CN101471691A - 无线分簇传感网的通信方法 - Google Patents

Abstract

一种无线分簇传感网的通信方法，其预先在无线分簇传感网内具有的各节点端存储与节点端地址有关的跳频图谱，当采集到目标信息的各节点端根据各自所在簇的簇头端地址和所存储的跳频图谱确定各自簇内通信跳频频点后，将各自采集的目标信息在簇内通信时间段内分别传送至所述各节点端各自所在簇的簇头端，各簇头端接收到簇内各节点端传送至的目标信息后，将各目标信息聚合后以形成聚合信息，并根据所述聚合信息的信息量选择簇头端至簇头端的发送方式或簇内节点端参与的发送方式发送聚合信息，如此可减少簇间跳数，同时通过通信频点和扩频增益的合理分配，尽量的减少传感网内部干扰。

Description

无线分簇传感网的通信方法

技术领域

本发明涉无线通信技术，特别涉及一种无线分簇传感网的通信方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、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，这些信息通过无线方式被发送，并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。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、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。

WSN的典型应用情况如图1所示，以入侵探测为例进行说明，当一目标进入WSN布设区域时，随机散布的节点端1、2、5、3、7将依次探测到目标，对于用户端，其处于检测态时，需要获得的基本信息为目标报警、目标类型及目标运行轨迹等。此时，节点端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聚合方式汇集。如节点端1和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)，更多节点端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。而若此时用户需要观察在某个节点端处(若该节点端含图像探测器)拍得的目标图片，该信息量将较大，且在传输过程中无法减少信息量。同时，由于用户端接入形式可能存在不同，图中示意了三个以不同方式接入网络的用户端，

方式1：无线传感网通过其sink节点接入互联网，将信息传送给在互联网上的用户端1；

方式2：无线传感网直接和处于高处的用户端2进行通信；

方式3：无线传感网通过卫星转发和用户端3进行通信。

因此，分簇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，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。根据系统布设形式，系统的初始状态将表现为围绕中心节点的分簇结构，距离相互靠近的节点形成一个簇，并选择其中一个节点作为簇头节点，簇头端可和任意本簇内所有簇内节点端进行信息交互，整个网络中存在多个簇，如图1所示，尽管在后续过程中网络节点端位置可能发生变化，但将基本维持分簇结构。

对于分簇结构，根据传感网的网络构架可以看出，簇内通信的通信距离较簇间通信的通信距离近，在均匀散布的情况下，簇间通信距离约为簇内通信距离的两倍。为使信息能在簇间传输，目前有两种解决方案：

方式一：增加发射功率；设原有功率为P，功放发射功耗为

功放处消耗的功耗为P_A，且 $P_A={\tilde{P}}_A/X,$ 其中，X为发射机效率为X(X<1)，显然，为增加传输距离，发射功率须增加M倍，相应系统能量损耗为 $(P-{\tilde{P}}_A/X)+M{\tilde{P}}_A/X.$

方式二：降低传输速率，以增大接收端的接收灵敏度(在扩频通信系统中可采用增大扩频增益的方式来实现)；即若降低M倍的传输速率，增加接收端的灵敏度，亦可达到传输距离增加的目的，此时，传输时间增加为原有的M倍，系统耗费的总能量为MP。

由此可见，当 $P<\left(\frac{1}{X}\right)P_A$ 时，方式一的功耗大于方式二，反之方式一的功耗小于方式二。请参见图2，若取发射效率为30％，此时只要整体功耗小于功放功耗的3.3倍，采用降低数据速率方式的功耗小于增加射频发射功率的功耗。故知，在通常意义下的传感节点中，在信息传输速率满足要求的情况下，采用降低传输速率来增大传输距离的方式更为有效，可减少系统总的能量耗费。

再有，对于分簇结构，信息首先在簇头端进行聚合，然后再传输，若聚合后的信息量与单节点端传送至的信息量相当，假设簇内通信时间与簇间通信时间相同，此时降低簇间通信的数据速率不会对造成信息的延迟滞后，但若聚合后的信息量远超过单节点端传送至的信息量，此时也可有两种可实施方式：

方式一：在可容忍范围内增加簇间通信时间，使其长于簇内通信时间；

方式二：增加簇间通信速率。增加簇间通信速率有多种办法，可增加簇头的发射功率，使其传输速率增快，也可让簇成员加入簇间通信。然而增加簇头端的发射功率将导致最高发射功率设计上的耗费，同时也会增大簇头端的能量耗费，从而使簇头端消耗能量更快，导致簇头端变换频繁或造成整个网络能量的失衡。

还有，考虑簇内和簇间通信的物理实现问题。由于系统中簇头端和簇内节点端在物理平台上是完全一致的，要么在硬件上通过设置不同灵敏度或发射功率实现，要么通过软件更改系统传输灵敏度实现。在硬件上设置不同灵敏度，主要的解决方案是更改系统的滤波器带宽，将会造成系统复杂度的上升和体积的增大；通过设置发射功率来增大传输距离，将会造成所有节点的硬件按照最高发射功率进行设计，从而造成资源和成本的浪费，且增大发射功率来换取灵敏度获得的效果并不明显。

综上所述，通过对无线分簇传感网的分析，如何实现簇间通信实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线分簇传感网的通信方法，以减少簇间跳数，同时能尽量减少无线传感网内部的干扰。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的无线分簇传感网的通信方法，包括步骤：1)预先在无线分簇传感网内具有的各节点端存储与节点端地址有关的跳频图谱；2)当一目标进入无线分簇传感网内时，能感测到所述目标的各节点端分别采集目标信息，并根据各自所在簇的簇头端地址和所存储的跳频图谱确定各自簇内通信跳频频点后，按照各自预先与各自所在簇的簇头端约定的簇内通信扩频码及所确定的各自簇内通信跳频频点，采用载波侦听多路访问方式将各自采集的目标信息在簇内通信时间段内分别传送至所述各节点端各自所在簇的簇头端；3)各簇头端接收到簇内各节点端传送至的目标信息后，将各目标信息聚合后以形成聚合信息，并根据所述聚合信息的信息量选择发送所述聚合信息的发送方式，其中，所述发送方式包括簇头端至簇头端的发送方式及簇内节点端参与的发送方式；4)当一要发送聚合信息的发信簇簇头端选择簇内节点端参与的发送方式时，所述发信簇簇头端确定聚合信息传送的路由，并根据所述路由选定下一信息中转簇，进而确定所述中转簇簇头端地址，所述发信簇簇头端在簇内通信时间段内将所述聚合信息分配给簇内其它节点端，同时将所述中转簇簇头端地址及与所述中转簇簇头端约定的簇间通信扩频码信息传送给簇内其它节点端，接着在其根据其所存储的跳频图谱及所述中转簇簇头端地址确定与所述中转簇簇头端通信的簇间通信跳频频点后，在后续的簇间通信时间段内根据所确定的簇间通信跳频频点及预先与所述中转簇簇头端约定的簇间通信扩频码向所述中转簇簇头端发送信息转发通知，其中，对于不同的中转簇簇头端，预先约定的簇间通信扩频码并不相同；5)所述中转簇簇头端接收到所述信息转发通知后发送回相应反馈信息，在后续的簇内通信时间段内通知其簇内其它节点端在后续簇间通信时间段内处于接收信息状态；6)所述发信簇簇头端所在簇的各节点端在分别根据所述中转簇簇头端地址及所存储的跳频图谱选定各自相应的与所述中转簇簇头端通信的跳频频点对应的子频点后，在后续的簇间通信时间段内根据各自所选定子频点及接收的与所述中转簇簇头端的簇间通信扩频码向所述中转簇应各节点端发送相应聚合信息；7)在所述中转簇相应各节点端接收相应聚合信息时，所述中转簇簇头端根据路由向下一中转簇簇头端发送信息转发通知，并在收到反馈信息后，其所在簇的各节点端将接收的相应聚合信息在后续簇间通信时间段内继续向下一中转簇各节点端发送，直至聚合信息传送至所述无线分簇传感网的基站；8)当一要发送聚合信息的发信簇簇头端选择簇头端至簇头端的发送方式时，所述簇头端先确定聚合信息传送的路由，并根据所确定的路由选定下一信息中转簇，并进而确定所述中转簇簇头端地址，接着在根据其所存储的跳频图谱及所述中转簇簇头端地址确定与所述中转簇簇头端通信的簇间通信跳频频点后，在后续簇间通信时间段内根据所确定的簇间通信跳频频点及预先与所述中转簇簇头端约定的簇间通信扩频码将所述聚合信息予以发送；9)所述中转簇簇头端在接收到所述聚合信息后，若其自身还具有需要发送的聚合信息，则将所接收到的聚合信息与自身具有的聚合信息进行再次聚合后形成新的聚合信息，并根据所述新的聚合信息的信息量选择其发送所述新的聚合信息的发送方式以将所述新的聚合信息发送至下一中转簇簇头端，直至聚合信息传送至所述无线分簇传感网的基站。

较佳地，各簇内的节点端采用的簇内通信扩频码为高速短扩频码；各簇的簇头及节点端采用的簇间通信扩频码为低速长扩频码。

较佳地，步骤3)中进一步包括步骤：(1)簇头端根据接收的目标信息和形成的聚合信息计算聚合因子；(2)所述簇头端判断所述聚合因子是否超过预设值，若是其采用簇头端至簇头端的发送方式，否则其采用簇内节点端参与的发送方式。

综上所述，本发明的无线分簇传感网的通信方法通过在簇内采用基于载波侦听多路访问方式的高速信息传输，在簇间采用降低通信速率的方式进行远距离信息传输，同时根据信息聚合程度采用不同的簇间通行方式，如此可减少簇间跳数，同时通过通信频点和扩频增益的合理分配，尽量的减少传感网内部干扰。

附图说明

图1为无线分簇传感网的网络基本形式示意图。

图2为无线分簇传感网各功率与整体功耗耗费的关系示意图。

图3为本发明的无线分簇传感网的通信方法的操作流程示意图。

图4为本发明的无线分簇传感网的通信方法的跳频频点分配示意图。

图5为本发明的无线分簇传感网的采用簇头端至簇头端的发送方式示意图。

图6为本发明的无线分簇传感网的采用簇内节点端参与的发送方式示意图。

图7为本发明的无线分簇传感网的各节点端的基本架构示意图。

图8为本发明的无线分簇传感网的采用簇内节点端参与的发送方式时参与的簇成员节点端个数与传递时延的关系示意图。

图9为本发明的无线分簇传感网的采用簇内节点端参与的发送方式时不同的传输速率下信息传递量对时延的影响示意图。

图10为本发明的无线分簇传感网的采用不同信息传送方式时的能量消耗示意图。

图11a和图11b为本发明的无线分簇传感网的采用不同信息传送方式时的信息传输量与整体能耗示意图。

图12a和图12b为本发明的无线分簇传感网的采用不同信息传送方式时的簇头端与簇内节点端的能耗比较示意图。

具体实施方式

请参阅图3，本发明的无线分簇传感网的通信方法首先执行步骤S10，在步骤S10中，预先在无线分簇传感网内具有的各节点端存储与节点端地址有关的跳频图谱，其中，所述跳频图谱的基本思想是为每个节点端分配一个在邻居节点端中唯一的接收频率，为每一个有向边分配一个单独的PN序列，使其与有公共顶点的相连边具有不同的PN序列，在为每个节点分配接收频率时，采用“点着色原理”确保没有相邻顶点有公共接收频率，在为边分配PN序列时，采用“边着色原理”确保没有相连边有公共PN序列，频率和PN序列在不造成干扰的情况下进行复用，请参见图4，在无线传感网中具有A-G共7个节点端，各自分配获得频点及PN序列分别如图4所示，例如，节点端A分配的频点为f1，节点端B分配的频点为f7，其向节点端A发送信息的PN序列为PN3，节点端D分配的频点为f5，其向节点端A发送信息的PN序列为PN5，而节点端A向节点端D发送信息的PN序列为PN4等等，利用频点的划分可减少内部干扰，通过为每个节点端分配一个在邻居节点端中唯一的接收频率，为每一个有向边分配一个单独的PN序列，可较好的解决信号在传感网中应用时的远近效应问题。同时通过频率和PN序列的分配，可有效减小用户间干扰，并在低数据率的应用中获得很好的节能及时延性能。不过鉴于系统的易用性与可实现性，故在实际通信中不采用协议调配实现着色，而是在各节点端预先存储跳频图谱，并使跳频图谱和节点端地址(ID)相关联相关，如此在确知目的节点时即可知该节点目前的跳频频点信息，由此来建立通信链路，如此可减小系统协议开销，虽可能存在碰撞，但由于簇散布，且发射功率受控，仅在相邻簇间可能发生，而且碰撞机率并不大。接着执行步骤S11。

在步骤S11中，当一目标进入无线分簇传感网内时，能感测到所述目标的各节点端分别采集目标信息，并根据各自所在簇的簇头端地址和所存储的跳频图谱确定各自簇内通信跳频频点后，按照各自预先与各自所在簇的簇头端约定的簇内通信扩频码及所确定的各自簇内通信跳频频点，采用载波侦听多路访问方式(CSMA)将各自采集的目标信息在簇内通信时间段内分别传送至所述各节点端各自所在簇的簇头端，通常各簇的簇内通信由于信息传输距离短，可采用高速传输，因此可采用高速短码作为簇内通信扩频码，采用高速传输可以节省簇头端接收簇内节点端发送的信息的时间，一方面可以减少簇头端处于等待的时间，减少簇内节点端处于发射的时间，有效节省功耗；另一方面可保证有更多的时间用于簇间通信，更加有效的保证簇间通信的畅通，而且由于簇内节点端仅与簇头端进行通信，所有其他簇发送的信息均为干扰，为减少不同簇间的干扰，不同簇间可采用频分方式进行区分，即每个簇的通信频点不一致，采用频分方式区分后，簇内通信就可采用相同的短扩频码进行扩频，也可采用不同短扩频码进行扩频，具体码字的选择由本簇的簇头决定。接着执行步骤S12。

在步骤S12，各簇头端接收到簇内各节点端传送至的目标信息后，将各目标信息聚合后以形成聚合信息，各簇头端根据接收的目标信息和形成的聚合信息计算聚合因子，假设在无线传感网中，每个节点端的包达到服从泊松过程，其包达到率为λ，数据包的大小服从负指数分布且均值为s；每个节点端的缓冲区最多能缓存N个数据包。在这样假设的前提下，从排队论的角度来看每个节点端都可以看作一个有限容量M/M/1排队系统。若定义节点端队列中包的数目为排队系统状态，则状态集为{S0，S1，….，SN}，设各状态相应的平稳概率分布为{P0，P1，….PN}，设簇i中有Nci个簇成员。

在通信过程中，每个时隙总是分配给一个特定簇成员，如果这个簇成员有数据包传输，则簇头将会收到一个数据包。因此对簇i而言，簇头端的数据包到达率为 ${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{di}}=\frac{B}{s}[1-p_0(\frac{B}{N_{\mathrm{ci}}s},\mathrm{\&lambda;})].$ 换言之，簇头端平均每秒收到λ_di个数据包。簇头端在传输数据包给基站时，需要对数据包进行聚合。聚合后数据的输出量取决于待聚合数据之间的相关性，设某一簇有d个簇成员(即节点端)，各个簇成员数据间的相关性可以用“聚合因子”α∈[0，1]进行描述。若每个簇成员发出一个大小为s的数据包，则簇头端收到d个大小为s的数据包，经过聚合后需要发送的数据量为： $s\&prime;=\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{d\&alpha;}-\mathrm{\&alpha;}+1},$ 由此可见，当聚合因子α＝1时，s’＝s，此时说明各簇成员数据的相关性最高，即完全相同，此时聚合后生成一个数据包就可以代表所有数据包；当聚合因子α＝0时，s’＝ds，此时说明各簇成员的数据相关性最低，即完全不相关，此时没法进行聚合，只有原样传输d个数据包，当0<α<1时，数据有不同程度的相关，α越大则相关程度越高，聚合后的数据量就越小。由前所述，根据接收的目标信息和形成的聚合信息即可计算聚合因子α。接着执行步骤S13。

在步骤S13中，各簇头端判断各自的聚合因子是否超过预设值，若一簇头端计算出的聚合因子超过预设值(例如为β)，则其采用簇头端至簇头端的发送方式，即执行步骤S19，请参见图5，其为簇头端至簇头端的发送方式示意图，在所述无线传感网中的各簇(例如簇1、簇2、簇3等等)都采用簇头端至簇头端的发送方式，如簇头端2向簇头端1发送聚合信息，簇头端1收到后在发送至基站，此外为简化说明，其他簇头端的发送在此不一一例举。若一簇头端计算出的聚合因子未超过预设值(即β)，则其采用簇内节点端参与的发送方式，即执行步骤S14，请参见图6，其为簇内节点端参与的发送方式示意图，例如，簇头端2所在簇内的各节点分别向簇头端1所在的各节点端发送聚合信息，同时，簇头端1所在簇内各节点收到相应聚合信息后分别发送至基站，此外，如图6所示，所述无线传感网包含多个簇，如簇3、簇4等等，他们分别都采用簇内节点端参与的发送方式，在此不一一说明。

在步骤S14中，需要发送聚合信息的发信簇簇头端确定聚合信息传送的路由，并根据所述路由选定下一信息中转簇，进而确定所述中转簇簇头端地址，所述发信簇簇头端在簇内通信时间段内将所述聚合信息分配给簇内其它节点端(并非是所在簇内的所有节点端，可以由簇头端选择部分节点端来辅助其发送聚合信息)，同时将所述中转簇簇头端地址及与所述中转簇簇头端约定的簇间通信扩频码信息传送给簇内其它节点端，其中，簇头及节点端采用的簇间通信扩频码可为低速长扩频码，采用低速长扩频码的原因如下：

1、当簇内的信息关联度较大时，经过簇头的信息融合，信息量变小，从而使簇头间采用降低数据速率的方式来增大传输距离成为可能。而当簇内的信息关联度较小时，此时采用簇-簇通信方式来进行通信，仍可保证簇间传输的数据量。

2、采用长码扩频能够在不更改硬件的条件下实现系统灵敏度的提升，增大传输距离。对于典型无线传感网节点而言，采用降低数据速率的方式来增大传输距离能更加有效的节省整体能耗。

3、簇间信息传输是路由的主要途径，由于信息是聚合型传输，存在某些节点为多条路径的交汇点，当信息流量较大时，可能存在多个信息同时到达同一节点的问题，造成信息传输的延时。而在簇间采用长码扩频可以更好的支持多用户通信，降低多用户干扰。

此外，对于不同簇，簇成员节点端采用的低速长扩频码不相同。接着执行步骤S15。

在步骤S15中，所述发信簇簇头端根据其所存储的跳频图谱及所述中转簇簇头端地址确定与所述中转簇簇头端通信的簇间通信跳频频点后，在后续的簇间通信时间段内根据所确定的簇间通信跳频频点及预先与所述中转簇簇头端约定的簇间通信扩频码向所述中转簇簇头端发送信息转发通知(即RTS)，其中，对于不同的中转簇簇头端，预先约定的簇间通信扩频码并不相同，请参见图7，所述发信簇簇头端可采用图7所示的系统架构，所述系统架构可分为发射、接收和跳频控制三部分，其中，发射部分将控制模块输入的原始数据经过信道编码、扩频调制及上变频后送至射频模块(RF模块)经天线发射，其中，扩频调制的扩频码参数控制可通过协议预先予以确定，而上变频时采用的跳频频点可根据协议查询预先存储的跳频图谱，根据跳频图谱产生的跳频频点经过跳频控制后送入鉴相器(即DDS+PLL)后再去控制上变频的频率。在接收部分，通过射频模块接收的信号进行滤波选择、信号放大和下变频处理转换为基带信号，再将基带信号送给信号预处理模块，信号预处理对输入的信号进行分析，去除其中存在的明显的干扰信号后送给解扩解调模块，解扩部分增益可调的跟踪器进行解扩处理，增益的调整根据增益控制模块的输出进行设置，解调部分解算出原始数据并送给后续信道解码模块进行信道解码其中，下变频处理的频率由也由DDS+PLL控制，同时解扩解调的扩频码参数则根据协议来控制，此外，解扩解调模块还将信道情况反馈至跳频图谱产生模块。跳频控制依据跳频图谱进行射频频率的控制更改。跳频图谱为跳频系统的设计依据，其横坐标为时间值，纵坐标为频率值，即为系统规定的某一时间点上所在的频率值。该图谱为收发系统所共同知晓，根据时间同步模块输入的时间值，选择相应的频率值，并将射频的输入(出)频率设置在该频点上，发射信号时，只需按跳频图谱进行射频频率的更改即可。例如根据存储的跳频图谱所述无线传感网各簇的簇内通信及簇间通信采用的跳频频点如下表1所示，其中，Ci和Cj代表不同的簇；Ci1，Ci2代表簇i所在的成员节点端；Ci0代表簇i所在的簇头端；Cj1，Cj2代表簇j所在的成员节点端；Cj0代表簇j所在的簇头端；PNSi代表簇i的短扩频码；PNSj代表簇j的短扩频码；PNLi代表簇i的长扩频码；PNLj代表簇j的长扩频码；FCi代表簇i根据频率分配所在的簇内通信频点；FCj代表簇j根据频率分配所在的簇内通信频点；Fi代表簇i根据频率分配所在的簇间通信频点；Fi1，Fi2代表簇i的成员节点端1和2根据频率分配所在的簇间通信频点；Fj代表簇j根据频率分配所在的簇间通信频点；Fj1，Fj2代表簇j的成员节点端1和2根据频率分配所在的簇间通信频点；FDi代表簇i的中转簇所在频点；FDj代表簇j的中转簇所在频点；FBi代表基站所在的信道i频点；FBj代表基站所在的信道j频点；由表1可知，不同的簇通过扩频码的不同进行区分，同一簇的不同簇成员节点端通过频点的不同进行区分。对于相同簇而言，簇成员节点端所在频点均不同；对于不同簇而言，簇成员节点端频点尽量不同，但距离较远的节点通信频点也可相同。这样，相互距离靠近的节点频点不一致，而相隔较远的节点在频点一致的情况下，采用的扩频码也不一致，从而能较好的实现信息的传输，接着执行步骤S16。

表1：

在步骤S16中，所述中转簇簇头端接收到所述信息转发通知后发送回相应反馈信息，在后续的簇内通信时间段内通知其簇内其它节点端在后续簇间通信时间段内处于接收信息状态，通常当簇成员节点端如收到簇头端的唤醒调度，则在簇间通信时间开始时处于接收态，其侦听接收的扩频码和频点为分配的频点，接着执行步骤S17。

在步骤S17中，所述发信簇簇头端所在簇的各节点端在分别根据所述中转簇簇头端地址及所存储的跳频图谱选定各自相应的与所述中转簇簇头端通信的跳频频点对应的子频点后，在后续的簇间通信时间段内根据各自所选定子频点及接收的与所述中转簇簇头端的簇间通信扩频码向所述中转簇相应各节点端发送相应聚合信息，即当接收的信息需要转发时，簇成员节点端在簇间通信时间开始时即开始进行信息发送，发送时采用的频点为中转簇成员节点端所在的频点和扩频码，例如，当节点端Ci1向中转簇内的节点端发送聚合信息时，则节点端Ci1采用的簇间通信扩频码为PNLi，采用的跳频频点为FDi1(其中，FDi1为节点端Ci根据所述中转簇簇头端地址及所存储的跳频图谱选定各的与所述中转簇簇头端通信的跳频频点对应的子频点，所述子频点为中转簇内某一节点端接收信号所采用的频点)，接着执行步骤S18。

在步骤S18中，在所述中转簇相应各节点端接收相应聚合信息时，所述中转簇簇头端根据路由向下一中转簇簇头端发送信息转发通知，并在收到反馈信息后，其所在簇的各节点端将接收的相应聚合信息在后续簇间通信时间段内继续向下一中转簇各节点端发送，直至聚合信息传送至所述无线分簇传感网的基站，通常簇-基站可进行通信，基站内存在多个针对不同频点的信道，可同时接入多路信息，但基站下发的消息，一般为信息发布，采用信息发布通信模式进行通信，不进行基站-簇(簇成员)的通信。

在步骤S19，当一要发送聚合信息的发信簇簇头端选择簇头端至簇头端的发送方式时，所述簇头端先确定聚合信息传送的路由，并根据所确定的路由选定下一信息中转簇，并进而确定所述中转簇簇头端地址，接着在根据其所存储的跳频图谱及所述中转簇簇头端地址确定与所述中转簇簇头端通信的簇间通信跳频频点后，在后续簇间通信时间段内根据所确定的簇间通信跳频频点及预先与所述中转簇簇头端约定的簇间通信扩频码将所述聚合信息予以发送，采用簇头端至簇头端的发送方式时，根据跳频图谱确定发送信息时所采用的跳频频点如下表2，其中，Ci和Cj代表不同的簇；Ci1，Ci2代表簇i所在的成员节点端；Ci0代表簇i所在的簇头端；Cj1，Cj2代表簇j所在的成员节点端；Cj0代表簇j所在的簇头端；PNSi代表簇i的短扩频码；PNSj代表簇j的短扩频码；PNLi代表簇i的长扩频码；PNLj代表簇j的长扩频码；FCi代表簇i根据频率分配所在的簇内通信频点；FCj代表簇j根据频率分配所在的簇内通信频点；Fi代表簇i根据频率分配所在的簇间通信频点；Fj代表簇j根据频率分配所在的簇间通信频点；FDi代表簇i的中转簇所在频点；FDj代表簇j的中转簇所在频点；FBi代表基站所在的信道i频点；FBj代表基站所在的信道j频点；例如，当簇头端Ci0向中转簇发送聚合信息时，其采用的低速长扩频码为PNLi，采用的跳频频点为FDi，接着执行步骤S20。

表2：

在步骤S20中，所述中转簇簇头端在接收到所述聚合信息后，若其自身还具有需要发送的聚合信息，则将所接收到的聚合信息与自身具有的聚合信息进行再次聚合后形成新的聚合信息，并根据所述新的聚合信息的信息量选择其发送所述新的聚合信息的发送方式以将所述新的聚合信息发送至下一中转簇簇头端，直至聚合信息传送至所述无线分簇传感网的基站，其根据信息量选择聚合信息发送方式的方法如前所述，在此不再重述。

以下将对采用不同聚合信息发送方式时的效果进行说明，即对采用簇头端至簇头端的发送方式(即方式一)及簇内节点端参与的发送方式(即方式二)的传输时延和功耗进行说明。

请参见图8，其比较了采用方式二进行信息传输时，参与的簇成员个数与传递时延的关系，从图8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，方式二的传输时延明显小于方式一，但当传递的信息量小于方式二的传递速率时，方式二的时延节省效果不明显，且随着参与节点的增多，时延的节省效果逐渐趋缓。可见，为达到最大效能比，并非参与传输的节点越多越好。

请参见图9，其为采用方式二时不同的传输速率下信息传递量对时延的影响示意图，由图9可见，时延随着信息量呈线性增长，而且方式二的传输速率越快，则需要耗费的时间越短，这在信息量较大的情况下尤显明显。

请参见图10、图11a、图11b、图12a及图12b，方式一与方式二在待机状态下，簇头端的能量消耗相当，方式一中簇内节点端的能量消耗较方式二小。有信息上传时，节点端在簇内通信时间和簇间通信时间能量消耗急剧上升，方式二中，簇内节点端既需要信息上传，又需要信息下发，簇内节点端的能耗较大。在进行信息中转时，方式一的簇头端耗能较多，方式二的簇内节点端耗能较多。在整体能耗上，方式二的整体能耗始终大于方式一。二者的能耗情况与发送信息的长度基本成正比。但方式二的耗能在簇头端和簇内节点端处分布较均匀，而方式一下簇头端的消耗远高于簇内节点端，因此，采用方式二或不时进行状态的切换，有利于维持系统能耗均衡。

综上所述，本发明的无线分簇传感网的通信方法通过在簇内采用基于载波侦听多路访问方式的高速信息传输，在簇间采用降低通信速率的方式进行远距离信息传输，同时根据信息聚合程度采用不同的簇间通行方式，如此在小信息量且呈信息聚合态势下，采用簇头端至簇头端的发送方式进行信息传送能够使总体的能量耗费较少，而在大信息量传送情况下，采用簇内节点端参与的发送方式能有效的减少信息传输时延，通常大信息量传输和信息的正常交互是独立开来的，突发的大信息量传输并不影响节点端的信息聚合上报及系统的命令下达，而且簇头端和簇内节点端在上述两种方式的交互下，簇头短的能量消耗与簇内节点端的能量消耗相当，基本可保证整个网络能量的均衡。

Claims (4)

1.一种无线分簇传感网的通信方法，其特征在于包括步骤：

1)预先在无线分簇传感网内具有的各节点端存储与节点端地址有关的跳频图谱；

2)当一目标进入无线分簇传感网内时，能感测到所述目标的各节点端分别采集目标信息，并根据各自所在簇的簇头端地址和所存储的跳频图谱确定各自簇内通信跳频频点后，按照各自预先与各自所在簇的簇头端约定的簇内通信扩频码及所确定的各自簇内通信跳频频点，采用载波侦听多路访问方式将各自采集的目标信息在簇内通信时间段内分别传送至所述各节点端各自所在簇的簇头端；

3)各簇头端接收到簇内各节点端传送至的目标信息后，将各目标信息聚合后以形成聚合信息，并根据所述聚合信息的信息量选择发送所述聚合信息的发送方式，其中，所述发送方式包括簇头端至簇头端的发送方式及簇内节点端参与的发送方式；

4)当一要发送聚合信息的发信簇簇头端选择簇内节点端参与的发送方式时，所述发信簇簇头端确定聚合信息传送的路由，并根据所述路由选定下一信息中转簇，进而确定所述中转簇簇头端地址，所述发信簇簇头端在簇内通信时间段内将所述聚合信息分配给簇内其它节点端，同时将所述中转簇簇头端地址及与所述中转簇簇头端约定的簇间通信扩频码信息传送给簇内其它节点端，接着在其根据其所存储的跳频图谱及所述中转簇簇头端地址确定与所述中转簇簇头端通信的簇间通信跳频频点后，在后续的簇间通信时间段内根据所确定的簇间通信跳频频点及预先与所述中转簇簇头端约定的簇间通信扩频码向所述中转簇簇头端发送信息转发通知，其中，对于不同的中转簇簇头端，预先约定的簇间通信扩频码并不相同；

5)所述中转簇簇头端接收到所述信息转发通知后发送回相应反馈信息，在后续的簇内通信时间段内通知其簇内其它节点端在后续簇间通信时间段内处于接收信息状态；

6)所述发信簇簇头端所在簇的各节点端在分别根据所述中转簇簇头端地址及所存储的跳频图谱选定各自相应的与所述中转簇簇头端通信的跳频频点对应的子频点后，在后续的簇间通信时间段内根据各自所选定子频点及接收的与所述中转簇簇头端的簇间通信扩频码向所述中转簇相应各节点端发送相应聚合信息；

7)在所述中转簇相应各节点端接收相应聚合信息时，所述中转簇簇头端根据路由向下一中转簇簇头端发送信息转发通知，并在收到反馈信息后，其所在簇的各节点端将接收的相应聚合信息在后续簇间通信时间段内继续向下一中转簇各节点端发送，直至聚合信息传送至所述无线分簇传感网的基站；

8)当一要发送聚合信息的发信簇簇头端选择簇头端至簇头端的发送方式时，所述簇头端先确定聚合信息传送的路由，并根据所确定的路由选定下一信息中转簇，并进而确定所述中转簇簇头端地址，接着在根据其所存储的跳频图谱及所述中转簇簇头端地址确定与所述中转簇簇头端通信的簇间通信跳频频点后，在后续簇间通信时间段内根据所确定的簇间通信跳频频点及预先与所述中转簇簇头端约定的簇间通信扩频码将所述聚合信息予以发送；

9)所述中转簇簇头端在接收到所述聚合信息后，若其自身还具有需要发送的聚合信息，则将所接收到的聚合信息与自身具有的聚合信息进行再次聚合后形成新的聚合信息，并根据所述新的聚合信息的信息量选择其发送所述新的聚合信息的发送方式以将所述新的聚合信息发送至下一中转簇簇头端，直至聚合信息传送至所述无线分簇传感网的基站。

2.如权利要求1所述的无线分簇传感网的通信方法，其特征在于：各簇内的节点端采用的簇内通信扩频码为高速短扩频码。

3.如权利要求1所述的无线分簇传感网的通信方法，其特征在于：各簇的簇头及节点端采用的簇间通信扩频码为低速长扩频码。

4.如权利要求1所述的无线分簇传感网的通信方法，其特征在于在步骤3)中进一步包括步骤：

(1)簇头端根据接收的目标信息和形成的聚合信息计算聚合因子；

(2)所述簇头端判断所述聚合因子是否超过预设值，若是其采用簇头端至簇头端的发送方式，否则其采用簇内节点端参与的发送方式。

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