專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，它通過路由算法以多跳方式傳送信息。路由算法在無線傳慼 器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要作用，它對各節(jié)點(diǎn)的能耗、網(wǎng)絡(luò)壽命以及通信質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用， 因此路由算法的研究受到越來越多的關(guān)注。探測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫墙⒗硐肼酚?策略的前提。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S著網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的移動和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增減發(fā)生 變化。因此周期性的網(wǎng)絡(luò)拓樸探測在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是十分必要的。本專利公開的無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法相比較，其優(yōu)越性表現(xiàn)在(1)能夠獲 得完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?2)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程中傳感器節(jié)點(diǎn)消耗的能量較少。本專利公開的無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程中合理地使用了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的資源。它通 過適當(dāng)增加網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的操作來減少各傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，進(jìn)而降低各傳感器節(jié)點(diǎn)的資源消耗。 這樣做的原因在于，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相比傳感器節(jié)點(diǎn)具有更多的資源。

發(fā)明內(nèi)容
本專利公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)在于從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到各傳感器節(jié)點(diǎn)用一 跳通信方式；而從傳感器節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用多跳通信方式。因此，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以有效地控 制所有傳感器節(jié)點(diǎn)。本專利公開了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y內(nèi)容，它包括各傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路質(zhì) 量和各傳感器節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)，并用一對稱矩陣描述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。各傳感器?jié)點(diǎn)間的通信鏈路質(zhì)量劃分為三個等級，即"優(yōu)"、"中"、"差"。通信鏈路質(zhì)量為"優(yōu)"是指
可以建立正常的通信；"中"是指可以檢測到信號的存在，但無法建立正常通信；"差"是指 檢測不到信號的存在，故也無法建立通信。本專利公開了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)(即加電后狀態(tài))，傳感器節(jié)點(diǎn)加電 后處于休眠和探聽相互交替狀態(tài)。當(dāng)接收到來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的控制信息之后，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y狀態(tài)。本專利公開了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息內(nèi)容及方式。控制信息包括幀時間和時隙分配表。 控制信息以幀為單位發(fā)送，每幀包括幀時間和時隙分配表?？刂菩呕歼B續(xù)發(fā)送/w幀。本專利公開了時隙分配表的生成方法，第一張時隙分配表(即用于第一次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y 時的時隙分配表)采用隨機(jī)方法生成，即前"個時隙隨機(jī)分配給w個傳感器節(jié)點(diǎn)，而最后一 個時隙(即第"+ l個時隙)分配給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送控制信息。第/(/22)張時隙分配表生成 方法如下先給那些在拓?fù)涮綔y過程中尚未發(fā)現(xiàn)的傳感器節(jié)點(diǎn)分配時隙，使那些在拓?fù)涮綔y 過程中尚未被網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的傳感器節(jié)點(diǎn)先發(fā)送網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，這些傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合 我們用符號Si表示并用^表示此集合中傳感器節(jié)點(diǎn)的個數(shù)；其次給那些與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)無直接通 信鏈路的傳感器節(jié)點(diǎn)分配時隙，這些傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合我們用符號&表示并用^表示此集合中傳感器節(jié)點(diǎn)的個數(shù)；最后給那些與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有直接通信鏈路的傳感器節(jié)點(diǎn)分配時隙， 這些傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合我們用符號&表示并用、表示此集合中傳感器節(jié)點(diǎn)的個數(shù)。集合 S,中的傳感器節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)方式分得前A:,個時隙；集合52中的傳感器節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)方式分得接下 來的A^個時隙；集合&中的傳感器節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)方式分得其后的^個時隙；最后一個時隙(即 第"+ l個時隙)仍分配給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在第w + l個時隙發(fā)送的控制信息 有兩種選擇。選擇一當(dāng)需要進(jìn)一步進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y時，控制信息包括以下內(nèi)容①網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y 繼續(xù)指示；②時間信息；③新的時隙分配表(即下次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y要使用的時隙分配表)。選擇二當(dāng)需要結(jié)東網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y時，控制信息僅包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y結(jié)東指示。本專利公開了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程終止方法。當(dāng)相臨的兩次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y結(jié)果一致或已獲得完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r，宣布網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程結(jié)東。


圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；圖2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)； 圖3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃?；圖4網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息形式以及傳感器節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)； 圖5網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程。
具體實(shí)施例方式圖1給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和"個傳感器節(jié)點(diǎn)組 成。傳感器節(jié)點(diǎn)把由各傳感器得到的測量信息以多跳方式傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)匯集由 各傳感器節(jié)點(diǎn)傳送來的測量信息并移交到信息處理中心。此外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送控制信息 完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y任務(wù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息可直接傳送到各個傳感器節(jié)點(diǎn)，無需節(jié)點(diǎn) 間多跳傳送。換言之，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)無線信號發(fā)射功率較大，可覆蓋整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作 (感知)區(qū)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)，其初始狀態(tài)(即加電后狀態(tài))如圖2所示，它由休眠和探聽兩種模式組成，并以一定周期交替出現(xiàn)，其周期為r(-7;—w+7;,w),其中z;一，為 休眠模式占用時間，7;自w為探聽模式占用時間。各傳感器節(jié)點(diǎn)因其加電時刻不同其相移各異，即探聽模式(或休眠模式)啟始時刻各異。各傳感器節(jié)點(diǎn)接收到來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的控制信 息后從初始狀態(tài)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y狀態(tài)由發(fā)送和接收兩種時隙組成。在發(fā)送時隙傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新過的、 最新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?。在接收時隙傳感器節(jié)點(diǎn)接收來自其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，并對自?原有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行更新。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆靡粋€矩陣描述，此矩陣我們稱之為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚒Ｈ鐖D 3所示，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃囀菍ΨQ陣，對角線元素表示各傳感器節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)，其他元素表示相應(yīng)的一對傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路狀態(tài)。例如，第2行第2列元素￡2表示節(jié)點(diǎn)2的能量狀 態(tài)；而第2行第3列元素"差"代表節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3之間的通信鏈路狀態(tài)為"差"。矩陣的大 小與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的個數(shù)一致。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息及傳感器節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)如圖4所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信 息由m個幀組成。每一幀發(fā)送的內(nèi)容為該幀的時間信息和時隙分配表。m個幀中的時隙分配 表一致，但各幀的時間信息各不相同。若第1幀中的時間信息為;c，那么第/^2)幀中的時 間信息為x + (/ -1)x 7>ramt,，其中7,rame(< 7;,,CT, s)為幀周期。時隙分配表給出了時隙的個數(shù)以及 每個時隙分配給哪個傳感器節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送信號。幀的個數(shù)m、幀的周期7>_、以及傳感器節(jié) 點(diǎn)的探聽周期7和探聽時長7; , ^,他們的取值保障每個傳感器節(jié)點(diǎn)能夠完整地接收到一 次w個幀中的任何一個幀。在每次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程中，前w個時隙內(nèi)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)均處于接收狀態(tài)，它接收來自各傳 感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃?，但網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)只能正確接收到部分傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚕?這部分傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路質(zhì)量為"優(yōu)"。這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚱?jīng)處理得到內(nèi)容 更加豐富、更加全面的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃?。整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程如圖5所示。所有傳感器節(jié)點(diǎn)處于初始狀態(tài)。當(dāng)接收到來自網(wǎng)關(guān) 節(jié)點(diǎn)的控制信息之后，所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y狀態(tài)。完成一次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程之后， 所有節(jié)點(diǎn)再次探聽來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的控制信息，并根據(jù)其內(nèi)容或者進(jìn)行下一次的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y 過程，或者網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程宣布結(jié)東。
權(quán)利要求
1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法，其特征在于從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到各傳感器節(jié)點(diǎn)用一跳通信方式，而從傳感器節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用多跳通信方式；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程是在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)控制下由各傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成；各傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)控制信息在相應(yīng)的時隙發(fā)送網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ谄渌麜r隙接收、處理來自其他傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛠碜跃W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的控制信息。
2. 如權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法，其特征在于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y內(nèi)容包括各傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路質(zhì)量和各傳感器節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)，并用一對稱矩陣描述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。各傳感器?jié)點(diǎn)間的通信鏈路質(zhì)量劃分為三種等級，即 "優(yōu)"、"中'，、"差"。
3. 如權(quán)利要求l所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法，其特征在于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 傳感器節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)(即加電后狀態(tài))是休眠和探聽相互交替狀態(tài)。當(dāng)接收到來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) 的控制信息之后，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y狀態(tài)。
4. 如權(quán)利要求l所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法，其特征在于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控 制信息內(nèi)容及方式?？刂菩畔E時間和時隙分配表?？刂菩畔⒁詭瑸閱挝话l(fā)送，每幀包 括幀時間和時隙分配表。控制信息連續(xù)發(fā)送m幀。
5. 如權(quán)利要求l所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法，其特征在于幀的個數(shù)m、幀的周期？V-、以及傳感器節(jié)點(diǎn)的探聽周期r和探聽時長7;自w，他們的取值保障每個傳感器節(jié)點(diǎn)完整地接收到 一次w個幀中的任何一個幀。
6. 如權(quán)利要求l所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法，其特征在于時睞分配表的創(chuàng)建 方法，第一張時隙分配表(即用于第一次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y的時隙分配表)采用隨機(jī)方法生成， 即前"個時隙隨機(jī)分配給n個傳感器節(jié)點(diǎn)，而最后一個時其隙(即第w + l時隙)分配給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送控制信息。第/(/22)張時隙分配表生成方法如下先給那些在拓樸探測過程中尚未發(fā)現(xiàn)的傳感器節(jié)點(diǎn)分配時隙，使那些在拓?fù)涮綔y過程中尚未被網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的傳感器節(jié) 點(diǎn)先發(fā)送網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?；其次給那些與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)無直接通信鏈路的傳感器節(jié)點(diǎn)分配時隙；最 后給那些與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有直接通信鏈路的傳感器節(jié)點(diǎn)分配時隙。
7. 如權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓樸探測方法，其特征在于集合S,中的傳感 器節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)方式分得前^個時隙；集合&中的傳感器節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)方式分得其次的^個時 隙；集合&中的傳感器節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)方式分得最后的&個時隙。
8.如權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法，其特征在于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程 終止方法。當(dāng)相臨的兩次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y結(jié)果一致或已獲得完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r，宣布網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y過程結(jié)東。
全文摘要
本發(fā)明公開了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y方法及其裝置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(Gateway)和n個傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor Node)組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S著網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)或傳感器節(jié)點(diǎn)的移動以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增減不斷發(fā)生變化。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要不斷地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y，并在此基礎(chǔ)上建立路由。各傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的控制下接收、更新和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為整個傳感器網(wǎng)絡(luò)提供時間并為每個傳感器節(jié)點(diǎn)分配時隙。各傳感器節(jié)點(diǎn)僅在分配給自己的時隙內(nèi)發(fā)送信號，而在其他時隙則處于接收狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連續(xù)發(fā)送m幀控制信息，其中每幀包含時間信息和時隙分配方案。
文檔編號H04L12/28GK101127627SQ20061010949
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月17日
發(fā)明者全慶一, 崔俊輝, 曹俊慶, 董云泉 申請人:北京郵電大學(xué)