一种无线传感网的组网方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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(Wireless Sensor Network，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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] -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。
[0006] 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协议米用了将CSMA(Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问）与TDMA (Time Division Multiple Access，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】
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010]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。
[0011] 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。
[0012] 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，