一種無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，屬于無線技術領域。
【背景技術】
[0002] 傳感器是一種能感受規(guī)定的被測量物件并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器 件或裝置，無線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Network，WSN)是由眾多的傳感器通過無線通信 的方式，相互聯(lián)系，處理、傳遞信息的網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分 布式信息處理技術和通信技術，可以實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境或 監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，傳送給所需用戶。無線傳感網(wǎng)在軍事、工業(yè)控制、 交通、安全、醫(yī)療、野外勘探、環(huán)境監(jiān)測、家庭和辦公環(huán)境等很多方面都有著廣泛的應用。
[0003] 無線傳感網(wǎng)由多個單傳感器節(jié)點組成，各節(jié)點通過傳感或控制參數(shù)來實現(xiàn)與外部 環(huán)境的交互。典型特征是在一個很小的區(qū)域里部署著很多節(jié)點，為了保證一個區(qū)域的覆蓋 率足夠高或者使網(wǎng)絡中有冗余來防止節(jié)點失效。雖然這是密集型網(wǎng)絡部署的優(yōu)點，但是它 也存在著以下缺點:在一個相對擁擠的網(wǎng)絡中，由于鄰居節(jié)點數(shù)目眾多，節(jié)點之間容易互相 干擾，各種可能的路由方式太多，節(jié)點可能會使用較大的功率來與遠處的節(jié)點直接通信，限 制了無線帶寬的重新使用，因此在很多節(jié)點密集分布的網(wǎng)絡中，節(jié)點之間都在彼此的通信 范圍內，在網(wǎng)絡初始化階段，很容易因為沖突碰撞而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包丟失并導致網(wǎng)絡的組成 需要耗費相當長的一段時間，同時形成的網(wǎng)絡拓撲結構也極不穩(wěn)定，在通信過程中也會因 此而導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嗉熬W(wǎng)絡的重組，額外消耗了大量的能量。
[0004] 針對以上問題，我們需要一種針對這種干擾性極強的網(wǎng)絡在網(wǎng)絡的初始階段能夠 快速組網(wǎng)并調度好時隙的分配，以保證整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行缘慕M網(wǎng)方法。
[0005] -個網(wǎng)絡的組成涉及到了網(wǎng)絡的拓撲控制和時隙調度兩個方面。網(wǎng)絡拓撲控制協(xié) 議能夠優(yōu)化路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，使之緊密的結合，為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定 位等很多方面提供基礎，有利于延長整個網(wǎng)絡的生存時間，對網(wǎng)絡性能的影響很大。MAC協(xié) 議決定了無線信道的使用方式，構建了無線傳感網(wǎng)的底層基礎結構，在傳感器節(jié)點之間分 配有限的無線通信資源，使得不同節(jié)點能夠合理的使用這些資源。無線傳感網(wǎng)中單個節(jié)點 的作用是微弱的，傳感器網(wǎng)絡的強大功能是由眾多節(jié)點協(xié)作分工實現(xiàn)的，多個節(jié)點之間的 通信需要各種協(xié)議在局部范圍內協(xié)調各個節(jié)點之間的資源分配，充分利用有限的通信資源 來共同完成一定的任務。無線傳感網(wǎng)拓撲控制主要的研究目的是如何在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和 連通度的前提下，功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，形成一個 數(shù)據(jù)轉發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡結構。在節(jié)點發(fā)射功率不變的情況下，主要考慮層次型拓撲結構組織， 它利用分簇機制讓一些節(jié)點成為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成一個處理并轉發(fā)數(shù)據(jù)的骨干 網(wǎng)，也就是簇，其他非簇頭節(jié)點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。
[0006] 目前主要的層次型拓撲控制方法有TopDisc成簇算法、LEACH自組織成簇算法和 GAF虛擬地理網(wǎng)格分簇算法等，但是這些算法考慮的往往不夠全面，只是針對網(wǎng)絡拓撲的某 一方面進行了優(yōu)化設計。隨著無線傳感網(wǎng)技術的發(fā)展，拓撲控制的研究分類已經(jīng)沒有那么 嚴格，往往是與其他各種方式相結合，并引入啟發(fā)性、數(shù)據(jù)捎帶等機制，以達到節(jié)省能量和 拓撲快速形成的目的。尤其是與MAC協(xié)議的結合能夠讓節(jié)點在前期組網(wǎng)過程中直接進行時 隙的調度，在網(wǎng)絡拓撲形成的同時也確定了其分配到的時隙。目前的MAC協(xié)議主要分為固定 配置協(xié)議以及隨機接入?yún)f(xié)議。在固定配置協(xié)議中，可用的資源在節(jié)點間長期配置，使得每個 節(jié)點可以獨立使用這些資源，沒有碰撞的風險，典型的協(xié)議包括TDMA、FDMA、CDMA等。對于注 重傳輸質量的網(wǎng)絡而言，這種協(xié)議能夠滿足Qos要求，協(xié)議將固定的時隙或者信道分配給固 定的節(jié)點，這樣避免了在同一時隙或者同一信道上產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，但是這種協(xié)議單獨的使 用除了對網(wǎng)絡的時鐘同步要求較高外，還對網(wǎng)絡穩(wěn)定性有著很高的要求，而且當節(jié)點過于 密集時，一個簇頭節(jié)點下面掛載的簇成員節(jié)點過多會導致整個超幀的時隙過多，由此大大 增加了每個節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的時間延遲;而在隨機接入?yún)f(xié)議中，節(jié)點是非協(xié)同工作的，且協(xié)議 是以完全分布式的方式執(zhí)行的，但是使用這種MAC協(xié)議容易發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，從而產(chǎn)生隱終端 和顯終端的問題，數(shù)據(jù)的碰撞重傳也導致了能量的浪費。而目前已有的ZigBee(紫蜂技術） 的MAC協(xié)議米用了將CSMA(Carrier Sense Multiple Access，載波偵聽多路訪問）與TDMA (Time Division Multiple Access，時分多址)相結合的方式來進行數(shù)據(jù)的傳輸，在非節(jié)點 密集的網(wǎng)絡中，一定程度上兼顧了網(wǎng)絡的吞吐量和能量、延遲等特性，但在高密度的傳感器 網(wǎng)絡中，僅僅將CSMA與TDMA相結合還是不夠的，每個簇頭節(jié)點下面掛載的簇成員節(jié)點數(shù)量 太多，不僅前期組網(wǎng)的CSMA階段容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，時隙太多還會導致同步時鐘的漂移以 及較長的通信延遲。

【發(fā)明內容】

[0007] 為克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，用于解 決密集分布的大量傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡初始化階段組網(wǎng)時發(fā)生的碰撞及相關的時隙分配等 問題。
[0008] 為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是:一種無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方法，包括 簇頭節(jié)點及其全局通信時隙的確定，簇成員節(jié)點及其簇內通信時隙的確定;所述簇頭節(jié)點 及其全局通信時隙的確定是指網(wǎng)絡以信標模式工作，采用超幀結構組織數(shù)據(jù)的接收和發(fā) 送，匯聚節(jié)點首先以廣播全局信標幀來進行全網(wǎng)同步，然后根據(jù)請求節(jié)點的剩余能量確定 簇頭節(jié)點，并根據(jù)接收到的請求順序為每一個簇頭節(jié)點依次分配全局通信時隙及其簇內通 信子信道;所述簇成員節(jié)點及其簇內通信時隙的確定是指在確定簇頭節(jié)點后，各個簇頭節(jié) 點廣播自身的子信道信息和空閑時隙情況，未成為簇頭節(jié)點的普通節(jié)點偵聽所有簇頭節(jié)點 的廣播信息，選擇接收信號強度最強的廣播信息所對應的簇頭節(jié)點，并向那個簇頭節(jié)點發(fā) 送請求幀以請求入簇，簇頭節(jié)點接收到請求后確定簇成員節(jié)點，并根據(jù)接收到的請求順序 為每個簇成員節(jié)點分配簇內通信時隙，在某一個普通節(jié)點競爭入簇失敗后，繼續(xù)在下一周 期偵聽全局通信頻段，重新選擇其他的簇頭節(jié)點競爭入簇，簇建立完成；當簇建立完成且網(wǎng) 絡穩(wěn)定后，所有簇頭節(jié)點在全局通信時段非自身通信時隙進入休眠狀態(tài)，所有簇成員節(jié)點 在全局通信時段及簇內通信時段的非自身通信時隙時進入休眠狀態(tài)。
[0009] 進一步的，所述簇建立完成后，若匯聚節(jié)點連續(xù)多次未收到簇頭節(jié)點的廣播信息， 則認為簇頭節(jié)點失效;簇頭節(jié)點失效后，匯聚節(jié)點重新發(fā)起簇頭節(jié)點的選舉，未成為簇頭節(jié) 點的普通節(jié)點、未入簇的普通節(jié)點重新開始競爭成為簇頭節(jié)點；在新的周期內偵聽全局通 信頻段，接收到匯聚節(jié)點的全局信標幀后，以CSMA的方式在空閑時段發(fā)起請求以競爭成為 簇頭節(jié)點，發(fā)起CSMA的時段在簇內通信時段，發(fā)起的信道在全局通信頻段，當新的簇頭確定 后，重新建立自己的新簇。
[0010]更進一步的，所述簇頭節(jié)點失效后，未入簇的普通節(jié)點重新開始競爭成為簇頭節(jié) 點，包括如下步驟:在網(wǎng)絡穩(wěn)定后，簇頭節(jié)點在全局通信時段依次按照自身分配的時隙廣播 數(shù)據(jù)幀，若匯聚節(jié)點在連續(xù)多個周期未收到某個簇頭節(jié)點的廣播數(shù)據(jù)幀，則認為此簇頭節(jié) 點失效;若簇頭節(jié)點由于自身能量不足也可以在廣播數(shù)據(jù)幀中和簇內信標幀中主動添加請 求失效信息；當匯聚節(jié)點和簇成員節(jié)點分別得知所述信息后，由匯聚節(jié)點重新發(fā)起組網(wǎng)命 令，簇成員節(jié)點變成普通節(jié)點，偵聽全局信道中匯聚節(jié)點的全局信標幀，重新選舉出一個新 的簇頭節(jié)點，其余普通節(jié)點則請求重新入簇。
[0011] 進一步的，所述簇建立完成后，當簇成員節(jié)點失效時，簇頭節(jié)點將之前分配給失效 的簇成員節(jié)點的時隙收回，并在下一周期的簇內信標幀中將收回的時隙定為空時隙。
[0012] 進一步的，所述為每一個簇頭節(jié)點依次分配全局通信時隙及其簇內通信子信道， 包括如下步驟:匯聚節(jié)點啟動后的第一個時隙在全局通信頻段內周期性的廣播全局信標 幀，