CN102752844B - 一种无线传感器网络信道资源多级分配方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络信道资源多级分配方法，包括由簇头节点和子节点组成的分簇树形拓扑网络，簇头节点和子节点信道分配方式为基于TDMA的分配方法，每个分簇中子节点只能与该分簇的簇头节点通信，信道资源分配方法为：簇头节点为其下属子节点分配时隙用于上传数据，网络中下级分簇的超帧周期是上级分簇的超帧周期的N倍，N≥2，下级分簇的超帧开始时刻与上级分簇的超帧开始时刻同步。它可以解决基于无线传感器网络的监测系统中由于监测数据量大，造成数据传输速度慢、传输延迟高的问题。

Description

一种无线传感器网络信道资源多级分配方法

技术领域

本发明涉及一种信道资源分配方法，特别是一种用于无线传感器网络的信道多级分配方法。

背景技术

随着机械设备的发展和相应监测技术的进步，出现了将新兴的无线传感器网络运用到机械振动监测领域中的应用技术。但是由于机械振动监测系统面临的数据量大、延时要求低、时间同步要求高等特点，现在的无线传感器网络带宽及带宽分配技术难以满足其要求。在网络带宽受制于无线收发芯片的物理特性的条件下，尽量提高无线收发芯片的利用效率和通信成功率，仍然具有相当大的实用价值。

无线传感器网络信道资源分配有两种基本方法。一种是基于随机竞争的分配方法，各个节点使用CSMA/CA算法竞争无线信道的访问权，最先抢得访问权的节点才可以进行数据发送，其他节点应该保持静默或等待。但是这种方法的缺点是当竞争的节点数量比较多时，CSMA/CA算法很难保证同一时刻只有一个节点竞争到信道访问权，导致传输冲突、信道资源被浪费；同时，要保证这种惟一性会导致严重的传输退避与延迟时间增长，使得信道利用效率大幅降低，网络吞吐量也会随之减小。另一种是基于TDMA的分配方法，各个节点按预先分配的时隙访问信道，或者在需要访问信道时通过申请或协调机制获得专门分配的时隙来访问信道。但目前的TDMA分配方式需要根据整个网络的节点数量确定循环周期中的时隙数量以便于为每个节点至少分配一个可用时隙，这就会造成网络规模难以扩展，并且传输等待时间比较长。

本发明根据无线传感器网络普遍采用的多级分簇的树形拓扑结构，设计了一种基于TDMA的以时隙为单位的信道资源分配方法。该方法能够有效降低多节点信道竞争和传输冲突，同时可避免TDMA分配方法导致的全局一致的时隙长度所带来的传输等待时间过长、网络扩展性差的缺点，能够使无线传感器网络更好的运用于类似于机械振动监测系统中。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高效率、低开销、易扩展的无线传感器网络信道资源多级分配方法，它可以解决基于无线传感器网络的监测系统中由于监测数据量大，造成数据传输速度慢、传输延迟高的问题。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括由簇头节点和子节点组成的分簇树形拓扑网络，簇头节点和子节点信道分配方式为基于TDMA的分配方法，每个分簇中子节点只能与该分簇的簇头节点通信，信道资源分配方法为：簇头节点为其下属子节点分配时隙用于上传数据，网络中下级分簇的超帧周期是上级分簇的超帧周期的N倍，N≥2，下级分簇的超帧开始时刻与上级分簇的超帧开始时刻同步。

进一步，在簇头节点与上级簇头节点通信时，当前簇头节点切换到上级分簇信道，此时当前簇头节点的下级子节点无法上传数据，若子节点自身不是下一级分簇的簇头节点，则进入休眠模式。

进一步，整个拓扑网络的时隙定义为四个状态时隙包括有；

空闲状态时隙，没有分配给任何节点的时隙；

分配状态时隙，簇头节点固定分配给下属子节点用于上传数据的时隙；

独占状态时隙，簇头节点与上级簇头节点通信所用的时隙；

广播状态时隙，簇头节点为自身分配的用于向子节点发送消息所用的时隙。

进一步，子节点在分配给自身的分配状态时隙里，优先访问信道，在空闲时隙及分配给其他节点而其没有占用的时隙里，所有子节点运用载波监听、碰撞避免机制CSMA/CA方法竞争访问无线信道。

进一步，簇头节点在广播状态时隙里，向下发送同步信息，使簇头节点与子节点时钟同步，超帧对齐。

进一步，子节点根据整个网络的节点数量调整自身信道占用率，最优带宽占用率由分簇内节点的总数n和信道最大可用带宽B决定，节点调整自身的信道占用率，使其平均占用率为 。

进一步，对于具有优先权的节点A，节点A占用更多信道资源，设其由簇头节点得到的节点总数为，分配的占用率为，节点A增加的带宽需求量为，增加的带宽需求量将由分簇内优先权低的节点共同分担。

进一步，在分簇树形拓扑网络建立过程中，簇头节点的工作流程为：簇头节点在新建分簇时，首先扫描全部信道，选出小于最大阈值的信道中信号强度最小的信道，将其作为新建分簇使用的信道，簇头节点根据超帧扩展系数N进行扩展超帧，若所有信道强度都大于最小阈值，簇头节点等待一段时间后重试。

进一步，在分簇树形拓扑网络建立过程中，子节点的工作流程为：子节点首先扫描所有信道，选择大于最小阈值的信道中信号强度最大的信道，通过向簇头节点发送加入请求，等待簇头节点的确认加入回复，在簇头节点的确认加入回复中，簇头节点将通知子节点本簇超帧长度的大小，以及对应于子节点的各时隙状态。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明所述方法信道资源利用效率高、计算复杂度低、扩展容易，适用于对网络数据吞吐量要求较高、数据传输延迟可保障的机械振动监测系统及其人他类似要求的基于无线传感器网络的应用系统。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明采用的多级分簇树形网络拓扑结构示意图；

图2为本发明信道资源分配方法的簇头节点流程示意图；

图3为本发明信道资源分配方法的子节点流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种无线传感器网络信道资源多级分配方法，包括由簇头节点和子节点组成的分簇树形拓扑网络，簇头节点和子节点信道分配方式为基于TDMA的分配方法，每个分簇中子节点只能与该分簇的簇头节点通信，信道资源分配方法为：簇头节点为其下属子节点分配时隙用于上传数据，网络中下级分簇的超帧周期是上级分簇的超帧周期的N倍，N≥2，下级分簇的超帧开始时刻与上级分簇的超帧开始时刻同步。

在簇头节点与上级簇头节点通信时，当前簇头节点切换到上级分簇信道，此时当前簇头节点的下级子节点无法上传数据，若子节点自身不是下一级分簇的簇头节点，则进入休眠模式。

整个拓扑网络的时隙定义为四个状态时隙包括有；

空闲状态时隙，没有分配给任何节点的时隙；

分配状态时隙，簇头节点固定分配给下属子节点用于上传数据的时隙；

独占状态时隙，簇头节点与上级簇头节点通信所用的时隙；

广播状态时隙，簇头节点为自身分配的用于向子节点发送消息所用的时隙。

子节点在分配给自身的分配状态时隙里，优先访问信道，在空闲时隙及分配给其他节点而其没有占用的时隙里，所有子节点运用载波监听、碰撞避免机制CSMA/CA方法竞争访问无线信道。

簇头节点在广播状态时隙里，向下发送同步信息，使簇头节点与子节点时钟同步，超帧对齐。

子节点根据整个网络的节点数量调整自身信道占用率，最优带宽占用率由分簇内节点的总数n和信道最大可用带宽B决定，节点调整自身的信道占用率，使其平均占用率为。

对于具有优先权的节点A，节点A占用更多信道资源，设其由簇头节点得到的节点总数为，分配的占用率为，节点A增加的带宽需求量为，增加的带宽需求量将由分簇内优先权低的节点共同分担。

如图2所示，在分簇树形拓扑网络建立过程中，簇头节点的工作流程为：簇头节点在新建分簇时，首先扫描全部信道，选出小于最大阈值的信道中信号强度最小的信道，将其作为新建分簇使用的信道，簇头节点根据超帧扩展系数N进行扩展超帧，若所有信道强度都大于最小阈值，簇头节点等待一段时间后重试。

如图3所示，在分簇树形拓扑网络建立过程中，子节点的工作流程为：子节点首先扫描所有信道，选择大于最小阈值的信道中信号强度最大的信道，通过向簇头节点发送加入请求，等待簇头节点的确认加入回复，在簇头节点的确认加入回复中，簇头节点将通知子节点本簇超帧长度的大小，以及对应于子节点的各时隙状态。子节点需要在簇头节点的广播时隙中完成与簇头节点的时钟同步，这时子节点就可以根据时隙访问规则来进行时隙访问，完成数据的传输。同时，为避免簇头节点出现数据拥塞的情况，子节点需要根据拥塞控制机制调整自身的发送速率，合理访问无线信道。

无线传感器网络中常见的网络拓扑结构为：平面型网状拓扑和星型树状拓扑。平面型拓扑结构中每个节点有多个可以直接通信的邻居节点，使得网络的健壮性强，对节点移动或其他原因造成的网络拓扑变化有较好的适应性，但由于没有中心节点的管理，其组网算法复杂并且难以实现节点的同步休眠。星型树状拓扑结构中由中心节点来管理整个拓扑结构，其集中管理机制使得整个结构中时钟的同步以及同步休眠都比较容易实现。因此，在基于无线传感器网络的类似于机械振动监测的领域中，无线传感器网络的拓扑结构一般为星型树状拓扑结构。

无线传感器网络中每个信道的吞吐量上限是固定的， 这也是无线传感器网络传输速度的瓶颈，常见方法是通过多信道通信来提高数据传输速度，本发明为充分利用多信道的优势，采用多级分簇的树形网络拓扑结构，如图1所示。在每个分簇中，子节点只能与簇头节点进行通信，与常见的无线传感器网络分簇结构不同，本发明中的不同分簇可以选择使用不同的信道同时进行通信。不同信道同时通信并不会造成相互干扰，而且能够提高整个网络的信道资源利用率，提高数据的传输速度。

在每一个分簇中，簇头节点管理和协调簇内所有的子节点对信道资源的使用，簇头节点以时隙为单位分配信道资源。分簇中的某些子节点可以根据分簇与超帧扩展原理建立一个新的分簇，这些子节点在新的分簇中担任簇头节点，可以接受未加入网络的节点的加入分簇申请，并管理和协调这些新加入的节点对信道资源的访问。

在类似于机械振动监测的无线传感器网络中，数据流是由下级分簇往上级分簇传输，最终所有数据都传输到汇聚节点。在这种网络中，越上级的分簇需要完成的数据传输任务越重，这些分簇不仅需要完成本簇内数据的传输，还需要转发下级分簇的数据。因此，本发明的信道资源分配方法中，下级分簇的超帧周期是上级分簇的超帧周期的N倍，N≥2，这使得上级分簇有更多的机会获得信道资源来传输数据。同时，下级分簇的超帧开始时刻需要与上级分簇的超帧开始时刻同步，保证后续的任何时刻下级分簇超帧的时隙与上级分簇超帧的时隙有相对应的协调关系，以防止时隙状态紊乱。

如图1所示的分簇中，初始超帧周期为L，第1跳,D=1时，后超帧周期为2L，第2跳，D=2，后超帧周期为4L。需要合理选择L初始超帧长度L，超帧周期会随着分簇层次增大而呈指数级增长，L过大会导致底层分簇的超帧周期太长从而造成节点的平均传输延迟过大。

簇头节点建立分簇并设置好新分簇的超帧长度后，将进入时隙调度循环。这时，簇头节点等待子节点的请求加入，并为新加入的子节点分配时隙。在簇头节点与上级簇头节点通信时，会切换到上级分簇信道，因此在这个时隙里新分簇的子节点将无法与簇头节点通信，如果子节点自身不是下一级分簇的簇头节点，这时可以进入休眠状态以降低能耗。当簇头节点与本级子节点通信，即进入簇头节点的广播时隙时，簇头节点将需要通知子节点的信息传播出去，由于监测系统数据流一般为从下往上的传播，所以簇头节点需要往下传播的数据并不多，因此广播时隙并不长。簇头节点的广播时隙还有一个十分重要的任务，就是在广播时隙里，簇头节点将与子节点进行时钟同步，以保证超帧对齐，使时隙调度按序进行。

本发明设计的信道资源多级分配方法中，分配的最小单位为时隙，每个分簇中子节点使用信道资源都需要按照簇头节点分配的时隙进行，这避免了网络中节点对信道访问的冲突。本方法中定义了四种类型的时隙状态来协调节点对各个时隙的访问规则，分别是空闲、分配、独占和广播。空闲状态是指该时隙没有分配给任何子节点，分配状态是指该时隙已经分配给簇中的某一子节点，独占状态是指该时隙仅用于簇头节点与上级簇头节点之间的通信，广播状态的时隙是簇头节点为自身分配的时隙。

网络中各个节点根据每个时隙的状态，按照分配方法中的时隙访问规则来进行时隙访问。簇内子节点在时隙状态为分配给该节点的时候，可以优先访问信道，而不必同其他节点竞争。在空闲时隙，节点可以运用CSMA/CA方法竞争访问无线信道，同时，在分配给其他节点的时隙里，节点也可以竞争信道访问权，这是为了防止节点在分配时隙里却没有数据可以传输造成的信道资源浪费。在独占时隙和广播时隙里子节点不能访问信道，必须等到下一个分配时隙或空闲时隙时再尝试操作。

本发明为避免子节点占用过多信道导致的簇头节点出现拥塞的状况，设计了一套简单有效的拥塞控制机制。子节点并不是每轮超帧中的自身分配时隙里都可以访问信道，它必须根据拥塞控制机制有节制、比较均衡的访问无线信道。一个分簇里信道可用的最大带宽为，由分簇的超帧长度和无线通信芯片的通信速率决定。设计的拥塞控制机制主要与分簇内总节点数有关，节点调整自己的信道占用率，使其在平均占用率附近。对于具有优先权的节点，设置其由簇头节点得到的节点总数为，则其带宽占用率应该为，大于平均占用率，增加的带宽需求量为：

节点增加的信道占用率将由分簇里优先权低的个节点来共同分担，假设这里由节点和节点来分担，即，则分担后优先权低的节点带宽占用率为：

这时设置节点和节点的节点总数为：

分簇内每个节点在调整自己的参数后需要将参数通知簇头节点，簇头节点根据优先级计算出需要调整的节点以及其参数，并在其广播时隙里通知对应的节点。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络信道资源多级分配方法，其特征在于：包括由簇头节点和子节点组成的分簇树形拓扑网络，簇头节点和子节点信道分配方式为基于TDMA的分配方法，每个分簇中子节点只能与该分簇的簇头节点通信，信道资源分配方法为：簇头节点为其下属子节点分配时隙用于上传数据，网络中下级分簇的超帧周期是上级分簇的超帧周期的N倍，N≥2，下级分簇的超帧开始时刻与上级分簇的超帧开始时刻同步；

在分簇树形拓扑网络建立过程中，簇头节点的工作流程为：簇头节点在新建分簇时，首先扫描全部信道，选出小于最大阈值的信道中信号强度最小的信道，将其作为新建分簇使用的信道，簇头节点根据超帧扩展系数N进行扩展超帧，若所有信道强度都大于最小阈值，簇头节点等待一段时间后重试；

在分簇树形拓扑网络建立过程中，子节点的工作流程为：子节点首先扫描所有信道，选择大于最小阈值的信道中信号强度最大的信道，通过向簇头节点发送加入请求，等待簇头节点的确认加入回复，在簇头节点的确认加入回复中，簇头节点将通知子节点本簇超帧长度的大小，以及对应于子节点的各时隙状态。

2.如权利要求1所述的一种无线传感器网络信道资源多级分配方法，其特征在于：在簇头节点与上级簇头节点通信时，当前簇头节点切换到上级分簇信道，此时当前簇头节点的下级子节点无法上传数据，若子节点自身不是下一级分簇的簇头节点，则进入休眠模式。

3.如权利要求1所述的一种无线传感器网络信道资源多级分配方法，其特征在于：整个拓扑网络的时隙定义为四个状态时隙包括有；

空闲状态时隙，没有分配给任何节点的时隙；

分配状态时隙，簇头节点固定分配给下属子节点用于上传数据的时隙；

独占状态时隙，簇头节点与上级簇头节点通信所用的时隙；

广播状态时隙，簇头节点为自身分配的用于向子节点发送消息所用的时隙；

子节点在分配给自身的分配状态时隙里，优先访问信道，在空闲时隙及分配给其他节点而其没有占用的时隙里，所有子节点运用载波监听、碰撞避免机制CSMA/CA方法竞争访问无线信道；簇头节点在广播状态时隙里，向下发送同步信息，使簇头节点与子节点时钟同步，超帧对齐。

4.如权利要求1所述的一种无线传感器网络信道资源多级分配方法，其特征在于：子节点根据整个网络的节点数量调整自身信道占用率，最优带宽占用率由分簇内节点的总数n和信道最大可用带宽B决定，节点调整自身的信道占用率，使其平均占用率为B/n；

对于具有优先权的节点A，节点A占用更多信道资源，设其由簇头节点得到的节点总数为n_A，分配的占用率为B/n_A，节点A增加的带宽需求量为Δ_b＝B/n_A-B/n，增加的带宽需求量将由分簇内优先权低的节点共同分担。