分簇结构无线传感器网络及其MAC实现方法与流程

本发明涉及无线传感器网络领域，特别涉及一种分簇结构无线传感器网络的mac实现方法，以及使用该方法的无线传感器网络。

背景技术：

无线传感器网络是一种将传感器技术和无线通信技术相结合的网络。无线传感器网络的具体实现是将传感器节点散步在监控区域内，并通过它们的能量模块提供能源，通过传感器进行数据采集，通过控制模块进行数据的聚合，并通过无线模块进行数据的发送或转发。随着电子器件技术的发展，无线传感器网络的建立成本不断下降，应用也越来越广泛，并在工业、农业、畜牧业、渔业、军事、医疗等行业取得了良好的应用。

由于无线传感器网络的随机布放，传感器节点的持续工作是其关键点。由于传感器节点的尺寸较小，难以支撑较长的供能，更换电池也不容易。因此，如何设计无线传感器网络的协议，使得网络的总体能耗尽量减小，是无线传感器网络设计的重点。

对于规模较大的无线传感器网络而言，为了加强网络的管理，同时优化能耗，有必要进行网络的分簇。对于分簇结构的无线传感器网络，设计一种高效的mac实现方法，有助于整个网络的能耗节省。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供分簇结构无线传感器网络及其mac实现方法，从而尽量减少无线传感器网络的总体能耗。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种分簇结构无线传感器网络的mac实现方法，包括：a.簇频率选择：簇头节点发送簇头公告，当与不同簇的簇头频率发生碰撞时，令对方簇头节点进行频率调整；b.初始时隙划分：根据簇内各成员节点的剩余能量，进行初始时隙划分；c.休眠或发送数据：传感器节点在没有数据需要发送时保持无线模块休眠，而在需要发送数据时将无线模块唤醒，并在发送前后发出控制信息；d.时隙调整：根据上一帧的忙闲程度，进行时隙的动态调整。

于本发明一实施例中，所述a.簇频率选择的方法包括以下步骤中的一种或两种组合：a1.簇头节点在预先设置的频率表中选择尚未被占用的频率作为簇头频率，并通过公共信道发送簇头公告；a2.当本簇的成员节点收到其它簇的簇头节点发出的簇头公告时，判断对方的簇头公告中拟使用的频率与本簇已使用的频率是否相同；若否，则在预先设置的频率表中将对方的簇头公告所使用的频率标记为已占用；若是，则对于能量低于一定值的簇头节点，令其保留频率；对于能量高于一定值的簇头节点，通知其重新选择所述频率表中的空闲频率并再度发出簇头公告。

于本发明一实施例中，所述簇头公告包括的内容有：簇头节点号、选用频率、及簇头能量。

于本发明一实施例中，所述b.初始时隙划分的方法包括以下步骤中的一种或两种组合：b1.在网络初始状态下，所有传感器节点都未发送过数据，此时根据簇内节点的剩余能量进行时隙划分；b2.对于包含1个簇头和n个成员节点的簇，令簇头编号为0，成员节点编号为1至n，则成员节点i所分配到的时隙长度为t(i)，t(i)＝ktmin，其中，tmin为最小能量段所分配的时隙长度，k为成员节点i的能量所位于的能量段的段号，k通过

计算得到，其中，e(i)是成员节点i的剩余能量，emax是簇内所有成员节点中能量的最大值，emin是簇内所有成员节点中能量的最小值，le＝int[log2(n+1)]是能级数量，emin至emax之间的能量值被均匀划分为le个能量段。

于本发明一实施例中，所述b.初始时隙划分的方法还包括：b3.每一帧的时隙组成，由控制时隙tc、及各个成员节点所分配到的时隙t(1)，t(2)，…，t(n)所构成。

于本发明一实施例中，所述b.初始时隙划分的方法还包括：b4.在每一帧的开始，簇头节点将时隙分配表进行广播，并在一定的簇头广播时长之后开始第一轮的分配时隙计时。

于本发明一实施例中，所述c.休眠或发送数据的方法包括：c1.传感器节点收到时隙分配表以后，根据所述时隙分配表进行数据发送安排；c2.若传感器节点没有数据需要发送，则将无线模块保持休眠状态；c3.若传感器节点有数据需要发送，则在其所分配到的时隙开始时，将无线模块唤醒，并令所述无线模块发送数据。

于本发明一实施例中，所述c3的方法还包括：在所分配的时隙开始时，发送一个表示开始发送的控制信息，随后进行数据发送；若在时隙内完成数据发送，则在时隙结尾时发送一个表示发送完成的控制信息；若在时隙内没有完成数据发送，则在时隙结尾时发送一个表示申请继续发送的控制信息。

于本发明一实施例中，所述d.时隙调整的方法包括：d1.每一帧结束，簇头节点根据各个时隙的使用情况，进行时隙调整，包括：若传感器节点在前一帧的所对应时隙没有发送数据，则该时隙称为空闲时隙；若传感器节点在前一帧的所对应时隙有发送过数据，且在时隙结束前发送了申请继续发送的请求，则该时隙称为繁忙时隙；若传感器节点在前一帧的所对应时隙发送过数据，且在时隙结束前没有发送申请继续发送的请求，则该时隙称为工作时隙；d2.在当前帧中：对于空闲时隙，成员节点i所分配到的时隙由上一帧中的t(i)调整为预设分数倍的t(i)；对于繁忙时隙，成员节点i所分配到的时隙由上一帧中的t(i)调整为(1+预设分数倍p)t(i)，其中，p为此前连续出现繁忙时隙的次数；对于工作时隙，则保持与上一帧中的t(i)相同。

于本发明一实施例中，所述d.时隙调整的方法还包括：d3.在每一帧的开始，簇头节点将更新后的时隙分配表进行广播，并在一定的簇头广播时长之后开始又一轮的分配时隙计时。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无线传感器网络，所述无线传感器网络应用如上任一所述的分簇结构无线传感器网络的mac实现方法。

如上所述，本发明的分簇结构无线传感器网络及其mac实现方法，当簇头节点发送的簇头公告的频率与不同簇的簇头频率发生碰撞时，令对方簇头节点进行频率调整；根据簇内各成员节点的剩余能量进行初始时隙划分；通过是否需要发送数据而将无线模块进行休眠或唤醒，并在发送数据前后进行控制信息的发送；在后续的帧中根据上一帧的忙闲程度动态调整当前帧的时隙，能够使无线传感器网络的总体能耗下降，并有效减少了平均数据包的传输延迟。

附图说明

图1显示为本发明一实施例中的分簇结构无线传感器网络的mac实现方法的流程图。

图2显示为本发明一实施例中的频率选择过程示意图。

图3显示为本发明一实施例中的时隙划分、数据发送或休眠、时隙调整过程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

在监测区域内，一般会随机布放着一些无线传感器，在网络初始阶段，通过汇聚节点发出控制信号，无线传感器网络按照分簇算法进行分簇，以形成分簇结构。本发明为了达到无线传感器网络的总体能耗下降、减少平均数据包的传输延迟等效果，提出一种基于分簇结构的无线传感器网络的mac实现方法，如图1所示，主要包括四个阶段：a簇频率选择、b初始时隙划分、c休眠或发送数据、d时隙动态调整。

请参阅图2，在发明中，传感器节点预先设置一套频率表，其中包含可以选择的频率。在a簇频率选择阶段，簇头节点发送簇头公告，当与不同簇的簇头频率发生碰撞时，令对方簇头节点进行频率调整，其中，所述簇头公告包括的内容有：簇头节点号、选用频率、及簇头能量。详细的：

簇头节点在预先设置的频率表中选择尚未被占用的频率作为簇头频率，并通过公共信道发送簇头公告。当本簇的成员节点收到其它簇的簇头节点发出的簇头公告时，判断对方的簇头公告中拟使用的频率与本簇已使用的频率是否相同；若否，则在预先设置的频率表中将对方的簇头公告所使用的频率标记为已占用；若是，则进行优先级判断，即：对于能量较低的(如：低于一定值)簇头节点，令其保留频率；对于能量较高的(如：高于一定值)簇头节点，通知其重新选择所述频率表中的空闲频率并再度发出簇头公告。

图3显示了b时隙划分、c数据发送或休眠、和d时隙动态调整的过程。

在b初始时隙划分阶段，本发明根据簇内各成员节点的剩余能量，进行初始时隙划分。详细的：

在网络初始状态下，所有传感器节点都未发送过数据，此时根据簇内节点的剩余能量进行时隙划分。对于包含1个簇头和n个成员节点的簇，令簇头编号为0，成员节点编号为1至n，对于编号为i的节点，它的剩余能量表示为e(i)。设簇内所有成员节点中，能量的最大值为emax＝max[e(1),e(2),…e(n)]，能量的最小值为emin＝min[e(1),e(2),…e(n)]，而能级数量le＝int[log2(n+1)]代表着将emin至emax之间的能量值均匀地划分为le个区间，每个区间是一个能级。若成员节点i的能量位于第k个能量段时，有：

那么，成员节点i所分配到的时隙长度t(i)就为ktmin，其中，tmin为最小能量段所分配的时隙长度。

每一帧的时隙组成，由控制时隙tc、及各个成员节点所分配到的时隙t(1)，t(2)，…，t(n)所构成。在每一帧的开始，簇头节点将时隙分配表进行广播，并在一定的簇头广播时长之后开始第一轮的分配时隙计时。此后，依次开始t(1)，t(2)，…，t(n)的时隙使用过程。

在c休眠或发送数据阶段，传感器节点在没有数据需要发送时保持无线模块休眠，而在需要发送数据时将无线模块唤醒，并在发送前后发出控制信息。详细的：

传感器节点收到时隙分配表以后，根据所述时隙分配表进行数据发送安排。若传感器节点没有数据需要发送，则将无线模块保持休眠状态；若传感器节点有数据需要发送，则在其所分配到的时隙开始时，将无线模块唤醒，并令所述无线模块发送数据。

在所分配的时隙开始时，发送一个表示开始发送的控制信息，随后进行数据发送。若在时隙内完成数据发送，则在时隙结尾时发送一个表示发送完成的控制信息。若在时隙内没有完成数据发送，则在时隙结尾时发送一个表示申请继续发送的控制信息。

在d时隙动态调整阶段，本方法根据上一帧的忙闲程度，进行时隙的动态调整。详细的：

在每一帧的结束，簇头节点根据各个时隙的使用情况进行时隙调整：若传感器节点在前一帧的所对应时隙没有发送数据，则该时隙称为空闲时隙；若传感器节点在前一帧的所对应时隙有发送过数据，且在时隙结束前发送了申请继续发送的请求，则该时隙称为繁忙时隙；若传感器节点在前一帧的所对应时隙发送过数据，且在时隙结束前没有发送申请继续发送的请求，则该时隙称为工作时隙。在当前帧中：对于空闲时隙，成员节点i所分配到的时隙由上一帧中的t(i)调整为预设分数倍的t(i)，如：0.5t(i)；对于繁忙时隙，成员节点i所分配到的时隙由上一帧中的t(i)调整为(1+预设分数倍p)t(i)，如：(1+0.5p)t(i)，其中，p为此前连续出现繁忙时隙的次数；对于工作时隙，则保持与上一帧中的t(i)相同。

在每一帧的开始，簇头节点将更新后的时隙分配表进行广播，并在一定的簇头广播时长之后开始又一轮的分配时隙计时。

除此之外，本发明还提供一种无线传感器网络，在网络初始阶段，通过汇聚节点发出控制信号。所述无线传感器网络按照分簇算法进行分簇，并对其传感器节点预先设置一套频率表，该频率表中包含若干可以选择的频率。特别的，所述无线传感器网络应用前述实施例中的分簇结构无线传感器网络的mac实现方法，从而减少了自身的总体能耗以及平均数据包的传输延迟。由于前述实施例中的技术特征能够应用于本实施例，因而不再重复赘述。

综上所述，本发明的分簇无线传感器网络及其mac实现方法，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。