一种无线传感器网络通信方法和系统的制作方法

专利名称：一种无线传感器网络通信方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络通信系统，尤其涉及水声高延迟环境的无线传感器网络通信方法和系统。
背景技术：
水下传感器网络的研究和发展已使得其在许多应用中显示出越来越重要的作用，比如海洋学研究中的数据收集、海洋环境监测、水下军事监测、海洋灾难监测等。如图1所示为一种水声传感器网络示意图，水下传感器网络的结构与陆地上传统的传感器网络结构相似，都是把传感器节点分布式布放于需监测的环境中，节点感应数据，然后传递数据给处理中心(Sink)，处理中心是没有任何资源约束的浮标等物体，它应该可以直接与岸基或者是母船联系，每个传感器节点的资源受限，而且不可更换，以自治的方式管理自己。这就存在一个问题，就是如何快速的及时的将数据传递给处理中心，同时尽可能的延长网络的寿命。这跟陆基传感器网络一样，需要能量与延迟同时敏感的路由协议来确保传感器节点对采集到的数据的及时传输与处理。
然而水下通信环境不同与陆地上的通信环境。其主要表现在(1)水下信道带宽严重受限，一般只有30-300Hz，如果采用无线电发送信号，则需要超长度的天线和高功率的发射器，这在实现上很困难。再由于水对光的严重散射和吸收，使得光通信在水下也难以实现。因而，目前普遍的采用水声信号；(2)水下声信号的传播速度低于无线信道大约五个数量级，因此产生了很大的传输延时同时也降低系统的吞吐量；(3)水声信道由于其本身的物理特性，如衰减大、干扰大、多径效应等，信道质量比有线信道差得多；(4)水下传感器节点主要依靠电池供电，而水声通信时由于水下环境的不利因素，其能量消耗会远高于陆地上的普通无线信道。为此，我们需要有新的通信方法来适应水下环境的通信要求。大多数的水声信道衰减因素，可以利用物理层的技术来克服，但象延迟大、带宽受限、连接易中断这些不利因素只能靠上层的协议方法来解决。
传统的无线传感器网络和Ad hoc网络提出了一些实时路由协议。多数传感器网络路由协议方法仅仅考虑节能问题，一些协议虽然提供了时延保证但并没有仔细分析能量消耗。有些协议方法虽然结合了能量和实时度量指标，但引入的开销过大，也不适合大规模的水下传感器网络应用。还有些协议由于每段链路只满足最长的分段时延要求，因此仅仅适合应用于端到端时延较长的场合。
同时，位置信息也是无线网络中的一个重要问题，其思想对于水下传感器网络的路由协议设计有一定借鉴作用。但是大多数基于位置的无线路由协议，如GRS、MFR等都没有仔细地考虑过能量消耗，一些协议只保证节点的中继节点比其自身距离目标节点更近，而不关心中继节点是否比节点自身更加远离源节点，因此它们并没有最大化每一跳的有效传输距离。
但是由于水下传感器网络的特殊性，这些协议方法不能直接运用到水下传感器网络中来。

发明内容
本发明的目的在于提供一种无线传感器网络通信方法和系统，其适合大规模的水下传感器网络应用。
为实现本发明而提供的一种无线传感器网络通信方法，其以众多传感器节点以分簇结构为基础组织通信，包括下列步骤步骤A，拓扑结构初始化步骤处理中心节点在初始化时发送广播，网络节点通过该广播消息测量出自己与处理中心节点的距离向量；步骤B，路由建立步骤网络节点组织形成分簇结构，并在分簇结构初始化时选择簇头节点的前向网关和普通节点的前向簇头；步骤C，数据传输步骤簇成员节点在设定的时隙内采集数据并传递给簇头，簇头和前向网关在设定时隙传输数据给处理中心节点。
所述的无线传感器网络通信方法，还可以包括下列步骤步骤D，结构周期更新步骤网络设定固定的更新周期进行分簇结构的初始化，同时重新建立路由和通信调度。
所述步骤A可以包括下列步骤步骤A1，簇头的选择步骤所有节点设定统一阀值T，然后节点随机选择一个数Tn，若Tn＜T，则节点开始竞争簇头，并发送广播消息告知所有其他节点；否则放弃竞争成为普通节点；竞争簇头的节点通过比较成为簇头，并发送广播消息告知所有其他节点；步骤A2，前向候选簇头集合与前向簇头的选择步骤节点在簇头广播消息时按照与处理中心节点的远近程度形成自己的前向候选簇头集合；之后再按照确定前向簇头；步骤A3，前向候选网关集合与前向网关的选择步骤簇头在接收簇成员加入的时候，从簇成员加入消息中，选择拥有前向簇头的节点组成前向候选网关集合，最后按照确定最终前向网关，并发送通知告知节点。
所述步骤C可以包括下列步骤步骤C1，簇内通信调度步骤簇头形成基于TDMA帧结构的调度信息，然后以簇内广播的形式告知每一个簇内节点；簇内节点根据接收到的调度信息，安排自己的监测和发送状态时间；每个节点只在簇头分配的时隙内才向簇头发送数据，而其他时隙则处于监测或者睡眠状态；步骤C2，簇间通信调度步骤所有簇的TDMA帧由簇内部分与簇间部分；把簇间部分划分成相等偶数N个时隙；第一个时隙，每个簇头向网关发送数据，第二时隙，每个簇头接收下一级网关的数据，然后第三个时隙，每个簇头又向网关发送数据，这样交替下去，直到一帧结束。
所述步骤C2之后还可以包括下列步骤步骤C3，传输确认步骤前向网关和前向簇头可以在每次接收数据后，向其上游节点发送一个响应确认接收成功，若上游节点没有收到响应则认为发送失败，可以在下次发送数据时候一起再次发送。
所述步骤A1可以包括下列步骤步骤A11，确定参与簇头竞争步骤节点选择一个随机数与阀值比较，小于则宣布参与簇头竞争，并发送广播消息告知周围节点；步骤A12，确定簇头步骤所有参与竞争簇头的节点，比较各自收到的其他节点参与竞争的广播消息后，通过比较各自的功率水平确认是否是最大，如果是最大则成为簇头，并发送成为簇头的广播消息；若没有发送广播的候选簇头，在设定的时间没有收到其他簇头的广播消息，则再次认为自己成为簇头，并发送成为簇头的广播消息。
所述步骤A2可以包括下列步骤步骤A21，形成前向候选簇头集合步骤节点若收到多个簇头发送的广播消息后，则选择一个功率最大的加入该簇；同时比较其自身到处理中心节点的距离向量是否比其簇头小，若是更小，则把其他监听到的簇头的处理中心节点的距离向量与自身比较，选择小于自己的簇头组成该节点的前向候选簇头集合；步骤A22，选择前向簇头步骤节点在其前向候选簇头集合中，按最短路径原则确定前向簇头。
所述步骤A3可以包括如下步骤步骤A31，形成前向候选网关集合步骤成员节点在向簇头发送加入消息的时候，同时汇报自己的前向簇头的情况；簇头收到成员节点的加入消息后，把拥有前向簇头的节点加入自己的前向候选网关集合；步骤A32，选择前向网关步骤簇头在其前向候选网关集合中，按最小方向角原则确定前向网关。
为实现本发明还提供一种无线传感器网络通信系统，适用在水声高延迟环境下，其以众多传感器节点以分簇结构为基础组织通信，包括下列单元拓扑结构初始化单元，用于在处理中心节点在初始化时发送广播，网络节点通过该广播消息测量出自己与处理中心节点的距离向量；路由建立单元，用于在网络节点中组织形成分簇结构，并在分簇结构初始化时选择簇头节点的前向网关和普通节点的前向簇头；数据传输单元，用于使簇成员节点在设定的时隙内采集数据并传递给簇头，簇头和前向网关在设定时隙传输数据给处理中心节点。
所述的无线传感器网络通信系统，还可以包括结构周期更新单元，用于设定固定的更新周期进行分簇结构的初始化，同时重新建立路由和通信调度。
本发明的有益效果是本发明的适用于水下的无线传感器网络通信方法和系统，传感器网络节点采用了较为简单的路由选择方法，成本低、能量消耗较少，能够以较低的能耗对水下环境进行实时监控。而且，由于路由每次更新后在一个周期内不再改变，所以每个节点不需要存储复杂的路由表，只需要簇头节点记录其前向网关节点，网关节点记录其前向簇头节点，节约了资源。路由的重新建立伴随着网络分簇结构的重建进行，同时路由的错误也可以在拓扑结构周期性更替的过程中得到更正，采用这样的方法就可以减小水声传输延迟过高而带来的影响。
本发明适用于水下的传感器网络通信方法和系统，在水下传感器网络初始化的关键阶段采取了一种“捎带”前向簇头和前向网关的选择的分簇方法。由于只需考虑能量和距离向量两个因素，这种分簇的方法较为简单。在分簇的过程中形成了簇头、前向网关和前向簇头，形成的朝向处理中心(Sink)节点的具有方向性的路由，并且选择和建立的时间少，能够减少水下网络信息传输的延迟；对于水下高延迟环境的路由时断时续的情况，也能通过减少更新的周期达到缓解。


图1是现有的水声传感器网络的示意图；图2是本发明网络通信网络的示意图；图3是最小方向角原则选择前向网关；图4是最短路径原则选择前向簇头；图5是簇内通信过程；图6是簇间通信过程；图7是簇内簇间通信调度的TDMA帧；图8是本发明消息格式图。
具体实施例方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的一种无线传感器网络通信方法和系统进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的目的针对目前水下高延迟的特殊环境中，用于监测的大型传感器网络信息收集困难、信息的及时性差、网络耗能不均衡，生命周期短等问题，而提出的一种适合水声高延迟环境的网络通信方法和系统。本发明区别于以往的无线传感器路由选择方式，其以分簇的网络拓扑结构为基础，通过前向簇头和前向网关，充分利用节点的地理位置信息，使得网络在进行分簇拓扑结构初始化的过程中就能够形成朝向处理中心(Sink)节点的方向性节能路由，较好的解决了水下高延迟环境下能量消耗不均衡和消息传输时延大的问题。
为了达到上述的目的，本发明提供了一种适合水声传感器网络通信方法，其是基于前向簇头和前向网关的路由实现方法本发明的适合水声高延迟环境的网络通信方法，适用在水声高延迟环境下，其以众多传感器节点以分簇结构为基础组织通信，包括下列步骤步骤1，拓扑结构初始化阶段处理中心(Sink)节点在初始化时发送广播，网络节点通过该广播消息测量出自己与处理中心(Sink)节点的距离向量；网络节点组织形成分簇结构，并在分簇结构初始化时选择簇头节点的前向网关和普通节点的前向簇头；处理中心(Sink)节点以最大功率广播，以方便节点形成到处理中心(Sink)节点的距离向量；确定网络的分簇拓扑结构中的簇头(Cluster Header，CH)，同时“捎带”进行节点的前向簇头(Forward Cluster Header，FCH)的选择和簇头的前向网关(Forward Gateway，FGW)的选择，为后面路由的建立提供基础；步骤2，路由建立阶段在簇间形成以前向簇头和前向网关为传输中继节点的朝向处理中心(Sink)节点的方向性路由；在簇间建立以前向网关(FGW)和前向簇头(FCH)为中继节点的具有方向性的簇间路由；步骤3，数据传输阶段簇成员节点在设定的时隙内采集数据并传递给簇头，簇头和前向网关在设定时隙传输数据给处理中心(Sink)节点；在拓扑结构和簇间路由建立之后，各个簇内的节点按照簇内调度进行数据收集；同时簇间按照簇间的通信调度也开始数据的传输；步骤4，结构周期更新网络设定固定的更新周期进行分簇结构的初始化，同时重新建立路由和通信调度。
随着分簇结构的周期性重建，簇间路由也会重新建立。
本发明最大的好处是使得簇间路由的建立实际上是在分簇初始化过程中完成了，避免了数据传输前路由建立过程，减小了水下通信的传输时延，节省了节点能量。
具体而言，所述步骤1包括下列步骤步骤11，簇头(CH)的选择所有节点设定统一阀值T(0＜T＜1)，然后节点在(0，1)之间随机选择一个数T(n)，若T(n)＜T，则节点开始竞争簇头，并发送广播消息告知所有其他节点，反之则放弃竞争成为普通节点；竞争簇头的节点通过能量协商比较成为簇头，并发送成为簇头的广播消息(FINAL_HEAD_MSG)告知其他节点；步骤12，前向候选簇头集合(FCHS)与前向簇头(FCH)的选择节点在簇头广播消息时按照与处理中心(Sink)节点的远近程度形成自己的前向候选簇头集合；之后再按照最小方向角原则确定前向簇头；步骤13，前向候选网关集合(FCGS)与前向网关(FGW)的选择簇头在接收簇成员加入的时候，从簇成员加入消息中，选择拥有前向簇头的节点组成前向候选网关集合，最后按照最短路径原则确定最终前向网关，并发送通知告(REPLY_MSG)知节点；具体而言，所述步骤3包括下列步骤步骤31，簇内通信调度簇头形成基于TDMA(Time Division MultipleAccess，时分多址)帧结构的调度信息，然后以簇内广播的形式告知每一个簇内节点；簇内节点根据接收到的调度信息，安排自己的监测和发送状态时间；每个节点只在簇头分配的时隙内才向簇头发送数据，而其他时隙则处于监测或者睡眠状态；步骤32，簇间通信调度所有簇的TDMA帧由簇内部分与簇间部分；把簇间部分划分成相等偶数N个时隙；第一个时隙，每个簇头向网关发送数据，第二时隙，每个簇头接收下一级网关的数据，然后第三个时隙，每个簇头又向网关发送数据，这样交替下去，直到一帧结束。
步骤33，传输确认前向网关和前向簇头可以在每次接收数据后，向其上游节点发送一个响应(ACK)确认接收成功，若上游节点没有收到响应(ACK)则认为发送失败，可以在下次发送数据时候一起再次发送。
具体而言，所述步骤11包括下列步骤步骤111，确定参与簇头竞争节点选择(0，1)之间的一个随机数与阀值比较，小于则宣布参与簇头竞争，并发送参与广播消息(COMPETE_HEAD_MSG)告知周围节点；步骤112，确定簇头所有参与竞争簇头的节点，比较各自收到的其他节点参与竞争的广播消息后，通过比较各自的功率水平确认是否是最大，如果是最大则成为簇头，并发送成为簇头的广播消息(FINAL_HEAD_MSG)；若没有发送广播的候选簇头，在设定的时间没有收到其他簇头的广播消息(FINAL_HEAD_MSG)，则再次认为自己成为簇头，并发送成为簇头的广播消息(FINAL_HEAD_MSG)。
具体而言，所述步骤12包括下列步骤步骤121，形成前向候选簇头集合节点若收到多个簇头发送的广播消息(FINAL_HEAD_MSG)后，则选择一个功率最大簇头，向其发送加入该簇的消息(JOIN_CLUSTER_MSG)；同时比较其自身到处理中心(Sink)节点的距离向量是否比其簇头小，若是更小，则把其他监听到的簇头的处理中心(Sink)节点的距离向量与自身比较，选择小于自己的簇头组成该节点的前向候选簇头集合(FCHS)；步骤122，选择前向簇头节点在其前向候选簇头集合中，按最短路径原则确定前向簇头。
具体而言，所述步骤13包括下列步骤步骤131，形成前向候选网关集合成员节点在向簇头发送加入消息(JOIN_CLUSTER_MSG)的时候，同时汇报自己的前向簇头(FCH)的情况；簇头收到成员节点的加入消息后，把拥有前向簇头的节点加入自己的前向候选网关集合(FCGS)；
步骤132，选择前向网关簇头在其前向候选网关集合中，按最小方向角原则确定前向网关。
下面进一步详细说明本发明的无线传感器网络通信方法。
参见图2，水下布置的传感器节点经过步骤11的簇结构初始化，步骤12的选择前向簇头，步骤13的选择前向网关之后，实际上每个簇头将其前向网关Gi作为其路由的下一条节点，而前向网关Gi则将其前向簇头(FCH)作为其路由的下一条节点，这样依次朝向处理中心(Sink)节点就形成如图2所示的数据传输路由。
网络工作时，数据的收集划分成两个阶段。第一个阶段节点采集数据，节点产生数据后直接发送给其簇头CHi；第二阶段簇头传输数据，簇头收到成员传过来的数据后，进行融合处理，然后直接把处理后的数据发送给前向网关Gi，前向网关Gi直接中继数据给其前向簇头FCH。在第二阶段期间，普通成员可以进入“睡眠”状态以阶段能量，在一轮数据收集时再转入工作状态。
参见图3，对于网络中某个簇头节点CHi，其对于处理中心(Sink)节点的前向网关集FCGS如图3中椭圆虚线框所示，其内部有G1、G2等若干可供选择的前向候选网关。以S标识簇头节点CHi，D标识处理中心(Sink)节点。候选网关G1、G2与CHi的连线SG1、SG2与直线SD的夹角分别为θ1、θ2。θ1、θ2分别为候选网关G1、G2在数据传输方向上的方向角。这样最佳方向角选取前向网关的原则即是从FCGS中选择某个节点Gi，使得其方向角θi在所有节点的方向角中最小。在图3中，可以看出节点G1为具有最佳方向角的网关，因此CHi将选择G1为其前向网关。
普通的成员节点j经过前向簇头的选择步骤后，向其将要加入的簇头CH0发送申请加入该簇消息(JOIN_CLUSTER_MSG)，该消息除了包含CH0的ID、节点j自身的ID，还需包含其前向簇头FCH信息和剩余能量Ej。
每个成为簇头的节点CHi都有一个前向候选网关集合FCGS，记为SG。当簇头接收到节点j的加入该簇消息(JOIN_CLUSTER_MSG)后，若该消息中节点j的SFCH为非空，则将其ID加入SG，并记录节点j的方向角θj。经过一段时间T后簇头CHi认为已经接收完所有簇成员的加入该簇消息(JOIN_CLUSTER_MSG)，然后它对SG中的所有候选网关节点按照最小方向角原选择前向网关，记为Gi。最后簇头CHi将发送簇内广播响应的消息(REPLY_MSG)，确认簇成员节点加入成功，并制定前向网关。
参见图4，节点G已经被簇头CHi选定为其前向网关。以G为圆心做半径为R0的圆弧，同时以D为圆心做圆弧，两段圆弧所围区域为前向候选簇头节点出现的区域。图中虚线椭圆框即表示节点G朝向处理中心(Sink)节点的前向候选簇头集(FCHS)。其内部有H1、H2等若干可供选择的前向候选簇头。以S标识簇头节点CHi，D标识sink节点。候选簇头H1、H2与节点G和处理中心(Sink)节点的路径分别H1G、H1D、H2G、H2D。最短路径原则即是选取虚线框中某个节点Hi使得其到节点G和节点D的距离之和最短，其取FCHS中满足HiG+HiD最短的节点。
每个没有成为簇头的节点都有一个簇头节点集(ClusterHead Set，记为SH)。当分簇算法选择处簇头之后，所有的簇头都会进行广播成为簇头的广播消息(FINAL_HEAD_MSG)，宣称其成为簇头。为了方便普通节点选择前向簇头，所有的簇头需要在其成为簇头的广播消息(FINAL_HEAD_MSG)中加入自身的位置信息(di)和自身的剩余能量(Ei)。普通节点j若接收到了某个簇头CHi的成为簇头的广播消息(FINAL_HEAD_MSG)，则将该簇头ID加入到其SH中，并记录下CHi的di、Ei。接下来，节点测算自己到SH中簇头节点距离，然后选择一个距离最小的簇头作为其将要申请加入的簇的簇头，记为CH0。此外节点还需比较SH中的其他簇头节点的di，并选择满足di＜dj的簇头为其前向候选簇头，加入到簇头集(FCHS)中，记为SFCH。然后根据最短路径原则，节点j对其SFCH中取min{di+dij}为其前向候选簇头，记为FCH。若FCH等于CH0或者SFCH为空，则记节点j无前向节点。
参考图5，为簇内节点通信的结构图。簇A内的节点A1与A2的通信需要通过簇头A0进行转发，会在一定程度上造成功率消耗的增加，这就要求簇头A0有较大的存储容量和能量以维持这种簇内通信。本发明实施例中，在簇内采取TDMA多址接入协议方法。所有簇的TDMA帧由簇内部分与簇间部分组成，而且每个部分总长度是固定的。每个簇头根据各自簇内节点的数目确定其TDMA帧簇内部分的时隙数量，簇间部分供簇头间汇报数据。簇头形成基于TDMA帧结构的调度信息，然后以簇内广播的形式告知每一个簇内节点。簇内节点根据接收到的调度信息，安排自己的监测和发送状态时间。每一个簇内节点都只在簇头分配给其的时隙内才向簇头发送数据，而其他时隙则处于监测或者睡眠状态。簇内成员节点在簇间通信部分睡眠，而前向网关节点在簇内通信部分休眠。
参考图6，为簇间节点通信的结构图。簇间通信主要通过前向网关C1，由簇头A0与C1通信，再C1与B0通信；同理，簇B与簇E之间的通信也就是簇头B0、E0和前向网关D1之间的通信。这样的好处就是不用再进行路由选择，前向网关本身就形成一个二跳路由。由于相邻簇使用不同的扩频码，当每个簇头向其前向网关发送数据的时候，它们之间并不会相互干扰。在这个期间内，每个前向网关跟簇头一样处于收发工作状态。为了减少干扰，在各簇间采用码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)协议，每个节点都预先设置好一个扩频码，节点充当簇头后，在广播信息中告知簇内其他节点其使用的扩频码，这样相邻的簇使用的扩频码不同。而所有的广播都使用相同的一个扩频码。
对于前向网关的通信，可以把TDMA帧的簇间部分划分成相等N个时隙(N的数目可以事先根据情况确定，保证最外围的簇能够把数据传送到簇头)，第一个时隙，每个簇头向网关发送数据，第二时隙，每个簇头接收下一级网关的数据，然后第三个时隙，每个簇头又向网关发送数据，这样交替下去，直到一帧结束。每个前向网关接收其簇头的数据时，使用与之相同的扩频码，而向其次选簇头发送数据时，则切换到与次选簇头相同的扩频码上。前向网关可以在每次接收数据后，向其簇头发送一个回应，如果簇头没有收到该回应，则认为前一次数据发送失败，可以在下次簇头发送数据时候一起再次发送。
参考图7，为用于簇内和簇间通信调度的TDMA帧的总体示意图。该TDMA帧由簇内和簇间两个部分组成，两个部分的长度可以根据具体应用进行调整，而簇内部分的时隙数目则由簇头根据簇内节点数目进行调整，簇间部分时隙数目需要根据具体应用进行调整。
参考图8，为本发明说明中所涉及到的一些消息的格式。其中控制消息的类型已经标注，而数据消息分为簇间数据类型和簇内数据类型，具体的数据类型编号本领域普通技术人员可以根据具体需要进行设置，因而本发明实施例中，不进行具体限制；同样，本领域普通技术人员也可以理解，控制消息的具体类型本领域普通技术人员也可以根据需要，在不脱离本发明主旨的条件下，进行一些不具有创造性的更改，但这些都不脱离本发明的保护范围。
本发明还提供一种无线传感器网络通信系统，适用在水声高延迟环境下，其以众多传感器节点以分簇结构为基础组织通信，包括下列单元拓扑结构初始化单元，用于在处理中心节点在初始化时发送广播，网络节点通过该广播消息测量出自己与处理中心节点的距离向量；路由建立单元，用于在网络节点中组织形成分簇结构，并在分簇结构初始化时选择簇头节点的前向网关和普通节点的前向簇头；数据传输单元，用于使簇成员节点在设定的时隙内采集数据并传递给簇头，簇头和前向网关在设定时隙传输数据给处理中心节点。
结构周期更新单元，用于设定固定的更新周期进行分簇结构的初始化，同时重新建立路由和通信调度。
本发明的无线传感器网络通信系统，其与无线传感器网络通信方法相同的过程而工作，因此，在本发明实施例中不再一一重复描述。
本发明的适合水声高延迟环境的网络通信方法和系统，通过在对传感器网络节点分簇、前向网关和前向簇头达到对水下的实时监控和处理，能够适应水下通信信道的高延迟、长断开的特点，降低节点的功率消耗，减少消息采集到传输至处理中心(Sink)的时间，周期性的更新路由以均衡所有节点的工作寿命，从而延长整个网络的工作寿命时间。
本发明可广泛涉及到军事和民用的水下通信领域中，如海洋环境的探测、海底石油的勘探、海底地震和火山爆发的观测、海洋生物的观察、洋流的变化及地球海洋的温度和结构等。
以上对本发明的具体实施例进行了描述和说明，这些实施例应被认为其只是示例性的，并不用于对本发明进行限制，本发明应根据所附的权利要求进行解释。
权利要求
1.一种无线传感器网络通信方法，其特征在于，其以众多传感器节点以分簇结构为基础组织通信，包括下列步骤步骤A，处理中心节点在初始化时发送广播，网络节点通过该广播消息测量出自己与处理中心节点的距离向量；步骤B，网络节点组织形成分簇结构，并在分簇结构初始化时选择簇头节点的前向网关和普通节点的前向簇头；步骤C，簇成员节点在设定的时隙内采集数据并传递给簇头，簇头和前向网关在设定时隙传输数据给处理中心节点。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络通信方法，其特征在于，还包括下列步骤步骤D，网络设定固定的更新周期进行分簇结构的初始化，同时重新建立路由和通信调度。
3.根据权利要求1或2所述的无线传感器网络通信方法，其特征在于所述步骤A包括下列步骤步骤A1，所有节点设定统一阀值T，然后节点随机选择一个数Tn，若Tn＜T，则节点开始竞争簇头，并发送广播消息告知所有其他节点；否则放弃竞争成为普通节点；竞争簇头的节点通过比较成为簇头，并发送广播消息告知所有其他节点；步骤A2，节点在簇头广播消息时按照与处理中心节点的远近程度形成自己的前向候选簇头集合；之后再按照确定前向簇头；步骤A3，簇头在接收簇成员加入的时候，从簇成员加入消息中，选择拥有前向簇头的节点组成前向候选网关集合，最后按照确定最终前向网关，并发送通知告知节点。
4.根据权利要求1或2所述的无线传感器网络通信方法，其特征在于所述步骤C包括下列步骤步骤C1，簇头形成基于TDMA帧结构的调度信息，然后以簇内广播的形式告知每一个簇内节点；簇内节点根据接收到的调度信息，安排自己的监测和发送状态时间；每个节点只在簇头分配的时隙内才向簇头发送数据，而其他时隙则处于监测或者睡眠状态；步骤C2，所有簇的TDMA帧由簇内部分与簇间部分；把簇间部分划分成相等偶数N个时隙；第一个时隙，每个簇头向网关发送数据，第二时隙，每个簇头接收下一级网关的数据，然后第三个时隙，每个簇头又向网关发送数据，这样交替下去，直到一帧结束。
5.根据权利要求4所述的无线传感器网络通信方法，其特征在于，所述步骤C2之后还包括下列步骤步骤C3，前向网关和前向簇头可以在每次接收数据后，向其上游节点发送一个响应确认接收成功，若上游节点没有收到响应则认为发送失败，可以在下次发送数据时候一起再次发送。
6.根据权利要求3所述的无线传感器网络通信方法，其特征在于，所述步骤A1包括下列步骤步骤A11，节点选择一个随机数与阀值比较，小于则宣布参与簇头竞争，并发送广播消息告知周围节点；步骤A12，所有参与竞争簇头的节点，比较各自收到的其他节点参与竞争的广播消息后，通过比较各自的功率水平确认是否是最大，如果是最大则成为簇头，并发送成为簇头的广播消息；若没有发送广播的候选簇头，在设定的时间没有收到其他簇头的广播消息，则再次认为自己成为簇头，并发送成为簇头的广播消息。
7.根据权利要求3所述的无线传感器网络通信方法，其特征在于，所述步骤A2包括下列步骤步骤A21，节点若收到多个簇头发送的广播消息后，则选择一个功率最大的加入该簇；同时比较其自身到处理中心节点的距离向量是否比其簇头小，若是更小，则把其他监听到的簇头的处理中心节点的距离向量与自身比较，选择小于自己的簇头组成该节点的前向候选簇头集合；步骤A22，节点在其前向候选簇头集合中，按最短路径原则确定前向簇头。
8.根据权利要求3所述的无线传感器网络通信方法，其特征在于，所述步骤A3包括如下步骤步骤A31，成员节点在向簇头发送加入消息的时候，同时汇报自己的前向簇头的情况；簇头收到成员节点的加入消息后，把拥有前向簇头的节点加入自己的前向候选网关集合；步骤A32，簇头在其前向候选网关集合中，按最小方向角原则确定前向网关。
9.一种无线传感器网络通信系统，其特征在于，其以众多传感器节点以分簇结构为基础组织通信，包括下列单元拓扑结构初始化单元，用于在处理中心节点在初始化时发送广播，网络节点通过该广播消息测量出自己与处理中心节点的距离向量；路由建立单元，用于在网络节点中组织形成分簇结构，并在分簇结构初始化时选择簇头节点的前向网关和普通节点的前向簇头；数据传输单元，用于使簇成员节点在设定的时隙内采集数据并传递给簇头，簇头和前向网关在设定时隙传输数据给处理中心节点。
10.根据权利要求9所述的无线传感器网络通信系统，其特征在于，还包括结构周期更新单元，用于设定固定的更新周期进行分簇结构的初始化，同时重新建立路由和通信调度。
全文摘要
本发明公开了一种无线传感器网络通信方法和系统。其以众多传感器节点以分簇结构为基础组织通信。该方法包括下列步骤处理中心节点在初始化时发送广播，网络节点通过该广播消息测量出自己与处理中心节点的距离向量；网络节点组织形成分簇结构，并在分簇结构初始化时选择簇头节点的前向网关和普通节点的前向簇头；簇成员节点在设定的时隙内采集数据并传递给簇头，簇头和前向网关在设定时隙传输数据给处理中心节点。其适合大规模的水下传感器网络应用。
文档编号H04L29/06GK101013926SQ200710051468
公开日2007年8月8日 申请日期2007年2月5日 优先权日2007年2月5日
发明者张剑, 黄本雄, 谢旭 申请人:华中科技大学