CN101282291B - 无线分簇传感网的信息分流通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线分簇传感网的信息分流通信方法，为同时存在聚合性和非聚合性两种不同类型数据的应用环境提供有效的信息传输方式；本发明将多频点通信与分簇网络拓扑相结合，以簇内节点参与通信的方式，建立了两个数据通道，融合型数据通道和非融合型数据通道，融合型数据通道采用簇头-簇头的传输方式，可同时进行控制信息的传输，非融合型数据通道采用簇成员-簇成员的传输方式。二者之间的传输互不干扰，即在进行融合型数据和控制信息传输的同时，还可进行非融合型数据的传输，两种通信方式的选择由信息聚合因子决定。

Description

无线分簇传感网的信息分流通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种无线分簇传感网的信息分流通信方法。 

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，其综合了传感器技术、嵌人式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并将该些信息通过无线方式予以发送，同时还能以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通，因此，传感器网络具有十分广阔的应用前景，尤其在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。 

无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点(Sink node)两大类。大量具有无线传输能力的传感节点由电池供电，随机部署在监测区域内，通过自组织方式构成网络。传感节点将兴趣事件通过节点间多跳方式上传至Sink，在上传过程中传感数据可能与其他节点进行协同或融合处理，从而达到提高上传信息熵和降低网络负载的目的。Sink在收集目标区域的信息后通过互联网络或卫星发送至终端用户或网络数据库。为了更好的实现信息融合，目前大多情况下采用分簇网络拓扑来进行信息的传递。与平面网络相比，分簇网络在数据融合、节能、网管、吞吐量等方面都具有明显的优势，已经成为设计和部署大规模无线传感器网络的一种重要方法。 

典型的分簇网络拓扑如图所示。相互靠近的节点被分为小的分组，称为簇。每个簇有一个协调者，称为簇头。簇可理解为两层结构，簇头为上层结构，簇  成员为下层结构。图中给出典型的信息传输上报方式。簇成员将数据信息上报给相应簇头，簇头通过其他簇头将信息汇聚至中心节点。由于簇头节点经常进行更远距离的传输，和其他成员节点相比而言具有更多的能量消耗。通常情况下，采用重新建簇来选择能量充足的节点来作为簇头，从而可将负载均衡的分散于各个节点。除获得能量有效性外，簇减少了信道抢占和包冲突，使在高负载情况下的表现更好，能够有效延长网络生命周期。 

在传输过程中不断进行数据融合，从而减少数据流量，被认为是传感网的主要特点之一，是分簇架构得以广泛接受的基础。但MAC层是否能够进行数据融合以及如何进行数据融合是目前研究较少的领域，还没有成熟的研究成果。实际上，在不同应用需求下，信息的可融合性有待考虑。 

特别地，观察如图所示的应用模型。以典型的入侵探测为例进行说明，当目标进入WSN布设区域时，随机散布的节点1，2，5，3，7将依次探测到目标。对于用户而言，处于检测态时，需要获得的基本的信息为目标报警、目标类型及目标运行轨迹等。此时，节点1，2，5，3，7上传的原始信息为目标触发、经模式识别后的目标类型，本身信息量较小，且由于该信息均针对同一目标，信息高度相关，可在传输过程中通过信息融合方式汇集。如节点1，2的原始信息汇集后为目标触发，目标类型(经融合后提高了识别概率)，目标轨迹(通过节点1，2)，更多节点的汇集结果与此类似，目标触发，目标类型(识别概率进一步提高)，目标轨迹(1，2，5，3，7…)，最终传输到用户端的信息和原始信息在传输数据量上相去不远。而用户在收到该融合后的报警信息时，若对某个节点处的直接信息感兴趣，如需观察图像探测器拍得的目标图片信息时，信息的传输模式和上述情况存在着完全的不同，该信息量较大，且在传输过程中无法与其他信息进行融合处理。 

在上述典型应用中存在两种情况：数据聚合和数据非聚合情况。即汇聚到簇头节点的聚合因子α是不一样的。α较大时数据间的相关程度高，聚合后的数据量就越小，适合采用分簇网络构架。但对于α较小的非信息融合模型，分簇网络构架的信息传输的高效性值得考虑。此时汇聚到簇头处的信息量较大，而基于所有节点相同的考虑，采用簇头作为信息上传的主要途径将造成较大的时延，且加大簇头的开销。而在分簇拓扑下，所有上层协议均以簇为单位建立，为非融合模型来设立专门的传输途径又开销太大。 

同时，非聚合型数据和聚合型数据的传输要求还是不一致的。无线传感网中基本的MAC协议采用工作休眠机制来进行能量的节省，通过在休眠过程中将  待传输信息累积的方式来减少工作和侦听等待的时间，这对聚合型数据是恰当的，聚合型数据在传输过程中，通过休眠态的等待，可以获得更多的可聚合信息，从而减小下一节点处需要传输的信息量，但该协议对于非聚合型数据是不恰当的，非聚合型数据信息量较大，采用工作休眠机制时，该工作机制带来的时延将成为一个不可忽视的问题，传输过程中的等待延迟将被累加，且不会带来任何传输增益，所以希望其睡眠延迟开销越小越好。 

综上所述，对于存在着聚合型和非聚合性两种不同类型的数据的应用情况，典型的无线传感网分簇网络拓扑将难以满足信息传递要求，需要在此基础上建立新的有效传输方式。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无线分簇传感网的信息分流通信方法。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无线分簇传感网的信息分流通信方法，包括以下步骤： 

(1)系统完成簇的建立，簇头处收集了簇成员节点的ID信息和地理位置信息； 

(2)系统通过簇头完成路由的建立，信息从某个簇被发起时，经由簇头为信息传递媒介时，其到达sink节点的路径已确知； 

(3)当发起簇发起一个信息上报时，根据信息的聚合因子选择不同的上报方式； 

(4)簇头处的信息传递基于工作休眠机制进行； 

(5)通信物理层具有多个可选频点，可选择某一频点进行通信；当存在多个信息同时上报，或待传送信息量较大的情况时，多个簇成员节点工作在不同频点，同时进行信息传输。 

本发明的有益效果是：在无线传感网分簇网络拓扑下，为同时存在聚合性和非聚合性两种不同类型数据的应用环境提供有效的信息传输方式。 

附图说明

图1为不同通信模式构造的信息传输通道框图， 

图2为信息分流流程示意图， 

图3为通信模式一示意图， 

图4为通信模式二示意图， 

图5为休眠唤醒协议下固定帧长与传输延时示意图， 

图6为不同情况下簇头与簇成员能耗对比示意图， 

图7为不同传输方式下聚合因子对簇头/整簇能耗的影响示意图， 

图8为不同种类簇头在不同情况下的能耗开销示意图， 

图9为小信息量下不同传输模式的时间耗费随信息量的变化示意图， 

图10为大信息量下不同传输模式的时间耗费随信息量的变化示意图， 

图11为不同传输方式耗费时间示意图， 

图12为不同参数对切换点判决值的影响示意图。 

图13为收发能耗对判决值的影响图， 

具体实施方式

本发明的主要思想为将多频点通信与分簇网络拓扑相结合，以簇内节点参与通信的方式，建立了两个数据通道，融合型数据通道和非融合型数据通道。融合型数据通道采用簇头-簇头的传输方式，可同时进行控制信息的传输。非融合型数据通道采用簇成员-簇成员的传输方式。二者之间的传输互不干扰。即在进行融合型数据和控制信息传输的同时，还可进行非融合型数据的传输，两种通信方式的选择由信息聚合因子决定。如图所示。 

                 关于上述通信方式的几点说明： 

1、依据信息(数据)流量自适应选择通信方式。传感网由于用户的特殊需求及传输信息的多样化，信息的融合程度不同，信息传输流量存在较大的差异。采用该方式可兼容不同的信息(数据)流量要求。 

2、自适应选择实际参加信息传输的簇成员数。由簇头根据信息量的大小和系统的时延要求来自适应选择，最大即为全部簇成员。 

3、可降低节点休眠对网络传输时延的影响。由于簇头控制的信息量较小，传递较快，且预知信息量大小和本跳跳数，可设置簇成员节点工作于相应的时段，保证传输的顺畅性，从而使休眠周期对传输基本不造成影响。 

4、另辟蹊径达到簇内能耗均衡。在α＜β模式下，簇头节点是主要的能量消耗点，而α＞β模式下，簇成员替代簇头节点成为主要的能量消耗点，二者间的切换有  利于保持整体能量耗费的均衡，减少了簇头轮换的协议开销。 

一、具体实施步骤 

1)系统完成簇的建立，簇头处收集了簇成员节点的ID信息和地理位置信息(若可能的话)； 

2)系统通过簇头完成路由的建立，即信息从某个簇被发起时，经由簇头为信息传递媒介时，其到达sink节点的路径已确知； 

3)当发起簇发起一个信息上报时，根据信息的聚合因子选择不同的上报方式。当聚合因子较大时，选择将数据上报给簇头，通过簇头来进行信息传递。当聚合因子较小时，选择通过簇头调度，直接将数据传递给下一簇的簇成员方式来进行信息传递； 

4)簇头处的信息传递基于工作休眠机制进行，数据传递存在着休眠时间，以便进行信息的汇集；簇成员处的信息传递，不同簇的簇成员在簇头预约联系的时间里处于工作态，该预约时间沿传输路径顺次触发，从而可以保证信息传输不被中断； 

5)通信物理层具有多个可选频点，可选择某一频点进行通信； 

6)当存在多个信息同时上报，或待传送信息量较大的情况时，多个簇成员节点工作在不同频点，同时进行信息传输。 

二、物理层对通信模式的支持 

本系统物理层支持在多个频点上的信息传输，即系统通信频点在一定范围内可变，但同一时间仅能选择某个频点进行信息传递。约定系统可工作在如下两种通信模式下，以供在不同聚合因子下切换调用。 

通信模式一：适合信息融合模式(α＜β，其中β为一常量) 

在该模式下，对于信息发起簇而言，簇成员上报的信息经簇头处的信息融合后，信息量与单个簇成员上报的信息量相当。此时采用簇头-簇头的通信方式进行信息的传递上报。如图所示。簇节点在探测到疑似目标后，将信息汇总到簇头处，通过簇头间的相互通信，以多跳形式将信息传送给用户端。在信息传递过程中，信息量呈现融合态势，即信息量随着传递的过程逐次减少，其收敛的速度由信息相关度决定。在该模式下，待传送信息量呈树状收敛状，和信息传输途径匹配。 

表格1：通信模式一频点选用示意表 

簇1	簇间通  信   选用频  点	簇内通  信   选用频  点	簇2	簇间通  信   选用频  点	簇内通  信   选用频  点
						1_0	F(1_0)	F(1_0)	2_0	F(2_0)	F(2_0)
1_1	-	F(1_0)	2_1	-	F(2_0)
						1_2	-	F(1_0)	2_2	-	F(2_0)
1_3	-	F(1_0)	2_3	-	F(2_0)
						1_4  _	-	F(1_0)	2_4	-	F(2_0)
1_5	-	F(1_0)	2_5	-	F(2_0)

通信模式二：适合非信息融合模式(α＞β，其中β为一常量) 

信息汇聚指信息发起源多个而信息目的有限的情况，且在该模式下，对于信息发起簇而言，簇成员上报的信息经簇头处的信息融合后，信息量远大于单个簇成员上报的信息量。此时采用簇-簇通信的方式。如图所示。所谓簇-簇通信方式即在簇头控制下，发送簇内成员节点同时向接收簇内相应成员节点发送信息，簇成员节点和簇成员节点间分别采用不同频点同时进行通信，接收簇在簇头控制下解算原始信息或直接进行下一跳的传输。 

表格2：通信模式二频点选用示意表 

簇1	簇间通  信   选用频  点	簇内通  信   选用频  点	簇2	簇间通  信   选用频  点	簇内通  信   选用频  点
						1_0	F(1_0)	F(1_0)	2_0	F(2_0)	F(2_0)
1_1	F(1_1)	F(1_0)	2_1	F(2_1)	F(2_0)
						1_2	F(1_2)	F(1_0)	2_2	F(2_2)	F(2_0)
1_3	F(1_3)	F(1_0)	2_3	F(2_3)	F(2_0)
						1_4	F(1_4)	F(1_0)	2_4	F(2_4)	F(2_0)
1_5	F(1_5)	F(1_0)	2_5	F(2_5)	F(2_0)

通信模式一和通信模式二根据信息流量的不同进行预约切换。在信息流量较小或信息呈融合态时，采用通信模式一，反之采用通信模式二。 

融合型数据上报到簇头处后，通过簇头的信息融合，减小了信息传输量，从某种意义上获得了传输增益。而非融合型数据上报给簇头，只会增加中转次数和簇头的负担，故在不考虑控制协议开销的情况下，采用簇头直接联系下一跳簇的路由，由节点本身来进行信息传输更合适。

簇头在收到簇成员的上报类型后，根据该信息的可融合程度，判断采用的通信方式。若为方式一，则接收节点上报的可融合信息，进行信息融合后传递给下一簇头；若为方式二，则簇头通知下一跳的簇头信息量的大小、通信频点及自身跳数，下一跳簇头将该信息传递给路由上的下一节点后，可预估信息到达本簇的时间，安排自身相应的簇成员在适合的时间里处于工作态，等待上一节点的信息传输，并在接收完毕后将数据继续下传。 

三、路由预约方式 

路由的预约包括两部分。其一为频点的预约，其二为工作时间的预约。 

1)频点预约 

频点预约即为相应的簇成员分配工作频点，为节点分配不同的工作频点，可使建立的多个簇间通道互不干扰，达到同时通信的效果，从而可加快信息传输速率。簇头在进行路由预约时，互相通报建立通信的节点ID号，需要建立通信的簇成员节点间可互相推算彼此的通信频点，在相应的工作频点上工作，建立通信。 

某个节点当前所在频率是与节点所在ID和当前簇(簇头)时间单位相关的函数。 

f＝P(G(I，m)) 

其中，P为跳频图谱； 

G(I，m)为跳频图谱的当前时间，和I及m有关； 

I为节点ID或约定的固定数值，对于每个节点不一样。 

m为时间单位，则 

t为从约定时间开始的时间，T为工作休眠周期，其中， 

表示对结果进行向下取整； 

采用该方式进行频点预约时，有可能出现频点的冲撞，对于冲撞频点上的信息，根据约定的优先级进行时分传送。在完全理想的情况下，设在一个频点切换周期内，可传送的总信息量为Φ_T，冲撞的频点数为N_F，则每个路径上传送的信息量为： 

即在发生冲撞时，相应频点上的信息传输速率会降低，但不会完全为零。 

2)工作时间预约 

工作时间的预约是针对簇头处的工作休眠协议而言的，在无工作任务时，簇成员节点在大多数情况下均处于休眠状态，此时，为了建立节点间的通信，必须使相应节点在相应的工作时间内处于工作态。 

簇头的工作按照工作休眠时间表执行，在约定的工作时间点上进入工作态，在休眠时间点上进入休眠态。该约定时间不能保证信息的无间断传输。但对于簇成员节点而言，在未被要求作为信息传输节点时，在簇间通信时间段内，簇成员节点均处于休眠态，簇头节点可随意安排簇成员节点的工作时间。而同时，对于被唤醒的簇成员节点而言，当其被唤醒时，其信息传递路由即已经建立，可以根据该确知路由及每次信息传递所需时间来预先设定簇成员节点的唤醒工作时间，避免信息传递过程中中转簇成员节点处于休眠态造成信息延迟。 

设约定的传输起始时间为t_start，总的待传输信息量为L，一次待传输信息量为L_frame，簇间传输速率为v′，本簇为第h跳中转跳数。则本簇的工作起始时间为： 

t_wake＝t_start+2(L_frame/v′)(h-1)-Δt 

t_sleep＝t_start+2(L_frame/v′)(h-1)+2

L/L_frame

(L_frame/v′)+Δt 

则簇成员在该时间段内应处于工作状态，其中Δt是增加的提前或延后的预留量。而在其他时间，则可转入休眠态，以节省能量。 

但一般情况下，路由预约只设定起始时间，并给出休眠时间参考，并不强制节点进入休眠态。因为由于传输过程中可能出现的传输错误等问题，信息的起始到达时间可能出现延迟。所以当节点在预约时间点上未收到信息时，应继续处于不活跃的等待状态。 

3)传输满负荷的讨论 

在传输过程中，可能出现簇内节点预约满负荷的情况。描述如下： 

簇I内的簇成员数为N_I，其中有信息上报的成员集合为I_U，成员集合数为U。簇J内的簇成员数为N_J。当簇I向簇J发送信息时，若U＞N_J，则出现节点预约满负荷情况。 

解决方案：为超编节点预约时间片，在该时间片内，分配t_sleep-t_wake最小的节点进行超编信道信号的接收。而在转发信号时，若下一跳簇内节点非满负荷，则可将该信号转发给多个节点进行传输。但应同时将该传输延时信息记录并发送给后续路由上的簇，以便调整簇成员工作时间。 

四、通信模式切换点的选择 

通信模式的切换点的选择可从能耗、时延两个角度来分析。 

在系统应用中，系统的能耗和时延与具体采用的协议具有相当大的关系，  需要与具体协议进行结合分析。本文在此仅给出最基本的能耗时延相关的切换底线，即到达该底线时，采用任意协议，采用通信模式二均能使性能更加优化，有必要进行切换。 

1)从能量耗费角度选取切换点 

从能量耗费角度考虑，只要簇头进行路由的开销小于簇成员向簇头进行信息上报的开销，则可选择通信模式二，反之可选择通信模式一。 

设控制信息在簇间的传递能耗为P_CT，L，在簇内的传递能耗为P_CT，S，中转跳数为H。则平均用于路由联系的能量耗费的总数为： 

P_CT，ALL＝H(P_CT，L+P_CT，S) 

设上传数据信息在簇内的传递能耗为P_DT，S，该数据为一时间段内该簇到达同一目的地的非融合型数据总和。 

则当P_DT，S＞P_CT，ALL时，采用通信模式二，反之采用通信模式一。 

下面建立该能耗和具体物理层的关系。 

其中簇I内的簇成员数为N_I，其中有信息上报的成员集合为I_U，成员集合数为U。 

设控制信令长为L₀，节点i上报的信息长度为L_i。 

设簇I内第i个簇成员至簇头的通信距离为D_S，i； 

设簇I内的簇头至下一目的簇的簇头通信距离为D_L，I； 

设以速率v进行信息传输时，除功放外所需的发射功耗为P_S，V，所需的接收功耗为P_R，V； 

设簇内通信速率为v，簇间通信速率为v′。 

则： 

$P_{\mathrm{DT},S}=\underset{i\∈I_U}{\mathrm{\Σ}}[L_{i}r{D}_{S,i}^2+\frac{L_i}{v}(P_{S,V}+P_{R,V})]$

设在簇内通信时，簇头发布信息时，参与通信且接收簇头发布信息的节点数为M_I，则 

$P_{\mathrm{CT},\mathrm{ALL}}=\underset{I=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}[L_{0}r\max {\left(D_{S,i}\right)}^2+\frac{L_0}{v}(P_{S,V}+M_I{P}_{R,V})+L_{0}r{D}_{L,I}^2+\frac{L_0}{v^{\′}}(P_{S,V^{\′}}+P_{R,V^{\′}})]$

对系统判决而言，只要E(P_DT，S)＞E(P_CT，ALL)，即可转入通信模式二，假定节点上报信息长度平均值为L_I，簇内和簇间通信速率一致，平均簇内通信距离为D_S，平均簇间通信距离为D_L，平均参与通信的簇内节点为M，则 

$U[L_{I}r{D}_S^2+\frac{L_I}{v}(P_{S,V}+P_{R,V})]>H[L_{0}r{D}_S^2+\frac{L_0}{v}(P_{S,V}+{\mathrm{MP}}_{R,V})+L_{0}r{D}_L^2+\frac{L_0}{v}(P_{S,V}+P_{R,V})]$

即 

$\frac{L_I}{L_0}>\frac{H[r{D}_S^2+\frac{1}{v}(P_{S,V}+{\mathrm{MP}}_{R,V})+r{D}_L^2+\frac{1}{v}(P_{S,V}+P_{R,V})]}{U[r{D}_S^2+\frac{1}{v}(P_{S,V}+P_{R,V})]}$

此时采用通信模式二更节省能量。 

2)从时延角度选取切换点 

时延和具体的协议密切相关，在此给出不考虑协议的一般性分析。 

设用户要求的信息到达最大时延为τ，信息量为L，在不存在休眠时间的状态下，设在第n次跳转时，用于载波侦听的延时为t_cs，n，其平均值由竞争窗大小决定，表示为t_cs用于传输的延时为t_tx，则整个延时为： 

$D\left(N\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(t_{\mathrm{cs},n}+t_{\mathrm{tx}})$

则在无睡眠状态下的系统延迟为： 

E[D(N)]＝N(t_cs+t_tx) 

而传输延时可表示为t_tx＝L/v′ 

其中，v′表示簇间的传输速率。 

则当E[D(N)]＞τ时，须考虑进行通信模式的切换。 

此时可调用多个节点参与通信，通信节点的个数为 

N_i＝

τ/E[D(N)]

其中，

表示向上取整。 

上述时延切换应用于传输速率不能满足系统时延要求的情况下，可加速大流量的信息上传。 

一般说来，在传感网中，信息的占空比是很低的，甚至为此加入了长时间的休眠，来降低系统整体能耗。在上述假定下，有两种情况可能发生从时延角度出发的切换： 

情况一：协议限制了工作时间长度。即工作帧长是固定的，不可变。此时通过采用多个节点进行传输的方式，可以保证工作时间内的信息传输量，减小针对不同信息量工作时间长度设定的困扰，在某种意义上有助于节省能耗。 

情况二：当信息为非融合型模式时，无须等待其他节点上报信息，此时希望  传输时延越小越好。而一般情况下，非融合型模式的信息传输量较大，而对于用户而言，对大小信息量要求的传输时延容忍度是基本相当的，此时通过簇头的路径预约，可使节点间的信息传输不受休眠时间的影响，从而极大的加快传输速率。具体预约方式将在下一节中进行说明。 

上述分析仅给出一个切换底线，是从总能量和总时延角度考虑的，而在实际系统设计时，考虑到能量的均衡等方面，上述结果需要做一定的修正。 

5、性能分析 

1)能耗分析 

关于能耗分析的参数主要包括： 

表格3：仿真参数表 

仿真参数	仿真值	参数描述说明
			LCDT，i	335	节点i上报的可融合型信息长度
NCDT，I	5	可融合型节点的集合成员数
			LDTH，i	31	节点i上报的非融合型帧头长度
LDT，i	3215	节点i上报的非融合型信息长度
			NDT，I	1	非融合型节点的集合成员数
L0	48	路由预约信息长度
			NI	5	融合中转簇收到的有信息上报簇的  个数

首先观察发起簇的情况，分析一个有5个融合型数据和1个非融合型数据上传时的发起簇情况。图6a)给出簇头发融合后数据时各部分的能耗开销。非融合型数据上报成员由于其传送信息量大，且为簇间通信，具有最大的能耗开销，簇头也占有较大的协议开销。在图6b)中，簇头认为融合后的数据不在具有进一步融合价值，而将其转发给簇成员节点进行传送，簇头的协议开销减小，同时增加转发簇成员的能耗。当然，这种转发增大了系统整体能耗，但减小了簇头的开销。如图6d)所示。图中蓝色表示簇头转发融合后数据时各部分的能耗情况，绿色表示簇头将融合后数据交给簇成员进行传送时各部分的能耗情况，红色表示两种情况下的总体能耗。而在这种情况下，聚合因子对簇头能量耗费的影响降低，而对整体的能量耗费影响增加，如图7所示。而对于融合中转簇而言，由于其簇成员节点增加了信息接收部分的能耗，其簇成员的能耗开销在整体上占的比重更大。如图6c)所示。 

而对于不同种类的簇头，其能量开销基本相当，如图8所示。图中分别给  出同时有融合类信息和非融合类信息上报时，仅有非融合类信息上报时和仅有融合类信息上报时的情况。可见，在各种不同的情况下，其能耗基本相当。 

综上所述，当无非融合型数据上传时，簇头的能耗占整簇能量耗费的比重较大，而有非融合型数据上传时，簇成员的能耗增加，二者的切换有利于维持系统能耗均衡。同时，对于簇头节点而言，在执行不同功能时，其能耗开销基本相同。 

2)传输时延分析 

假设系统采用休眠唤醒机制，且工作时间固定，频点切换为一次休眠唤醒周期。关于时延分析设定的主要仿真参数如下： 

仿真参数	仿真值	参数描述说明
			TWORK	1	工作时间
TSLEEP	9	休眠时间
			H	5	到达sink节点的中转跳  数
v	250kbp	传输速率
			Nc	10	多节点传输时参与节点  数

图9所示为小信息量下不同传输模式的时间耗费随信息量的变化，从图中可以看出，由于中转跳数的存在，系统的最小时延耗费是基本一致的。且由于无需进行预约，通信模式一在传输信息量小于一个工作时间可传输信息量时，时间耗费最小，但当大于一个工作时间可传输信息量时，通信模式一的传输时间迅速提升。而通信模式二由于进行预约后不再受休眠时间影响，故其传输时间随信息量的增大呈渐变上升趋势。在采用多节点参与通信时，其增长趋势趋缓。 

在大信息量情况下可以看出参与节点数对信息传输的影响，如传送信息量为1e5个bit时，采用通信模式二的多节点传输所需时间耗费约为100s，采用通信模式二的单节点传输所需时间耗费约为500s，而采用通信模式一时所需时间耗费约为4000s。如图10所示。对于通信模式而的多节点传输，该图对应的在不同时间段内发生冲撞的频点数分别为：2、2、3、2、3、3、1、2。从图中可见，由于频点冲撞的影响，使传输速率有所波动，且有所降低，但总体趋势上，仍较单节点的传输速率快。 

而图11比较了采用通信模式二(多节点)进行信息传输时，参与的簇成员  个数与传递时延的关系。从图中可以看出，采用多个节点进行信息传递时，不管传递的信息量大小，随着参与节点数的增多，传输时间呈下降趋势，但节点数增多到一定程度后，该趋势趋缓，所以参与通信的节点数并不是越多越好。且由于频点选择的随机性，该过程中可能会有所起伏。同时我们可以看出，待传送信息量越大，时间节省的效果越明显。 

3)通信模式选择切换点的受影响情况 

仿真参数如下： 

表格1仿真参数表 

仿真参数	仿真值	参数描述说明
			H	4	到达sink节点的中转跳数
M	10	簇内通信参与成员数
			U	2	非融合信息上报节点数
PS，V	75mW	发射功耗
			PR，V	81mW	接收功耗
v	250kbps	传输速率
			DS	200m	簇内通信距离
DL	400m	簇间通信距离
			r	10pJ/bit/m2	传输损耗因子

取上述典型值时，可得根据能耗计算的转换点为即当非融合上报信息长度为路由预约信息长度的10倍时，应采用通信模式二。 

各种不同参数对切换点的影响如图12所示。从图中可见，簇间通信距离与簇内通信距离的比对切换点具有最大的影响，使切换点呈指数趋势变化，即簇内通信距离越短，采用通信模式二的概率越小。但在最常见的情况下，簇间通信距离一般为簇内通信距离的二倍。另一个影响较大的因子是中转跳数，中转跳数越多，耗费在预约上的时间越长，采用通信模式二的概率越小。簇内通信参与的节点数越多，在预约时可能的无效能耗越多，采用通信模式二的概率越小。而非融合信息上传节点数越多，则耗费于簇内通信的能量越多，采用通信模式二的概率越大。 

发射能耗和接收能耗对切换点的选择影响较小，如图13所示。总的说来，发射能耗越大，采用采用通信模式二的概率越大，接收能耗越大，采用通信模式二的概率越小。 

Claims (2)

1.一种无线分簇传感网的信息分流通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)系统完成簇的建立，簇头处收集了簇成员节点的标识符ID信息和地理位置信息；

(2)系统通过簇头完成路由的建立，信息从某个簇被发起时，经由簇头为信息传递媒介时，其到达汇聚节点的路径已确知；

(3)当发起簇发起一个信息上报时，当聚合因子大于一常量时，选择将数据上报给簇头，通过簇头来进行信息传递；当聚合因子小于一常量时，选择通过簇头调度，直接将数据传递给下一簇的簇成员方式来进行信息传递；

(4)簇头处的信息传递基于工作休眠机制进行；

(5)通信物理层具有多个可选频点，可选择某一频点进行通信；当存在多个信息同时上报，或待传送信息量较大的情况时，多个簇成员节点工作在不同频点，同时进行信息传输。

2.根据权利要求1所述的一种无线分簇传感网的信息分流通信方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：数据传递存在着休眠时间，以便进行信息的汇集；簇成员处的信息传递，不同簇的簇成员在簇头预约联系的时间里处于工作态，该预约时间沿传输路径顺次触发，从而可以保证信息传输不被中断。

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