无线传感网络拓扑改进方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种改进的无线传感网络拓扑改进方法。

背景技术：

无线传感网络是集合数据采集、数据传输、数据处理于一体的综合系统，一般具有大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常发生变化的特点。无线传感网络比无线通讯网络节点数量更多，分布更广，网络的自适应性被要求得更苛刻，并且在整个无线网络的通信可靠性方面提出更高的要求，保证无线传感网络连通性、可靠性。无线传感网络中的拓扑结构对于提高网络生存周期、降低通信干扰、保证网络的连通性和可靠性等具有重要意义。

由于无线网络具有自组织网络特性，也即，无线传感网络中需要获取终端的信息，即需要汇聚节点，起到协调点的作用。在无线传感网络中以协调点为中心建立最简单和直接的拓扑结构时星型拓扑，终端节点和协调点为中心建立最简单和最直接的拓扑结构即是星型拓扑。另外，在通信半径的约束条件下，与协调点距离较远的节点需要中继点以多跳的形式实现，则此时星型拓扑即会拓展成为树型拓扑的网络通信结构。

但是，由于终端节点到协调点的路径都是唯一的，则当某一层的一个节点失效时，以此为中继的节点都会失效，从而造成网络通信断开，发生异常，信息数据丢失。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺点和不足，提供一种无线传感网络拓扑改进方法，通过为网络拓扑结构中的每一层级备份一至少备用节点，实现当某一节点失效时，其备用节点能够取代该失效节点而实现网络的重连和修复，以此保证网络拓扑的连通性，并提高网络拓扑的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种无线传感网络拓扑改进方法，包括以下步骤：

S1：无源无线节点学习自身控制有源无线节点的地址码；

S2：无源无线节点在公共工作信道发送广播组网信息帧，并发起组建网络的路由请求；

S3：有源无线节点接收广播组网信息帧后，查看接收到的广播组网信息帧的信号强度值，并根据信号强度值判断自身是否入网及其在网络中的深度；

S4：如果当前深度中有有源无线节点入网，则有源无线节点接收到广播组网信息帧后，进行主从角色的转变，继续下发自身的广播组网信息帧，转到步骤S3；

及，如果当前深度中没有有源无线节点入网，则转到步骤S5；

S5：有源无线节点在无线网络中逐级进行组网，进行路由更新，直到下一深度级别中无子节点进行回应，生成树型网络拓扑结构；

S6：为生成树型网络拓扑结构中的每一层级提供至少一备用节点，并建立每一备用节点与其上一层级及下一层级的节点之间的网络隐形链路；

S7：判断当前树型网络拓扑结构中是否存在失效节点，如果存在，则激活该失效节点所在的层级中的备用节点，并激活备用节点与其上一层级及下一层级之间的网络隐形链路，形成实际通路，完成网络修复。

优选地，所述步骤S2中，所述广播组网信息帧包括网络建立帧的帧长度信息、帧控制信息、组网所需深度、控制节点的网络地址信息、及控制节点的发射功率；其中，组网所需深度和控制节点的网络地址信息为主要信息。

优选地，所述步骤S3中，所述根据信号强度值判断自身是否入网及其在网络中的深度，包括以下判断步骤：

S31：获取有效信号的阈值，并比较所述信号强度值于有效信号阈值的大小；

S32：如果信号强度值小于有效信号的阈值，则丢弃接收到的广播组网信息帧；

如果信号强度值大于有效信号的阈值，则判断自身是否入网；如果有源无线节点没有组网，则根据接收到的广播组网信息帧标志自身的深度为当前收到的节点深度；如果有源无线节点已经组网，则查看广播组网信息帧所标记的深度，如果深度比自身深度级别高，则忽略组建网络的路由请求，如果深度并自身深度级别低，则查阅自身是否为父节点；如果自身不是父节点，则忽略组建网络的路由请求，如果自身是父节点，则跳转到步骤S4；

S34：判断当前有源无线节点的节点深度，如果节点深度不等于0，则当前有源无线节点根据冲突避免机制回复父节点一入网请求即入网帧，并跳转至所述步骤S4；

如果当前有源无线节点的节点深度为0，则不对无源无线节点回复入网帧，并直接跳转至所述步骤S4。

优选地，所述入网帧主要包含帧长度信息、帧控制信息、节点自身的网络深度信息、当前有源无线节点的地址码。

优选地，所述步骤S6中，每一备用节点为相对于父节点链路质量最好的节点。

优选地，所述步骤S6中，每一备用节点上保存有其父节点所持有的路由信息。

优选地，所述步骤S7中，是通过每一备用节点每间隔一段时间向父节点发送问询消息，并根据由其父节点回复其问询消息而向其发送的固定周期心跳帧的状态实现对失效节点的判断的，如果备用节点在预设的时间阈值中还未接收到所述固定周期心跳帧，则确定备用节点与其父节点之间的网络隐形链路已断开，并认定父节点故障，则备用节点自身取代父节点，激活与其上一层级及下一层级之间的网络隐形链路，形成实际通路，实现网络修复及连通。

优选地，所述时间阈值为备用节点向父节点发送问询消息的时间间隔，若在备用节点发送下一次问询消息之前还未收到父节点回复的固定周期心跳帧，则认为超过所述时间阈值，并认定父节点故障。

优选地，所述步骤S7中，备用节点激活网络隐形链路的过程包括：备用节点代替其父节点实行工作并删除其父节点；备用节点删除其父节点后，更新路由，并通知原父节点的其它子节点，将其它子节点释放并要求子节点重新发出入网请求，同时备用节点退出备份状态并进入网上工作状态，从而激活网络隐形链路，完成网络修复。

由此，通过上述技术方案，相比于现有技术，本发明具有以下技术效果：

1)通过为网络拓扑结构中的每一层级备份一至少备用节点，实现当某一节点失效时，其备用节点能够取代该失效节点而实现网络的重连和修复，以此保证网络拓扑的连通性，并提高网络拓扑的稳定性。

2)通过在无线传感网络中组网，建立采用最优的传输路由和最小通信消耗的互联网络，保障了网络的稳定性和均匀性，使无线网络在在双向通信功能上达到了低功耗高质量无线通信的效果。并且针对树型拓扑中失效节点导致网络瘫痪的不足，本发明提出次优子节点的双层加强链接策略，该策略能够对网络加持局部自愈能力，保证树型拓扑网络的强健性和鲁棒性。

附图说明

图1是本发明无线传感网络拓扑改进方法的方法步骤流程图；

图2是本发明无线传感网络拓扑改进方法的备用节点的拓扑结构图；

图3是本发明无线传感网络拓扑改进方法中某一节点失效后，其备用节点激活网络隐形链路，拓扑自愈的过程示意图。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详尽描述，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明也可以通过其它不同的具体实例加以施行并灵活应用，应当理解本发明的附图及实施方式仅用于示例性作用，本说明书的各项细节亦可基于不同的观点和应用，在不违背本发明的精神下进行进一步的优化。

首先为了保证数据传输的可靠性，在下述的广播组网信息帧中含有地址码，配对码，以及CRC(Cyclic Redundancy Check)校验码，并且采用了ACK(Acknowledgement)回应机制。配对码可以使发送端和接收端配对，只有配对码相同时候才可以通信。地址码是在多对一的情况下，如果配对码相同，那么通过地址码区别不同的发送端。除此之外，在信息帧中包含有CRC循环冗余码校验，在地址码和配对码相同时，只有CRC校验也正确，才恢复ACK信息帧，发送端接收到正确的ACK才算完成了一次通信。

协议实现的步骤：构建后台管理中心、若干有源无线节点以及若干采用微小能量采集并转换成电能无源无线节点并组成无线网络。其中，后台管理中心对数据进行处理或者存储；无源无线节点对有源无线节点进行控制；而协议主要部分是无线网络中有源无线节点建立树形拓扑过程和备用节点的策略。协议数据帧包括网络建立帧，分配节点深度，命令帧以及数据帧等。

请参阅图1，本发明无线传感网络拓扑改进方法，包括以下步骤：

S1：无源无线节点学习自身控制有源无线节点的地址码；

S2：无源无线节点在公共工作信道发送广播组网信息帧，并发起组建网络的路由请求；

S3：有源无线节点接收广播组网信息帧后，查看接收到的广播组网信息帧的信号强度值，并根据信号强度值判断自身是否入网及其在网络中的深度；

S4：如果当前深度中有有源无线节点入网，则有源无线节点接收到广播组网信息帧中的深度组网命令后，进行主从角色的转变，继续下发自身的广播组网信息帧，转到步骤S3；

以及，如果当前深度中没有有源无线节点入网，则转到步骤S5；

S5：有源无线节点在无线网络中逐级进行组网，进行路由更新，直到下一深度级别中无子节点进行回应，生成树型网络拓扑结构；

S6：为生成树型网络拓扑结构中的每一层级提供至少一备用节点，并建立每一备用节点与其上一层级及下一层级的节点之间的网络隐形链路；

S7：判断当前树型网络拓扑结构中是否存在失效节点，如果存在，则激活该失效节点所在的层级中的备用节点，并激活备用节点与其上一层级及下一层级之间的网络隐形链路，形成实际通路，完成网络修复。

具体地，所述步骤S2中，所述广播组网信息帧包括网络建立帧的帧长度信息、帧控制信息、组网所需深度、控制节点的网络地址信息、及控制节点的发射功率；其中，组网所需深度和控制节点的网络地址信息为主要信息。其中，所述控制节点是发送广播组网信息帧的节点，既可以是无源无线节点，也可以是有源无线节点。例如在步骤S2中是无源无线节点，在步骤S4中是有源无线节点。

具体地，所述步骤S3中，所述根据信号强度值判断自身是否入网及其在网络中的深度，包括以下判断步骤：

S31：获取有效信号的阈值，并比较所述信号强度值于有效信号阈值的大小；在本实施例中，所述有效信号指的是无线节点中的发射功率和接收功率，并且，能接收到的最弱的信号就是有效信号的阈值，不同节点的有效信号阈值可能不同。

S32：如果信号强度值小于有效信号的阈值，则丢弃接收到的广播组网信息帧；

如果信号强度值大于有效信号的阈值，则判断自身是否入网；如果有源无线节点没有组网，则根据接收到的广播组网信息帧标志自身的深度为当前收到的节点深度；如果有源无线节点已经组网，则查看广播组网信息帧所标记的深度，如果深度比自身深度级别高，则忽略组建网络的路由请求，如果深度并自身深度级别低，则查阅自身是否为父节点；如果自身不是父节点，则忽略组建网络的路由请求，如果自身是父节点，则跳转到步骤S4；

S34：判断当前有源无线节点的节点深度，如果节点深度不等于0，则当前有源无线节点根据冲突避免机制回复父节点一入网请求即入网帧，并跳转至所述步骤S4；在本实施例中，此处的父节点即发送广播组网信息帧的无线节点，既可以是无源无线节点，也可以是有源无线节点；

如果当前有源无线节点的节点深度为0，则不对无源无线节点回复入网帧，并直接跳转至所述步骤S4。

在本实施例中，所述入网帧主要包含帧长度信息、帧控制信息、节点自身的网络深度信息、当前有源无线节点的地址码。

优选地，所述步骤S6中，每一备用节点为相对于父节点链路质量最好的节点，也即每一备用节点为一次优节点。该质量最好的节点就是和父节点子间信号强度最大的孩子节点。

优选地，所述步骤S6中，每一备用节点上保存有其父节点所持有的路由信息。

具体地，所述步骤S7中，是通过每一备用节点每间隔一段时间向父节点发送问询消息，并根据由其父节点回复其问询消息而向其发送的固定周期心跳帧的状态实现对失效节点的判断的，如果备用节点在预设的时间阈值中还未接收到所述固定周期心跳帧，则确定备用节点与其父节点之间的网络隐形链路已断开，并认定父节点故障，则备用节点自身取代父节点，激活与其上一层级及下一层级之间的网络隐形链路，形成实际通路，实现网络修复及连通。

其中，所述步骤S7中，备用节点激活网络隐形链路的过程包括：备用节点代替其父节点实行工作并删除其父节点；备用节点删除其父节点后，更新路由，并通知原父节点的其它子节点，将其它子节点释放并要求子节点重新发出入网请求，同时备用节点退出备份状态并进入网上工作状态，其它子节点的网络深度也重新更改，并更新路由，从而激活网络隐形链路，完成网络修复。

在本实施例中，所述时间阈值为备用节点向父节点发送问询消息的时间间隔，若在备用节点发送下一次问询消息之前还未收到父节点回复的固定周期心跳帧，则认为超过所述时间阈值，并认定父节点故障。

以下，为更清楚地理解本发明的技术方案，以下举一例子说明：

首先，需要说明的是，在本实施例中，选取备用节点的原则是每一层深度上选取当前相对于父节点链路质量最好的节点，此时备用节点享有其父节点所持有的路由信息。父节点向备用节点发送固定周期心跳帧，如果链路中断超过阈值，认定父节点故障，取代父节点，保证网络连通。

请参阅图2和图3，最优路径树备份策略设计具体过程如图2所示，假设图中的节点为无线网络中的一部分，且节点A已经有备用节点(图中具有阴影部分的节点)，节点B为节点A的普通子节点。节点B有E、C、D、F三个子节点，在其中选择C作为自己的备用节点，图中节点备份的网络隐形链路用虚线表示。其中节点F有G、H两个子节点，节点D有I一个子节点，其中G为F的备用节点，I为D的备用节点。

由图2可得到已激活与含有隐形链接的树型结构，图中直线是激活的路径，弧线(也即图中的虚线)是隐形的链接。在图2中可知该备用节点的策略可以保证每一个节点都具有备份的路径，完成拓扑中某一个节点失效是的自愈。

备用节点的自愈过程由图3所示，假设节点B的超过时间阈值未发送固定周期心跳帧，那么备用节点C开始取代B进行网络修复，以保证网络拓扑连通性，在图中表示网络隐形链路的虚线逐步激活而最终变成实线。首先，节点B失效时，其子节点完全失去和高层节点的联系，图中使用短虚线(如图3中初始图中的A和B之间的连线)表示。网络自愈的步骤是节点C与A交互，之后C变更自身网络深度。然后单播至节点E、F、D，选取备用节点，同时激活隐形路由，并修改节点E、F、D网络深度。完成对B节点失效(图中黑色节点)之后网络的自愈。

由图3的自愈过程分析可知，该过程选取的备用节点是当前最好的链路，保证了通信的可靠性。在自愈的过程中，只对失效节点有直接关系的节点进行了修复，并没有影响其他子节点的路径连接，有效的抑制了冗余通信。并且该自愈的过程中选取了新的备用节点，保证新形成的网络中具有新的自愈能力。

当然，选取备用节点策略并不是万无一失的，其中对于隐形链路通信距离需要有设定，也就是备用节点不能够超过父节点有直接通信关系的节点的通信距离。但是鉴于无线网络中节点的分布数量和应用场景，本发明采用备用节点的策略是可以保证网络的强健性和鲁棒性。

相对于现有技术，本发明无线传感网络拓扑改进方法通过为网络拓扑结构中的每一层级备份一至少备用节点，实现当某一节点失效时，其备用节点能够取代该失效节点而实现网络的重连和修复，以此保证网络拓扑的连通性，并提高网络拓扑的稳定性。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。