CN116193535A - 基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法，该方法将分簇的思想应用到LoRa网络中，网络中所有终端节点的接收信道号在通讯网络初始化阶段随机产生，以终端节点能量等级调整其概率权重。在簇首节点的产生方法的基础上，在阈值计算中加入剩余能量作为权重参数，剩余能量较多的节点拥有更高概率选中为簇首节点，簇首节点将在其所在信道号广播其作为簇首的信息，该信道中其他节点向其反馈加入簇网络申请，通过优化的分簇策略，解决了高密度无线传感网络的信道拥堵问题，同时在算力较低的低功耗终端处理单元上，增加了其实用性和执行效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法。
背景技术
无线传感器网络在不同领域都有广泛应用，如环境监测、农业、医疗等。但是由于传感器节点的能量受限、通信距离有限、网络拓扑结构不固定等特点，无线传感器网络面临着诸多技术挑战。传统的无线通信技术不能很好地满足无线传感器网络的需求，因此需要一种适合无线传感器网络的协议。LoRa网络是一种低功耗、长距离的无线通讯协议，它具有覆盖范围广、设备终端成本低等特点。然而，在LoRa网络中，如果终端挂载数量过多，可能会产生很多影响，终端节点向网关发送数据需要一定的时间，如果网络中存在过多的终端节点，网关将需要一定的时间来处理和转发这些数据。当终端数量过多时，可能会导致网关无法及时处理和转发数据，从而造成网络拥塞和延迟。在LoRa网络中，数据需要经过多个终端节点和网关之间的传输才能到达目标设备。当终端节点数量过多时，数据包需要经过的节点也会增加，导致网络碎片化严重，这将导致数据包的传输时间变长，延迟较高。当终端节点数量过多时，它们之间可能会互相干扰，需要增加发送功率来保证信号的完整性，因此，终端节点的电量将消耗得更快。因此，如果LoRa网络中终端挂载数量过多，将会给网络性能、能耗、安全等方面带来负面影响。如果需要处理大量的终端节点，可以采用其他网络结构来克服网络拥塞、碎片化和数据安全等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法，该方法引入分簇的思想，一定程度上解决了基于LoRa的无线传感网络在大规模传感网络密集布设的情况下，产生的信道资源的严重拥堵，将优化的LoRa组网方法应用于大规模的无线传感器网络。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法，包括以下步骤：
步骤1，网络中所有终端节点的接收信道号在通讯网络初始化阶段并在网络约定范围内随机产生，该随机产生过程以终端节点能量等级调整概率权重；
步骤2，LoRa网络的簇首节点基于等概率的阈值计算方法随机产生，在阈值计算中加入剩余能量作为权重参数，剩余能量较多的节点能够高概率选中为簇首节点，在此过程中，汇聚节点会时刻关注簇首产生的全过程并随时介入，汇聚节点可以发起簇首仲裁及簇首指派任务；
步骤3，最终当选的簇首节点将在其所在信道号广播其作为簇首的信息，该信道中其他节点在接收到信息后将向簇首节点反馈加入簇网络申请，簇首节点在接收到任一节点的申请后为任一节点分配TDMA通讯时隙并告知该节点，该节点将进行数据的传输；
步骤4，簇首节点将各终端节点数据汇总并打包发送至汇聚节点，数据发送结束后，汇聚节点下发休眠参数并将网络释放，簇首节点随后将休眠参数广播至其簇内节点，并释放该簇的网络进入休眠。
作为本发明的进一步改进，步骤1中，所述信道号以其最优信道为中心，左右区间取出N个频点作为信道号的取值范围，终端节点的初始能量记为E0，当前剩余能量记为En，能量等级λ取En/ E0，能量等级与权重成正比，以能量作为权重在N个频点生成一个随机信道。
作为本发明的进一步改进，步骤2中，所述簇首节点的选择结合传感网络终端节点能量消耗的因素，结合步骤1所得能量等级，使剩余能量较多者优先被选作簇首节点，阈值计算公式为：
其中，k是由汇聚节点修改的权重系数，λ是剩余能量等级，p是簇头占总节点数的比例，E是最近1/p轮次中未被选中作为簇头的集合，r是当前轮数。
作为本发明的进一步改进，步骤2中，所述汇聚节点实时监听网络中各信道簇头状态，若簇头产生超时，则修改该网络内k值；若网络中产生多个簇头，则汇聚节点将进行仲裁，选举出最优簇头，被选举簇头将执行簇头任务，落选节点中断其簇头流程，立即进入终端节点模式；若网络中无法选出合适簇首，汇聚节点将进行簇首指派任务，将所记录的优质节点指派为簇首节点。
作为本发明的进一步改进，若终端节点超时未收到簇首节点的广播，或收到汇聚节点所下发的簇头选举配置指令后，将进行簇头阈值重新计算工作，至网络内选举出簇首节点，其余节点在广播之后随即进入簇组网流程。
作为本发明的进一步改进，所述终端节点经过握手入簇，在网络中按照TDMA时隙向簇头发送其节点传感器数据，该节点传感器数据为连续采集，直至簇首节点反馈终止信号，终端节点终止数据采集与发送，按照簇首节点所下发配置信息进入休眠状态。
本发明的有益效果为：本发明通过引入分簇的思想，一定程度上解决了基于LoRa的高密度无线传感网络的信道拥堵问题，同时在算力较低的低功耗终端处理单元上，增加了其实用性和执行效率。
附图说明
图1是本发明的基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法的汇聚节点工作流程图。
图2是本发明的基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法的终端节点工作流程图。
图3是本发明的基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法的网络示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1与图2所示，本发明提供了一种基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法，包括以下步骤：
步骤1，网络中所有终端节点的接收信道号在通讯网络初始化阶段并在网络约定范围内随机产生，该随机产生过程以终端节点能量等级调整概率权重；
步骤2，LoRa网络的簇首节点基于等概率的阈值计算方法随机产生，在阈值计算中加入剩余能量作为权重参数，剩余能量较多的节点能够拥有更高概率选中为簇首节点，在此过程中，汇聚节点会时刻关注簇首产生的全过程并随时介入，汇聚节点可以发起簇首仲裁及簇首指派任务；
步骤3，最终当选的簇首节点将在其所在信道号广播其作为簇首的信息，该信道中其他节点在接收到信息后将向簇首节点反馈加入簇网络申请，簇首节点在接收到任一节点的申请后为任一节点分配TDMA通讯时隙并告知该节点，该节点将进行数据的传输；
步骤4，簇首节点将各终端节点数据汇总并打包发送至汇聚节点，数据发送结束后，汇聚节点下发休眠参数并将网络释放，簇首节点随后将休眠参数广播至其簇内节点，并释放该簇的网络进入休眠。
以下将对步骤1-步骤4进行详细描述。
步骤1中，所述信道号以其最优信道(MCH)为中心，左右区间取出N个频点作为信道号的取值范围，终端节点的初始能量记为E0，当前剩余能量记为En，能量等级λ取En/ E0，能量等级与权重成正比，以能量作为权重在N个频点生成一个随机信道。
步骤2中，所述簇首节点的选择结合传感网络终端节点能量消耗的因素，结合步骤1所得能量等级，使剩余能量较多者优先被选作簇首节点，阈值计算公式为：
其中，k是由汇聚节点修改的权重系数，λ是剩余能量等级，p是簇头占总节点数的比例，E是最近1/p轮次中未被选中作为簇头的集合，r是当前轮数。
步骤2中，所述汇聚节点实时监听网络中各信道簇头状态，所监听信道若簇头产生超时，则修改该网络内k值，即由汇聚节点修改的权重系数；若网络中产生多个簇头，则汇聚节点将进行仲裁，选举出最优簇头，被选举簇头将执行簇头任务，落选节点中断其簇头流程，立即进入终端节点模式，若网络中无法选出合适簇首，汇聚节点将进行簇首指派任务，将所记录的优质节点指派为簇首节点。
若终端节点超时未收到簇首节点的广播，或收到汇聚节点所下发的簇头选举配置指令后，将进行簇头阈值重新计算工作，至网络内选举出簇首节点，其余节点在广播之后随即进入簇组网流程。
所述终端节点经过握手入簇，在网络中按照TDMA时隙向簇头发送其节点传感器数据，该节点传感器数据为连续采集，直至簇首节点反馈终止信号，终端节点终止数据采集与发送，按照簇首节点所下发配置信息进入休眠状态。
如图3所示的网络示意图，高密度的无线终端节点经由随机信道的分簇组网方法，将网络中各终端节点进行快速的分组，形成了多层网络结构，缓解了组网阶段因终端接入而导致的信道拥堵问题，每一簇内各节点按照TDMA有序数据传输，各簇之间处于不同频段，有效避免了簇内与簇间的数据串扰问题，提高了汇聚节点的挂载能力。
综上所述，本发明通过引入分簇的思想，一定程度上解决了基于LoRa的高密度无线传感网络的信道拥堵问题，同时在算力较低的低功耗终端处理单元上，增加了其实用性和执行效率。
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，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，网络中所有终端节点的接收信道号在通讯网络初始化阶段并在网络约定范围内随机产生，该随机产生过程以终端节点能量等级调整概率权重；
步骤2，LoRa网络的簇首节点基于等概率的阈值计算方法随机产生，在阈值计算中加入剩余能量作为权重参数，剩余能量较多的节点能够高概率选中为簇首节点，在此过程中，汇聚节点会时刻关注簇首产生的全过程并随时介入，汇聚节点可以发起簇首仲裁及簇首指派任务；
步骤3，最终当选的簇首节点将在其所在信道号广播其作为簇首的信息，该信道中其他节点在接收到信息后将向簇首节点反馈加入簇网络申请，簇首节点在接收到任一节点的申请后为任一节点分配TDMA通讯时隙并告知该节点，该节点将进行数据的传输；
步骤4，簇首节点将各终端节点数据汇总并打包发送至汇聚节点，数据发送结束后，汇聚节点下发休眠参数并将网络释放，簇首节点随后将休眠参数广播至其簇内节点，并释放该簇的网络进入休眠。
2.根据权利要求1所述的基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法，其特征在于：步骤1中，所述信道号以其最优信道为中心，左右区间取出N个频点作为信道号的取值范围，终端节点的初始能量记为E0，当前剩余能量记为En，能量等级λ取En/ E0，能量等级与权重成正比，以能量作为权重在N个频点生成一个随机信道。
3.根据权利要求1所述的基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法，其特征在于：步骤2中，所述簇首节点的选择结合传感网络终端节点能量消耗的因素，结合步骤1所得能量等级，使剩余能量较多者优先被选作簇首节点，阈值计算公式为：
其中，k是由汇聚节点修改的权重系数，λ是剩余能量等级，p是簇头占总节点数的比例，E是最近1/p轮次中未被选中作为簇头的集合，r是当前轮数。
4.根据权利要求3所述的基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法，其特征在于：步骤2中，所述汇聚节点实时监听网络中各信道簇头状态，若簇头产生超时，则修改该网络内k值；若网络中产生多个簇头，则汇聚节点将进行仲裁，选举出最优簇头，被选举簇头将执行簇头任务，落选节点中断其簇头流程，立即进入终端节点模式；若网络中无法选出合适簇首，汇聚节点将进行簇首指派任务，将所记录的优质节点指派为簇首节点。
5.根据权利要求1所述的基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法，其特征在于：若终端节点超时未收到簇首节点的广播，或收到汇聚节点所下发的簇头选举配置指令后，将进行簇头阈值重新计算工作，至网络内选举出簇首节点，其余节点在广播之后随即进入簇组网流程。
6.根据权利要求1所述的基于随机信道的高密度无线传感网络分簇方法，其特征在于：所述终端节点经过握手入簇，在网络中按照TDMA时隙向簇头发送其节点传感器数据，该节点传感器数据为连续采集，直至簇首节点反馈终止信号，终端节点终止数据采集与发送，按照簇首节点所下发配置信息进入休眠状态。
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