CN104053209A - 一种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线传感器网络领域中的一种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法。针对已有的无线传感器网络拓扑管理方法无法很好得同时支持高可靠性、局部数据融合以及高效能耗管理的缺陷，本发明使每个节点都尝试寻找两个节点作为其双亲节点，并交替利用这两个双亲节点，向Sink节点汇报数据。本发明可以提高无线传感器网络中多跳传输的可靠性，有效地控制能耗，并实现良好的自组织能力和可扩展性能。

Description

一种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络领域，涉及一种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法，适用于无线传感器网络的自组织、自修复。
背景技术
无线传感器网络是指有大量无线传感器节点籍由无线通信的方式组成的信息传播网络，在军事、工业、交通、安全、医疗、家庭和办公环境等众多场合有着非常广泛的应用，远程数据收集是无线传感器网络的重要应用之一。
无线传感器网络节点受于成本限制，导致其运算能力低，通信带宽小；加上无线传感器网络覆盖范围大而且数据要通过多跳传输到达Sink节点，这些因素导致了无线传感器网络数据传输的不可靠性，进一步导致了无线传感器网络在无法应用于很多对可靠性要求较高的场合。
同时，由于无线传感器网络节点一般采用电池供电，使得无线传感器网络能量极大受限，为了延长网络寿命，首先要考虑的因素是提高能量效率，使节点在无需参与网络工作或获取传感数据时尽量进入睡眠状态。同时在网络生存期间，节点会动态的加入和离开网络，因此还要求无线传感器网络需要具有良好自组织能力的可扩展性。
我国发明专利CN200610152381.0中提出了一种Mesh拓扑的无线传感器网络，但这种拓扑控制机制不能很好的支持局部数据融合、高效能耗管理。我国发明专利CN200910042861.5中使用了一种分簇的拓扑控制方法，而在这种分簇的拓扑控制方法中，如果簇头节点和Sink节点的链路失效，将会直接导致这个簇内所有节点的数据无法收到，网络不够可靠。我国发明专利CN200710038130.4中提出了一种双重分簇头的无线传感器网络分布式拓扑控制方法，能够均衡网络负责，减少簇间冲突，但是，如果物理簇头节点和Sink节点的链路失效，将会直接导致这个簇内所有节点的数据无法收到，甚至会导致虚拟簇内所有节点的数据无法收到，网络可靠性没有改善。因此当前的无线传感器网络拓扑管理方法无法很好得同时支持高可靠性、局部数据融合以及高效能耗管理。
为了提高无线传感器网络中多跳传输的可靠性，有效地控制能耗，并实现良好的自组织能力和可扩展性能，本发明提出了一种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法。采用此方法可以有效提高无线传感器网络中多跳传输的可靠性，实现良好的自组织能力和可扩展性能，并能有效地均化负载、控制能耗，避免某些节点由于负载过重而能耗过大。
发明内容
技术问题：针对无线传感器网络中传统拓扑控制无法实现高效能耗管理，以及多跳传输可靠性低的特点，本发明提出一种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法。采用此方法可以有效提高无线传感器网络中多跳传输的可靠性，可以在实现良好的自组织能力和可扩展性能的同时有效地控制能耗。
技术方案：一种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法，适用于无线传感器网络的自组织、自修复，其特征在于：每个节点都尝试寻找两个节点作为其双亲节点，并交替利用这两个双亲节点，向Sink节点汇报数据。
所有已经加入网络的节点，都会周期性广播信标信息。信标信息中包含有建立路由所需要的信息。在无线传感器网络自组织之初，网络中只有一个SINK节点，普通节点监听邻居节点的信标信息。
至少一个超帧时间之后，节点(NA)将尝试与最优邻居节点(NB)建立链路。如果NA与NB之间成功建立了链路，则表示NA加入了网络，NB为其母节点。NA之后将周期性广播信标信息，允许其他节点加入，并通过NB节点向Sink节点汇报数据。此时如果NB是Sink节点，则NA将不再试图寻找父节点。否则，NA将在尝试与除NB之外的最优的邻居节点NC建立链路。如果NA与NC之间成功建立了链路，则表示NA已经建立的双亲节点，NC为其父节点。NA交替通过母节点NB和父节点NC，向Sink节点汇报数据。其中，最优邻居节点和次优邻居节点的选择方法是根据数据采集路由方法所确定的。
节点在工作过程中，维护网络拓扑结构，保证最优邻居节点为母节点，次优邻居节点为父节点，但每个超帧时间最多只更新双亲节点中的一个，以保证自身处于连通状态。
有益效果：一种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法，每个节点都尝试寻找两个节点作为其双亲节点，并交替利用这两个双亲节点，向Sink节点汇报数据。这种方法避免了Mesh拓扑的无线传感器网络中无法很好得支持局部数据融合、高效能耗管理的缺陷；同时也避免了树状拓扑的无线传感器网络中，由于对主干网上节点过分依赖而造成的可靠性隐患。采用此方法可以有效提高无线传感器网络中多跳传输的可靠性，实现良好的自组织能力和可扩展性能，并能有效地均化负载、控制能耗，避免某些节点由于负载过重而能耗过大。
附图说明
图1是采用本发明的无线传感器网络拓扑结构。
11-Sink节点，无线传感器网络的数据汇集中心，发起网络自组织；
12-普通节点，也简称节点，向Sink节点汇报传感数据，也转发其他节点的传感数据；
13-链路，数据汇报的通路，链路的箭头方向为数据的汇报方向。
图2是本发明中节点加入网络的流程图：
21-监听信标信息至少一个超帧时间，更新邻居节点列表；
22-尝试与最优邻居节点建立连接；
23-判断是否成功与最优邻居节点建立连接；
24-将最优邻居节点作为母节点，向母节点汇报数据，并周期性发送信标信息，允许其他节点接入；
25-判断母节点是否是Sink节点；
26-判断次优邻居节点是否比自身更优；
27-尝试与次优邻居节点建立连接；
28-判断是否成功与次优邻居节点建立连接；
29-将次优邻居节点作为父节点，交替向母节点和父节点汇报数据。
30-节点加入网络过程结束，开始拓扑维护状态。
图3是拓扑维护状态时，节点更新双亲节点列表的流程图：
31-判断当前最优邻居节点是否是母节点；
32-释放与之前母节点的连接，将当前最优节点作为母节点；
33-判断当前次优邻居节点是否是父节点，且比自身更优；
34-释放与之前父节点的连接，将当前次优节点作为父节点；
具体实施方式
一种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法，适用于无线传感器网络的自组织、自修复。基于这种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法所自组织的无线传感器网络其拓扑结构如图1所示。无线传感器网络中的每个普通节点12，通过多跳的链路13，将数据最终汇报给Sink节点11。
以下实例是对本发明的进一步说明，而不是限制发明的范围。
在该发明中，所有节点都维护一个双亲节点列表和一个邻居节点列表，双亲节点列表中保存了母节点和父节点的路由信息和工作状态，邻居节点列表保存了所有邻居节点的路由信息和工作状态，在节点工作过程中，节点将维护双亲节点列表和邻居节点列表。
所有已经加入网络的节点，都会周期性广播信标信息。信标信息中包含有建立数据收集路由所需要的信息。在无线传感器网络自组织之初，网络中只有一个SINK节点。
基于本发明的无线传感器网络节点NA加入网络的过程如图2所示，可以分为以下十个步骤：
一、监听信标信息至少一个超帧时间，根据接收到的信标信息更新邻居节点列表21；
二、监听至少一个超帧时间后，NA根据邻居节点列表中的信息，尝试与最优邻居节点建立连接22(其中，最优邻居节点的选择方法是根据数据采集路由方法所确定的)，具体方法为NA向最优邻居节点发送接入请求，如果最有邻居节点自身条件允许接入，则批准NA接入请求，并反馈一个允许接入信息，表示成功接入；否则表示接入失败；
三、判断是否成功与最优邻居节点建立连接23，如果是，继续第四步，如果否，跳回第一步；
四、NA将最优邻居节点NB作为母节点，向NB汇报数据，并周期性发送信标信息，允许其他节点接入24，并更新双亲节点列表；
五、判断母节点是否是Sink节点25；如果是，跳入第十步；如果否，继续第六步；
六、依据是路由算法，判断次优邻居节点是否比自身更优26；如果是，继续第七步；如果否，跳入第十步；
七、尝试与次优邻居节点NC建立连接26；
八、判断是否成功与次优邻居节点NC建立连接27；如果是，继续第八步，如果否，跳回第六步；
九、将次优邻居节点NC作为父节点，交替向母节点NB和父节点NC汇报数据。
十、节点加入网络过程结束，开始拓扑维护状态30。
在以上自组织过程中，从第四步开始，NA可以允许其他节点接入，即NA允许其他节点将其作为母节点或父节点。
在拓扑维护状态，节点周期性更新双亲节点列表和邻居节点列表，保证最优邻居节点为母节点，次优邻居节点为父节点。
节点的工作流程如图3所示，可以分为一下几个步骤：
一、监听信标信息至少一个超帧时间，根据接收到的信标信息更新邻居节点列表21；
二、判断当前最优邻居节点是否是母节点31，如果是，跳转到第六步，如果否，继续第三步；
三、尝试与最优邻居节点建立连接22；
四、判断是否成功与最优邻居节点建立连接23，如果是，继续第五步，如果否，跳回第一步；
五、释放与之前母节点的连接，将新的最优节点作为母节点，跳回第一步；
六、判断当前次优邻居节点是否是父节点，且比自身更优；如果是，跳回第一步；如果否，继续第七步；
七、尝试与次优邻居节点NC建立连接26；
八、判断是否成功与次优邻居节点建立连接27；如果是，继续第八步，如果否，跳回第一步；
九、释放与之前父节点的连接，将新的次优邻居节点作为父节点，跳回第一步；
此外，如果当前节点与子节点长时间没有通信，节点将释放与相应子节点的连接。

Claims (5)

1.一种用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征是：无线传感器网络在自组织、自修复的过程中采用了用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法。
2.根据权利要求1所述的用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征还在于：每个节点都尝试寻找两个节点作为其双亲节点，并交替利用这两个双亲节点，向Sink节点汇报数据。
3.根据权利要求1所述的用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征还在于：每个节点在工作过程中，维护网络拓扑结构，保证最优邻居节点为母节点，次优邻居节点为父节点。
4.根据权利要求1所述的用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征还在于：节点每个超帧时间最多更新双亲节点中的一个，保证自身处于连通状态。
5.根据权利要求1、2、3、4、所述的用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法，其特征还在于：无线传感器网络在自组织、自修复的过程中，采用此用于数据收集的无线传感器网络拓扑控制方法。
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