Scan-T_CM-Report-T_CM-Sync。

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