一种分簇链式无线传感网数据传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种分簇链式无线传感网数据传输方法，属于无线传感器网络技术领 域。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（WSN，wirelesssensornetworks)是由大量的微型传感器节点 通过自组织方式构成的网络。这些传感器节点成本低、功耗小、并且具备一定的感知能力、 计算能力和无线通信能力。无线传感器网络在环境检测、国防反恐、抗震救灾、医疗护理、智 能家居和太空探测等诸多领域都有广阔的应用前景，是目前学术界研究的热点之一。无线 传感器网络中链式的拓扑结构在实际应用中具有广泛应用，如矿井、道路、铁轨以及大型农 场的数据监测。
[0003] 基于链式的无线传感器网络的一个特点就是，离汇聚节点远的节点的数据传输需 要经过很大的跳数，网络的传输时延较大。另外，链式无线传感器网络的负载不均衡，离汇 聚节点近的节点需要中继更多的数据，消耗更多的能量，将缩短链式无线传感器网络的整 体寿命。如何有效降低时延，均衡负载，减少数据传输的次数，最大化网络的生命周期成为 链式无线传感器网络的重要挑战。
[0004] 文献[1]提出了一种链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法，该方法 利用分簇的思想，在路由建立的过程将链路分簇，在数据上报的过程中，分簇上传数据到汇 聚节点，降低了链路节点转发数据包的数目，有效的节省了节点的能量和数据传输的延时。
[0005] 文献链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法：中 国，101801114A[P]. 2010-08-11，张雪凡周伟。公开了一种能够有效的降低链式无线传感器 网络的传输时延，利用分簇的方法，有效的降低了链路上节点转发数据包的数目。在无线传 感器网络中，相较于节点的数据处理过程，数据的传送才是能耗的关键。该方案在建立路由 的过程中，节点在给临近节点发送建立路由的命令时，只要收到命令的节点都会响应，根据 节点收到的应答帧的场强来确定下一个节点的序号，增加了节点的能耗。但是在实际工程 应用中由于链式无线传感器网络的节点位置一般固定不变，所以可在部署的时候将节点的 物理位置确定，数据传输按节点的物理地址过滤，只有物理地址与数据传输命令中物理地 址相等的节点才会响应。减少数据收发的次数，节省能耗。
【发明内容】
[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种分簇链式无线传感 网数据传输方法，该方法能够有效的降低了数据传输的时延，同时降低了能耗，延长了网络 寿命，最大可能的减少节点间数据收发。
[0007] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种分簇链式无线传感 网数据传输方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1，根据链式无线传感器网络的特性，每个节点在部署的时候都有一个确定的 物理地址，物理地址包括链路号和节点序号，表示为n^，i表示节点链路号，j表示节点序 号，所有链路共用一个汇聚节点，汇聚节点表示为
[0009] 步骤2,以第i条链路为例，该链路总节点个数为N，汇聚节点na。下发路由建立命 令，链路建立过程中，节点riu:发送链路建立命令给节点IU，节点nu收到命令后，直接发 送链路建立命令给节点nli]+1，其他收到该命令的节点不作响应。由于节点nii]可以收到节 点nu i发送的命令，所以节点nu发送给节点ntw的链路建立命令节点nu i也可以收到； 节点nui收到节点n。发送给节点n。+1的命令后，确定节点n。正常，不用重发命令；该 链路最后一个节点niiN收到节点niiNi发送的链路建立命令，节点niiN确定本节点是链路的 最后一个节点，则需回复节点:响应信息，并且不再继续传递命令，链路建立结束；
[0010] 步骤3,链路在传递路由建立命令的同时，也同时开始分簇，路由建立命令中设定 本次数据采集每个簇的大小k和簇头节点序号t，节点nii]收到链路建立命令后，比较本节 点序号j和命令中簇头节点序号t，如果j等于t，那么设定该节点为簇头节点，并将链路建 立命令中簇头地址更新为t=j+k，然后发送链路建立命令给下一节点\j+1，如果j不等于 t，则直接发送命令给下一节点。链路建立过程中，如果出现节点损失的情况。例如，节 点叫,j发送命令给节点nj+1时，节点nj+1连续三次都没有响应，节点nj+1在此次通信过 程被越过，节点\ ,将直接发送链路建立命令给节点n^ ]+2，此时需要将命令中簇头的地址加 1，即t=t+1，以保证正确分簇。簇中最后一个节点，传递完命令后，并接收到下一个节点的 响应后，等待一定时间后开始簇内数据的融合；簇头完成本簇内的数据融合后立即上传数 据，上传数据时数据包的长度不再改变。
[0011] 优选的：所述步骤3中，等待的一定时间为两个时隙。
[0012] 优选的：根据步骤2的链路节点总个数、每个节点发送链路建立命令所消耗的时 间、到达最后一个节点的时间、数据包的控制信息的长度、每个节点的数据信息的长度以及 步骤3的分簇情况以及簇的长度、非整数分簇剩余节点个数，建立数据传输过程中的传输 时延模型：
[0013]
[0014] 其中，T为数据传输的时延，N为链路节点总个数，trouta为每个节点发送链路建立 命令所消耗的时间，Ntrauta为到达最后一个节点的时间，k为簇的长度，Prantral为数据包的控 制信息的长度，Pdata为每个节点的数据信息的长度，v为节点发送数据的速率，nrast为非整 数分簇剩余节点个数，N%k=nrast。
[0015] T 3= (N-nrest)troute+(2kPcontrol+(k2-k)Pdata)/2v+(N-k-nrest+l) (kPdata+P_rol) /V为非整数分簇情况下倒数第二个簇的数据到达汇聚节点的时间，
为非整数分 簇情况下最后一个簇的数据到达汇聚节点的时间大于倒数第二个簇到达汇聚节点的数据 传输时延。
[0016] 优选的：根据步骤2中的链路节点总个数、每个节点数据信息数目、每个节点控制 信息数目以及步骤3中得到的链路分簇后簇的个数、节点收发lbit数据所消耗的能量，建 立数据传输过程中的传输能耗模型：
[0017]
[0018]其中，N为链路节点总个数，k为簇的长度，c_=N/k(例如N= 15,k= 4,那么 cnum=N/k= 3,所以链路分簇后簇的个数c=cnum+l)，Prantrol为数据包的控制信息的长度 (数目），PdaJ%每个节点的数据信息的长度（数目），eA为节点收发lbit数据所消耗的能 量。
[0019] 数据传输过程中的能耗最优的链式无线传感器网络的分簇方法：当簇的长度满足
比时能耗最小，其中，k为簇的长度（大小），N为链路长度，c为簇的个数，「1表 示向上取整。
[0020] 有益效果：本发明提供的一种分簇链式无线传感网数据传输方法，相比现有技术， 具有以下有益效果：
[0021] 利用本发明的分簇链式无线传感网数据传输方法可以有效的降低链路上节点数 据传输的时间，离汇聚节点近的节点的需要中继的数据更少，中继的次数也更少。有效的降 低了数据传输的时延，延长了网络寿命。节点在部署时确定在网络中的物理地址，而且每一 次数据传输，可根据实际情况设定簇的大小和采集数据的节点的总个数，最大可能的减少 节点间数据收发。本发明还为该数据传输方法的传输能耗和传输延时建立了数学模型，为 实际工程应用提供理论依据。
[0022] 综上所述：与现有的链式无线传感器网络相比，本方案能有效降低数据传输的时 延，同时降低了能耗，延长了网络的生命周期，并为传输时延和能耗建立数学模型，为实际 工程应用提供了理论基础。
【附图说明】
[0023] 图1链式无线传感器网络的拓扑图
[0024] 图2路由建立流程图
[0025] 图3数据融合
[0026] 图4节点分簇图
[0027] 图5非整数分簇数据上传示意图
[0028] 图6链路节点总个数为15, 100, 250情况下簇的长度对传输能耗和时延的影响，其 中，
[0029]图6a为链路节点总个数为15情况下簇的长度对传输能耗和时延的影响，图6b为 链路节点总个数为100情况下簇的长度对传输能耗和时延的影响，图6c为链路节点总个数 为250情况下簇的长度对传输能耗和时延的影响.
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0031] -种分簇链式无线传感网数据传输方法，解决了链式无线传感器网络中采集链路 上数据的时延大的问题，特别是离汇聚节点远的节点的时延大的问题，导致整个链路的