专利名称：无线传感网的组网方法
技术领域：
本发明涉及无线传感技术，尤其涉及一种无线传感网的组网方法。
背景技术：
传感器是一种能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，无线传感网(Wireless Sensor Network, WSN)是由众多的传感器通过无线通信的方式，相互联系，处理、传递信息的网络。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，传送给所需用户。无线传感网在军事、工业控制、交通、安全、医疗、野外勘探、环境监测、家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的应用。无线传感网是一种的新兴的网络，它由多个单个传感器节点组成，各节点通过传感或控制参数来实现与外部环境的交互。无线传感网的一个典型特征是在一个很小的区域里部署着很多节点，为了保证一个区域的覆盖率足够高或者使网络中有冗余来防止节点失效。虽然这些都是密集型网络部署的优点，但是它也存在着以下缺点:在一个相对拥挤的网络中，由于邻居节点数目众多，节点之间容易互相干扰，各种可能的路由方式太多，节点可能会使用较大的功率来与远处的节点直接通信，限制了无线带宽的重新使用，因此在很多节点密集分布的网络中，节点之间都在彼此的通信范围内，在网络初始化阶段，很容易因为冲突碰撞而产生的数据包丢失并导致网络的组成需要耗费相当长的一段时间，同时形成的网络拓扑结构也极不稳定，在通信过程中也会因此而导致数据传输的中断及网络的重组，额外消耗了大量的能量。针对以上问题，我们需要一种有效的组网方法针对这种干扰性极强的网络在网络的初始阶段能够快速组网并调度好时隙的分配，以保证整个网络数据传输的可靠性和有效性。一个网络的组成涉及到了网络的拓扑控制和时隙调度两个方面。而网络拓扑控制协议和媒体访问控制协议(Media Access Control, MAC)也一直是无线传感网的研究热点。网络拓扑控制协议能够优化路由协议和MAC协议的效率，使之紧密的结合，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供基础，有利于延长整个网络的生存时间，对网络性能的影响很大。MAC协议决定了无线信道的使用方式，构建了无线传感网的底层基础结构，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，使得不同节点能够合理的使用这些资源。无线传感网中单个节点的作用是微弱的，传感器网络的强大功能是由众多节点协作分工实现的，多个节点之间的通信需要各种协议在局部范围内协调各个节点之间的资源分配，充分利用有限的通信资源来共同完成一定的任务。无线传感网拓扑控制主要的研究目的是如何在满足网络覆盖度和连通度的前提下，功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构。在节点发射功率不变的情况下，主要考虑层次型拓扑结构组织，它利用分簇机制让一些节点成为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，也就是簇，其他非簇头节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。目前主要的层次型拓扑控制方法有TopDisc成簇算法、LEACH自组织成簇算法和GAF虚拟地理网格分簇算法等，但是这些算法考虑的往往不够全面，只是针对网络拓扑的某一方面进行了优化设计。随着无线传感网技术的发展，拓扑控制的研究分类已经没有那么严格，往往是与其他各种方式相结合，并引入启发性、数据捎带等机制，以达到节省能量和拓扑快速形成的目的。尤其是与MAC协议的结合能够让节点在前期组网过程中直接进行时隙的调度，在网络拓扑形成的同时也确定了其分配到的时隙。目前的MAC协议主要分为固定配置协议以及随机接入协议。在固定配置协议中，可用的资源在节点间长期配置，使得每个节点可以独立使用这些资源，没有碰撞的风险，典型的协议包括TDMA、FDMA、CDMA等。对于注重传输质量的网络而言，这种协议能够满足Qos要求，协议将固定的时隙或者信道分配给固定的节点，这样避免了在同一时隙或者同一信道上产生数据碰撞，但是这种协议单独的使用除了对网络的时钟同步要求较高外，还对网络稳定性有着很高的要求，而且当节点过于密集时，一个簇头节点下面挂载的簇成员节点过多会导致整个超帧的时隙过多，由此大大增加了每个节点上传数据的时间延迟；而在随机接入协议中，节点是非协同工作的，且协议是以完全分布式的方式执行的，但是使用这种MAC协议容易发生数据碰撞，从而产生隐终端和显终端的问题，数据的碰撞重传也导致了能量的浪费。而目前已有的ZigBee(紫蜂技术)的MAC协议采用了将 CSMA(Carrier Sense Multiple Access,载波侦听多路访问)与 TDMA(Time DivisionMultiple Access，时分多址)相结合的方式来进行数据的传输，在非节点密集的网络中，一定程度上兼顾了网络的吞吐量和能量、延迟等特性，但在高密度的传感器网络中，仅仅将CSMA与TDMA相结合还是不够的，若不采用多信道机制，每个簇头节点下面挂载的簇成员节点数量太多，不仅前期组网的CSMA阶段容易产生数据碰撞，时隙太多还会导致同步时钟的漂移以及较长的通信延迟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线传感网的组网方法，用于解决密集分布的大量传感器节点在网络初始化阶段组网时发生的碰撞及相关的时隙分配等问题。为解决上述问题及其他问题，本发明提供一种适用于传感器节点密集分布的无线传感网的组网方法，包括:簇头节点及其全局通信时隙的确定:网络以信标模式工作，采用超帧结构组织数据的接收和发送；汇聚节点首先以广播全局信标帧来进行全网同步，然后根据请求节点的剩余能量确定簇头节点，并根据接收到的请求顺序为每一个簇头节点依次分配全局通信时隙及其簇内通信子信道；簇成员节点及其簇内通信时隙的确定:在确定簇头节点后，各个所述簇头节点广播自身的子信道信息和空闲时隙情况；未成为簇头节点的普通节点侦听所有簇头节点的广播信息，选择接收信号强度最强的广播信息所对应的簇头节点，并向那一个所述簇头节点发送请求帧以请求入簇，所述簇头节点最先接收到请求后确定簇成员节点，并根据接收到的请求顺序为每个簇成员节点分配簇内通信时隙；在某一个所述普通节点竞争入簇失败后，继续在下一周期侦听全局通信频段，重新选择其他的簇头节点竞争入簇；当簇建立完成且网络稳定后，所有簇头节点在全局通信时段非自身通信时隙进入休眠状态，所有簇成员节点在全局通信时段及簇内通信时段的非自身通信时隙时进入休眠状态。可选地，所述无线传感网的组网方法还包括:建立簇后，若汇聚节点连续多次未收到簇头节点的广播信息，则认为簇头节点失效；簇头节点失效后，汇聚节点重新发起簇头节点的选举，未成为簇头节点的普通节点未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点，即，在新的周期内侦听全局通信频段，接收到汇聚节点的全局信标帧后，以CSMA的方式在空闲时段发起请求以竞争成为簇头节点，发起CSMA的时段在簇内通信时段，发起的信道在全局通信频段；当新的簇头确定后，重新建立自己的新簇。可选地，在簇头节点失效后，未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点，包括如下步骤:在网络稳定后，簇头节点在全局通信时段依次按照自身分配的时隙广播数据帧，若汇聚节点在连续多个周期未收到某个簇头节点的广播数据帧，则认为此簇头节点失效；若簇头节点由于自身能量不足也可以在广播数据帧中和簇内信标帧中主动添加请求失效信息；当汇聚节点和簇成员节点分别得知所述信息后，由汇聚节点重新发起组网命令，簇成员节点变成普通节点，侦听全局信道中汇聚节点的全局信标帧，重新选举出一个新的簇头节点，其余普通节点则请求重新入簇。可选地，当簇成员节点失效时,簇头节点将之前分配给失效的所述簇成员节点的时隙收回，并在下一周期的簇内信标帧中将所述时隙定为空时隙。可选地，选择簇头节点并为其分配全局通信时隙以及簇内通信子信道，包括如下步骤:汇聚节点启动后的第一个时隙在全局通信频段内周期性的广播全局信标帧，所述全局信标帧中包含有同步信息、汇聚节点辖属的簇头节点数及其对应的子信道和通信时隙，其中，网络中允许的最大簇头节点数目N、每个子信道频率f 以及一个周期所包含的通信时隙数目T是预先设定的，所述通信时隙包括已被占用的通信时隙和空闲的通信时隙；除汇聚节点之外，所有的其他节点第一次醒来后侦听信道，若接收到所述汇聚节点的全局信标帧，根据所述全局信标帧内的信息判断网络中的簇头节点数是否达到了最大簇头节点数；若判断得到网络中的簇头节点数达到了最大簇头节点数，则节点以目前的同步算法做同步处理，然后继续侦听；若判断得到网络中的簇头节点数还未达到最大簇头节点数，则在空闲时段以CSMA的方式发送请求帧以竞争成为簇头节点，所述请求帧中包含节点的剩余能量；汇聚节点接收到所述请求帧并 记录，查看目前已确定的簇头节点数目n是否达到最大簇头节点数目N，并在得到目前已确定的簇头节点数目n没有达到最大簇头节点数目N的情况下，从中选择剩余能量最多的(N-n)个节点作为簇头节点并按照接收顺序为其分配(N-n)个全局通信时隙以及子信道，并在下一周期广播的全局信标帧中包含此信息。可选地，所述无线传感网的组网方法还包括:节点在发出成为簇头节点的请求后，在下一周期中侦听到的全局信标帧中，若发现没有包含自己成为簇头节点的信息，则表示竞争簇头节点失败；节点再根据全局信标帧中的信息判断簇头节点数目是否已达到最大簇头节点数，若判断得到目前已确定的簇头节点数目n已达到最大簇头节点数目N，则放弃竞争，继续侦听信道，准备在簇内通信时段请求入簇；若判断得到目前已确定的簇头节点数目n没有达到最大簇头节点数目N，则继续在所述周期内以CSMA的方式发送请求帧以竞争成为簇头节点。可选地，确定每个簇的簇成员节点并为其分配簇内通信时隙，包括如下步骤:簇头节点在汇聚节点广播全局信标帧后，在其分配到的全局通信时隙内广播包含额外信息的数据帧，其中额外信息包括本簇的簇内通信时段以及通信子信道；竞争簇头节点失败的普通节点接收到簇内信标帧后，选择接收到信号强度最强的簇头节点作为自己的簇头节点，并以CSMA的方式发起竞争入簇的请求；簇头节点接收到普通节点的入簇请求后,根据接收请求的顺序，依次将簇内通信时隙分配给簇成员节点，并在下一周期广播簇内信标帧时加入组播应答信号信息，若簇内通信时隙已经分配完毕，则在组播信息告知请求节点所述簇头节点辖属的簇成员节点已满员；若普通节点在发出入簇请求后，在下一周期继续侦听簇内信标帧，分析所述簇内信标帧中的组播应答信号信息，若得知请求簇成员节点成功，则按照分配到的时隙上传分组；若请求簇成员节点失败，查看簇头节点的时隙数是否已分配完毕，若分配完毕，则在下一周期全局通信阶段变频到主信道侦听汇聚节点的全局信标帧，从中选择还有空闲时隙的簇头，并在空闲时隙内以CSMA的方式继续请求入簇；若所有簇头节点的时隙都已分配完毕，则所述普通节点不再发出入簇请求，而是在每个全局通信时段保持侦听汇聚节点的全局信标帧，直到发现有空闲时隙的簇头节点并随后发起入簇请求。本发明提供的无线传感网的组网方法，利用CSMA、TDMA与多信道技术相结合的方式依序完成簇头节点及其全局通信时隙的确定和每一个簇中各个簇成员节点及其簇内通信时隙的确定，减少了每一个簇的形成时间，从而实现快速组网，并保证簇成员节点在固定的不同时隙上传数据，不会发生簇内的数据碰撞；而多信道技术的应用使得多个簇可以在同一时段内在不同的子信道上通信，互不干扰，减少了全网组网的时间以及每个簇数据传输的延时。
图1为本发明无线传感网的组网方法在一个实施方式中的流程示意图。图2a至2d为本发明网络从初始化到组网的变化示意图。
具体实施例方式本发明的发明人发现:在现有的无线传感网络中，由于需要组网的传感器节点是密集分布的，节点数目众多，节点之间容易互相干扰，在网络初始化阶段，很容易因为冲突碰撞而产生的数据包丢失并导致网络的组成需要耗费相当长的一段时间，同时形成的网络拓扑结构也极不稳定，在通信过程中也会因此而导致数据传输的中断及网络的重组，额外消耗了大量的能量。因此，本发明提出了一种基于时隙CSMA、TDMA与多信道技术相结合的无线传感网的组网方法，从而解决密集分部的大量节点在网络初始化阶段组网时发生的碰撞及相关的时隙分配问题。下面结合图示更完整的描述本发明，本发明提供的优选实施例，但不应被认为仅限于在此阐述的实施例中。参考图是本发明的示意图，图中的表示只是示意性质的，不应该被认为限制本发明的范围。图1为本发明无线传感网的组网方法在一个实施方式中的流程示意图。如图1所示，所述组网方法适用于传感器节点密集分布的无线传感网中，无线传感网可以应用于例如智能家居、环境监控、工业控制、野外勘探、军事侦察等多种场景中。以下结合图1对上述组网方法进行详细描述。需说明的是，在本实方式中，假定无线传感网是以信标(beacon)模式工作，并采用超帧结构组织数据的接收和发送。首先，确定汇聚(Sink)节点(在以下描述中，以Sink节点作为汇聚节点的简称)辖属的簇头节点及其数目。传感网中允许的最大簇头节点数目N、每个子信道频率f以及一个周期所包含的通信时隙数目T是预先设定的，所述通信时隙包括已被占用的通信时隙和空闲的通信时隙。现假设网络中允许的最大簇头节点数目为6 (即N = 6)，并确定一个超帧为20时隙，这样，一个簇头节点最多挂载12(20-1-6-1 = 12)个普通节点。第I个周期:(1-1)、上电后，Sink节点在第一个时隙开始发出用于全网同步的全局信标帧。在本实施方式中，全局信标帧的结构如下表所示:
权利要求
1.一种适用于传感器节点密集分布的无线传感网的组网方法，其特征在于，包括如下步骤: 簇头节点及其全局通信时隙的确定:网络以信标模式工作，采用超帧结构组织数据的接收和发送；汇聚节点首先以广播全局信标帧来进行全网同步，然后根据请求节点的剩余能量确定簇头节点，并根据接收到的请求顺序为每一个簇头节点依次分配全局通信时隙及其簇内通信子信道； 簇成员节点及其簇内通信时隙的确定:在确定簇头节点后，各个所述簇头节点广播自身的子信道信息和空闲时隙情况；未成为簇头节点的普通节点侦听所有簇头节点的广播信息，选择接收信号强度最强的广播信息所对应的簇头节点，并向那一个所述簇头节点发送请求帧以请求入簇，所述簇头节点最先接收到请求后确定簇成员节点，并根据接收到的请求顺序为每个簇成员节点分配簇内通信时隙；在某一个所述普通节点竞争入簇失败后，继续在下一周期侦听全局通信频段，重新选择其他的簇头节点竞争入簇； 当簇建立完成且网络稳定后，所有簇头节点在全局通信时段非自身通信时隙进入休眠状态，所有簇成员节点在全局通信时段及簇内通信时段的非自身通信时隙时进入休眠状态。
2.根据权利要求1所述的无线传感网的组网方法，其特征在于，还包括: 建立簇后，若汇聚节点连续多次未收到簇头节点的广播信息，则认为簇头节点失效；簇头节点失效后，汇聚节点重新发起簇头节点的选举，未成为簇头节点的普通节点未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点，即，在新的周期内侦听全局通信频段，接收到汇聚节点的全局信标帧后，以CSMA的方式在空闲时段发起请求以竞争成为簇头节点，发起CSMA的时段在簇内通信时段，发起的信道在全局通信频段；当新的簇头确定后，重新建立自己的新簇。
3.根据权利要求2所述的无线传感网的组网方法，其特征在于，在簇头节点失效后，未入簇的普通节点重新开始竞争成为簇头节点，包括如下步骤: 在网络稳定后，簇头节点在全局通信时段依次按照自身分配的时隙广播数据帧，若汇聚节点在连续多个周期未收到某个簇头节点的广播数据帧，则认为此簇头节点失效；若簇头节点由于自身能量不足也可以在广播数据帧中和簇内信标帧中主动添加请求失效信息； 当汇聚节点和簇成员节点分别得知所述信息后，由汇聚节点重新发起组网命令，簇成员节点变成普通节点，侦听全局信道中汇聚节点的全局信标帧，重新选举出一个新的簇头节点，其余普通节点则请求重新入簇。
4.根据权利要求3所述的无线传感网的组网方法，其特征在于，当簇成员节点失效时，簇头节点将之前分配给失效的所述簇成员节点的时隙收回，并在下一周期的簇内信标帧中将所述时隙定为空时隙。
5.根据权利要求1或2所述的无线传感网的组网方法，其特征在于，选择簇头节点并为其分配全局通信时隙以及簇内通信子信道，包括如下步骤: 汇聚节点启动后的第一个时隙在全局通信频段内周期性的广播全局信标帧，所述全局信标帧中包含有同步信息、汇聚节点辖属的簇头节点数及其对应的子信道和通信时隙，其中，网络中允许的最大簇头节点数目N、每个子信道频率f以及一个周期所包含的通信时隙数目T是预先设定的，所述通信时隙包括已被占用的通信时隙和空闲的通信时隙； 除汇聚节点之外，所有的其他节点第一次醒来后侦听信道，若接收到所述汇聚节点的全局信标帧，根据所述全局信标帧内的信息判断网络中的簇头节点数是否达到了最大簇头节点数；若判断得到网络中的簇头节点数达到了最大簇头节点数，则节点以目前的同步算法做同步处理，然后继续侦听；若判断得到网络中的簇头节点数还未达到最大簇头节点数，则在空闲时段以CSMA的方式发送请求帧以竞争成为簇头节点，所述请求帧中包含节点的剩余能量； 汇聚节点接收到所述请求帧并记录，查看目前已确定的簇头节点数目n是否达到最大簇头节点数目N，并在得到目前已确定的簇头节点数目n没有达到最大簇头节点数目N的情况下，从中选择剩余能量最多的(N-n)个节点作为簇头节点并按照接收顺序为其分配(N-n)个全局通信时隙以及子信道，并在下一周期广播的全局信标帧中包含此信息。
6.根据权利要求5所述的无线传感网的组网方法，其特征在于，还包括: 节点在发出成为簇头节点的请求后，在下一周期中侦听到的全局信标帧中，若发现没有包含自己成为簇头节点的信息，则表示竞争簇头节点失败；节点再根据全局信标帧中的信息判断簇头节点数目是否已达到最大簇头节点数，若判断得到目前已确定的簇头节点数目n已达到最大簇头节点数目N，则放弃竞争，继续侦听信道，准备在簇内通信时段请求入簇；若判断得到目前已确定的簇头节点数目n没有达到最大簇头节点数目N，则继续在所述周期内以CSMA的方式发送请求帧以竞争成为簇头节点。
7.根据权利要求1所述的无线传感网的组网方法，其特征在于，确定每个簇的簇成员节点并为其分配簇内通信时隙，包括如下步骤: 簇头节点在汇聚节点广播全局信标帧后，在其分配到的全局通信时隙内广播包含额外信息的数据帧，其中额外信息包括本簇的簇内通信时段以及通信子信道； 竞争簇头节点失败的普通节点接收到簇内信标帧后，选择接收到信号强度最强的簇头节点作为自己的簇头节点，并以CSMA的方式发起竞争入簇的请求； 簇头节点接收到普通节点的入簇请求后,根据接收请求的顺序,依次将簇内通信时隙分配给簇成员节点，并在下一周期广播簇内信标帧时加入组播应答信号信息，若簇内通信时隙已经分配完毕，则在组播信息告知请求节点所述簇头节点辖属的簇成员节点已满员； 若普通节点在发出入簇请求后，在下一周期继续侦听簇内信标帧，分析所述簇内信标帧中的组播应答信号信息，若得知请求簇成员节点成功，则按照分配到的时隙上传分组；若请求簇成员节点失败，查看簇头节点的时隙数是否已分配完毕，若分配完毕，则在下一周期全局通信阶段变频到主信道侦听汇聚节点的全局信标帧，从中选择还有空闲时隙的簇头，并在空闲时隙内以CSMA的方式继续请求入簇；若所有簇头节点的时隙都已分配完毕，则所述普通节点不再发出入簇请求，而是在每个全局通信时段保持侦听汇聚节点的全局信标帧，直到发现有空闲时隙的簇头节点并随后发起入簇请求。
全文摘要
本发明提供一种无线传感网的组网方法，主要是利CSMA、TDMA与多信道技术相结合的方式依序完成簇头节点及其全局通信时隙的确定、每一个簇中各个簇成员节点及其簇内通信时隙的确定，减少了每一个簇的形成时间，从而实现快速组网，并保证多个簇可以在同一时段内在不同的子信道上通信，互不干扰，减少了全网组网的时间以及每个簇数据传输的延时，而簇成员节点在固定的不同时隙上传数据，不会发生簇内的数据碰撞，为工程设计提供了一种切实可行的组网方法，能够适用于传感器节点密集分布的无线传感网中。
文档编号H04W84/18GK103188825SQ20111045762
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者于峰, 高丹, 张唯易, 张帅, 王晶, 张星 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所