CN105575092A - 一种无线传感网的组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线传感网的组网方法,包括簇头节点及其全局通信时隙的确定,簇成员节点及其簇内通信时隙的确定;利用CSMA、TDMA与多信道技术相结合的方式依序完成簇头节点及其全局通信时隙的确定、每一个簇中各个簇成员节点及其簇内通信时隙的确定,减少每一个簇的形成时间,从而实现快速组网,并保证多个簇在同一时段内不同的子信道上通信,互不干扰,减少全网组网的时间以及每个簇数据传输的延时,而簇成员节点在固定的不同时隙上传数据,不会发生簇内的数据碰撞,为工程设计提供了一种切实可行的组网方法,能够适用于传感器节点密集分布的无线传感网中。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线传感网的组网方法,属于无线技术领域。
背景技术
传感器是一种能感受规定的被测量物件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,无线传感网(WirelessSensorNetwork,WSN)是由众多的传感器通过无线通信的方式,相互联系,处理、传递信息的网络。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,传送给所需用户。无线传感网在军事、工业控制、交通、安全、医疗、野外勘探、环境监测、家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的应用。
无线传感网由多个单传感器节点组成,各节点通过传感或控制参数来实现与外部环境的交互。典型特征是在一个很小的区域里部署着很多节点,为了保证一个区域的覆盖率足够高或者使网络中有冗余来防止节点失效。虽然这是密集型网络部署的优点,但是它也存在着以下缺点:在一个相对拥挤的网络中,由于邻居节点数目众多,节点之间容易互相干扰,各种可能的路由方式太多,节点可能会使用较大的功率来与远处的节点直接通信,限制了无线带宽的重新使用,因此在很多节点密集分布的网络中,节点之间都在彼此的通信范围内,在网络初始化阶段,很容易因为冲突碰撞而产生的数据包丢失并导致网络的组成需要耗费相当长的一段时间,同时形成的网络拓扑结构也极不稳定,在通信过程中也会因此而导致数据传输的中断及网络的重组,额外消耗了大量的能量。
针对以上问题,我们需要一种针对这种干扰性极强的网络在网络的初始阶段能够快速组网并调度好时隙的分配,以保证整个网络数据传输的可靠性和有效性的组网方法。
一个网络的组成涉及到了网络的拓扑控制和时隙调度两个方面。网络拓扑控制协议能够优化路由协议和MAC协议的效率,使之紧密的结合,为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供基础,有利于延长整个网络的生存时间,对网络性能的影响很大。MAC协议决定了无线信道的使用方式,构建了无线传感网的底层基础结构,在传感器节点之间分配有限的无线通信资源,使得不同节点能够合理的使用这些资源。无线传感网中单个节点的作用是微弱的,传感器网络的强大功能是由众多节点协作分工实现的,多个节点之间的通信需要各种协议在局部范围内协调各个节点之间的资源分配,充分利用有限的通信资源来共同完成一定的任务。无线传感网拓扑控制主要的研究目的是如何在满足网络覆盖度和连通度的前提下,功率控制和骨干网节点选择,剔除节点之间不必要的通信链路,形成一个数据转发的优化网络结构。在节点发射功率不变的情况下,主要考虑层次型拓扑结构组织,它利用分簇机制让一些节点成为簇头节点,由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网,也就是簇,其他非簇头节点可以暂时关闭通信模块,进入休眠状态以节省能量。
目前主要的层次型拓扑控制方法有TopDisc成簇算法、LEACH自组织成簇算法和GAF虚拟地理网格分簇算法等,但是这些算法考虑的往往不够全面,只是针对网络拓扑的某一方面进行了优化设计。随着无线传感网技术的发展,拓扑控制的研究分类已经没有那么严格,往往是与其他各种方式相结合,并引入启发性、数据捎带等机制,以达到节省能量和拓扑快速形成的目的。尤其是与MAC协议的结合能够让节点在前期组网过程中直接进行时隙的调度,在网络拓扑形成的同时也确定了其分配到的时隙。目前的MAC协议主要分为固定配置协议以及随机接入协议。在固定配置协议中,可用的资源在节点间长期配置,使得每个节点可以独立使用这些资源,没有碰撞的风险,典型的协议包括TDMA、FDMA、CDMA等。对于注重传输质量的网络而言,这种协议能够满足Qos要求,协议将固定的时隙或者信道分配给固定的节点,这样避免了在同一时隙或者同一信道上产生数据碰撞,但是这种协议单独的使用除了对网络的时钟同步要求较高外,还对网络稳定性有着很高的要求,而且当节点过于密集时,一个簇头节点下面挂载的簇成员节点过多会导致整个超帧的时隙过多,由此大大增加了每个节点上传数据的时间延迟;而在随机接入协议中,节点是非协同工作的,且协议是以完全分布式的方式执行的,但是使用这种MAC协议容易发生数据碰撞,从而产生隐终端和显终端的问题,数据的碰撞重传也导致了能量的浪费。而目前已有的ZigBee(紫蜂技术)的MAC协议采用了将CSMA(CarrierSenseMultipleAccess,载波侦听多路访问)与TDMA(TimeDivisionMultipleAccess,时分多址)相结合的方式来进行数据的传输,在非节点密集的网络中,一定程度上兼顾了网络的吞吐量和能量、延迟等特性,但在高密度的传感器网络中,仅仅将CSMA与TDMA相结合还是不够的,每个簇头节点下面挂载的簇成员节点数量太多,不仅前期组网的CSMA阶段容易产生数据碰撞,时隙太多还会导致同步时钟的漂移以及较长的通信延迟。
发明内容
为克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种无线传感网的组网方法,用于解决密集分布的大量传感器节点在网络初始化阶段组网时发生的碰撞及相关的时隙分配等问题。
为达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:一种无线传感网的组网方法,包括簇头节点及其全局通信时隙的确定,簇成员节点及其簇内通信时隙的确定;所述簇头节点及其全局通信时隙的确定是指网络以信标模式工作,采用超帧结构组织数据的接收和发送,汇聚节点首先以广播全局信标帧来进行全网同步,然后根据请求节点的剩余能量确定簇头节点,并根据接收到的请求顺序为每一个簇头节点依次分配全局通信时隙及其簇内通信子信道;所述簇成员节点及其簇内通信时隙的确定是指在确定簇头节点后,各个簇头节点广播自身的子信道信息和空闲时隙情况,未成为簇头节点的普通节点侦听所有簇头节点的广播信息,选择接收信号强度最强的广播信息所对应的簇头节点,并向那个簇头节点发送请求帧以请求入簇,簇头节点接收到请求后确定簇成员节点,并根据接收到的请求顺序为每个簇成员节点分配簇内通信时隙,在某一个普通节点竞争入簇失败后,继续在下一周期侦听全局通信频段,重新选择其他的簇头节点竞争入簇,簇建立完成;当簇建立完成且网络稳定后,所有簇头节点在全局通信时段非自身通信时隙进入休眠状态,所有簇成员节点在全局通信时段及簇内通信时段的非自身通信时隙时进入休眠状态。
进一步的,所述簇建立完成后,若汇聚节点连续多次未收到簇头节点的广播信息,则认为簇头节点失效;簇头节点失效后,汇聚节点重新发起簇头节点的选举,未成为簇头节点的普通节点、未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点;在新的周期内侦听全局通信频段,接收到汇聚节点的全局信标帧后,以CSMA的方式在空闲时段发起请求以竞争成为簇头节点,发起CSMA的时段在簇内通信时段,发起的信道在全局通信频段,当新的簇头确定后,重新建立自己的新簇。
更进一步的,所述簇头节点失效后,未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点,包括如下步骤:在网络稳定后,簇头节点在全局通信时段依次按照自身分配的时隙广播数据帧,若汇聚节点在连续多个周期未收到某个簇头节点的广播数据帧,则认为此簇头节点失效;若簇头节点由于自身能量不足也可以在广播数据帧中和簇内信标帧中主动添加请求失效信息;当汇聚节点和簇成员节点分别得知所述信息后,由汇聚节点重新发起组网命令,簇成员节点变成普通节点,侦听全局信道中汇聚节点的全局信标帧,重新选举出一个新的簇头节点,其余普通节点则请求重新入簇。
进一步的,所述簇建立完成后,当簇成员节点失效时,簇头节点将之前分配给失效的簇成员节点的时隙收回,并在下一周期的簇内信标帧中将收回的时隙定为空时隙。
进一步的,所述为每一个簇头节点依次分配全局通信时隙及其簇内通信子信道,包括如下步骤:汇聚节点启动后的第一个时隙在全局通信频段内周期性的广播全局信标帧,所述全局信标帧中包含有同步信息、汇聚节点辖属的簇头节点数及其对应的子信道和通信时隙,其中,网络中允许的最大簇头节点数目N、每个子信道频率f以及一个周期所包含的通信时隙数目T是预先设定的,所述通信时隙包括已被占用的通信时隙和空闲的通信时隙;除汇聚节点之外,所有的其他节点第一次醒来后侦听信道,若接收到汇聚节点的全局信标帧,根据全局信标帧内的信息判断网络中的簇头节点数是否达到了最大簇头节点数;若判断得到网络中的簇头节点数达到了最大簇头节点数,则节点以同步算法做同步处理,然后继续侦听;若判断得到网络中的簇头节点数还未达到最大簇头节点数,则在空闲时段以CSMA的方式发送请求帧以竞争成为簇头节点,请求帧中包含节点的剩余能量;汇聚节点接收到请求帧并记录,查看已确定的簇头节点数目n是否达到最大簇头节点数目N,并在得到已确定的簇头节点数目n没有达到最大簇头节点数目N的情况下,从中选择剩余能量最多的N-n个节点作为簇头节点,按照接收顺序为其分配N-n个全局通信时隙以及子信道,并在下一周期广播的全局信标帧中包含此信息。
进一步的,所述请求节点在发出成为簇头节点的请求后,在下一周期中侦听到的全局信标帧中,若发现没有包含自己成为簇头节点的信息,则表示竞争簇头节点失败;请求节点再根据全局信标帧中的信息判断簇头节点数目是否已达到最大簇头节点数,若判断得到当前已确定的簇头节点数目n已达到最大簇头节点数目N,则放弃竞争,继续侦听信道,准备在簇内通信时段请求入簇;若判断得到目前已确定的簇头节点数目n没有达到最大簇头节点数目N,则继续在周期内以CSMA的方式发送请求帧以竞争成为簇头节点。
进一步的,所述确定簇成员节点,并根据接收到的请求顺序为每个簇成员节点分配簇内通信时隙,包括如下步骤:簇头节点在汇聚节点广播全局信标帧后,在其分配到的全局通信时隙内广播包含额外信息的数据帧,其中额外信息包括本簇的簇内通信时段以及通信子信道;竞争簇头节点失败的普通节点接收到簇内信标帧后,选择接收到信号强度最强的簇头节点作为自己的簇头节点,并以CSMA的方式发起竞争入簇的请求;簇头节点接收到普通节点的入簇请求后,根据接收请求的顺序,依次将簇内通信时隙分配给簇成员节点,并在下一周期广播簇内信标帧时加入组播应答信号信息,若簇内通信时隙已经分配完毕,则在组播信息告知请求节点所述簇头节点辖属的簇成员节点已满员;若普通节点在发出入簇请求后,在下一周期继续侦听簇内信标帧,分析所述簇内信标帧中的组播应答信号信息,若得知请求簇成员节点成功,则按照分配到的时隙上传分组;若请求簇成员节点失败,查看簇头节点的时隙数是否已分配完毕,若分配完毕,则在下一周期全局通信阶段变频到主信道侦听汇聚节点的全局信标帧,从中选择还有空闲时隙的簇头,并在空闲时隙内以CSMA的方式继续请求入簇;若所有簇头节点的时隙都已分配完毕,则普通节点不再发出入簇请求,而是在每个全局通信时段保持侦听汇聚节点的全局信标帧,直到发现有空闲时隙的簇头节点并随后发起入簇请求。
本发明的有益技术效果是:利用CSMA、TDMA与多信道技术相结合的方式依序完成簇头节点及其全局通信时隙的确定、每一个簇中各个簇成员节点及其簇内通信时隙的确定,减少每一个簇的形成时间,从而实现快速组网,并保证多个簇在同一时段内不同的子信道上通信,互不干扰,减少全网组网的时间以及每个簇数据传输的延时,而簇成员节点在固定的不同时隙上传数据,不会发生簇内的数据碰撞,为工程设计提供了一种切实可行的组网方法,能够适用于传感器节点密集分布的无线传感网中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
图1为本发明的流程图;
图2为本发明初始化簇头节点示意图;
图3为本发明汇聚节点根据剩余能量确定簇头节点示意图;
图4为本发明普通节点竞争入簇头节点示意图。
图5为本发明快速组网示意图。
具体实施方式
实施例1
一种无线传感网的组网方法,包括簇头节点及其全局通信时隙的确定,簇成员节点及其簇内通信时隙的确定;所述簇头节点及其全局通信时隙的确定是指网络以信标模式工作,采用超帧结构组织数据的接收和发送,汇聚节点首先以广播全局信标帧来进行全网同步,然后根据请求节点的剩余能量确定簇头节点,并根据接收到的请求顺序为每一个簇头节点依次分配全局通信时隙及其簇内通信子信道;所述簇成员节点及其簇内通信时隙的确定是指在确定簇头节点后,各个簇头节点广播自身的子信道信息和空闲时隙情况,未成为簇头节点的普通节点侦听所有簇头节点的广播信息,选择接收信号强度最强的广播信息所对应的簇头节点,并向那个簇头节点发送请求帧以请求入簇,簇头节点接收到请求后确定簇成员节点,并根据接收到的请求顺序为每个簇成员节点分配簇内通信时隙,在某一个普通节点竞争入簇失败后,继续在下一周期侦听全局通信频段,重新选择其他的簇头节点竞争入簇,簇建立完成;当簇建立完成且网络稳定后,所有簇头节点在全局通信时段非自身通信时隙进入休眠状态,所有簇成员节点在全局通信时段及簇内通信时段的非自身通信时隙时进入休眠状态。
所述簇建立完成后,若汇聚节点连续多次未收到簇头节点的广播信息,则认为簇头节点失效;簇头节点失效后,汇聚节点重新发起簇头节点的选举,未成为簇头节点的普通节点、未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点;在新的周期内侦听全局通信频段,接收到汇聚节点的全局信标帧后,以CSMA的方式在空闲时段发起请求以竞争成为簇头节点,发起CSMA的时段在簇内通信时段,发起的信道在全局通信频段,当新的簇头确定后,重新建立自己的新簇。
所述簇头节点失效后,未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点,包括如下步骤:在网络稳定后,簇头节点在全局通信时段依次按照自身分配的时隙广播数据帧,若汇聚节点在连续多个周期未收到某个簇头节点的广播数据帧,则认为此簇头节点失效;若簇头节点由于自身能量不足也可以在广播数据帧中和簇内信标帧中主动添加请求失效信息;当汇聚节点和簇成员节点分别得知所述信息后,由汇聚节点重新发起组网命令,簇成员节点变成普通节点,侦听全局信道中汇聚节点的全局信标帧,重新选举出一个新的簇头节点,其余普通节点则请求重新入簇。
所述当簇成员节点失效时,簇头节点将之前分配给失效的所述簇成员节点的时隙收回,并在下一周期的簇内信标帧中将所述时隙定为空时隙。
所述选择簇头节点并为其分配全局通信时隙以及簇内通信子信道,包括如下步骤:汇聚节点启动后的第一个时隙在全局通信频段内周期性的广播全局信标帧,所述全局信标帧中包含有同步信息、汇聚节点辖属的簇头节点数及其对应的子信道和通信时隙,其中,网络中允许的最大簇头节点数目N、每个子信道频率f以及一个周期所包含的通信时隙数目T是预先设定的,所述通信时隙包括已被占用的通信时隙和空闲的通信时隙;除汇聚节点之外,所有的其他节点第一次醒来后侦听信道,若接收到所述汇聚节点的全局信标帧,根据所述全局信标帧内的信息判断网络中的簇头节点数是否达到了最大簇头节点数;若判断得到网络中的簇头节点数达到了最大簇头节点数,则节点以目前的同步算法做同步处理,然后继续侦听;若判断得到网络中的簇头节点数还未达到最大簇头节点数,则在空闲时段以CSMA的方式发送请求帧以竞争成为簇头节点,所述请求帧中包含节点的剩余能量;汇聚节点接收到所述请求帧并记录,查看目前已确定的簇头节点数目n是否达到最大簇头节点数目N,并在得到目前已确定的簇头节点数目n没有达到最大簇头节点数目N的情况下,从中选择剩余能量最多的(N-n)个节点作为簇头节点并按照接收顺序为其分配(N-n)个全局通信时隙以及子信道,并在下一周期广播的全局信标帧中包含此信息。
所述所述无线传感网的组网方法还包括:节点在发出成为簇头节点的请求后,在下一周期中侦听到的全局信标帧中,若发现没有包含自己成为簇头节点的信息,则表示竞争簇头节点失败;节点再根据全局信标帧中的信息判断簇头节点数目是否已达到最大簇头节点数,若判断得到目前已确定的簇头节点数目n已达到最大簇头节点数目N,则放弃竞争,继续侦听信道,准备在簇内通信时段请求入簇;若判断得到目前已确定的簇头节点数目n没有达到最大簇头节点数目N,则继续在所述周期内以CSMA的方式发送请求帧以竞争成为簇头节点。
所述确定每个簇的簇成员节点并为其分配簇内通信时隙,包括如下步骤:簇头节点在汇聚节点广播全局信标帧后,在其分配到的全局通信时隙内广播包含额外信息的数据帧,其中额外信息包括本簇的簇内通信时段以及通信子信道;竞争簇头节点失败的普通节点接收到簇内信标帧后,选择接收到信号强度最强的簇头节点作为自己的簇头节点,并以CSMA的方式发起竞争入簇的请求;簇头节点接收到普通节点的入簇请求后,根据接收请求的顺序,依次将簇内通信时隙分配给簇成员节点,并在下一周期广播簇内信标帧时加入组播应答信号信息,若簇内通信时隙已经分配完毕,则在组播信息告知请求节点所述簇头节点辖属的簇成员节点已满员;若普通节点在发出入簇请求后,在下一周期继续侦听簇内信标帧,分析所述簇内信标帧中的组播应答信号信息,若得知请求簇成员节点成功,则按照分配到的时隙上传分组;若请求簇成员节点失败,查看簇头节点的时隙数是否已分配完毕,若分配完毕,则在下一周期全局通信阶段变频到主信道侦听汇聚节点的全局信标帧,从中选择还有空闲时隙的簇头,并在空闲时隙内以CSMA的方式继续请求入簇;若所有簇头节点的时隙都已分配完毕,则所述普通节点不再发出入簇请求,而是在每个全局通信时段保持侦听汇聚节点的全局信标帧,直到发现有空闲时隙的簇头节点并随后发起入簇请求。
实施例2
如图1所示,所述组网方法适用于传感器节点密集分布的无线传感网中,无线传感网可以应用于例如智能家居、环境监控、工业控制、野外勘探、军事侦察等多种场景中。需说明的是,在本实施例中,假定无线传感网是以信标(beacon)模式工作,并采用超帧结构组织数据的接收和发送。
首先,确定汇聚节点(在以下描述中,以Sink节点作为汇聚节点的简称)辖属的簇头节点及其数目。传感网中允许的最大簇头节点数目N、每个子信道频率f以及一个周期所包含的通信时隙数目T是预先设定的,通信时隙包括已被占用的通信时隙和空闲的通信时隙。现假设网络中允许的最大簇头节点数目为6(即N=6),并确定一个超帧为20时隙,这样,一个簇头节点最多挂载12(20-1-6-1=12)个普通节点。
第1个周期:
(1-1)、上电后,Sink节点在第一个时隙开始发出用于全网同步的全局信标帧。
在本实施方式中,全局信标帧的结构如下表所示:
(1-2)、当除Sink节点之外的其他普通节点醒来时侦听主信道,这些普通节点接收到Sink节点的全局信标帧后,首先完成同步,得知全局通信时段的时隙分配情况;在后续空闲时段中采用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)的方式发起竞争簇头节点的请求。
(1-3)、Sink节点在之后的第2时隙至第20时隙(2~20时隙)内记录收到的竞争簇头节点的所有请求,根据请求节点的剩余能量,在其中选择剩余能量最多的6个节点作为簇头节点,根据接收到的请求顺序为每一个簇头节点依次分配全局通信时隙及其簇内通信子信道。假设簇头为1~6簇头节点,则分配到的全局通信时隙分别为第2时隙至第7时隙(2~7时隙)。
第2个周期:
(2-1)、第1个时隙,Sink节点广播包含分配时隙信息的全局信标帧,1~6簇头节点接收到信息后记录自身分配到的固定时隙以及簇头节点所占用的总时隙数。
(2-2)、在第2时隙至第7时隙,1~6簇头节点分别广播数据帧,向Sink上传自己的分组消息,同时向其辖属的各个普通节点广播自身的子信道信息和空闲时隙情况。
在本实施方式中,簇头的数据帧的结构如下表所示:
(2-3)、普通节点选择收到的信号强度最强的簇头节点作为自己的簇头记录,在之后的第8个时隙变频到选中的这一个簇头节点的子信道上,侦听簇内子信道。
(2-4)、如果普通节点侦听到Sink节点的全局beacon帧中的簇头节点数未满6个,则普通节点继续在后续空闲时段在主信道上向Sink节点发起竞争簇头节点的请求。
(2-5)、在第8个时隙,各簇头节点变频分别进入自己的子信道,各普通节点也根据之前选择的簇头节点信息变频到其子信道,然后簇头节点广播簇内组网信令帧,在其中添加簇内通信时隙的分配情况。
(2-6)、簇内各普通节点侦听到簇内beacon帧后,在簇内空闲时段采用CSMA/CA的方式向对应的那一个簇头节点发送竞争入簇的请求。簇头节点根据接收到的请求顺序将簇内通信时隙的第9时隙至第20时隙分配给簇成员节点,并将这些信息添加到下一周期要广播的簇内信标帧中。
第3个周期:
(3-1)、在第1个时隙,Sink节点在全局信标帧中添加组播应答(ack)信息(在以下描述中,以ack作为应答信息的简称),作为对上一周期内收到的簇头节点上传的信息进行反馈。
(3-2)、在之后第2时隙至第7时隙,1~6簇头节点还是按照自己分配到的固定时隙上传数据,如果簇头在组播ack信息中未发现对自己上一周期上传数据的应答,需要重传数据。
(3-3)、在第8个时隙,簇头节点变频,在簇内广播簇内信标帧,广播簇内的时隙分配信息。
在本实施方式中,簇内信标帧的结构如下表所示:
信标 | 帧序号 | 源地址 | 目的地址 | 帧长度 | 簇内时隙分配信息 | 簇内组播ack信息 |
(3-4)、如果簇内的普通节点收到簇内信标帧中包含自身的时隙信息,则在下一周期中开始在自己分配到的簇内通信时隙内上传数据;如果簇内信标帧中未包含自身的时隙信息且此簇头的簇内通信时隙未满,则选择后续的一个空闲时隙继续以CSMA/CA的方式发送竞争入簇的请求;若簇内信标帧中告知簇内时隙分配已满,则所述普通节点放弃请求入簇,在下一周期变频在第1时隙至第7时隙内侦听其他簇头节点信息,以便重新选择一个簇头节点并请求入簇。
第4个周期:
(4-1)簇头节点已经全部确定,网络基本组建完毕,第1时隙至第7时隙为簇头节点与Sink节点的全局通信时段,而第8时隙至第20时隙为各簇的簇内通信时段,各簇成员节点在各自分配的时隙上传数据。
(4-2)若之前因为簇内通信时隙分配完毕而没有成功入簇的节点,在本周期开始变频到主信道侦听各簇头包含时隙分配信息的数据帧,重新选择一个簇头在第8个时隙变频到对应的子信道在空闲时段以CSMA/CA的方式再次请求入簇,重复此方式直至成功入簇或者自动丢弃。
如图2,Sink节点发出用于全网同步的全局信标帧,除Sink节点之外的其他普通节点侦听主信道,在接收到Sink节点的全局信标帧后,以CSMA/CA的方式在空闲时段发起请求以竞争成为簇头节点。
如图3,Sink节点根据请求节点的剩余能量确定簇头节点,并根据接收到的请求顺序为每一个簇头节点依次分配全局通信时隙及其簇内通信子信道。在本实施例中,假设Sink节点是选择了其中剩余能量最多的6个节点作为簇头节点(在图2中,带有箭头且面积较大的圆即表示为确定的簇头节点)。
另外,若簇头节点失效后,汇聚节点重新发起簇头节点的选举,未成为簇头节点的普通节点未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点。
如图4所示,在确定簇头节点后,各个簇头节点广播自身的子信道信息和空闲时隙情况;未成为簇头节点的普通节点侦听所有簇头节点的广播信息,选择接收信号强度最强的广播信息所对应的簇头节点,并向那一个所述簇头节点发送请求帧以请求入簇。
如图5所示,各个簇头节点接收到请求后确定簇成员节点,并根据接收到的请求顺序为每个簇成员节点分配簇内通信时隙。在图中可以才看出,例如:簇头节点1辖属有3个簇成员节点,簇头节点2辖属有2个簇成员节点,簇头节点3辖属有4个簇成员节点,……,簇头节点6辖属有2个簇成员节点。
另外,若某一个所述普通节点竞争入簇失败后,则继续在下一周期侦听全局通信频段,重新选择其他的簇头节点竞争入簇。
通过上述各步骤,最终快速组成无线传感网。
综上所述,本发明提供的无线传感网的组网方法,利用CSMA、TDMA与多信道技术相结合的方式依序完成簇头节点及其全局通信时隙的确定和每一个簇中各个簇成员节点及其簇内通信时隙的确定,减少了每一个簇的形成时间,从而实现快速组网,并保证簇成员节点在固定的不同时隙上传数据,不会发生簇内的数据碰撞;而多信道技术的应用使得多个簇可以在同一时段内在不同的子信道上通信,互不干扰,减少了全网组网的时间以及每个簇数据传输的延时。
上述实施例只是对本发明的解释,不能作为对本发明的限制,在本发明公开基础上无创造性的变化均在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种无线传感网的组网方法,其特征在于:包括簇头节点及其全局通信时隙的确定,簇成员节点及其簇内通信时隙的确定;所述簇头节点及其全局通信时隙的确定是指网络以信标模式工作,采用超帧结构组织数据的接收和发送,汇聚节点首先以广播全局信标帧来进行全网同步,然后根据请求节点的剩余能量确定簇头节点,并根据接收到的请求顺序为每一个簇头节点依次分配全局通信时隙及其簇内通信子信道;所述簇成员节点及其簇内通信时隙的确定是指在确定簇头节点后,各个簇头节点广播自身的子信道信息和空闲时隙情况,未成为簇头节点的普通节点侦听所有簇头节点的广播信息,选择接收信号强度最强的广播信息所对应的簇头节点,并向那个簇头节点发送请求帧以请求入簇,簇头节点接收到请求后确定簇成员节点,并根据接收到的请求顺序为每个簇成员节点分配簇内通信时隙,在某一个普通节点竞争入簇失败后,继续在下一周期侦听全局通信频段,重新选择其他的簇头节点竞争入簇,簇建立完成;当簇建立完成且网络稳定后,所有簇头节点在全局通信时段非自身通信时隙进入休眠状态,所有簇成员节点在全局通信时段及簇内通信时段的非自身通信时隙时进入休眠状态。
2.根据权利要求1所述的无线传感网的组网方法,其特征在于:所述簇建立完成后,若汇聚节点连续多次未收到簇头节点的广播信息,则簇头节点失效;簇头节点失效后,汇聚节点重新发起簇头节点的选举,未成为簇头节点的普通节点、未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点;在新的周期内侦听全局通信频段,接收到汇聚节点的全局信标帧后,以CSMA的方式在空闲时段发起请求以竞争成为簇头节点,发起CSMA的时段在簇内通信时段,发起的信道在全局通信频段,当新的簇头确定后,重新建立自己的新簇。
3.根据权利要求2所述的无线传感网的组网方法,其特征在于:所述簇头节点失效后,未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点,包括如下步骤:在网络稳定后,簇头节点在全局通信时段依次按照自身分配的时隙广播数据帧,若汇聚节点在连续多个周期未收到某个簇头节点的广播数据帧,则认为此簇头节点失效;若簇头节点由于自身能量不足也可以在广播数据帧中和簇内信标帧中主动添加请求失效信息;当汇聚节点和簇成员节点分别得知所述信息后,由汇聚节点重新发起组网命令,簇成员节点变成普通节点,侦听全局信道中汇聚节点的全局信标帧,重新选举出一个新的簇头节点,其余普通节点则请求重新入簇。
4.根据权利要求1所述的无线传感网的组网方法,其特征在于:所述簇建立完成后,当簇成员节点失效时,簇头节点将之前分配给失效的簇成员节点的时隙收回,并在下一周期的簇内信标帧中将收回的时隙定为空时隙。
5.根据权利要求1所述的无线传感网的组网方法,其特征在于:所述为每一个簇头节点依次分配全局通信时隙及其簇内通信子信道,包括如下步骤:汇聚节点启动后的第一个时隙在全局通信频段内周期性的广播全局信标帧,所述全局信标帧中包含有同步信息、汇聚节点辖属的簇头节点数及其对应的子信道和通信时隙,其中,网络中允许的最大簇头节点数目N、每个子信道频率f以及一个周期所包含的通信时隙数目T是预先设定的,所述通信时隙包括已被占用的通信时隙和空闲的通信时隙;除汇聚节点之外,所有的其他节点第一次醒来后侦听信道,若接收到汇聚节点的全局信标帧,根据全局信标帧内的信息判断网络中的簇头节点数是否达到了最大簇头节点数;若判断得到网络中的簇头节点数达到了最大簇头节点数,则节点以同步算法做同步处理,然后继续侦听;若判断得到网络中的簇头节点数还未达到最大簇头节点数,则在空闲时段以CSMA的方式发送请求帧以竞争成为簇头节点,请求帧中包含节点的剩余能量;汇聚节点接收到请求帧并记录,查看已确定的簇头节点数目n是否达到最大簇头节点数目N,并在得到已确定的簇头节点数目n没有达到最大簇头节点数目N的情况下,从中选择剩余能量最多的N-n个节点作为簇头节点,按照接收顺序为其分配N-n个全局通信时隙以及子信道,并在下一周期广播的全局信标帧中包含此信息。
6.根据权利要求1所述的无线传感网的组网方法,其特征在于:所述请求节点在发出成为簇头节点的请求后,在下一周期中侦听到的全局信标帧中,若发现没有包含自己成为簇头节点的信息,则表示竞争簇头节点失败;请求节点再根据全局信标帧中的信息判断簇头节点数目是否已达到最大簇头节点数,若判断得到当前已确定的簇头节点数目n已达到最大簇头节点数目N,则放弃竞争,继续侦听信道,准备在簇内通信时段请求入簇;若判断得到目前已确定的簇头节点数目n没有达到最大簇头节点数目N,则继续在周期内以CSMA的方式发送请求帧以竞争成为簇头节点。
7.根据权利要求1所述的无线传感网的组网方法,其特征在于:所述确定簇成员节点,并根据接收到的请求顺序为每个簇成员节点分配簇内通信时隙,包括如下步骤:簇头节点在汇聚节点广播全局信标帧后,在其分配到的全局通信时隙内广播包含额外信息的数据帧,其中额外信息包括本簇的簇内通信时段以及通信子信道;竞争簇头节点失败的普通节点接收到簇内信标帧后,选择接收到信号强度最强的簇头节点作为自己的簇头节点,并以CSMA的方式发起竞争入簇的请求;簇头节点接收到普通节点的入簇请求后,根据接收请求的顺序,依次将簇内通信时隙分配给簇成员节点,并在下一周期广播簇内信标帧时加入组播应答信号信息,若簇内通信时隙已经分配完毕,则在组播信息告知请求节点所述簇头节点辖属的簇成员节点已满员;若普通节点在发出入簇请求后,在下一周期继续侦听簇内信标帧,分析所述簇内信标帧中的组播应答信号信息,若得知请求簇成员节点成功,则按照分配到的时隙上传分组;若请求簇成员节点失败,查看簇头节点的时隙数是否已分配完毕,若分配完毕,则在下一周期全局通信阶段变频到主信道侦听汇聚节点的全局信标帧,从中选择还有空闲时隙的簇头,并在空闲时隙内以CSMA的方式继续请求入簇;若所有簇头节点的时隙都已分配完毕,则普通节点不再发出入簇请求,而是在每个全局通信时段保持侦听汇聚节点的全局信标帧,直到发现有空闲时隙的簇头节点并随后发起入簇请求。
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