专利名称：无线传感器网络网络拓扑探测方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其涉及无线传感器网络中网络拓扑探測方法。
背景技术：
随着微电子技术和无线通信技术的发展，无线传感器网络正广泛应用于众多领域。无线 传感器网络是一种自组织网络，它通过路由算法以多跳方式传送信息。路由算法在无线传慼 器网络中发挥着重要作用，它对各节点的能耗、网络寿命以及通信质量起着关键性的作用， 因此路由算法的研究受到越来越多的关注。探测无线传感器网络的网络拓扑是建立理想路由 策略的前提。无线传感器网络，其网络拓扑随着网络中各节点的移动和节点数量的增减发生 变化。因此周期性的网络拓朴探测在无线传感器网络中是十分必要的。本专利公开的无线传 感器网络网络拓扑探测方法与现有的网络拓扑探测方法相比较，其优越性表现在(1)能够获 得完整的网络拓扑；(2)在网络拓扑探测过程中传感器节点消耗的能量较少。本专利公开的无 线传感器网络网络拓扑探测方法在网络拓扑探测过程中合理地使用了网关节点的资源。它通 过适当增加网关节点的操作来减少各传感器节点的操作，进而降低各传感器节点的资源消耗。 这样做的原因在于，网关节点相比传感器节点具有更多的资源。
发明内容
本专利公开了一种无线传感器网络结构，其特点在于从网关节点到各传感器节点用一 跳通信方式；而从传感器节点到网关节点采用多跳通信方式。因此，网关节点可以有效地控 制所有传感器节点。本专利公开了无线传感器网络网络拓扑探测内容，它包括各传感器节点间的通信链路质 量和各传感器节点的能量状态，并用一对称矩阵描述无线传感器网络网络拓扑。各传感器节点间的通信链路质量划分为三个等级，即"优"、"中"、"差"。通信链路质量为"优"是指
可以建立正常的通信；"中"是指可以检测到信号的存在，但无法建立正常通信；"差"是指 检测不到信号的存在，故也无法建立通信。本专利公开了无线传感器网络中传感器节点初始状态(即加电后状态)，传感器节点加电 后处于休眠和探听相互交替状态。当接收到来自网关节点的控制信息之后，传感器节点进入 网络拓扑探测状态。本专利公开了网关节点发送的控制信息内容及方式。控制信息包括帧时间和时隙分配表。 控制信息以帧为单位发送，每帧包括帧时间和时隙分配表。控制信患连续发送/w帧。本专利公开了时隙分配表的生成方法，第一张时隙分配表(即用于第一次网络拓扑探测 时的时隙分配表)采用随机方法生成，即前"个时隙随机分配给w个传感器节点，而最后一 个时隙(即第"+ l个时隙)分配给网关节点用于发送控制信息。第/(/22)张时隙分配表生成 方法如下先给那些在拓扑探测过程中尚未发现的传感器节点分配时隙，使那些在拓扑探测 过程中尚未被网关节点发现的传感器节点先发送网络拓扑信息，这些传感器节点构成的集合 我们用符号Si表示并用^表示此集合中传感器节点的个数；其次给那些与网关节点无直接通 信链路的传感器节点分配时隙，这些传感器节点构成的集合我们用符号&表示并用^表示此集合中传感器节点的个数；最后给那些与网关节点具有直接通信链路的传感器节点分配时隙， 这些传感器节点构成的集合我们用符号&表示并用、表示此集合中传感器节点的个数。集合 S,中的传感器节点以随机方式分得前A:,个时隙；集合52中的传感器节点以随机方式分得接下 来的A^个时隙；集合&中的传感器节点以随机方式分得其后的^个时隙；最后一个时隙(即 第"+ l个时隙)仍分配给网关节点发送控制信息。网关节点在第w + l个时隙发送的控制信息 有两种选择。选择一当需要进一步进行网络拓扑探测时，控制信息包括以下内容①网络拓扑探测 继续指示；②时间信息；③新的时隙分配表(即下次网络拓扑探测要使用的时隙分配表)。选择二当需要结東网络拓扑探测时，控制信息仅包括网络拓扑探测结東指示。本专利公开了网络拓扑探测过程终止方法。当相临的两次网络拓扑探测结果一致或已获得完整的网络拓扑时，宣布网络拓扑探测过程结東。
图1无线传感器网络结构；图2无线传感器网络中各传感器节点的初始状态； 图3网络拓扑矩阵；图4网关节点发送的控制信息形式以及传感器节点的初始状态； 图5网络拓扑探测过程。
具体实施例方式图1给出了无线传感器网络结构。无线传感器网络由一个网关节点和"个传感器节点组 成。传感器节点把由各传感器得到的测量信息以多跳方式传送到网关节点。网关节点汇集由 各传感器节点传送来的测量信息并移交到信息处理中心。此外，网关节点通过发送控制信息 完成网络拓扑探测任务。网关节点发送的控制信息可直接传送到各个传感器节点，无需节点 间多跳传送。换言之，网关节点无线信号发射功率较大，可覆盖整个无线传感器网络工作 (感知)区域。无线传感器网络中各传感器节点，其初始状态(即加电后状态)如图2所示，它由休眠和探听两种模式组成，并以一定周期交替出现，其周期为r(-7;—w+7;,w),其中z;一，为 休眠模式占用时间，7;自w为探听模式占用时间。各传感器节点因其加电时刻不同其相移各异，即探听模式(或休眠模式)启始时刻各异。各传感器节点接收到来自网关节点的控制信 息后从初始状态进入网络拓扑探测状态。网络拓扑探测状态由发送和接收两种时隙组成。在发送时隙传感器节点发送更新过的、 最新的网络拓扑信息。在接收时隙传感器节点接收来自其他节点的网络拓扑信息，并对自己 原有的网络拓扑信息进行更新。
无线传感器网络，其网络拓扑用一个矩阵描述，此矩阵我们称之为网络拓扑矩阵。如图 3所示，网络拓扑矩阵是对称阵，对角线元素表示各传感器节点的能量状态，其他元素表示相应的一对传感器节点间的通信链路状态。例如，第2行第2列元素￡2表示节点2的能量状 态；而第2行第3列元素"差"代表节点2与节点3之间的通信链路状态为"差"。矩阵的大 小与无线传感器网络中传感器节点的个数一致。网关节点发送的控制信息及传感器节点的初始状态如图4所示，网关节点发送的控制信 息由m个帧组成。每一帧发送的内容为该帧的时间信息和时隙分配表。m个帧中的时隙分配 表一致，但各帧的时间信息各不相同。若第1帧中的时间信息为;c，那么第/^2)帧中的时 间信息为x + (/ -1)x 7>ramt,，其中7,rame(< 7;,,CT, s)为帧周期。时隙分配表给出了时隙的个数以及 每个时隙分配给哪个传感器节点用于发送信号。帧的个数m、帧的周期7>_、以及传感器节 点的探听周期7和探听时长7; , ^,他们的取值保障每个传感器节点能够完整地接收到一 次w个帧中的任何一个帧。在每次网络拓扑探测过程中，前w个时隙内网关节点均处于接收状态，它接收来自各传 感器节点的网络拓扑矩阵，但网关节点只能正确接收到部分传感器节点发送的网络拓扑矩阵， 这部分传感器节点与网关节点间的通信链路质量为"优"。这些网络拓扑矩阵经处理得到内容 更加丰富、更加全面的网络拓扑矩阵。整个网络拓扑探测过程如图5所示。所有传感器节点处于初始状态。当接收到来自网关 节点的控制信息之后，所有节点进入网络拓扑探测状态。完成一次网络拓扑探测过程之后， 所有节点再次探听来自网关节点的控制信息，并根据其内容或者进行下一次的网络拓扑探测 过程，或者网络拓扑探测过程宣布结東。
权利要求
1.无线传感器网络网络拓扑探测方法，其特征在于从网关节点到各传感器节点用一跳通信方式，而从传感器节点到网关节点采用多跳通信方式；网络拓扑探测过程是在网关节点控制下由各传感器节点协同完成；各传感器节点根据控制信息在相应的时隙发送网络拓扑信息，而在其他时隙接收、处理来自其他传感器节点的网络拓扑信息和来自网关节点的控制信息。
2. 如权利要求1所述的无线传感器网络网络拓扑探测方法，其特征在于无线传感器网络网络拓扑探测内容包括各传感器节点间的通信链路质量和各传感器节点的能量状态，并用一对称矩阵描述无线传感器网络网络拓扑。各传感器节点间的通信链路质量划分为三种等级，即 "优"、"中'，、"差"。
3. 如权利要求l所述的无线传感器网络网络拓扑探测方法，其特征在于无线传感器网络中 传感器节点初始状态(即加电后状态)是休眠和探听相互交替状态。当接收到来自网关节点 的控制信息之后，传感器节点进入网络拓扑探测状态。
4. 如权利要求l所述的无线传感器网络网络拓扑探测方法，其特征在于网关节点发送的控 制信息内容及方式。控制信息包括桢时间和时隙分配表。控制信息以帧为单位发送，每帧包 括帧时间和时隙分配表。控制信息连续发送m帧。
5. 如权利要求l所述的无线传感器网络网络拓扑探测方法，其特征在于帧的个数m、帧的周期？V-、以及传感器节点的探听周期r和探听时长7;自w，他们的取值保障每个传感器节点完整地接收到 一次w个帧中的任何一个帧。
6. 如权利要求l所述的无线传感器网络网络拓扑探测方法，其特征在于时睐分配表的创建 方法，第一张时隙分配表(即用于第一次网络拓扑探测的时隙分配表)采用随机方法生成， 即前"个时隙随机分配给n个传感器节点，而最后一个时其隙(即第w + l时隙)分配给网关节点用于发送控制信息。第/(/22)张时隙分配表生成方法如下先给那些在拓朴探测过程中尚未发现的传感器节点分配时隙，使那些在拓扑探测过程中尚未被网关节点发现的传感器节 点先发送网络拓扑信息；其次给那些与网关节点无直接通信链路的传感器节点分配时隙；最 后给那些与网关节点具有直接通信链路的传感器节点分配时隙。
7. 如权利要求1所述的无线传感器网络网络拓朴探测方法，其特征在于集合S,中的传感 器节点以随机方式分得前^个时隙；集合&中的传感器节点以随机方式分得其次的^个时 隙；集合&中的传感器节点以随机方式分得最后的&个时隙。
8.如权利要求1所述的无线传感器网络网络拓扑探测方法，其特征在于网络拓扑探测过程 终止方法。当相临的两次网络拓扑探测结果一致或已获得完整的网络拓扑时，宣布网络拓扑探测过程结東。
全文摘要
本发明公开了无线传感器网络网络拓扑探测方法及其装置。无线传感器网络由一个网关节点(Gateway)和n个传感器节点(Sensor Node)组成。无线传感器网络是一种自组织网络，其网络拓扑随着网关节点或传感器节点的移动以及传感器节点数量的增减不断发生变化。因此无线传感器网络需要不断地进行网络拓扑探测，并在此基础上建立路由。各传感器节点在网关节点的控制下接收、更新和发送网络拓扑信息。网关节点为整个传感器网络提供时间并为每个传感器节点分配时隙。各传感器节点仅在分配给自己的时隙内发送信号，而在其他时隙则处于接收状态。网关节点连续发送m帧控制信息，其中每帧包含时间信息和时隙分配方案。
文档编号H04L12/28GK101127627SQ20061010949
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月17日 优先权日2006年8月17日
发明者全庆一, 崔俊辉, 曹俊庆, 董云泉 申请人:北京邮电大学