一种无线传感器网络中基于退避机制的大规模自组网方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线传感器网络技术应用领域。具体为一种适用于无线传感器网络大规模组网方法。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络因其广阔的应用前景而越来越受到人们的关注，但是由于其受限的资源、无安全保障的工作环境和低成本要求等原因一直是学术界研究的热点。在无线传感器网络中，传感器节点一般部署在没有网络基础设施架构的环境中，比如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或者随意放置到人不可达到或危险的区域。在这样的情况下，就要求传感器节点具有自组织能力，并且能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动转发检测数据的多跳无线网络系统。
[0003]对于无线的自组织传感器网络而言，网络的大规模组网具有特别重要的意义。结合网络的拓扑控制，自动生成良好的网络拓扑，能够提高路由协议和MAC协议的效率，还能够组建成大规模的节点系统，为系统的应用扩展打下基础，同时也有利于节省节点的能量来延长网络的生存期，研究大规模的组网技术是传感器网络研究的核心技术之一。
[0004]无线自组网络的节点在抛撒之后，如何根据一定的规则组成大规模网络是组网技术的重要问题。组网的算法性能直接决定了网络路由算法的设计和性能，也将直接影响网络每个节点的电能消耗，节点寿命和网络寿命。同时，由于无线传感器网络往往部署在室外环境比较恶劣的地方，要收到高山、建筑物、障碍物等地形地貌以及其他恶劣天气等自然条件的影响。这样一方面可能造成传感器之间的通信部可靠，另一方面可能使传感器出现故障、甚至损坏。
[0005]在无线网络中，随着节点间无线信道的竞争、共享而产生的信号碰撞、信号衰减、噪音干扰及信道干扰等因素，会使节点组网后的实际有效带宽小于理论值。节点间通信协议的设计必须充分考虑以上建立链路、使用信道的开销代价，因此带来了一定程度的复杂。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决无线传感器大规模网络中存在的能耗、负载不均衡、路由环路等问题，提出了一种基于退避机制的最小生成树算法，通过拓扑控制简化网络结构，减少信道碰撞、节省了能量，提高网络吞吐量和空间重用性，并且能够通过动态调整初始退避调整系数R的值来优化网络结构，达到节能的效果。本发明的技术方案如下:一种无线传感器网络中基于退避机制的大规模自组网方法，其包括以下步骤:
[0007]101、预配置阶段:系统进行初始化，基站为网内所有入网节点预配置初始退避调整系数R ;同时，基站设置自身的通信开销为LN，网内其它入网节点的通信开销为无穷大；
[0008]102、组网阶段:(1)基站广播组网消息，组网消息包括节点的ID信息和自身的存储的通信开销值字段；
[0009](2)基站的邻居节点收到组网消息后，依据该组网消息传输过程中的信号强度S和链路质量Q，计算链路通信开销Μ ;
[0010](3)邻居节点依据预配置退避参数R和评估的链路通信开销参数Μ，利用公式Τ =RXM，计算邻居节点需要进行的退避时间Τ ；
[0011](4)邻居节点依据退避时间Τ执行退避，如在退避时间内收到其他邻居节点的组网消息，便会重新依据新的组网消息执行步骤(2)和(3)，计算新退避时间，并比较新退避时间与原退避时间的大小，若新退避时间大于等于原退避时间，则进行退避时间的更新，继续沿着原退避时间进行退避，执行步骤(4)，反之，则更新退避时间为新的退避时间，执行步骤(4);若在退避时间结束后，没有收到信的组网消息，邻居节点执行步骤(5);
[0012](5)邻居节点选择对应退避时间最小的广播消息中的ID信息作为自己的父节点，并发送入网请求，同时将自己的通信开销更新为广播消息中的通信开销值加上自己评估的链路通信开销值；
[0013](6)完成步骤(5)，邻居节点找到了自己的父节点，而后将组网消息中的ID信息和通信开销字段替换为自己的ID信息和通信开销值，并广播出去，寻求自己的子节点，完成组网消息的广播后，节点处于等待状态，判断在规定时间内是否收到子节点的入网请求，若收到，则完成子节点的寻找，等待子节点汇报链路组建完毕消息，若没有收到，则认为自己已经是叶子节点，并向自己的父节点汇报链路组建完成的消息，完成组网。
[0014]进一步的，步骤102中系统进行初始化后，系统启动，基站通过发送“Hello”组网消息(消息即组网消息)，组网消息包括节点的ID信息和自身的存储的通信开销值字段。
[0015]进一步的，步骤(2)中的依据该组网消息传输过程中的信号强度S和链路质量Q，计算链路通信开销Μ ;计算公式为M = SQ。
[0016]本发明的优点及有益效果如下:
[0017]本发明提出一种基于退避机制的最小生成树算法，通过使用本发明中的算法，可以简单、高效的组建一个树形通信网络，解决无线传感器网络在大规模组网过程中出现的路由环路，能耗、负载不均衡问题，从而减少信道碰撞、节省了能量，提高网络吞吐量和空间重用性；同时，充分考虑了节点之间的通信开销，将通信开销与退避时间结合到一起，能够根据实际应用环境中链路质量、设备发包的信号强度来调整退避时间系数的大小来优化网络结构，达到节能的效果。
【附图说明】
[0018]图1是本发明提供优选实施例为基于退避机制的最小生成树算法流程图；
[0019]图2为组网之前传感器网络的分布情况；
[0020]图3为依据最小生成树算法实际组网过程；
[0021]图4为最终形成的自主网络示意图。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图，对本发明作进一步说明:
[0023]如图1所示，本方案的技术方案实现过程如下所述:
[0024]1、预配置阶段
[0025]系统进行初始化，预配置初始退避调整系数R ;基站(Sink节点)设置自身的通信开销为LN，其它普通节点的通信开销为无穷大。系统启动后，“Hello”消息包括节点的ID信息和自身的存储的通信开销值字段，
[0026]基站为普通节点配置初始化退避调整系数R，并将自己的通信开销设定为LN，将其他的节点的通信开销设定为无穷大。
[0027]2、组网阶段
[0028]基站首先广播“Hello”消息，“Hello”消息包括节点的ID信息和自身存储的通信开销值字段。
[0029]组网的过程主要分为如下几步:
[0030](1)基站广播组网消息(ADV message)，组网消息包括节点的ID信息和自身的存储的通信开销值字段。
[0031](2)基站的邻居节点收到消息(ADV message)后，依据信号强度S和链路质量Q，评估链路通信开销M。
[0032](3)邻居节点依据预配置退避参数R和评估的链路通信开销参数M，利用公式T =RXM，计算邻居节点需要进行的退避时间T。
[0033](4)邻居节点依据退避时间T执行退避，如在退避时间内收到其他邻居节点的组网消息，便会重新依据新的组网消息执行步骤(2)和(3)，计算新退避时间，并比较新退避时间与原退避时间的大小，若前者大于等于后者，则进行退避时间的更新，继续沿着原退避时间进行退避，执行步骤⑷，反之，则更新退避时间为新的退避时间，执行步骤⑷；若在退避时间结束后，没有收到信的组网消息，邻居节点执行步骤(5)。
[0034](5)邻居节点选择对应退避时间最小的广播消息中的ID信息作为自己的父