专利名称：：基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法
技术领域：
：本发明涉及无线通信领域，特别地，涉及一种无线传感网通信调度方法。技术背景无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。许多研究表明，单一的拓扑结构只是侧重于无线传感网组网问题的某一个方面，总是存在一定的性能和功能上的不足。当前，在学术界和工业界都趋向于采用混合的拓扑结构，以结合不同拓扑结构的优点，得到更加优化的网络结构和组网方式。Mesh结构的优点在于网络中的路由建立。分簇的网络拓扑结构已经成为无线传感网研究的重要方向之一。在规模化的无线传感网中，分簇的网络结构在拓扑管理、能量效率方面都具有明显的优势。分簇的结构将大规模的网络划分为多个小规模的网络，从而降低了拓扑管理的难度。分簇结构中引入节点睡眠机制，可以有效实现节能。骨干节点的大功率簇间通信会对簇内通信带来干扰；节点的睡眠会对网络的连通性带来负面影响。
发明内容为了克服现有技术的不足，满足网络中各节点的通信的需要，本发明提供了一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法，无线传感网由骨干节点BB、簇头节点CH和簇成员节点CM组成；其中，BB之间是Mesh结构，BB与CH,CM之间是分簇结构，该方法包括以下步骤(4)形成BB节点超帧BB节点形成自己的超帧，周期性广播携带有超帧信息的Beacon帧；(5)形成CH节点超帧CH节点收到BB的Beacon帧，申请加入BB组建的簇。CH被BB批准加入簇后，形成自己的超帧，周期性广播携带有簇内通信信息的Beacon帧；(6)形成CM节点超帧CM节点收到CH的Beacon帧，申请加入CH组建的簇。CM经CH批准加入簇后，形成自己的超帧。本发明的有益效果是，1.通过簇内通信时段的划分和引入节点睡眠机制，有效的解决了簇间大功率通信对簇内通信的干扰以及节点过度空闲侦听的问题。2.本发明适用于相当一部分典型的无线传感网应用，同时可以作为其他无线传感网通信调度方法的扩展基础。图l是三类节点超帧结构示意图；其中，虚线表示该终点时刻可能因该时段的实际长度小于预设长度，或者时段的起始时刻前移，而向前移。具体实施方式本通信调度方法的主要思想是，簇内通信方面，上层节点形成调度周期后，以周期性广播Beacon帧的形式通知下层节点，以便下层节点加入上层节点组建的簇以及维护与上层节点的时钟同步；簇间通信方面，由骨干节点负责路由建立和簇间数据传输。无线传感网由骨干节点(BB)、簇头节点(CH)和簇成员节点(CM)组成。其中，BB之间是Mesh结构，BB与CH，CM之间是分簇结构。节点以超帧为周期组织通信的调度。网络中各节点形成自己的超帧，包括以下步骤一、形成BB节点超帧BB节点形成自己的超帧，周期性广播携带有超帧信息的Beacon帧0二、形成CH节点超帧CH节点收到BB的Beacon帧，申请加入BB组建的簇。CH被BB批准加入簇后，形成自己的超帧，周期性广播携带有簇内通信信息的Beacon帧0三、形成CM节点超帧CM节点收到CH的Beacon帧，申请加入CH组建的簇。CM经CH批准加入簇后，形成自己的超帧。经历上面3个阶段，网络中的节点将形成自己的超帧。从中可以看出，超帧的形成是一个由BB发起的，自上而下的过程。下面对各个节点的超帧进行介绍。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>3.CM的超帧CM的超帧包括4个时段，它们依次是Scan时段，R印ort时段，Sync时段，Sle印时段。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>本发明的超帧结构如附图l所示。图中以BB节点的超帧周期作为基准，解释了CH、CM的超帧结构关系。所有节点一个超帧周期的时间长度都相同，用符5Tsuperf咖e表不。超帧中各个时段的长度，由以下方法确定。1.BB的超帧时段确定BB的一个超帧周期包括2个时段，Broadcast时段和Communication时段。一个超帧周期中第一个时段是Broadcast时段，其预设长度是r&。^敏，该时段内BB节点以退避的方式向管理范围内的CH广播Beacon帧。Broadcast时段的实际长度取决于该超帧周期内BB成功广播Beacon帧需要的时间;。具体关系式如下-"M,』1"BroadcastJBroadcast，JI一^Broadcast,Broadcast时段结束后，是Communication时段。该时段内BB节点的任务包括路由建立和数据传输。Communication时段的长度是，丄BB"Communic:ation丄SuperftameJBB-Broadcast2.CH的超帧时段确定CH的一个超帧周期包括了7个时段，Scan时段，Sync时段，Sle印(Sync与Broadcast之间)时段，Broadcast时段，Collect时段，R印ort日寸段，Sle印(R印ort之后到超帧周期结束)时段。Scan时段用于扫描BB的Beacon帧，其长度等于BB的Broadcast时段的实际长度，即，71=71。化H-S咖BB-BroadcastDSync时段，CH启动时钟同步计算进程，根据计算结果调整本地时钟，保证与BB节点的时钟同步，其长度等于同步计算需要的时间，艮P，r一rnJCH-Sync一"1Sync0CH的Broadcast时段的起点由BB节点指定，用符号f,表示，同时用符号/。表示Scan时段的预设终点。那么有下面的关系式成立，"-~="X(TcH-Broadcast+^TH-Collect+^H-Report)>Sync。Sle印(Sync与Broadcast之间)时段的长度用符号rcH.s一表示为，^"cH-Sleepl="x(^:H-Broadcast+^;H-Collcct+^:H-Report)-^，+71—71』Broadcast化H-Sc肌Broadcast时段，CH无冲突地广播Beacon帧，其长度等于发送Beacon帧需要的时间;，n,艮P，r=r。iCH層BroadcastBeaconaCollect时段，CH接收来自CM的数据包，其长度用符号7c^。b。R印ort时段，CH无冲突地向BB发送数据包。假设CH发送数据包需要的时间为r^，那么有，=<[0,缓冲区无数据RePOTt=ljData,缓冲区有数据。Sle印(R印ort之后到超帧周期结束)时段的长度用符号7^.^。2表示为，^yr/JTryr乂CH匿Sleep2=乂Superframe—乂CH-Scan—乂CH-Sync—^CH-Sleepl一71—7"—TiCH-Broadcast』CH-Collect"4CH-Report3.CM的超帧时段确定CM的一个超帧周期中包括4个时段Scan时段，R印ort时段，Sync时段，Sle印时段。Scan时段，CM扫描CH的Beacon帧，其长度等于CH的Broadcast时段的长度，即，化M-Scan1CH-Broadcast0R印ort时段，CM以退避方式向CH发送数据包，其长度等于CH的Collect时段的长度，艮P，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中K的计算，如果该超帧周期内，CM以退避方式成功发送一次数据包需要的时间为S，那么有，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>Sync时段，CM启动时钟同步计算进程，根据结果调整本地时钟，保证与CH节点的时钟同步，其长度等于同步计算需要的时间，艮P，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>Sleep时段的长度，为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>权利要求1.一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法，其特征在于，无线传感网由骨干节点BB、簇头节点CH和簇成员节点CM组成；其中，BB之间是Mesh结构，BB与CH，CM之间是分簇结构，该方法包括以下步骤(1)形成BB节点超帧BB节点形成自己的超帧，周期性广播携带有超帧信息的Beacon帧；(2)形成CH节点超帧CH节点收到BB的Beacon帧，申请加入BB组建的簇。CH被BB批准加入簇后，形成自己的超帧，周期性广播携带有簇内通信信息的Beacon帧；(3)形成CM节点超帧CM节点收到CH的Beacon帧，申请加入CH组建的簇。CM经CH批准加入簇后，形成自己的超帧。全文摘要本发明公开了一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法，网络中各节点周期性地执行各自的任务调度，实现节点之间的通信。本通信调度方法的主要思想是，簇内通信方面，上层节点形成调度周期后，以周期性广播Beacon帧的形式通知下层节点，以便下层节点加入上层节点组建的簇以及维护与上层节点的时钟同步；簇间通信方面，由骨干节点负责路由建立和簇间数据传输。本通信调度方法通过簇内通信时段的划分和引入节点睡眠机制，有效的解决了簇间大功率通信对簇内通信的干扰以及节点过度空闲侦听的问题。本发明提出的通信调度方法，适用于相当一部分典型的无线传感网应用，同时可以作为其他无线传感网通信调度方法的扩展基础。文档编号H04L12/56GK101252512SQ20081005996公开日2008年8月27日申请日期2008年3月5日优先权日2008年3月5日发明者刘海涛,姚道远,杰沈,邓瀚林,黄河清申请人:中科院嘉兴中心微系统所分中心