CN105323817A - 异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的tdma调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法，它包括：步骤1、构建簇，确定簇首节点数；步骤2、形成簇间路径；步骤3、确定每个簇内的工作节点数；步骤4、确定每个簇内的活动节点；步骤5、根据TDMA调度方法确定簇首节点工作时间和开始工作时刻；解决了现有技术的TDMA调度没有很好考虑传感器网络中节点异构的特点，缺少根据网络覆盖和传感器的监测精度来进行TDMA调度，使得不能有效地降低和均衡传感器节点能耗，以达到延长网络生存期等技术问题。

Description

异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法
技术领域
本发明属于传感器网络技术领域，尤其涉及一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法。
背景技术
物联网传感器网络在物联网的分层模型中属于第一层，通过各种类型的传感器获取外部环境信息，是物联网的核心技术之一。在大多数应用中，传感器网络中的节点采用电池供电，因此需要降低节点能耗以最大化节点工作时间。传感器节点按工作模式可具体分为空闲模式、休眠模式、数据传送模式、数据接收模式，在这几种模式中，数据传送模式和数据接收模式耗能最高，因此，为了最大化节点工作时间，通常可通过对节点进行调度，使节点处于休眠模式以节能。
传感器网络可分为同构传感器网络或异构传感器网络，在现有的研究中，多集中在同构传感器网络，对异构传感器网络的研究较少。而在传感器网络的应用中，由于节点通信能力、处理能力等不同，在网络中存在很多异构节点，因此，如何根据节点的异构性，最大化网络的生存期，是一个必须解决的问题。传感器网络在网络拓扑结构上可采用平面拓扑结构或层次拓扑结构。层次拓扑结构将相邻的节点组成“簇”，簇所在范围的数据经簇首节点处理后再上传，能有效降低网络中的数据量，进而降低节点功耗。在层次拓扑结构中，簇内路由可采用一跳或多跳方式，簇间路由可采用以处理中心为树根的汇聚树结构。传感器节点以簇为单位，簇内节点将数据传送给簇首节点，簇首对簇内数据进行处理后，通过汇聚树将数据传送至处理中心。现有的基于簇树结构的传感器网络，簇间数据和簇内数据传输存在有信道干扰，导致了数据包误码率提高或发生丢包现象。为了解决信道共享问题，在传感器网络中通常采用基于竞争和基于调度（TDMA）两种方式，TDMA与基于竞争的方式相比，具有限制传输时延和降低冲突的优点，有助于避免数据的重传，因此能有效降低节点通信能耗，延长节点工作时间，是传感器网络中的研究热点之一。
现有研究多集中在同构网络，没有很好考虑传感器网络中节点异构的特点，但在一些应用中，如农田环境监测、河流监测、智能电网状态监测等，由于簇首节点要承担执行器的功能，所以与普通传感器节点在结构上存在异构，且现有研究中很少根据网络覆盖问题和传感器的监测精度问题来综合研究TDMA调度方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法，以解决现有技术的TDMA调度没有很好考虑传感器网络中节点异构的特点，缺少根据网络覆盖和传感器的监测精度来进行TDMA调度，使得不能有效降低和均衡传感器节点能耗，以达到延长网络生存期等技术问题。
本发明技术方案：
一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法，它包括：
步骤1、构建簇，确定簇首节点数；
步骤2、形成簇间路径；
步骤3、确定每个簇内的工作节点数；
步骤4、确定每个簇内的活动节点；
步骤5、根据TDMA调度方法确定簇首节点工作时间和开始工作时刻。
步骤1所述的构建簇，确定簇首节点数的方法为：
步骤1.1、根据网络覆盖要求，通过公式确定簇首节点数；按六边形部署方式部署簇首节点，式中：为簇首节点数；P表示网络要求被覆盖的概率；A为簇首节点布置区域面积；为每个簇的最大覆盖面积；
步骤1.2、传感器节点上电后启动定时器，等待接收簇首广播的组网帧；
步骤1.3、定时器时间到，传感器节点根据接收到的组网帧信号强度，选择信号最强的一个簇首申请加入簇。
步骤2所述的形成簇间路径的方法为：由处理中心发送组网帧，通过广播形成以处理中心为树根，所有簇首节点为顶点的骨干树，簇首对簇内数据融合处理后通过单跳或多跳方式传送给处理中心。
步骤3所述确定每个簇内工作节点数方法为：首先令簇首节点融合后的估计值为S，簇内节点所接传感器的方差为，各节点所接传感器的感知结果分别为,根据传感器的方差给予每个传感器i相应的加权因子，得到融合后的估计值，，；簇内所有节点将自身的方差和自身的剩余能量以及各自所连接传感器的感知结果传送给簇首节点；然后簇首节点计算估计误差，给定门限为，，为真值，通过增加传感器的个数来满足估计误差，最终的传感器个数即为工作节点数k。
步骤4所述的确定簇内活动节点的方法为：首先簇首节点根据公式计算簇内所有节点成为活动节点的概率；然后对概率值P i 进行从大到小排序，选择概率值从大到小的k个节点作为活动节点；如果值相同，则剩余能量E i 值较多的节点为活动节点；并将活动节点的序号广播给簇内节点；值相同，则剩余能量最多的节点为活动节点；最后簇首节点将活动节点的节点号和序号广播给簇内节点，如果自身节点号与广播帧中的节点号一致，则设置自身为活动节点。
步骤5所述的根据TDMA调度方法确定簇首节点工作时间和开始工作时刻的方法包括:
步骤5.1、将簇内活动节点数和簇内工作时间最长的节点的工作时间T work传送至处理中心；
步骤5.2、节点的工作时间T work=T 1+T 2+T 3+T 4，T 1为传感器对感知信号的转换时间，T 2为数据收发的时间，T 3为数据处理时间，T 4为监听时间；
步骤5.3、根据网络深度和每个簇的活动节点数，取节点数最多的一个为网络中每个簇的节点数；
步骤5.4、计算网络一次数据采集所需的总工作时间T Net，并沿骨干树对全网广播；
步骤5.5、时间沿骨干树逐次进行分割，簇首节点将自己所在簇的工作时间在簇内广播，簇内活动的传感器节点根据自身序号确定自身的工作时刻；其中与处理中心相距一跳的簇首节点按公式（1）计算工作时间和公式（2）计算开始工作时刻；
（1）
（2）
与处理中心相距大于一跳的簇首节点按下面（3）计算工作时间和公式（4）计算开始工作时刻；
（3）
（4）
上述式中，为网络总的工作时间，为孩子节点数，为自身编号，为孩子簇首数。
本发明的有益效果：
本发明根据传感器监测精度要求确定活动节点数，其余节点通过处于休眠状态节能，可有效延长网络生存期；以往的节点调度算法很少提及节点的工作时间，而节点工作时间事实上直接影响调度算法的可靠性，因此本发明将节点工作时间考虑在算法中，特别是考虑了传感器的转换时间和数据的处理时间，通过选择簇内工作时间最长的节点的工作时间作为簇内节点的平均工作时间，在有效降低时序分配算法的复杂度的同时，又保证了每个节点都有足够的时间处理数据；簇首节点和簇内传感器节点根据父节点的工作时间及自身编号确定自身的工作时隙和开始工作的时刻，采用的是分布式的计算方法，有效降低了网络中的信息量，进而降低节点的功耗和延长网络生存期；解决了现有技术的TDMA调度没有很好考虑传感器网络中节点异构的特点，缺少根据网络覆盖和传感器的监测精度来进行TDMA调度，使得不能有效降低和均衡传感器节点能耗，以达到延长网络生存期等技术问题。
附图说明：
图1是本发明实施例的网络拓扑结构示意图；
图2是本发明实施例的TDMA调度方法的流程图；
图3是本发明实施例的簇内节点工作状况示意图；
图4是本发明实施例的节点状态转换示意图。
具体实施方式：
图中序号1.处理中心，2.簇首节点，3.传感器节点，4.连接簇首的骨干树，5.簇覆盖区域，6.事件区域，7.休眠节点，8.工作节点，9.簇首与工作节点间的通信链路，10.工作时间，11.休眠时间，12.感知时间，13.处理时间，14.监听时间，15.数据收发时间。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，异构传感器网络中由处理中心、簇首节点和传感器节点构成，网络拓扑结构为簇树拓扑结构，网络周期性工作，簇首节点具有感知和执行的功能，与簇内节点在结构和功能上异构，簇的建立以达到簇首节点所带执行器的控制范围为标准，簇首配置有两个通信模块，工作在不同的频段，一个通信模块用于簇间通信，一个通信模块用于簇内通信，有效降低了频段冲突导致的数据重发、丢失等情况。
图2为本发明采用簇树拓扑结构的异构传感器网络的TDMA调度方法的流程图，包括下列步骤：
步骤1，网络初始化：网络上电后，节点进行初始化，包括对输入输出端口、传感器模块、无线通信模块进行初始化；
步骤2，构建簇，包括：
步骤2.1：根据网络覆盖要求，簇首节点数
，按六边形部署方式部署簇首节点；
步骤2.2：传感器节点上电后启动定时器，等待接收簇首广播的组网帧；
步骤2.3：定时时间到，传感器节点根据接收到的组网帧信号强度，选择距离自身较近的一个簇首申请加入；
步骤3，形成簇间路径：由处理中心发送组网帧，包含有跳数等信息，跳数的初始值为0，通过广播形成以处理中心为树根，所有簇首节点为顶点的骨干树，簇首对簇内数据融合处理后通过单跳或多跳方式传送给处理中心。
步骤4，簇内调度，如图3所示，簇内节点分为休眠节点和工作节点；如图4所示，节点状态分为工作状态和休眠状态，工作状态主要由感知时间、处理时间、监听时间和数据收发时间构成，簇内调度包括：
步骤4.1：确定工作节点数
传感器节点连接的传感器感知的数据会存在偏差，所以簇首节点根据接收到的簇内节点的数据进行数据融合的结果S也会存在误差，本发明以方差D(S)作为S的评价指标。令簇首节点融合后的估计值为S，簇内节点所接传感器的方差为，各节点所接传感器的感知结果分别为，彼此间相互独立，且为S的无偏估计。
考虑一类典型应用，如农田环境监测，传感器节点针对某种环境参数检测时，配置有同种类型的传感器，由于传感器受环境温度或者自身检测精度的影响，测量值置信度有的高，有的低，此时如果对所有传感器同等看待，经过数据融合处理，将导致融合后的均方误差较
大，如果根据传感器的方差给予每个传感器i相应的加权因子，则融合后的估计值，，，S可作为真值的无偏估计。
根据系统检测精度要求，令估计误差，如果，为真值，则可通过增加传感器的个数来满足估计误差，为给定门限，本发明根据的要求确定每个簇中工作节点数量k，最终的传感器个数即为工作节点数k。
步骤4.2：确定活动节点
根据权利要求1所述的一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法，其特征在于：步骤3所述确定每个簇内工作节点数方法为：首先令簇首节点融合后的估计值为S，簇内节点所接传感器的方差为，各节点所接传感器的感知结果分别为,根据传感器的方差给予每个传感器i相应的加权因子，得到融合后的估计值，，；簇内所有节点将自身的方差和自身的剩余能量以及各自所连接传感器的感知结果传送给簇首节点；然后簇首节点计算估计误差，给定门限为，，为真值，通过增加传感器的个数来满足估计误差，最终的传感器个数即为工作节点数k。
确定簇内活动节点的方法为：首先簇首节点根据公式计算簇内所有节点成为活动节点的概率；然后对概率值P i 进行从大到小排序，选择概率值从大到小的k个节点作为活动节点；如果值相同，则剩余能量E i 较多的节点为活动节点；并将活动节点的序号广播给簇内节点；值相同，则剩余能量最多的节点为活动节点；最后簇首节点将活动节点的节点号和序号广播给簇内节点，如果自身节点号与广播帧中的节点号一致，则设置自身为活动节点。
步骤5，簇间TDMA调度
步骤5.1处理中心及簇首节点都给自己的孩子簇首从1开始进行编号，并将编号向孩子簇首节点进行广播；
步骤5.2发送网络同步帧；
步骤5.3处理中心计算网络工作时间并对一跳邻居节点进行广播，该广播信息中包含网络总的工作时间=（总簇数*簇内活动节点数*活动节点工作时间+延时）、孩子节点数；
步骤5.4距离处理中心一跳的孩子簇首节点根据接收到的、，以及存储的自身编号和孩子簇首数，计算自身及孩子簇的工作时间，开始工作的时刻为，将、和（即当前节点的孩子簇首数）发送给自己的孩子簇首节点；
步骤5.5距离处理中心大于一跳的簇首，根据父簇首节点传送的、和，以及自身编号计算工作时间，开始工作的时刻为
以此类推，网络中所有簇首节点都可计算出自身的工作时间和开始工作的时刻。
步骤6，簇内TDMA调度
与上述方法类似，簇首将自身的工作时间（即TDMA时隙）、和簇内活动节点数向簇内活动节点广播，簇内活动节点根据自身编号k计算自己的工作时间和开始工作时刻，则工作时间，开始工作时刻为，这样，簇内选定的活动节点都有自己的工作时隙和开始工作的时刻，活动节点的工作时隙如图4所示，主要由感知时间、处理时间、监听时间和数据收发时间等四部分组成，传感器节点在分配的工作时隙中完成数据采集、处理和传送的工作。

Claims (6)

1.一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法，它包括：
步骤1、构建簇，确定簇首节点数；
步骤2、形成簇间路径；
步骤3、确定每个簇内的工作节点数；
步骤4、确定每个簇内的活动节点；
步骤5、根据TDMA调度方法确定簇首节点工作时间和开始工作时刻。
2.根据权利要求1所述的一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法，其特征在于：步骤1所述的构建簇，确定簇首节点数的方法为：
步骤1.1、根据网络覆盖要求，通过公式确定簇首节点数；按六边形部署方式部署簇首节点，式中：为簇首节点数；P表示网络要求被覆盖的概率；A为簇首节点布置区域面积；为每个簇的最大覆盖面积；
步骤1.2、传感器节点上电后启动定时器，等待接收簇首广播的组网帧；
步骤1.3、定时器时间到，传感器节点根据接收到的组网帧信号强度，选择信号最强的一个簇首申请加入簇。
3.根据权利要求1所述的一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法，其特征在于：步骤2所述的形成簇间路径的方法为：由处理中心发送组网帧，通过广播形成以处理中心为树根，所有簇首节点为顶点的骨干树，簇首对簇内数据融合处理后通过单跳或多跳方式传送给处理中心。
4.根据权利要求1所述的一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法，其特征在于：步骤3所述确定每个簇内工作节点数方法为：首先令簇首节点融合后的估计值为S，簇内节点所接传感器的方差为，各节点所接传感器的感知结果分别为，根据传感器的方差给予每个传感器i相应的加权因子，得到融合后的估计值，，；簇内所有节点将自身的方差和自身的剩余能量以及各自所连接传感器的感知结果传送给簇首节点；然后簇首节点计算估计误差，给定门限为，，为真值，通过增加传感器的个数来满足估计误差，传感器个数即为工作节点数k。
5.根据权利要求1所述的一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法，其特征在于：步骤4所述的确定簇内活动节点的方法为：首先簇首节点根据公式计算簇内所有节点成为活动节点的概率；然后对概率值P i 进行从大到小排序，选择概率值从大到小的k个节点作为活动节点；如果值相同，则剩余能量E i 值大的节点为活动节点；并将活动节点的序号广播给簇内节点；值相同，则剩余能量最多的节点为活动节点；最后簇首节点将活动节点的节点号和序号广播给簇内节点，如果自身节点号与广播帧中的节点号一致，则设置自身为活动节点。
6.根据权利要求1所述的一种异构传感器网络中基于簇树拓扑结构的TDMA调度方法，其特征在于：步骤5所述的根据TDMA调度方法确定簇首节点工作时间和开始工作时刻的方法包括:
步骤5.1、将簇内活动节点数和簇内工作时间最长的节点的工作时间T work传送至处理中心；
步骤5.2、节点的工作时间T work=T 1+T 2+T 3+T 4，T 1为传感器对感知信号的转换时间，T 2为数据收发的时间，T 3为数据处理时间，T 4为监听时间；
步骤5.3、根据网络深度和每个簇的活动节点数，取节点数最多的一个为网络中每个簇的节点数；
步骤5.4、计算网络一次数据采集所需的总工作时间T Net，并沿骨干树对全网广播；
步骤5.5、时间沿骨干树逐次进行分割，簇首节点将自己所在簇的工作时间在簇内广播，簇内活动的传感器节点根据自身序号确定自身的工作时刻；其中与处理中心相距一跳的簇首节点按公式（1）计算工作时间和公式（2）计算开始工作时刻；
（1）
（2）
与处理中心相距大于一跳的簇首节点按下面（3）计算工作时间和公式（4）计算开始工作时刻；
（3）
（4）
上述式中，为网络总的工作时间，为孩子节点数，为自身编号，为孩子簇首数。
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