专利名称：面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术，具体地说明是一种面向分簇无线传感器网络的两级自 适应跳频方法。
背景技术：
人类进入二十一世纪以来，微机电系统(Micro-Electro-MechanismSystem， MEMS)、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的飞速发展孕育了一种新型的测控网 络-无线传感器网络(Wireless SensorNetwork，WSN)。无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密 集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测 控网络系统。无线传感器网络是一种超大规模、无人值守、资源严格受限的全分布系统，采 用多跳对等的通信方式，其网络拓扑动态变化，具有自组织、自治、自适应等智能属性。无线 传感器网络是继因特网之后，将对二十一世纪人类生活方式产生重大影响的IT热点技术。 如果说因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，那么无线传感器网络则将逻辑上的信 息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的方式。无线传感器网络的出现 引起了全世界范围的广泛关注。从网络结构的角度看，无线传感器网络具有超大规模等特点，出于网络规模和便 于对网络进行管理等方面的考虑，分簇结构已成为无线传感器网络最常用的一种结构。从 通信协议的角度看，在目前的无线通信标准中，IEEE 802. 15. 4以其低功耗、低成本和简单 灵活等特点，最有希望地成为无线传感器网络底层通信协议的无线标准。从网络性能的角 度看，工业、军事等很多应用对网络的可靠性提出了更高的要求。为了克服无线传输干扰严 重的问题从而提高网络的可靠性，无线传感器网络通常采用跳频技术或自适应跳频技术。 但是，现有IEEE 802. 15. 4标准未采用跳频技术，面向基于IEEE 802. 15. 4标准的分簇无线 传感器网络的多级自适应跳频技术且也未见报道。
发明内容
针对现有技术中存在IEEE 802. 15. 4标准中不采用跳频技术，且也未见面向基于 IEEE 802. 15.4标准的分簇无线传感器网络的多级自适应跳频技术等缺陷的不足之处，本 发明要解决的技术问题是提供一种可提高系统可靠性的面向分簇无线传感器网络的两级 自适应跳频方法为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是本发明面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法包括以下步骤构建分簇无线传感器网络；基于上述分簇无线传感器网络的拓扑结构定义基于IEEE 802. 15. 4的超帧结构；基于原有IEEE 802. 15. 4的介质访问控制层信标帧格式，扩展信标帧载荷的内 容；
基于上述超帧结构以及扩展后的IEEE 802. 15. 4的介质访问控制层的信标帧，实 现网络中节点的两级自适应跳频过程。所述分簇无线传感器网络包括3类节点汇聚节点、簇首节点和簇内节点；其中汇 聚节点是数据的汇聚中心，为分簇无线传感器网络和其它无线传感器网络提供接口，负责 管理节点加入、形成网络和监视整个网络性能；簇首节点用于复制和转发分簇无线传感器 网络中的数据，将数据发送或转发给网络中的簇内节点、汇聚节点和其它簇首节点，支持各 种类型的传感器和执行器；簇内节点安装在现场，与传感器和执行器相连接，用于传输测量 和控制信息，簇首节点和簇内节点构成簇，簇内节点之间不直接通信，簇内节点只和一个簇 首节点通信，簇首节点和汇聚节点以及其它簇首节点通信。所述基于IEEE 802. 15. 4标准的超帧结构包括信标帧阶段、竞争访问阶段、非竞 争访问阶段、簇内通信阶段、簇间通信阶段以及休眠阶段，其中信标帧阶段用于时隙同步和超帧信息的发布；竞争访问阶段用于节点加入和簇内管理，采用时隙的带冲突检测的载波多路访问 方法进行通信；非竞争访问阶段用于紧急通信、移动的簇内节点与簇首节点之间的通信，由簇首 节点自主分配；非竞争访问阶段采用时分多路访问方法进行通信；簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展，用于簇内通信；簇间通信阶段用于簇间通信和管理；簇内通信阶段和簇间通信阶段都采用时分多路访问方法进行通信。所述簇内通信是指簇首节点和簇内节点之间的通信；簇间通信是指簇首节点之间 以及簇首节点与汇聚节点之间的通信。所述两级自适应跳频包括阶段自适应跳频和时隙自适应跳频，其中阶段自适应跳频在分簇无线传感器网络的超帧中，信标帧阶段、竞争访问阶段和 非竞争访问阶段在同一个超帧周期内使用相同的信道，在不同的超帧周期内根据信道状况 切换信道；信道状况差时，节点改变通信信道；信道状况通过所用信道上的丢包率和传输 失败次数进行评价；时隙自适应跳频在分簇无线传感器网络的超帧中，簇内通信阶段的每个时隙根 据信道状况更换通信信道；信道状况差时，节点改变通信信道；信道状况通过所用信道上 的丢包率和传输失败次数进行评价。在进行两级自适应跳频之前，对信道状况进行度量；信道度量向汇聚节点和簇首 节点提供信道的状况信息，帮助汇聚节点和簇首节点分配通信信道；一个簇内节点或者簇 首节点度量一个或多个信道状况，并将统计信息汇报给簇首节点或者汇聚节点；簇内节点 将收集到的度量结果发送给簇首节点，簇首节点将自身收集到的信道状况和簇内节点收集 到的信道状况一起发送给汇聚节点；在对信道状况进行度量的过程中，每个节点记录度量周期内与之通信的所有节点 的信道状况，具体包括每条信道上的丢包率和传输失败次数；其中丢包率由确认帧的数量 和传输的报文数量决定。所述阶段自适应跳频的具体实现过程如下1)汇聚节点首先为每个簇的信标帧阶段、竞争访问阶段和非竞争访问阶段分配信道；如果一个簇有多个信道可用，则选择一个为当前所用信道，其余为备用信道；2)判断系统是否中止运行；如果系统没有中止运行，继续以下步骤；3)簇首节点周期性初始化信道状况的统计值；4)簇首节点统计自身以及簇内节点所度量的本簇信道状况；5)判断当前时间是否在阶段自适应跳频的信道度量周期内；如果不在信道度量 周期内，则继续以下步骤；6)判断当前所用信道的丢包率是否大于等于预先规定好的阈值；如果当前所用 信道的丢包率大于等于预先规定好的阈值，则把原来所用信道的状态汇报给汇聚节点；7)判断是否有备用信道；如果有，则簇首节点切换到备用信道；8)簇首节点利用信标帧通知其簇内节点在下一个超帧周期的信标帧阶段、竞争访 问阶段和非竞争访问阶段使用的信道；9)簇首节点和簇内节点利用更换后的信道进行通信；返回判断系统是否中止运行步骤；如果没有备用信道，则汇聚节点为簇首节点重新分配信道，接续簇首节点利用信 标帧通知其簇内节点在下一个超帧周期的信标帧阶段、竞争访问阶段和非竞争访问阶段使 用的信道步骤；当前所用信道的丢包率小于预先规定好的阈值时，返回判断系统是否中止运行步 骤；如果当前时间在阶段自适应跳频的信道度量周期内，则转至簇首节点统计自身以 及簇内节点所度量的本簇信道状况步骤；如果系统中止运行，则结束程序。所述簇首节点利用信标帧通知其簇内节点在下一个超帧周期的信标帧阶段、竞 争访问阶段和非竞争访问阶段使用的信道为利用IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的前 一个超帧周期的信标帧载荷预告后一个超帧周期所采用的信道，其中，信标帧采用IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的信标帧格式，并对其载荷进行扩展，扩展的信标帧载荷的内容 包括簇标识符、绝对时隙号和下一个超帧周期中信标帧阶段和活动期使用的信道。所述时隙自适应跳频中定义如下参数信道切换的阈值、可用于簇内通信的信道 的数目以及用于存储汇聚节点为簇首节点和簇内节点预先分配的所有通信信道的数组。所述时隙自适应跳频的具体实现过程如下1)初始化信道的分配；汇聚节点为每个簇首节点预先分配η个信道，记录用于存 储汇聚节点为簇首节点和簇内节点预先分配的所有通信信道的数组中，其中一个信道作为 当前可用信道，其余信道作为备用信道；2)判断系统是否中止运行；如果系统没有中止运行，继续以下步骤；3)将簇首节点和簇内节点关于信道状况的统计值置0 ；4)簇首节点和其簇内节点通信时，双方记录利用当前可用信道传输数据失败的次 数；5)判断在当前可用信道上首次通信是否成功；如果成功，则簇首节点和簇内节点 同步彼此的信道传输失败次数，取两者的较小值；6)判断簇首节点和簇内节点任何一方统计的信道传输失败次数是否达到值“信道切换的阈值+2”；如果没有达到，则执行下一步骤；7)判断发送端发送信道传输失败次数是否达到信道切换的阈值，如果达到信道切 换的阈值，则发送端通过报文搭载发送信道切换通知，通知所在簇的接收端，并接续下一步 骤；8)判断信道切换通知是否发送成功；如果成功，则簇首节点和簇内节点从用于存 储汇聚节点为簇首节点和簇内节点预先分配的所有通信信道的数组中按顺序选择下一信 道，更换通信信道，且向信道切换通知的发起方返回确认信息；返回判断系统是否中止运行步骤；如果信道切换通知没有发送成功，则返回执行簇首节点和其簇内节点通信时，双 方记录利用当前可用信道传输数据失败的次数步骤；如果发送端发送信道传输失败次数没有达到信道切换的阈值，则返回执行簇首节 点和其簇内节点通信时，双方记录利用当前可用信道传输数据失败的次数步骤；如果簇首节点和簇内节点任何一方统计的信道传输失败次数达到值“信道切换的 阈值+2”，则执行簇首节点和簇内节点从用于存储汇聚节点为簇首节点和簇内节点预先分 配的所有通信信道的数组中按顺序选择下一信道进行通信步骤；如果在当前可用信道上首次通信不成功，则执行判断簇首节点和簇内节点任何一 方统计的信道传输失败次数是否达到值“信道切换的阈值+2”步骤；如果系统中止运行，则结束程序。本发明具有以下有益效果及优点1.本发明方法采用分簇无线传感器网络，一方面扩大了网络规模，另一方面，降低 了维护和管理的难度，提高了系统的灵活性。2.本发明方法设计了基于IEEE 802. 15. 4超帧结构，一方面充分利用了 IEEE 802. 15. 4的优势，提高了系统的兼容性，保护了已有投资，另一方面通过扩展超帧结构满足 了应用的要求。3.本发明方法设计了两级跳频方法，一方面保证了对IEEE 802. 15. 4的兼容性； 另一方面采用多种方法保证了系统的可靠性。4.本发明方法设计了自适应跳频方法，可以根据信道状态切换信道，避免了跳频 的盲目性。5.本发明方法设计了基于IEEE 802. 15. 4的信标帧载荷，用于预告通信信道，一 方面在信道切换过程中不需要设计专门的帧用于广播信道分配结果，简化了网络设计；另 一方面减少了用于控制的帧的数量，提高了网络吞吐量。
图1为一个典型的分簇无线传感器网络示意图；图2为基于IEEE 802. 15. 4的超帧扩展结构示意图；图3为分簇无线传感器网络阶段自适应跳频过程流程图；图4为基于IEEE 802. 15. 4的信标帧格式示意图；图5为基于IEEE 802. 15. 4的信标帧载荷示意图；图6为分簇无线传感器网络时隙自适应跳频过程流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步详细说明。本发明面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法包括以下步骤构建分簇无线传感器网络；基于上述分簇无线传感器网络的拓扑结构定义基于IEEE 802. 15. 4的超帧结构；基于原有IEEE 802. 15. 4的介质访问控制层信标帧格式，扩展信标帧载荷的内 容；基于上述超帧结构以及扩展后的IEEE 802. 15. 4的介质访问控制层的信标帧，实 现网络中节点的两级自适应跳频过程。如图1所示，本发明涉及的技术针对分簇无线传感器网络，其中包括以下3类节占.
^ \\\ ·1)汇聚节点汇聚节点是数据的汇聚中心，并为分簇无线传感器网络和其它无线传感器网络提 供接口。本发明中提到的“汇聚节点”是指网络中作为测量和控制清算中心的一个单独节 点。汇聚节点可以与以太网等有线网络连接。汇聚节点负责管理节点加入、形成网络和监 视整个网络性能等。2)簇首节点簇首节点用于复制和转发分簇无线传感器网络中的数据。簇首节点可以将数据发 送或转发给网络中的簇内节点、汇聚节点和其它簇首节点。簇首节点也可以支持各种类型 的传感器和执行器。3)簇内节点簇内节点安装在现场，与传感器和执行器相连接，用于传输测量和控制信息，从而 完成特定的应用。如图1所示的一个典型的分簇无线传感器网络中，簇首节点和簇内节点构成簇。 其中，簇内节点之间不直接通信，簇内节点只和一个簇首节点通信，簇首节点和汇聚节点以 及其它簇首节点通信。在目前的无线通信标准中，IEEE 802. 15. 4以其低功耗、低成本和简单灵活等特 点，最有希望地成为无线传感器网络底层通信协议的无线标准。为此，本发明采用基于 IEEE802. 15. 4标准的扩展超帧(Superframe)结构，如图2所示。1)信标帧阶段，用于时隙同步和超帧信息的发布；2)竞争访问阶段(Contention Access Period，CAP)，主要用于节点加入和簇 内管理，采用时隙的带冲突检测的载波多路访问(Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA)方法进行通信；3)非竞争访问阶段(Contention-Free Period, CFP)，用于紧急通信、移动的簇 内节点与簇首节点之间的通信，由簇首节点自主分配；非竞争访问阶段采用时分多路访问 (Time Division Multiple Access, TDMA)方法进行通信；4)非活动期，包括簇内通信阶段、簇间通信阶段和休眠阶段，分别用于簇内 (Intra-cluster)通信、簇间anter-cluster)通信以及休眠，由汇聚节点统一分配，其中簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展，用于簇内通信，簇间通信阶段用于簇间通信和管 理；簇内通信阶段和簇间通信阶段都采用TDMA方法进行通信。所述簇内通信是指簇首节点和簇内节点之间的通信；所述簇间通信是指簇首节点 之间以及簇首节点与汇聚节点之间的通信。本发明针对上述分簇无线传感器网络，定义了两级自适应跳频方法第一级为阶 段自适应跳频(Period Adaptive Frequency Hopping，PAFH)，第二级为时隙自适应跳频 (Timeslot Adaptive Frequency Hopping, TAFH)。1)阶段自适应跳频在分簇无线传感器网络的超帧中，信标帧阶段、CAP阶段和 CFP阶段在同一个超帧周期内使用相同的信道，在不同的超帧周期内根据信道状况切换信 道。信道状况差时，节点改变通信信道。信道状况通过所用信道上的丢包率和传输失败次 数进行评价。2)时隙自适应跳频在分簇无线传感器网络的超帧中，簇内通信阶段的每个时隙 根据信道状况更换通信信道。信道状况差时，节点改变通信信道。信道状况通过所用信道 上的丢包率和传输失败次数进行评价。对于PAFH和TAFH，需要对信道进行度量。信道度量用于向汇聚节点和簇首节点 提供信道的状况信息，帮助汇聚节点和簇首节点分配通信信道。一个簇内节点(或者簇首 节点)可以度量一个或多个信道状况，并且将统计信息汇报给簇首节点(或者汇聚节点)。 簇内节点将收集到的度量结果发送给簇首节点，簇首节点将自身收集到的信道状况和簇内 节点收集到的信道状况一起发送给汇聚节点。在信道度量的过程中，每个节点记录度量周期内与之通信的所有节点的信道状 况，具体包括每条信道上的丢包率和传输失败次数。其中，丢包率由确认帧(Acknowledge， ACK)的数量和传输的报文数量决定。下面具体阐述PAra和TAra的实现方法。如图3所示，PAFH的具体实现过程如下(1)汇聚节点首先为每个簇的信标帧阶段、CAP阶段和CFP阶段分配信道；如果一 个簇有多个信道可用，则选择一个为当前所用信道，其余为备用信道；(2)判断系统是否中止运行；如果中止，则结束程序；否则，继续以下步骤；(3)簇首节点周期性初始化信道状况的统计值；(4)簇首节点统计自身以及簇内节点所度量的本簇信道状况；(5)判断是否在PAHF信道度量周期内；如果在信道度量周期内，则返回步骤； 否则，继续以下步骤；(6)判断当前所用信道的丢包率是否大于等于预先规定好的阈值；如果当前所用 信道的丢包率小于预先规定好的阈值，返回步骤O)；如果当前所用信道的丢包率大于等于预先规定好的阈值，则把原来所用信道的状 态汇报给汇聚节点；(7)判断是否有备用信道；如果有，簇首节点则切换到备用信道；如果经过度量， 一个簇内所有信道的质量均低于阈值，不存在备用信道，则汇聚节点为该簇的簇首节点重 新分配信道；(8)簇首节点利用信标帧通知其簇内节点在下一个超帧周期的信标帧阶段、CAP阶段和CFP阶段使用的信道；(9)簇首节点和簇内节点利用更换后的信道进行通信。对于PAFH，利用前一个超帧周期的信标帧预告后一个超帧周期所采用的信道。信 标帧格式如图4所示，本实施例中信标帧采用IEEE 802. 15. 4MAC层的信标帧格式，其中具 体参数的含义参见IEEE 802. 15. 4-2006标准。本发明利用IEEE 802. 15. 4 介质访问控制层(Medium Access Control layer, MAC) 的信标帧载荷预告后一个超帧周期所采用的信道，信标帧载荷如图5所示，具体包括以下 内容簇标识符、绝对时隙号和下一个超帧周期中信标帧阶段和活动期使用的信道。对于TAFH，需要定义如表1所示的参数。表ITAra的参数定义
参数名称缺省值参数含义ChannelThreshold1自适应跳频中信道切换的阈值， 表示为信道度量周期内在所用 信道上数据传输失败的次数。IntraChannelNum1可用于簇内通信的信道的数目。IntraChanel[]0用于存储汇聚节点为簇首节点 和簇内节点预先分配的所有通 信信道的数组。数组的大小为 “ IntraChannelNum，，。如图6所示，TAFH的具体实现过程如下(1)初始化信道的分配；汇聚节点为每个簇首节点预先分配η个信道，记录在 “IntraChanel □”中，其中一个信道作为当前可用信道，其余信道作为备用信道。(2)判断系统是否中止运行；如果中止，则结束程序；如果系统没有中止运行，继 续以下步骤；(3)将簇首节点和簇内节点关于信道状况的统计值置0 ；(4)簇首节点和其簇内节点通信时，双方记录利用当前可用信道传输数据失败的 次数；(5)判断在当前可用信道上首次通信是否成功；如果成功，则簇首节点和簇内节 点同步彼此的信道传输失败次数，取两者的较小值，接续步骤(6)；如果不成功，直接执行 步骤(6)；(6)判断簇首节点和簇内节点任何一方统计的信道传输失败次数是否达 到值“CharmelThreshold+2” ；如果没有达到，则执行步骤(7)；否则如果达到值 “CharmelThreshold+2”，簇首节点和簇内节点从“IntraChanel □”中按顺序选择下一信道 进行通信；
(7)判断是否达到 “Channel Threshold”；如果达到 “Channel Threshold”，发送
端通过报文搭载发送信道切换通知，通知所在簇的接收端，接续步骤(8)；否则，返回步骤 ⑷；(8)判断信道切换通知是否发送成功；如果成功，则从“IntraChanel□”中按顺序 选择下一信道，更换通信信道，且向信道切换通知的发起方返回确认信息；如果信道切换通 知没有发送成功，即接收端没有接收到信道切换通知，或者发送端没有收到确认信息ACK， 则返回步骤(4)。
权利要求
1.一种面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于包括以下步骤 构建分簇无线传感器网络；基于上述分簇无线传感器网络的拓扑结构定义基于IEEE 802. 15. 4的超帧结构； 基于原有IEEE 802. 15. 4的介质访问控制层信标帧格式，扩展信标帧载荷的内容； 基于上述超帧结构以及扩展后的IEEE 802. 15. 4的介质访问控制层的信标帧，实现网 络中节点的两级自适应跳频过程。
2.按权利要求1所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 所述分簇无线传感器网络包括3类节点汇聚节点、簇首节点和簇内节点；其中汇聚节点是 数据的汇聚中心，为分簇无线传感器网络和其它无线传感器网络提供接口，负责管理节点 加入、形成网络和监视整个网络性能；簇首节点用于复制和转发分簇无线传感器网络中的 数据，将数据发送或转发给网络中的簇内节点、汇聚节点和其它簇首节点，支持各种类型的 传感器和执行器；簇内节点安装在现场，与传感器和执行器相连接，用于传输测量和控制信 息，簇首节点和簇内节点构成簇，簇内节点之间不直接通信，簇内节点只和一个簇首节点通 信，簇首节点和汇聚节点以及其它簇首节点通信。
3.按权利要求1所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 所述基于IEEE 802. 15. 4标准的超帧结构包括信标帧阶段、竞争访问阶段、非竞争访问阶 段、簇内通信阶段、簇间通信阶段以及休眠阶段，其中信标帧阶段用于时隙同步和超帧信息的发布；竞争访问阶段用于节点加入和簇内管理，采用时隙的带冲突检测的载波多路访问方法 进行通信；非竞争访问阶段用于紧急通信、移动的簇内节点与簇首节点之间的通信，由簇首节点 自主分配；非竞争访问阶段采用时分多路访问方法进行通信； 簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展，用于簇内通信； 簇间通信阶段用于簇间通信和管理；簇内通信阶段和簇间通信阶段都采用时分多路访问方法进行通信。
4.按权利要求3所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 所述簇内通信是指簇首节点和簇内节点之间的通信；簇间通信是指簇首节点之间以及簇首节点与汇聚节点之间的通信。
5.按权利要求1所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 所述两级自适应跳频包括阶段自适应跳频和时隙自适应跳频，其中阶段自适应跳频在分簇无线传感器网络的超帧中，信标帧阶段、竞争访问阶段和非竞 争访问阶段在同一个超帧周期内使用相同的信道，在不同的超帧周期内根据信道状况切换 信道；信道状况差时，节点改变通信信道；信道状况通过所用信道上的丢包率和传输失败 次数进行评价；时隙自适应跳频在分簇无线传感器网络的超帧中，簇内通信阶段的每个时隙根据信 道状况更换通信信道；信道状况差时，节点改变通信信道；信道状况通过所用信道上的丢 包率和传输失败次数进行评价。
6.按权利要求5所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 在进行两级自适应跳频之前，对信道状况进行度量；信道度量向汇聚节点和簇首节点提供信道的状况信息，帮助汇聚节点和簇首节点分配通信信道；一个簇内节点或者簇首节 点度量一个或多个信道状况，并将统计信息汇报给簇首节点或者汇聚节点；簇内节点将收 集到的度量结果发送给簇首节点，簇首节点将自身收集到的信道状况和簇内节点收集到的 信道状况一起发送给汇聚节点。
7.按权利要求6所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 在对信道状况进行度量的过程中，每个节点记录度量周期内与之通信的所有节点的信道状 况，具体包括每条信道上的丢包率和传输失败次数；其中丢包率由确认帧的数量和传输的 报文数量决定。
8.按权利要求5所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 所述阶段自适应跳频的具体实现过程如下1)汇聚节点首先为每个簇的信标帧阶段、竞争访问阶段和非竞争访问阶段分配信道； 如果一个簇有多个信道可用，则选择一个为当前所用信道，其余为备用信道；2)判断系统是否中止运行；如果系统没有中止运行，继续以下步骤；3)簇首节点周期性初始化信道状况的统计值；4)簇首节点统计自身以及簇内节点所度量的本簇信道状况；5)判断当前时间是否在阶段自适应跳频的信道度量周期内；如果不在信道度量周期 内，则继续以下步骤；6)判断当前所用信道的丢包率是否大于等于预先规定好的阈值；如果当前所用信道 的丢包率大于等于预先规定好的阈值，则把原来所用信道的状态汇报给汇聚节点；7)判断是否有备用信道；如果有，则簇首节点切换到备用信道；8)簇首节点利用信标帧通知其簇内节点在下一个超帧周期的信标帧阶段、竞争访问阶 段和非竞争访问阶段使用的信道；9)簇首节点和簇内节点利用更换后的信道进行通信； 返回判断系统是否中止运行步骤。
9.按权利要求8所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 如果没有备用信道，则汇聚节点为簇首节点重新分配信道，接续簇首节点利用信标帧通知其簇内节点在下一个超帧周期的信标帧阶段、竞争访问阶段和非竞争访问阶段使用的 信道步骤。
10.按权利要求8所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 当前所用信道的丢包率小于预先规定好的阈值时，返回判断系统是否中止运行步骤。
11.按权利要求8所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 如果当前时间在阶段自适应跳频的信道度量周期内，则转至簇首节点统计自身以及簇内节点所度量的本簇信道状况步骤。
12.按权利要求8所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 如果系统中止运行，则结束程序。
13.按权利要求8所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 所述簇首节点利用信标帧通知其簇内节点在下一个超帧周期的信标帧阶段、竞争访问阶段和非竞争访问阶段使用的信道为利用IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的前一个超帧 周期的信标帧载荷预告后一个超帧周期所采用的信道，其中，信标帧采用IEEE 802. 15.4介质访问控制层的信标帧格式，并对其载荷进行扩展，扩展的信标帧载荷的内容包括簇标 识符、绝对时隙号和下一个超帧周期中信标帧阶段和活动期使用的信道。
14.按权利要求5所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 所述时隙自适应跳频中定义如下参数信道切换的阈值、可用于簇内通信的信道的数目以及用于存储汇聚节点为簇首节点和簇内节点预先分配的所有通信信道的数组。
15.按权利要求5所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于 所述时隙自适应跳频的具体实现过程如下1)初始化信道的分配；汇聚节点为每个簇首节点预先分配η个信道，记录用于存储汇 聚节点为簇首节点和簇内节点预先分配的所有通信信道的数组中，其中一个信道作为当前 可用信道，其余信道作为备用信道；2)判断系统是否中止运行；如果系统没有中止运行，继续以下步骤；3)将簇首节点和簇内节点关于信道状况的统计值置0；4)簇首节点和其簇内节点通信时，双方记录利用当前可用信道传输数据失败的次数；5)判断在当前可用信道上首次通信是否成功；如果成功，则簇首节点和簇内节点同步 彼此的信道传输失败次数，取两者的较小值；6)判断簇首节点和簇内节点任何一方统计的信道传输失败次数是否达到值“信道切换 的阈值+2” ；如果没有达到，则执行下一步骤；7)判断发送端发送信道传输失败次数是否达到信道切换的阈值，如果达到信道切换的 阈值，则发送端通过报文搭载发送信道切换通知，通知所在簇的接收端，并接续下一步骤；8)判断信道切换通知是否发送成功；如果成功，则簇首节点和簇内节点从用于存储汇 聚节点为簇首节点和簇内节点预先分配的所有通信信道的数组中按顺序选择下一信道，更 换通信信道，且向信道切换通知的发起方返回确认信息；返回判断系统是否中止运行步骤。
16.按权利要求15所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于如果信道切换通知没有发送成功，则返回执行簇首节点和其簇内节点通信时，双方记 录利用当前可用信道传输数据失败的次数步骤。
17.按权利要求15所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于如果发送端发送信道传输失败次数没有达到信道切换的阈值，则返回执行簇首节点和 其簇内节点通信时，双方记录利用当前可用信道传输数据失败的次数步骤。
18.按权利要求15所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在 于如果簇首节点和簇内节点任何一方统计的信道传输失败次数达到值“信道切换的阈值 +2”，则执行簇首节点和簇内节点从用于存储汇聚节点为簇首节点和簇内节点预先分配的 所有通信信道的数组中按顺序选择下一信道进行通信步骤。
19.按权利要求15所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在 于如果在当前可用信道上首次通信不成功，则执行判断簇首节点和簇内节点任何一方统 计的信道传输失败次数是否达到值“信道切换的阈值+2”步骤。
20.按权利要求15所述面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，其特征在于如果系统中止运行，则结束程序。
全文摘要
本发明涉及一种面向分簇无线传感器网络的两级自适应跳频方法，包括以下步骤构建分簇无线传感器网络；基于上述分簇无线传感器网络的拓扑结构定义基于IEEE 802.15.4的超帧结构；基于原有IEEE 802.15.4的介质访问控制层信标帧格式，扩展信标帧载荷的内容；基于上述超帧结构以及扩展后的IEEE 802.15.4的介质访问控制层的信标帧，实现网络中节点的两级自适应跳频过程。本发明方法采用分簇无线传感器网络，扩大了网络规模，降低了维护和管理的难度，提高了系统的灵活性；设计了两级跳频方法，保证了对IEEE 802.15.4的兼容性和系统的可靠性；基于IEEE 802.15.4的信标帧载荷，在信道切换过程中不需要设计专门的帧用于广播信道分配结果，简化了网络设计，减少了用于控制的帧的数量，提高了网络吞吐量。
文档编号H04W84/18GK102122973SQ20101001006
公开日2011年7月13日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者于海斌, 张晓玲, 徐伟杰, 曾鹏, 杨淼, 梁炜, 王军 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所