突发生，在完成数据上传后，转入步骤6。
[0117] 5、簇头将所有因信道占用或数据冲突而放弃原有时间片传输的次要节点，均分配 到补充上传输时段。
[0118] 在次要节点补充传输时段的开始，所有被分配的次要用户节点同时唤醒，接收簇 头分配的再次上传时间片。簇头按0. 5*Rclsuter为通信半径广播分配消息，按次要用户节 点的剩余能量从低到高分配再次上传时间片，分配消息也按此顺序进行发送，收到分配消 息的节点立即转入休眠状态，并按分配的再次上传时间片唤醒进行数据上传操作。转入步 骤6。
[0119] 6、每个节点完成数据上传后，节点和簇头保存当前通信的信道W及更新后的 CC[j，r]，化[i，r]值。各节点需要维护一张自身参数表，而簇头需要维护一组针对各节点 的参数表。其中，节点要维护的自身参数表用于保存其分配的上传数据时间片、距离对应簇 头的距离、用户类型、所述簇头的编号、上一次的信道W及自身的编号等；簇头维护的自身 参数表用于保存簇内节点个数、其距离对应簇内各个节点的距离、其通信功率W及其所属 簇的簇内各个节点的剩余能量等。
[0120] 对于本轮未冲突的节点，保持原有信道与上传数据时间片不变；对于冲突后转换 信道的节点，保存新的信道与上传时隙信息；对于分配至补充传输时段传输的节点，寻找与 上轮上传数据时间片最远的的时间片作为下一轮上传数据时间片。
[0121] 上述实施例针对农田无线传感器网络监测区域范围大、节点通信范围有限的特 点，从空域上进行频谱复用与节点并行接入，采用簇头间差异化功率控制的方法，减少通信 区域的簇间重叠面积，降低簇间通信相互干扰的概率，解决了簇内单纯的TDMA方式难W解 决的隐藏站、暴露站等问题，实现最大程度的频谱空域复用与节点并行接入，节约有限的信 道频谱空间利用。时域接入上在传统TDMA方法的基础上，根据信道占用与冲突的情况，对 节点上传时间片进行调整。充分利用簇间空域覆盖差异的时间差，减少簇间干扰。
[0122] 针对现在CSMA/CA方法需要频繁检测、回退，在大规模、高密度网络中冲突多，耗 时长等问题。在簇头间差异化功率控制与节点并行接入的基础上，减少现有方法的长时间 信道竞争与等待，采用频谱感知与信道转换的方式避免冲突的发生，在信道转换时，根据节 点统计信息估计各信道的占用概率，优先选择占用概率低的信道进行感知接入，减少频谱 感知与信道扫描的次数，降低信道转换开销。本实施例的方法在保证节点接入与数据通信 效率的基础上，充分考虑网络频谱利用与转换等待时间，尽可能降低节点间竞争等待时间 与能耗，在频谱利用与网络生存周期之间达到新的博弈均衡。
[0123] W上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发 明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、 修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要 求范围当中。
【主权项】
1. 一种时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法，其特征在于，所述方法 包括以下步骤： 51、 成簇首轮，节点按预定的时间唤醒，并接入对应的簇，之后进行数据上传； 52、 对于每一个簇，所述簇头根据其接收到的各个节点的数据，确定其与该簇内各节点 的距离，将该簇内的节点分为主要用户和次要用户； 53、 对于每一个簇，活动时段包括竞争接入时段以及补充传输时段；所述簇头根据所述 簇头与该簇内各节点的距离，在所述竞争接入时段内，按照从远至近或从近至远的顺序依 次为该簇内的每一个节点分配上传数据时间片； 54、 对于簇内每一个节点，在完成向簇头的数据上报后，接收对应簇头广播的上传数据 时间片分配信息，之后转入休眠状态； 55、 所述成簇首轮之后的其他数据上传轮次，对于簇内每一个节点，在为其分配的上传 数据时间片内，该节点唤醒，扫描预设信道，若所述预设信道空闲，则该节点进行数据上传， 上传完毕后进入休眠状态，若所述预设信道被占用，则转入步骤S6 ; 56、 该节点选择其他信道中被占用概率最小的信道作为所述预设信道，并转入步骤 S5 ； 57、 所述步骤S5中，在该节点行数据上传时，若出现冲突，则判断该节点是否为主要用 户，若该节点是主要用户，则该节点重新传输冲突数据，若重新上数据数时再次出现冲突， 则转入所述步骤S6 ;若该节点是次要用户，则该节点放弃数据上传，进入休眠状态，并在所 述补充传输时段内进行数据上传。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤Sl中，节点接入对应的簇之前， 所述方法还包括以下步骤： 1个或多个簇头分别在预定成簇半径内广播成簇信息，接收到所述成簇信息的节点感 知所述成簇信息的信号强度，并调整自身发射功率，使对应的簇头在该节点的通信半径内 的边缘；之后该节点反馈请求接入信息；对应的簇头接收所述请求接入信息，并根据所述 请求接入信息的信号强度调整自身发射功率，使所述节点在对应簇头的通信半径的内边 缘，实现该节点的接入。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，若节点与对应簇头的距离 小于对应的所述预定成簇半径的一半时，则该节点为次要用户；若节点与对应的簇头的距 离大于或等于对应的所述预定成簇半径的一半时，则该节点为主要用户。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤Sl中，在成簇过程中，若一个簇 头接收到其他簇头的成簇信息时，则当前簇头进行频谱感知，寻找并转移到空闲信道成簇。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述簇头在每个所述上传 数据时间片之后设置了一个保护时间片。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，若所述预设信道空闲，则 该节点进行数据上传之前，所述方法还包括以下步骤： 该节点按照概率P直接进行数据上传，并在概率I-P下，该节点以二进制指数回退方式 进行延时，并在下一个时槽再次扫描所述预设信道，若所述预设信道空闲，则该节点直接进 行数据上传，若所述预设信道被占用，则转入所述步骤S6 ;其中该节点对应的上传数据时 间片包括多个时槽。7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中，利用下面的公式计算信道 被占用的概率： Pr= argmaxf (p) 式中，Pr表示第r条信道被占用的概率；argmax表示极大似然估计； 其中，式中，β表示该节点在其对应的上传数据时间片内进行通信的时间的倒数、α表示该 节点在其对应的上传数据时间片内等待的时间的倒数；Cn[i，r]表示该节点在第r条信道 上的累计冲突次数；Cn[j，r]表示该节点所属簇的簇头在第r条信道上的累计冲突次数；i 为该节点的编号；j为该节点所属簇的簇头的编号。8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S7中进一步包括以下步骤用于 实现在所述补充传输时段内上传数据： 所述补充传输时段开始时，所有在数据上传过程中由于遇到冲突进入休眠状态的次要 用户唤醒，对应簇的簇头为该簇内所有在数据上传过程中由于遇到冲突进入休眠状态的次 要用户分配再次上传时间片，并广播所述再次上传时间片的分配信息； 所述次要用户接收簇头广播的再次上传时间片的分配信息，之后进入休眠状态，并在 为其分配的所述再次上传时间片内进行数据上传，其余时间所述次要用户保持在休眠状 ??τ O9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述簇头根据各个次要用户的剩余能量， 按照从低到高的顺序依次为各个次要用户分配再次上传时间片。10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，每个所述节点均存储为其分配的上传数 据时间片、与对应簇头的距离、用户类型、所属簇头的编号、上一次的通信信道、自身的编号 以及在各信道的冲突累计次数； 每一个所述簇头均存储其所属簇的簇内节点个数、其与对应簇内各个节点的距离、其 通信功率、其所属簇的簇内各个节点的剩余能量以及其所属簇的簇内各个节点自身所存储 的信息。
【专利摘要】本发明提供了一种时空域复用的农田无线传感器网络频谱交错接入方法，本发明在簇中为每一个无线传感器，即节点分配上传数据时间片，节点在其对应的时间片内上传数据，其他时间处于休眠状态，降低了簇内信道竞争，充分利用了频谱资源，大大降低了功耗。对于每一个簇，其簇头根据簇头与该簇内各节点的距离，按照占用空域变化趋势不同进行差异化的节点时间片分配，最大程度上进行空间复用，从而大大降低邻近簇之间的相互干扰，同时充分利用了频谱资源。本发明的方法针对数据上传过程中遇到冲突的问题设计了信道频谱转换接入方法，减少信道竞争与等待时间，提高了网络通讯的能量利用效率，在延长网络生命周期的同时保证了数据上传的准确、高效和完整。
【IPC分类】H04W74/08, H04W52/02
【公开号】CN105188117
【申请号】CN201510605310
【发明人】赵春江, 郝鹏, 缪祎晟, 吴华瑞, 李飞飞
【申请人】北京农业信息技术研究中心
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月21日