CN101902798A

CN101902798A - 无线传感器网络的快速组网方法

Info

Publication number: CN101902798A
Application number: CN2010102679396A
Authority: CN
Inventors: 孔令和; 伍民友; 薛广涛
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2010-12-01

Abstract

一种网络技术领域的无线传感器网络的快速组网方法，包括以下步骤：预估簇头节点的个数；布撒前，选取簇头候选节点和簇成员候选节点；布撒后，当簇头候选节点在T时间内没有收到其它簇头候选节点的组网信息，则将一跳范围内的邻居节点组进簇中，否则，该簇头候选节点成为簇成员节点或网关节点；同时所有簇成员候选节点在T时间内进行侦听，当收到簇头候选节点的组网消息时，则该簇成员候选节点组入簇中成为簇成员节点或网关节点，否则，该簇成员候选节点成为簇头候选节点，且重新进行并行组网。本发明简单易实现，大大提高无线传感器网络的组网速度，同时减少组网的能耗，适用范围广。

Description

无线传感器网络的快速组网方法

技术领域

本发明涉及的是一种网络技术领域的组网方法，具体是一种无线传感器网络的快速组网方法。

背景技术

无线传感器网络是由一些在空间上分散的自组织的节点组成的，用来协同监控不同区域的状况。典型的传感器节点在布撒后是未连接的独立个体，需要通过自组织的方式进行通信并组成一个网络才能进入工作阶段，这个过程称之为组网或初始化。无线传感器网络的初始化在其生命周期中是必不可少的过程，这一过程的时间是从节点布撒后开始直至整个传感器网络可以进入工作状态为止。由于实际应用中，通常一次需要布撒大量的传感器节点，传统的组网方法，特别是在面对大规模的网络时，初始化过程需要耗费几分钟甚至几十分钟的时间。由于实际应用中的传感器节点一般难以充电或更换电池，系统资源有限，因此现有技术多数关注组网过程的能耗情况，而快速组网技术成为一片盲区。

经过现有技术检索发现，美国专利号为：7295521，公开日期为：2004年8月4日，名称为：Directional flooding method in wireless sensor network(无线传感器网络有向洪泛组网方法)，该技术以组成有向树的拓扑结构进行洪泛方式的组网，但是树形结构组网是一个由根节点向枝叶节点多跳信息交换的过程，并且洪泛的组网方式存在大量冲突重传，导致整个组网时间延长。

又经检索发现，中国专利公开号为：CN101188444，公开日期为：2008.05.28，名称为：一种无线传感网的分布式分簇组网的方法，该技术提出了分簇拓扑的基于邻居发现的组网方式，然而这一分簇方式需要通过协商方法来选举簇头，同样耗费了初始化组网的时间，导致整个组网时间延长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种无线传感器网络的快速组网方法。本发明通过先验估计在节点布撒前预估簇头节点数量，布撒后各簇头立刻开始并行组成一跳分簇的网络并融合成整个网络，实现了无线传感器网络的尽可能快的组网，具有无需簇头选举过程、提供分簇的拓扑结构、组网时间快、因为是并行组网所以组网时间与节点数量基本无关等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，对无线传感器网络进行先验预估处理，得到簇头节点的个数n。

所述的先验预估处理，是：

n = \frac{C \times lgN \times A}{R^{2}},

其中：C是常数，N是传感器节点的数量，A是无线传感器网络监测区域面积，R是传感器节点传输半径。

第二步，传感器节点在布撒前，随机选取其中f×n个节点作为簇头候选节点，其它N-f×n个节点作为簇成员候选节点，其中：N是传感器节点的数量，f是冗余系数。所述的冗余系数f的取值范围为：

第三步，传感器节点在布撒后，各节点并行自组一跳的分簇网络，所有簇头候选节点在布撒后同步启动，当簇头候选节点在T时间内没有收到其它簇头候选节点的组网信息，则该簇头候选节点广播自身组网消息，且将一跳范围内的邻居节点组进簇中，执行第五步；当簇头候选节点在T时间内收到其它簇头候选节点的组网消息，则使该簇头候选节点成为簇成员节点或网关节点，执行第五步；

同时所有簇成员候选节点在T时间内进行侦听，当收到簇头候选节点的组网消息时，则该簇成员候选节点组入簇中成为簇成员节点或网关节点，执行第五步；否则，执行第四步。

所述的T的取值小于6个Hello数据包的传输时间。

第四步，当簇成员候选节点在T时间内未收到簇头候选节点的组网消息时，使该簇成员候选节点成为簇头候选节点，且返回第三步，重新进行并行组网。

第五步，按照第三步的方法，实现各节点的并行组网，直至所有的节点都组入簇中，所有的簇形成网络。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：各节点是按一跳范围进行并行组网而非多跳方式依次组网，使得组网时间由以最小可组成连接的时间单位并行进行，大大缩减了组网初始化的时间，同时组网不在按照网络中节点的数量规模增加，只与节点密度相关；另外簇头节点的选择方法是在布撒前就已经通过计算决定了簇头候选节点的数目，不占用组网时间，相比于簇头选举方法的方式直接减去了这部分时间；为保证网络的联通性，也增加了退位处理(簇头候选节点成为簇成员节点或网关节点)和升格处理(簇成员候选节点成为簇头候选节点)；减少组网的能耗，适用范围广。

附图说明

图1是实施例初始布撒后的拓扑结构示意图；

图2是实施例簇头候选节点并行组网的拓扑结构示意图；

图3是实施例簇成员候选节点并行组网的拓扑结构示意图；

图4是实施例组网后的拓扑结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例以无线传感器网络包括9个节点作为实施条件，分别标记为：节点A、节点B、节点C、节点D、节点E、节点F、节点G、节点H和节点I。

本实施例包括以下步骤：

所述的先验预估处理，是：

n = \frac{C \times lgN \times A}{R^{2}}

本实施例中C是0.2，N是9，A是100×100＝10000m²，R是30m，计算得到n＝2。

第二步，传感器节点在布撒前，随机选取其中f×n个节点作为簇头候选节点，其它N-f×n个节点作为簇成员候选节点，其中：N是传感器节点的数量，f是冗余系数。

本实施例中f的取值为2，故随机选取4个节点为簇头候选节点，其它5个节点作为簇成员候选节点。4个簇头候选节点分别为节点B、D、G、I，另5个节点A、C、E、F、H为簇成员候选节点。经随机布撒到监测区域后，位置如图1所示。

本实施例中所采用传感器节点设备发送一个Hello数据包的时间为1毫秒，在大规模组网情况下T值的上限设定为6毫秒。由于本实施例网络规模很小，密度也很低，10000平方单位分布9个传输半径为30的节点，为避免传输冲突，T的上限时间设定为2毫秒已经足够，故T的随机选取值为1毫秒或2毫秒。

如图1所示，节点B和I由随机取值得到T＝1毫秒，故在第1毫秒，簇头候选节点B和I并行发送组网信息至其一跳邻居节点A、D、E、H。节点B和I确认其簇头身份；节点H确认其为簇成员身份并连接到簇头I；节点A和E确认其簇成员身份并连接到簇头B；节点D随机得到T＞1毫秒，在T＝1毫秒时刻就听到来自簇头B的组网信息，根据退位处理放弃簇头候选资格，确认簇成员身份并连接到簇头B。

如图2所示，簇头候选节点G随机取值得到T＝2毫秒，在第2毫秒发送组网信息到其一跳邻居节点E和H。节点G确认其簇头身份，簇成员节点E和H增加连接到簇头G。至此，所有簇头候选节点并行组网完成，但存在剩余簇成员候选节点未连接入网络。

如图3所示，当T到达上限时间2毫秒，按升格处理，节点C和F主动升格为簇头候选节点并重复簇头候选节点的组网过程。簇头候选节点C随机取值得到T＝1毫秒，故发送组网信息至其一跳邻居D和F。节点C明确其簇头身份。簇成员节点D增加连接到簇头C的连接。节点D随机得到T＞1毫秒，在T＝1毫秒时刻就听到来自簇头B的组网信息，根据退位处理放弃簇头候选资格，确认簇成员身份并连接到簇头C。

至此，如图4所示，所有节点均连接到一个网络中，且为分簇的拓扑结构。无线传感器网络组网完成，可以进入监测传感的工作阶段。本实施例组网的总共耗时为3毫秒(原簇头候选节点组网耗时2毫秒，升格簇头候选节点组网耗时1毫秒)。

本实施例的具体优点：若按照无线传感器网络有向洪泛组网方法组成树形拓扑需每个节点至少发送一个组网数据包，除根节点每个要在收到上层节点的数据包后才能再发送，并且不能产生冲突，按本实施例的节点分布最少耗时9毫秒才能完成。若按照一种无线传感网的分布式分簇组网的方法，簇头选举就至少需要每个节点交互一次信息，即使有并行也需要至少7毫秒，按本实施例至少需要3个簇头在2个毫秒内发送分簇组网信息才能完成组网，共需9毫秒。本实施例快速组网在组网时间上的优势得以体现，并且在大规模的无线传感器网络组网情况下，这个时间差距将更加明显。

当1000个传输半径为100单位距离的无线传感器节点随机分布在800×800＝640000平方单位的监测范围内：本实施例方法的组网时间小于20毫秒；洪泛组网方法时间大于3分钟；而分布式分簇组网的方法得耗时也超过了1分钟。虽然在最终的分簇拓扑结构相比，快速组网方法比选举方法的簇头数量要多，但是却大大缩短组网的时间，无线传感器网络的快速组网对紧急应用场景有着至关重要的作用的优势。

Claims

1.一种无线传感器网络的快速组网方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，对无线传感器网络进行先验预估处理，得到簇头节点的个数n；

第二步，传感器节点在布撒前，随机选取其中f×n个节点作为簇头候选节点，其它N-f×n个节点作为簇成员候选节点，其中：N是传感器节点的数量，f是冗余系数；

同时所有簇成员候选节点在T时间内进行侦听，当收到簇头候选节点的组网消息时，则该簇成员候选节点组入簇中成为簇成员节点或网关节点，执行第五步；否则，执行第四步；

第四步，当簇成员候选节点在T时间内未收到簇头候选节点的组网消息时，使该簇成员候选节点成为簇头候选节点，且返回第三步，重新进行并行组网；

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的快速组网方法，其特征是，第一步中所述的先验预估处理，是：

n = \frac{C \times lgN \times A}{R^{2}},

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的快速组网方法，其特征是，第二步中所述的冗余系数f的取值范围为：

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络的快速组网方法，其特征是，第三步和第四步中所述的T的取值小于6个Hello数据包的传输时间。