一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法
【专利摘要】一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法，涉及无线传感网的分布式波束形成【技术领域】。为了实现海面传感器与卫星进行通信时无基站情况下的簇间通信的问题，也是为了解决海面传感器直接与卫星进行通信时采用载波相位同步技术出现的分布式网络层数过多而导致的无法实现同步的问题，及由此导致的海面传感器层数减少，海面传感器节点数量相应减少导致的无法满足波束与卫星通信的功率需求的问题。投放到海面的传感器浮标要协作进行波束形成，首先要自组织形成分布式网络，并推举出簇头对各节点及节点信息进行管理，然后所有节点共同将数据以波束的方式上传给卫星。它还适用于其它没有基站或飞行器进行中继的无线传感网远距离通信的场景中。
【专利说明】一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感网的分布式波束形成【技术领域】。
【背景技术】
[0002]海洋是人类维持生存繁衍和社会实现可持续发展的重要基地，开发海洋、发展海洋经济是整个人类生存和社会发展的必由之路，鉴于海洋的重要性，对海洋资源与环境的监测正成为世界各国研究的一大热点。海洋信息通常采用卫星作为中继进行传输，海洋与陆地不同，海面上无法架设大的基站与卫星进行通信，同时基站也无法在海面进行随机布撒。而传感器节点由于其低成本和小体积，能够在海面进行随机布撒，但是单个传感器节点的能量较小，无法与卫星直接进行通信，所以需利用海面多传感器节点的分布式(协同)波束形成远距离传输技术实现传感器网络与卫星直接通信。而在波束形成之前则需要一种有效的方式对大量的传感器节点进行管理，组成分布式网络，对传感器节点采集到的数据进行聚合，在此基础上才能够进行分布式波束形成。
[0003]现有的无线传感网自组织分簇算法有很多，但几乎都是基于陆地位置相对固定，并且最终通过基站将数据向外传输。考虑由海面传感器浮标组成的无线传感网络，由于其要与卫星直接进行通信需要使用分布式波束形成技术，而该技术必须要解决载波相位同步的问题，所以要求此分布式网络层数不能过多，层数过多则无法进行同步。同时，虽然传感器层数减少，但其节点数量仍需保证，否则无法满足波束形成上星要求。并且海面无法架设大规模基站，当单个簇节点数量无法满足波束形成的功率要求时，这就要求多个簇协助进行波束形成，那么在无基站情况下的簇间通信又成为了新的急待解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明为了实现海面传感器与卫星进行通信时无基站情况下的簇间通信的问题，也是为了解决海面传感器直接与卫星进行通信时采用载波相位同步技术出现的分布式网络层数过多而导致的无法实现同步的问题，及由此导致的海面传感器层数减少，海面传感器节点数量相应减少导致的无法满足波束与卫星通信的功率需求的问题，提出了一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法。
[0005]一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法，在事件触发机制下，将海面无线传感器浮标充好电并随机布撒在海面指定区域，该方法包括如下步骤:
[0006]步骤一、数量为m的节点S的状态均为等待状态，即:my_wait = I,记录节点编号my_id并随时测得自身的位置坐标(X，y)，此时数量为m的节点S不属于任何一层，SP:level = -1 ；m ^ I ;每个节点S均存储通信簇头设定值；
[0007]步骤二、数量为m的节点S中的一个节点要向卫星或远距离基站上传数据，该节点成为触发节点T，且该触发节点所在层为my_leVel = 2，成为触发节点的节点执行步骤三；未成为触发节点的节点继续保持当前状态；
[0008]步骤三、触发节点T广播自己的位置坐标(χ, y)和节点编号my_id,此时该触发节点T不再处于等待状态，即:my_wait = O ;同时该触发节点T对该触发节点的通信范围Rc(s)内的节点数量进行统计并判断该节点数量与最小波束形成通信节点数量MIN的大小关系，执行步骤四；
[0009]步骤四、若统计的节点数量大于等于最小波束形成通信节点数量MIN，那么该触发节点T只向该触发节点通信范围内的MIN个节点S发送启动自身请求，然后执行步骤六；
[0010]若统计的节点数量小于最小波束形成通信节点数量MIN，那么该触发节点T向该触发节点通信范围内的所有节点S发送启动自身请求及通知簇头启动其通信范围内节点的请求，并执行步骤五；
[0011]步骤五、接收到启动请求的所有节点S计算自身的权重并广播自身的权重，通过节点间权重的相互比较，推举权重最大的节点S成为簇头H，再通过簇头向簇头通信范围内的其他节点发送启动自身请求，直到触发节点T统计的节点数量大于等于最小波束形成通信节点数量MIN，然后执行步骤六；
[0012]步骤六、接收到启动自身请求的MIN个节点S计算自身的权重并广播自身的权重，接收到启动请求的MIN个节点S通过节点间权重的相互比较，推举权重最大的节点S成为簇头H ;成为簇头的节点执行步骤七；
[0013]步骤七、成为簇头的节点标记自己的簇头id为my_head_id并变更该簇头的坐标为:head_x = my_x, head_y = my_y,同时调整簇头所在层级为零级my_level = O ;然后簇头H广播簇头信息给该簇头通信范围内的所有节点；同时簇头H广播簇头信息给触发节点T，触发节点T记录簇头数量，然后执行步骤八；
[0014]步骤八、簇头通信范围内的节点继续比较权重并推举出新簇头，成为新簇头的节点广播簇头信息给触发节点T,触发节点T记录簇头总数head_num_sum并判断簇头总数head_num_sum是否达到通信簇头设定值,执行步骤九；
[0015]步骤九、若触发节点T记录的簇头总数head_num_sum未达到通信簇头设定值,则继续推举新簇头，直到簇头总数head_num_sum达到通信簇头设定值,然后执行步骤十；
[0016]若触发节点T记录的簇头总数head_num_sum达到通信簇头设定值,则执行步骤十;
[0017]步骤十、所述簇头总数为head_num_sum的簇头在其通信范围内寻找邻居节点，找完邻居节点的簇头判定该簇头的邻居节点数是否为2，执行步骤十五；同时已启动且未成为簇头的节点执行步骤十一；
[0018]步骤十一、已启动且未成为簇头的节点，继续保持当前状态，并判断是否接收到来自某个簇头的广播信息，执行步骤十二 ；
[0019]步骤十二、若未成为簇头的节点接收到来自某个簇头的广播信息，则根据通信距离公式计算出该节点到该簇头的通信距离my_range的值,并将自己设为该簇头的子节点，且该子节点所在层为my_leVel = I ;所述子节点向该簇头发送成为其子节点的信息，然后执行步骤十三；
[0020]若未收到来自某个簇头的广播信息，则该节点为闲散节点N，不参与此次聚簇；
[0021]步骤十三、若已成为某个簇头的子节点收到来自于另一个簇头的广播信息，那么计算该子节点与另一个簇头的通信距离my_range的值,并比较两个my_range值的大小,选择my_range值较小的那个簇头为自己的簇头，执行步骤十四；
[0022]若已成为某个簇头的子节点未收到来自于另一个簇头的广播信息，那么该子节点保持当前状态，执行步骤十四；所述另一个簇头为非现有簇头；
[0023]步骤十四、事件节点T再次统计总节点数量并判断所述总节点数量是否大于等于最小波束形成通信节点数量MIN，并执行步骤十五；该总节点数量包括簇头数量和簇头的子节点数量；
[0024]步骤十五、若同时满足所述簇头的邻居节点数是2且所述总节点数量大于等于最小波束形成通信节点数量MIN，则聚簇成功，执行步骤十六；
[0025]否则，聚簇不成功，则通信簇头设定值加1，并再次聚簇，即返回步骤六；若聚簇仍不成功，则通信簇头设定值再加1，直到通信簇头设定值的极限值为止；
[0026]步骤十六、聚簇成功后，此时触发节点T已成为子节点，触发节点T将要上传的数据发送给其簇头H，由触发节点T的簇头H共享给其他簇头H，然后再由其他簇头H分别发送给各自的子节点V，储存了数据的所有节点共同形成一束波束上传至卫星或远距离基站，然后解散该簇，所有节点再次处于等待状态，当再次有触发节点T出现时，重复步骤二至步骤十五。
[0027]步骤五中所述的接收到启动请求的所有节点S计算自身的权重并广播自身的权
W ( ^)- Eresiduai( s) χ 1+Σ h=o( d(s, h))
重，所述计算自身的权重的方法如下:根据公式
【权利要求】
1.一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法，其特征在于，在事件触发机制下，将海面无线传感器浮标充好电并随机布撒在海面指定区域，该方法包括如下步骤:步骤一、数量为m的节点S的状态均为等待状态，即:my_wait = I,记录节点编号my_id并随时测得自身的位置坐标(X，y)，此时数量为m的节点S不属于任何一层，S卩=Ievel=-1 ；m ^ I ;每个节点S均存储通信簇头设定值； 步骤二、数量为m的节点S中的一个节点要向卫星或远距离基站上传数据，该节点成为触发节点T，且该触发节点所在层为my_leVel = 2，成为触发节点的节点执行步骤三；未成为触发节点的节点继续保持当前状态； 步骤三、触发节点T广播自己的位置坐标(X，y)和节点编号my_id，此时该触发节点T不再处于等待状态，即:my_wait = O ;同时该触发节点T对该触发节点的通信范围Rjs)内的节点数量进行统计并判断该节点数量与最小波束形成通信节点数量MIN的大小关系，执行步骤四； 步骤四、若统计的节点数量大于等于最小波束形成通信节点数量MIN，那么该触发节点T只向该触发节点通信范围内的MIN个节点S发送启动自身请求，然后执行步骤六； 若统计的节点数量小于最小波束形成通信节点数量MIN，那么该触发节点T向该触发节点通信范围内的所有节点S发送启动自身请求及通知簇头启动其通信范围内节点的请求，并执行步骤五； 步骤五、接收到启动请求的所有节点S计算自身的权重并广播自身的权重，通过节点间权重的相互比较，推举权重最大的节点S成为簇头H，再通过簇头向簇头通信范围内的其他节点发送启动自身请求，直到触发节点T统计的节点数量大于等于最小波束形成通信节点数量MIN，然后执行步骤六； 步骤六、接收到启动自身请求的MIN个节点S计算自身的权重并广播自身的权重，接收到启动请求的MIN个节点S通过节点间权重的相互比较,推举权重最大的节点S成为簇头H ;成为簇头的节点执行步骤七； 步骤七、成为簇头的节点标记自己的簇头id为my_head_id并变更该簇头的坐标为:head_x = my_x, head_y = my_y,同时调整簇头所在层级为零级my_level = O ;然后簇头H广播簇头信息给该簇头通信范围内的所有节点；同时簇头H广播簇头信息给触发节点T，触发节点T记录簇头数量，然后执行步骤八； 步骤八、簇头通信范围内的节点继续比较权重并推举出新簇头，成为新簇头的节点广播簇头信息给触发节点T,触发节点T记录簇头总数head_num_sum并判断簇头总数head_num_sum是否达到通信簇头设定值，执行步骤九； 步骤九、若触发节点T记录的簇头总数head_num_sum未达到通信簇头设定值,则继续推举新簇头，直到簇头总数head_num_sum达到通信簇头设定值,然后执行步骤十； 若触发节点T记录的簇头总数head_num_sum达到通信簇头设定值,则执行步骤十；步骤十、所述簇头总数为head_num_Sum的簇头在其通信范围内寻找邻居节点，找完邻居节点的簇头判定该簇头的邻居节点数是否为2，执行步骤十五；同时已启动且未成为簇头的节点执行步骤十一； 步骤十一、已启动且未成为簇头的节点，继续保持当前状态，并判断是否接收到来自某个簇头的广播信息，执行步骤十二 ； 步骤十二、若未成为簇头的节点接收到来自某个簇头的广播信息，则根据通信距离公式计算出该节点到该簇头的通信距离my_range的值,并将自己设为该簇头的子节点,且该子节点所在层为my_leVel = I ;所述子节点向该簇头发送成为其子节点的信息，然后执行步骤十三； 若未收到来自某个簇头的广播信息，则该节点为闲散节点N，不参与此次聚簇； 步骤十三、若已成为某个簇头的子节点收到来自于另一个簇头的广播信息，那么计算该子节点与另一个簇头的通信距离my_range的值，并比较两个my_range值的大小，选择my_range值较小的那个簇头为自己的簇头，执行步骤十四； 若已成为某个簇头的子节点未收到来自于另一个簇头的广播信息，那么该子节点保持当前状态，执行步骤十四；所述另一个簇头为非现有簇头； 步骤十四、事件节点T再次统计总节点数量并判断所述总节点数量是否大于等于最小波束形成通信节点数量MIN，并执行步骤十五；该总节点数量包括簇头数量和簇头的子节点数量； 步骤十五、若同时满足所述簇头的邻居节点数是2且所述总节点数量大于等于最小波束形成通信节点数量MIN，则聚簇成功，执行步骤十六； 否则，聚簇不成功，则通信簇头设定值加1，并再次聚簇，即返回步骤六；若聚簇仍不成功，则通信簇头设定值再加1，直到通信簇头设定值的极限值为止； 步骤十六、聚簇成功后，此时触发节点T已成为子节点，触发节点T将要上传的数据发送给其簇头H，由触发节点T的簇头H共享给其他簇头H，然后再由其他簇头H分别发送给各自的子节点V，储存了数据的所有节点共同形成一束波束上传至卫星或远距离基站，然后解散该簇，所有节点再次处于等待状态，当再次有触发节点T出现时，重复步骤二至步骤十五。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法，其特征在于，步骤五中所述的接收到启动请求的所有节点S计算自身的权重并广播自身的权
W ( ?)— Eresit)uai( s) χ 1+Σh=o( d、s, h))重，所述计算自身的权重的方法如下:根据公式 —Elnitlal(S) ,
(s’ t) 2计算自身权重，其中d (s, h)是节点S到已推举出的簇头H的距离；d (s, t)是节点S到触发节点T的距离；Eresidual (S)是节点S的剩余能量；Einitial(S)是节点S的初始能量，Rc(S)为节点S的通信范围。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法，其特征在于，步骤十中所述簇头总数为head_num_sum的簇头在其通信范围内寻找邻居节点的方法如下: 首先，簇头根据簇头广播的信息找到在其通信范围内的簇头； 其次，簇头计算与其通信范围内的簇头之间的距离my_range ；my_range就是两个节点之间的距离； 最后，与簇头的距离my_range较小的两个在其通信范围内的簇头称为该簇头的邻居节点。
4.根据权利要求1所述的一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法，其特征在于，步骤三、步骤四、步骤五、步骤七、步骤八和步骤十中所述的通信范围Re(S)为节点S与能与其通信的最远的距离。
【文档编号】H04W84/18GK104168621SQ201410443072
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】马健欣, 石硕, 顾学迈, 叶亮, 田斯, 胡瑞东, 许恩玮, 刘通 申请人:哈尔滨工业大学