CN103298153B - 嵌套式蜂窝无线传感器网络及组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌套式蜂窝无线传感器网络组网方法，包括以下步骤：初始化的步骤；确定网络规模；划分路由器子网；为划分的路由器子网分配信道；路由器子网自动更新；划分无线节点子网；无线节点子网自动更新；所有无线节点、路由器节点和协调点共同构成顶层子网。本发明将无线节点之间的通信牢牢限制在子网内部，避免了数据包在整个网络中传递，能够大大减少数据包在网络中转发的次数，从而降低了网络负荷，提高了无线信道的利用率；并将对无线信道的竞争由全局网络转移到子网内部，能有效减小无线节点的信道接入延时，从而显著提高网络实时性。

Description

嵌套式蜂窝无线传感器网络及组网方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信领域，具体是一种嵌套式蜂窝无线传感器网络及组网方法。

背景技术

随着无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，无线传感器网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知领域的一场革命。无线传感器网络的拓扑结构是一种用来组织无线传感器节点分布的技术，按照节点功能及结构层次分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构和Mesh网络结构。

平面网络中所有节点为对等结构，这种网络拓扑结构简单、易维护，并采用自组织协同算法形成网络，但组网算法比较复杂；分级网络结构是对平面网络结构的一种扩展，便于集中管理，提高了网络覆盖率和可靠性；混合网络结构集中了以上两种结构的特点；Mesh网络结构最大的优点是所有节点都是对等的，但是对路由和MAC的性能影响较大，网络复杂度高。

随着无线传感器网络规模的扩大，当所有的节点共享同一个信道，可能造成网络延时成倍数增加，从而对MAC层协议提出非常高的要求。当今世界，由于片上系统和微电子技术的迅猛发展，芯片成本越来越低，因此成本已经不再是限制网络拓扑结构发展的主要因素。

蜂窝网络可以用最少节点覆盖最大面积的图形，而每一组蜂窝使用一组频率，蜂窝之间的数据通过具有多个无线收发器的路由器转发，如果两个蜂窝相隔足够远，则可以使用同一组频率，从而大大提高了信道利用率和网络容量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种嵌套式蜂窝无线传感器网络组网方法，解决现有技术中信道利用率不高和网络容量低的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种嵌套式蜂窝无线传感器网络组网方法，包括以下步骤：

1、初始化的步骤：对无线节点、路由器节点和协调点进行初始化，让无线节点、路由器节点和协调点采用同一个频率的信道进行通信；

2、确定网络规模：搜索无线传感器网络中路由器和无线节点的数目并记录；如果网络规模较小，则不需要进一步划分无线节点子网和路由器子网。至于对网络规模大小的界定，可以根据用户的需求和应用背景自主设定；

3、划分路由器子网：如果网络规模满足划分路由器子网的条件，则对无线传感器网络划分路由器子网；具体方法为：

3.1、由路由器节点广播轮询帧，收到轮询帧的路由器依次回复一个数据帧，所述数据帧包含了该路由器所能够到达的路由器地址和信号强度；

3.2、若在如果在规定的时间内，该路由器只收到一个回复的数据帧，则该路由器暂时不需要加入路由器子网；

3.3、该路由器收到依次回复的数据帧以后，根据数据帧的信息找出共同能够到达的路由器节点，将这些在通信半径内的节点形成一个路由器子网，每个节点能够单独通信的其它路由器节点作为该路由器子网与其它子网之间通信的桥梁；

4、为划分的路由器子网分配信道：为路由器子网分配一个合适的信道，信道的分配方法为：可以复用不相邻子网的无线信道，但相邻子网信道一定不同；

5、路由器子网自动更新：路由器子网内部能够正常通信，而且与相邻路由器子网之间的转发路由器也已经找到，如果某一个路由器中途失效、离开或者有新的路由器加入，重复步骤（3）和步骤（4）；

6、划分无线节点子网：如果网络规模满足划分无线节点子网的条件，则以无线信号强度最强的路由器为中心，划分无线节点子网；具体方法为：

6.1、无线节点广播询问帧给路由器节点，能够收到此数据包的路由器节点回复一个数据帧，所述数据帧包含以该路由器为中心的无线节点子网网络规模、无线信号强度和所采用的信道频率；

6.2、如果无线节点只收到一个回复的数据帧，表示在该无线节点的信号覆盖范围以内只有一个路由器节点，从而将通信频率设置为与该子网一致；

6.3、如果无线节点收到多个回复的数据帧，表示该无线节点存在于多个无线节点子网范围以内，从而根据子网规模和无线信号强度选择一个合适的子网，然后切换到该子网的通信频率；

7、无线节点子网自动更新：

如果一个无线节点子网中的节点数目因为节点位置改变或失效而小于设定值时，重复步骤（6.1）至（6.3）；从而减少子网数目，回收频率资源，提高信道利用率；

如果一个无线节点子网因为新的节点加入而使节点数目超出设定值时，重复步骤（6.1）至（6.3）；从而将大的无线子网分裂成几个小的子网，或者重新调整各个节点在子网中的分布情况；

8、所有无线节点、路由器节点和协调点共同构成顶层网络。

按上述方案，所述的路由器节点采用多输入多输出方式并用多个无线收发器完成通信功能。

按上述方案，无线收发器的数目决定子网嵌套的层数。

按上述方案，所述路由器子网可以划分为多个蜂窝状的无线节点子网。

本发明还提供一种由上述组网方法形成的无线传感器网络，无线传感器网络包括无线节点子网、路由器子网和包含协调点在内的顶层网络的三层网络；相邻无线节点子网之间和路由器子网之间采用不同的无线信道进行通信。

按上述方案，所述的路由器节点采用多输入多输出方式并用多个无线收发器完成通信功能。

按上述方案，所述路由器子网可以划分为多个蜂窝状的无线节点子网。

本发明产生的有益效果是：

（1）整个网络被划分成无线节点子网和路由器子网，从而将无线节点之间的通信牢牢限制在子网内部，避免了数据包在整个网络中传递，能够大大减少数据包在网络中转发的次数，从而降低了网络负荷，提高了无线信道的利用率；

（2）对无线信道的竞争由全局网络转移到子网内部，能有效减小无线节点的信道接入延时，从而显著提高网络实时性，尤其是当网络规模较大时改善更为明显；

（3）由于路由器节点采用多输入、多输出的方式，能大大提高网络的处理能力，减少数据包在队列中的等待服务延时，进一步减少了数据包的处理延时，增强了网络实时性；

（4）不同的子网和网络层次采用信道复用技术，从而减少了子网之间的相互串扰，不但能够提高无线信道的利用率，而且能够增强网络容量和扩大网络规模；

（5）单个路由器或无线节点的失效，仅仅会影响单个子网内部的通信，而整个网络仍能正常运行。随着无线节点位置的移动和改变，它们能够在子网之间无缝切换，提高了网络的容错性和鲁棒性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种无线传感器网络，如图1所示，该无线传感器网络由三层网络组成：路由器子网、无线节点子网和顶层网络。无线节点与其临近的路由器节点形成无线节点子网，无线节点子网之间的通信通过路由器转发。如果有多个路由器存在，则无线节点根据信号强度、地理位置和子网规模选择合适的路由器。相邻子网之间采用不同的信道进行通信，而相隔较远的子网可以复用无线信道，这不但降低了相邻信道之间的串扰，而且提高了信道利用率，扩大了网络规模。如果网络规模足够大，传感器网络可以再划分成路由器子网，路由器子网与无线节点子网采用不同的信道，而子网之间通过多个无线收发器实现数据交换。路由器和协调点形成顶层网络，并负责与其它网络通信，而路由器之间通过采用基于地理位置的路由协议完成路由和拥塞控制功能。路由器节点采用多输入多输出方式并用多个无线收发器完成通信功能，无线收发器的数目决定路由器子网嵌套的层数。

如图2所示，本发明实施例的组网方法如下：

1、初始化时，无线节点、路由器节点和协调点采用同一个频率的信道进行通信；

2、搜索无线传感器网络中路由器和无线节点的数目，如果网络规模较小，则不需要进一步划分无线节点子网和路由器子网。至于对网络规模大小的界定，可以根据用户的需求和应用背景自主设定；

3、如果网络规模满足划分路由器子网的条件，路由器节点广播轮询帧，收到轮询帧的路由器依次回复一个数据帧，其中包含了它所能够到达的路由器地址和信号强度；

如果在规定的时间内，该路由器只收到一个回复的数据帧，则该路由器暂时不需要加入路由器子网；

该路由器收到依次回复的数据帧以后，找出它们共同能够到达的路由器节点，从而使这些节点形成一个路由器子网，每个节点能够单独通信的其它路由器节点作为该路由器子网与其它子网之间通信的桥梁；

4、为该路由器子网分配一个合适的信道，可以复用不相邻子网的无线信道，但与相邻子网则一定不同；

5、路由器子网内部能够正常通信，而且与相邻路由器子网之间的转发路由器也已经找到，如果某一个路由器中途失效、离开或者有新的路由器加入，重复步骤3和步骤4；

6、如果网络规模满足划分无线节点子网的条件，则以最近（无线信号强度最强）的路由器为中心，划分无线节点子网；

无线节点广播询问帧给路由器节点，能够收到此数据包的路由器节点回复一个数据帧，其中包含以该路由器为中心的无线节点子网网络规模、无线信号强度和所采用的信道频率；

如果无线节点只收到一个回复的数据帧，表示在该无线节点的信号覆盖范围以内只有一个路由器节点，从而将通信频率设置为与该子网一致；

如果无线节点收到多个回复的数据帧，表示该无线节点存在于多个无线节点子网范围以内，从而根据子网规模和无线信号强度选择一个合适的子网，然后切换到该子网的通信频率；

7、如果一个无线节点子网中的节点数目因为节点位置改变或失效而小于设定值时，重复步骤6，从而减少子网数目，回收频率资源，提高信道利用率；

如果一个无线节点子网因为新的节点加入而使节点数目超出设定值时，重复步骤6，从而将大的无线子网分裂成几个小的子网，或者重新调整各个节点在子网中的分布情况；

8、所有无线节点、路由器节点和协调点共同构成顶层网络。

如上所述，便可较好地实现本发明。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种嵌套式蜂窝无线传感器网络组网方法，包括以下步骤：

（1）初始化的步骤：对无线节点、路由器节点和协调点进行初始化，让无线节点、路由器节点和协调点采用同一个频率的信道进行通信；

（2）确定网络规模：搜索无线传感器网络中路由器节点和无线节点的数目并记录；

（3）划分路由器子网：如果网络规模满足划分路由器子网的条件，则对无线传感器网络划分路由器子网；具体方法如下：

（3.1）由路由器节点广播轮询帧，收到轮询帧的路由器节点依次回复一个数据帧，所述数据帧包含了该广播轮询帧的路由器节点所能够到达的路由器地址和信号强度；

（3.2）如果在规定的时间内，该广播轮询帧的路由器节点只收到一个回复的数据帧，则该广播轮询帧的路由器节点暂时不需要加入路由器子网；

（3.3）该广播轮询帧的路由器节点收到依次回复的数据帧以后，根据数据帧的信息找出共同能够到达的路由器节点，将这些路由器节点形成一个路由器子网，每个节点能够单独通信的其它路由器节点作为该路由器子网与其它路由器子网之间通信的桥梁；

（4）为划分的路由器子网分配信道：为路由器子网分配一个合适的信道，信道的分配方法为：可以复用不相邻路由器子网的无线信道，但相邻路由器子网信道一定不同；

（5）路由器子网自动更新：路由器子网内部能够正常通信，而且与相邻路由器子网之间的转发路由器节点也已经找到，如果某一个路由器节点中途失效、离开或者有新的路由器节点加入，重复步骤（3）和步骤（4）；

（6）划分无线节点子网：如果网络规模满足划分无线节点子网的条件，则以无线信号强度最强的路由器节点为中心，划分无线节点子网；具体方法为：

（6.1）无线节点广播询问帧给路由器节点，能够收到此广播轮询帧的路由器节点回复一个数据帧，所述数据帧包含以该收到无线节点广播询问帧的路由器节点为中心的无线节点子网网络规模、无线信号强度和所采用的信道频率；

（6.2）如果无线节点只收到一个回复的数据帧，则将该无线节点的通信频率设置为与该无线节点子网一致；

（6.3）如果无线节点收到多个回复的数据帧，则根据无线节点子网规模和无线信号强度选择一个合适的无线节点子网，然后将该无线节点的通信频率设置为与该合适的无线节点子网一致；

（7）无线节点子网自动更新：

如果一个无线节点子网中的节点数目因为节点位置改变或失效而小于设定值时，重复步骤（6.1）至（6.3）；减少无线节点子网数目，回收频率资源；

如果一个无线节点子网因为新的节点加入而使节点数目超出设定值时，重复步骤（6.1）至（6.3）；将大的无线节点子网分裂成几个小的无线节点子网，或者重新调整各个节点在无线节点子网中的分布情况；

（8）所有无线节点、路由器节点和协调点共同构成顶层网络。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络组网方法，其特征在于，所述的路由器节点采用多输入多输出方式并用多个无线收发器完成通信功能。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络组网方法，其特征在于，无线收发器的数目决定路由器子网嵌套的层数。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络组网方法，其特征在于，所述路由器子网可以划分为多个蜂窝状的无线节点子网。

5.一种根据权利要求1所述的无线传感器网络组网方法建立的无线传感器网络，其特征在于，无线传感器网络包括无线节点子网、路由器子网和包含协调点在内的顶层网络的三层网络，相邻路由器子网之间采用不同的无线信道进行通信。

6.根据权利要求5所述的无线传感器网络，其特征在于，所述的路由器节点采用多输入多输出方式并用多个无线收发器完成通信功能。