CN101442459A - 一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案，根据无线传感器网络应用特定性特点，包括不同网络规模需求、不同节点协同信息处理需求、不同传感数据业务服务质量需求、不同应用信道环境等，以及无线传感器网络共性问题包括网络生命周期最大化需求、节点自组织成网、较弱的网络全局时间同步要求、物理层单信道条件等，采用了自顶向下的设计方法，设计了应用层、网络层、媒体接入层、兼容多种通信机制的物理层；有利于根据本发明方案设计网络性能优异且实用性强的无线传感器网络，从而推动无线传感网的大规模产业化发展。

Description

一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案

技术领域

本发明涉及无线传感网络通信领域，特别地，涉及一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案。

背景介绍

无线传感器网络(WSN)是在微机电系统(MEMS)、传感技术、无线通信和集成电路、计算机等技术发展的基础上产生的。大规模的低功耗、低成本、多功能的微型无线传感器通过协同合作、数据收集、处理和特有的无线通信手段共同组成了无线传感器网络，将数据发送至采集中心，从而产生了一种全新的信息获取和处理模式。微型无线传感器节点采用电池供电，可以随机或特定的布置在目标环境中，通过无线通信实现自组织网络，获取周围环境的信息，形成分布式自治系统，相互协同完成特定的任务。无线传感器网络既可作为一个相对独立的信息获取和感知网络系统，用于人们在日常生活、作业及社会活动中与物理世界的交互；又可作为未来互联网(三网融合)的主要业务增长点及承载内容，利用主干互联网络形成一个泛在的无线传感网络系统，连接数字世界和物理世界。

另外，无线传感器网络一个重要的特点就是它的应用特定性，即针对不同的应用，在网络协议算法和系统协议栈方面具有不同的优化设置，因此国内外现已提出了多个无线传感器网络的协议栈，及其中的各层协议设计。但从未来无线传感器网络协议标准制定及产业化发展的角度来讲，更需要在一个协议栈框架下来尽量满足各种无线传感网的需求。现有协议栈设计未能满足无线传感器网络最基本的一些特性要求，如支持网络规模的动态扩展性(几十节点到上万节点)、网络节点间的协同信息处理功能，网络长时间的睡眠周期等。以现有国际上最为成熟的Zigbee为例(如图1)，该协议栈是Zigbee联盟在IEEE802.15.4基础上提出，但在应用于无线传感器网络时尚存在如下缺点：1.组网和超帧结构使得网络规模的增大导致网路性能的急剧下降，无法满足大规模传感节点的应用；

2.节点睡眠机制没有作为网络生存根本条件进行研究，无法有效满足节点能源不可替换场景应用；

3.没有多节点协同信息处理该项功能，而WSN是以数据为中心的网络，而非单纯的传输网络，节点协同是一种基本功能特性；

4.媒体接入层(MAC)和网络层(Network)分离研究，无法从网络性能优化角度来设计协议；

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无线传感器网络组网方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无线传感器网络组网方法，包括以下步骤：

(1)网络设备分为中心节点和普通传感节点，中心节点为网络中传感数据最终信宿设备，普通传感节点为无线通信组件同构、传感器异构设备；各普通传感节点的数据经无线网络以多跳的方式传输中心节点，接入互联网络；普通传感节点的无线通信组件和网络协议栈同构保证了无线传感器网络能在统一协议栈框架下；

(2)根据不同无线传感器网络的应用案例特点和应用环境的信道特征，普通传感节点的物理层通信方案可以采用多种不同的机制；

(3)在网络初始化阶段，根据应用特点可配置网络以全功能或半功能无线传感器网络组网；若为全功能组网，则加载节点协同信息处理模块，若为半功能组网，则不加载节点协同信息处理模块；节点协同信息处理模块主要管理不同普通传感节点之间传感数据的协同交互和数据协同处理，该模块主要利用网络层的拓扑管理模块所生成的网络信息，进行协同任务调度和资源管理，以及进行多节点的协同信息处理；

(4)完成配置协同信息处理模块后，由网络层的拓扑管理模块驱动网络拓扑形成，网络拓扑结构采用分布式自动分簇结构，由普通传感节点轮流担当簇头和簇成员，普通传感节点通过广播自己的权值，与邻居节点协商从而自组织成簇，称之为物理簇；所采用的竞争权值考虑了节点的剩余能量、节点的邻居数、局部链路质量等权值参数，通过各参数不同的归一化权值比重得到节点的竞争权值；所形成的物理簇均为簇成员一跳到簇头节点，簇规模控制在5～15个节点；

(5)形成物理簇网络拓扑后，进入媒体接入层的簇头间调度周期局部同步过程，从而形成支持簇头间通信的虚拟分簇；虚拟分簇建立后，网络进入正常工作时期，普通传感节点通过传感器采集突发性数据或周期性数据，或接收由中心节点而来的查询命令，然后在簇内通信时期将数据传送给簇头节点，簇头节点根据协同信息处理模块的设置，对所收集的传感数据进行不同程度的处理后，在簇间通信期间按所选路由路径经多跳簇头传送给中心节点。

本发明的有益效果是，本发明主要根据无线传感器网络应用特定性特点包括不同网络规模需求、不同节点协同信息处理需求、不同传感数据业务服务质量(QoS)需求、不同应用信道环境等，以及无线传感器网络共性问题包括网络生命周期最大化需求、节点自组织成网、较弱的网络全局时间同步要求、物理层单信道条件等，采用了自顶向下的设计方法，设计了一种更为符合无线传感器网络特性需求的无线传感节点网络化方案，并在协议栈相关各层中实现，比现有如Zigbee等网络方案，在应用类型兼容性、网络规模可扩展性、网络低能耗性能等方面均有了较大的改进。有利于根据本发明方案设计网络性能优异且适用性强的无线传感器网络，从而推动无线传感网的大规模产业化发展。

附图说明

图1为Zigbee协议栈软件框架图，

图2为无线传感器网络协议栈软件框架图，

图3为超帧结构图，

图4为网络初始化基本流程图。

具体实施方式

本发明主要针对无线传感器网络以下主要特性进行了系统优化设计：

1.在无人值守情况下，不同工作场景中长期有效工作。

2.规模化传感节点随机性布放，支持动态扩充和快速自组网，即放即用；支持节点随机布设、动态加入和离开网络；支持几十到上万节点组网规模，因为不同的应用有不同的网络规模需求。

3.支持两种应用类型网络：多类型传感器、多节点网络协同信息处理，提高传感数据信息熵和上报准确率，有效降低网络负载的全功能无线传感器网络；单一节点感知完备信息，且信息不需融合压缩，经网络多跳上传的半功能无线传感器网络；从而满足不同应用对传感数据获取的QoS要求；因为不同的应用有不同的传感器信息处理要求。

本发明的技术方案如下：

1.网络设备分为中心节点(Sink-Node)和普通传感节点(Sensor-Node)，中心节点为网络中传感数据最终信宿设备，普通传感节点为无线通信组件同构、传感器异构设备；各普通传感节点的数据经无线网络以多跳的方式传输中心节点，接入互联网络；普通传感节点的无线通信组件和网络协议栈同构保证了无线传感器网络能在统一协议栈框架下；

2.根据不同无线传感器网络的应用案例特点和应用环境的信道特征，普通传感节点的物理层(PHY)通信方案可以采用多种不同的机制，包括IEEE802.15.4物理层规范、超宽带通信(UWB)、直接序列扩频(DSSS)等。以上物理层通信方案为不增加额外的硬件成本，均在单信道条件下进行通信。

3.在网络初始化阶段，根据应用特点可配置网络以全功能或半功能无线传感器网络组网。若为全功能组网，则加载节点协同信息处理模块，若为半功能组网，则不加载节点协同信息处理模块。节点协同信息处理模块主要管理不同普通传感节点之间传感数据的协同交互和数据协同处理，该模块主要利用网络层的拓扑管理模块所生成的网络信息，进行协同任务调度和资源管理，以及进行多节点的协同信息处理。

4.完成配置协同信息处理模块后，由网络层的拓扑管理模块驱动网络拓扑形成，网络拓扑结构采用分布式自动分簇结构，由普通传感节点轮流担当簇头和簇成员。在本发明中，普通传感节点通过广播自己的权值，与邻居节点协商从而自组织成簇，称之为物理簇。所采用的竞争权值考虑了节点的剩余能量、节点的邻居数、局部链路质量等权值参数，通过各参数不同的归一化权值比重得到节点的竞争权值；所形成的物理簇均为簇成员一跳到簇头节点，簇规模控制在5～15个节点。

5.形成物理簇网络拓扑后，进入媒体接入层(MAC)的簇头间调度周期局部同步过程，从而形成支持簇头间通信的虚拟分簇。虚拟分簇的定义为，该虚拟分簇内的簇头节点均维护相同的睡眠和唤醒调度周期，从而在不要求全局网络时间同步的前提下，在局部范围内实现同步通信。各簇成员节点均遵守所在簇簇头的调度周期。簇的睡眠和唤醒调度周期分簇内通信时段、簇间通信时段、睡眠时段。其中簇成员节点只需在簇内通信时段保持唤醒，接收簇头的下行数据或上发传感数据，其余时段可进入睡眠状态。簇头节点在簇内通信和簇间通信时段保持唤醒，在剩余睡眠阶段进入睡眠状态，从而从最大程度上满足网络的节能需求，使网络生命周期最大化。簇头间通信时采用不同于簇内通信功率，通过功率控制方案选择合适的簇头间通信功率设置。

6.虚拟分簇建立后，网络进入正常工作时期，普通传感节点通过传感器采集突发性数据或周期性数据，或接收由中心节点而来的查询命令，然后在簇内通信时期将数据传送给簇头节点，簇头节点根据协同信息处理模块的设置，对所收集的传感数据进行不同程度的处理后，在簇间通信期间按所选路由路径经多跳簇头传送给中心节点。

本发明主要根据无线传感器网络应用特定性特点包括不同网络规模需求、不同节点协同信息处理需求、不同传感数据业务服务质量(QoS)需求、不同应用信道环境等，以及无线传感器网络共性问题包括网络生命周期最大化需求、节点自组织成网、较弱的网络全局时间同步要求、物理层单信道条件等，采用了自顶向下的设计方法，设计了一种更为符合无线传感器网络特性需求的无线传感节点网络化方案，并在协议栈相关各层中实现，比现有如Zigbee等网络方案，在应用类型兼容性、网络规模可扩展性、网络低能耗性能等方面均有了较大的改进。有利于根据本发明方案设计网络性能优异且适用性强的无线传感器网络，从而推动无线传感网的大规模产业化发展。

本发明公开了一种更为符合无线传感器网络特性需求的无线传感节点网络化方案，在普通传感节点的协议栈各层均做了特殊的设置，使得本发明在无线传感网应用类型兼容性、网络规模可扩展性、网络低能耗性能等方面较已有的无线传感器网络方案均有了较大的改进。

下面结合附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

图2示出了本发明的无线传感器网络组网方案在协议栈各层的设置、层间接口以及整体协议栈框架。如图2所示，该协议栈主要包括应用层、网络层、MAC层、物理层(PHY)及安全服务管理。

其中应用层包括传感器接口管理模块、应用设置模块、协同处理子层、应用支持子层。传感接口管理模块通过传感器管理接口和传感数据接口与普通传感节点的传感器设备进行交互，传感器管理接口主要进行传感器状态、参数控制等操作，传感数据接口主要接收传感器设备的传感数据。应用设置模块作为传感节点对外的可配置模块，与协同处理子层和应用支持子层通过应用接口相连，根据网络应用类型和特性，来配置是否动态加载系统处理子层，以及配置应用支持子层的功能参数。协同处理子层由协同信号处理模块、任务调度和资源管理模块组成，通过数据接口与应用支持子层中数据服务实体相连，通过APS管理接口与应用支持子层中管理服务实体相连，通过网络层管理实体接口与网络层管理实体相连。协同信息处理模块主要承载不同的协同处理算法，如多节点协同跟踪算法、多节点协同感知算法等。任务调度和资源管理模块主要负责为进行多节点之间的协同信息处理，而进行的多节点任务调度、临时协同身份绑定和相关资源管理，如各协同节点间的计算资源分配等。应用支持子层由应用支持子层管理服务实体和应用支持子层数据服务实体，应用支持子层管理服务实体主要包括APS信息数据库、节点定位模块、时间同步模块、APS安全策略模块，应用支持子层数据服务实体主要跟传感器接口管理模块、协同信号处理模块、以及网络层数据服务实体进行交互。对传感器设备而来的传感数据添加应用层协议帧头，发送至网络层数据服务实体；接收网络层数据服务实体的数据帧，进行判别处理后，决定是否发送至协同信号处理模块；接收协同信号处理的数据，添加相应的应用层协议帧头后，发送至网络层数据服务实体。

网络层主要由网络层管理服务实体和网络层数据服务实体组成，其中网络管理服务实体由网络层信息库、拓扑控制模块、路由管理模块和网络层安全管理模块组成。其中由拓扑控制模块作为主导，通过网络层管理实体接口接收网络初始化命令，开始驱动自动分簇网络拓扑形成，以及后续在网络生存过程中，维护网络拓扑和簇头轮换选举。网络层信息库主要管理节点的网络属性，如节点的身份、所在簇ID、邻居节点及其网络身份等。网络层信息库可以为拓扑控制模块和应用层的任务调度和资源管理模块提供信息支持。路由管理模块主要负责建立和维护从本普通传感节点到中心节点的路由，并在有数据产生或转发其他节点数据时，根据路由表信息，正确发送至下一跳普通传感节点。网络层数据服务实体通过网络层数据接口与应用支持子层相连，通过MAC层数据接口与MAC层数据服务实体相连。如果由MAC层数据接口上传的数据信宿节点为本节点，则上传至应用支持子层，若本节点为路由数据的中间路由节点，则根据路由表，选择最优路径，重新设置路由帧，下发至MAC层数据服务实体。

媒体接入层(MAC)由MAC层管理服务实体和数据服务实体组成，其中MAC层管理服务实体由MAC层信息库、媒体接入控制模块、睡眠管理模块组成。MAC层信息库主要管理节点用于簇间码分的码字库、节点功率级别参数、超帧时长参数、睡眠比例尺、通信时隙长度等。媒体接入控制模块主要分为两部分，一是在网络初始化阶段及簇重构阶段的带冲突避免的载波侦听多路访问方式和网络正常工作时段的物理簇超帧周期多路访问方式。网络初始化阶段包括物理簇初始化建立过程和虚拟簇建立过程。在超帧周期多路访问阶段媒体接入控制模块与睡眠管理模块共同控制节点的睡眠策略，在一个虚拟分簇中的各个物理簇维护同一种超帧周期，两种虚拟分簇的边界簇头节点需要维护两种不同的超帧调度周期，睡眠策略包括簇头节点睡眠管理和簇成员节点睡眠管理。其中簇头节点睡眠管理在超帧周期中的睡眠时段进入低功耗睡眠，而其他时段维持唤醒状态，簇成员节点在超帧周期中簇内通信时段属于自己的时隙保持唤醒状态，其他时段均进入低功耗睡眠状态。各物理簇的超帧时隙结构如图3所示，其中A、B簇头节点位于同一虚拟分簇内，C、D簇头位于另一虚拟分簇内，B、C两簇头节点需维护两种虚拟簇的调度周期，以实现不同虚拟簇间的通信。MAC层数据服务实体通过MAC层数据接口与网络层数据服务实体相连，通过物理层数据接口与物理层相连。当MAC层数据服务实体接收到物理层上发的帧，对帧类型进行判别后，决定上传给网络层，或丢弃该帧、或应答该帧。当MAC层数据服务实体接收到网络层下发的帧，根据目前信道状态和媒体接入控制模块的策略，决定是否传送至物理层。

物理层根据不同无线传感器网络的应用案例特点和应用环境的无线信道特征，可以采用IEEE802.15.4物理层规范、超宽带通信(UWB)、直接序列扩频(DSSS)等。物理层通过物理层数据接口接收到来自MAC层下发的帧后，进行信道编码、加帧头、扩频、调制、功率控制，然后经射频天线发送至无线信道，其中扩频码字来自于MAC层信息库。物理层经射频天线接收到高于接收门限值的信号后，进行解调，并根据本时段MAC层使用的扩频码字进行同步捕获和跟踪，如相关峰高于设定门限值，则表示接收到该码字信道的帧，然后依次进行去帧头、信道解码的操作，然后将数据通过物理层数据接口上发至MAC层。

Claims (1)

1.一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案，其特征在于，包括以下步骤：

(1)网络设备分为中心节点和普通传感节点，中心节点为网络中传感数据最终信宿设备，普通传感节点为无线通信组件同构、传感器异构设备；各普通传感节点的数据经无线网络以多跳的方式传输中心节点，接入互联网络；普通传感节点的无线通信组件和网络协议栈同构保证了无线传感器网络能在统一协议栈框架下；

(2)根据不同无线传感器网络的应用案例特点和应用环境的信道特征，普通传感节点的物理层通信方案可以采用多种不同的机制；

(3)在网络初始化阶段，根据应用特点可配置网络以全功能或半功能无线传感器网络组网；若为全功能组网，则加载节点协同信息处理模块，若为半功能组网，则不加载节点协同信息处理模块；节点协同信息处理模块主要管理不同普通传感节点之间传感数据的协同交互和数据协同处理，该模块主要利用网络层的拓扑管理模块所生成的网络信息，进行协同任务调度和资源管理，以及进行多节点的协同信息处理；

(4)完成配置协同信息处理模块后，由网络层的拓扑管理模块驱动网络拓扑形成，网络拓扑结构采用分布式自动分簇结构，由普通传感节点轮流担当簇头和簇成员，普通传感节点通过广播自己的权值，与邻居节点协商从而自组织成簇，称之为物理簇；所采用的竞争权值考虑了节点的剩余能量、节点的邻居数、局部链路质量等权值参数，通过各参数不同的归一化权值比重得到节点的竞争权值；所形成的物理簇均为簇成员一跳到簇头节点，簇规模控制在5～15个节点；

(5)形成物理簇网络拓扑后，进入媒体接入层的簇头间调度周期局部同步过程，从而形成支持簇头间通信的虚拟分簇；虚拟分簇建立后，网络进入正常工作时期，普通传感节点通过传感器采集突发性数据或周期性数据，或接收由中心节点而来的查询命令，然后在簇内通信时期将数据传送给簇头节点，簇头节点根据协同信息处理模块的设置，对所收集的传感数据进行不同程度的处理后，在簇间通信期间按所选路由路径经多跳簇头传送给中心节点。

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