一种分簇链状无线传感器网络通信方法技术

本发明专利技术公开了一种分簇链状无线传感器网络通信方法。采用分簇‑链状拓扑构建网络，采用WOR模式设计通讯协议。所有传感器节点初始化完成后进入WOR模式，可由汇聚节点唤醒；汇聚节点周期性地向所有传感器节点发送同步信标帧，对整个网络进行时间同步，并调度网内簇首节点及其簇成员节点分时、协调地传输数据，并接收簇首节点发送过来的监测数据；在簇内周期，簇成员节点在对应的时隙醒来后，向簇首节点发送采集到的数据，各簇首节点同时接收簇成员节点发送的信息，互不干扰；在若干个簇间周期，簇首节点在汇聚节点的调度下，两两醒来传输数据，并通过多跳中继的方式将数据上报至汇聚节点。本发明专利技术具有较低的能耗和较高的可靠性，延长了网络生命周期。

【技术实现步骤摘要】
一种分簇链状无线传感器网络通信方法
本专利技术属于无线传感网络领域，特别涉及了一种分簇链状无线传感器网络通信方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetworks:WSN)是由一系列价格低廉、能耗小、尺寸适中、具备数据采集和计算能力，并且能在短距离内进行无线通信的大量传感器节点，通过自组织构成的一种特定用途的新型无线网络。由于其具有灵活性高、容错性强和部署快速等特点，成为近年来通信学科的热点研究领域，也成为一种周边监控、信息采集和提供军事区域后勤支援的可靠军事化应用。同时，WSN在其他领域也有着越来越多的表现，如基于传感器的个人健康监测、海洋生态系统实时监控、工业生产领域设备健康监测等。随着研究的不断深入和应用场景的多样化，无线传感器网络技术取得了一系列重大进展，同时，也带来了一系列新的问题和挑战。由于传感器本身电源能量的局限性，节能降耗成为目前制约WSN发展的一个瓶颈问题。因此，无线传感器网络中所有技术的实现都要以节能为第一要素。分簇和链状都是无线传感器网络中常见的拓扑结构。分簇结构具有组网简单的优点，但是网络覆盖范围有限，可靠性差，一旦簇头节点失效整个星型网络将无法正常工作；链状结构只能保证监测的长度，在大范围的应用中无法保障监测的全面性。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种分簇链状无线传感器网络通信方法，结合分簇和链状拓扑结构，弥补单一网络结构的存在的缺陷。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种分簇链状无线传感器网络通信方法，包括以下步骤：(1)结合分簇拓扑结构和链型拓扑结构的特点，对无线传感器网络采用分簇链状的节点部署方案；其中，每个簇的簇成员节点采集数据，并汇总至所在簇的簇首节点，然后簇首节点按照多跳中继的方式将数据传输至汇聚节点；(2)所有传感器节点初始化完成后进入WOR状态，汇聚节点进入发送状态；整个网络完成一轮数据收集需要N+1个周期，包含1个簇内周期和N个簇间周期，N为簇的数量；(3)进入簇内周期，汇聚节点发送簇内信标帧，唤醒网络内全部传感器节点，簇成员节点在对应的时隙醒来后，向簇首节点发送采集到的数据，各簇首节点同时接收所属簇成员节点发送的信息，互不干扰；(4)进入簇间周期，汇聚节点发送同步信号帧，唤醒所有簇首节点，相邻簇首节点两两进入工作状态，通过多跳中继的方式将数据上报至汇聚节点；(5)进入睡眠周期，所有传感器节点处于休眠状态，直至下一轮数据收集周期。进一步地，网络中的每个分簇包括1个簇首节点和n个簇成员节点，且簇头节点位于簇成员节点的中心处，在一个分簇内，簇首节点的编号为0，各簇成员节点的编号按照逆时针的方向从1开始依次递增；各簇首节点依次连接，直至到达汇聚节点，从而构成链型拓扑结构，在链型拓扑结构中，各簇首节点的编号按照其与汇聚节点距离的增大而从1开始依次递增。进一步地，步骤(3)的具体步骤如下：(31)汇聚节点发送包含m个帧的簇内信标帧，唤醒网络内全部传感器节点；(32)簇首节点被唤醒并接收到一个完整的信标帧后，根据其ID号以及所接收到的信标帧帧序号计算出休眠时间trest1，休眠时间trest1后进入接收状态：trest1＝(m-mj)tbeacon上式中，mj为簇首节点接收到的信标帧帧序号，tbeacon为汇聚节点广播一个信标帧的时间；(33)簇成员节点被唤醒并接收到一个完整的信标帧后，根据其ID号以及所接收到的信标帧帧序号计算出休眠时间trest3，休眠trest3后醒来，若无数据发送，则休眠时间trest5后直接进入下一轮数据收集周期，至此，簇内同步、时隙部署完成：trest3＝(m-mj)tbeacon+(ni-1)tslottrest5＝(n-ni+1)tslot+Tbetween+Tsleep上式中，ni为簇成员节点的簇内编号，tslot为簇成员节点发送一个数据帧的时隙长度，Tbetween为一个簇间周期，Tsleep为一个睡眠周期；(34)簇成员节点在自己规定的时隙内发送数据，簇首节点接收数据；(35)簇首节点在trest2时间内接收全部簇成员节点发送过来的数据后，进入WOR状态，等待汇聚节点唤醒进入簇间周期：trest2＝n*tslot上式中，n为一个分簇的簇成员个数；(36)簇成员节点在对应的时隙内发送完数据并休眠trest4时间后进入下一轮数据采集周期：trest4＝(n-ni)tslot+Tbetween+Tsleep至此，簇内周期完成。进一步地，步骤(4)的具体步骤如下：(41)汇聚节点在第1个簇间周期开始发出帧位号为N的同步信标帧，以唤醒所有的簇首节点；(42)全部簇首节点被唤醒后，根据帧位号判断是否进入工作状态；这样，在第1个簇间周期，N-2号簇首节点N至1号簇首节点被唤醒后，立即返回WOR状态；(43)N号簇首节点被唤醒后，根据所接收到的信标帧帧序号计算出休眠时间trest6，延迟时间trest6后进入发送状态：trest6＝(m-mj)tbeacon(44)N-1号簇首节点被唤醒后，根据所接收到的信标帧帧序号计算出休眠时间trest8，延迟时间trest8后进入接收状态：trest8＝(m-mj)tbeacon(45)N号簇首节点发送数据，N-1号簇首节点接收数据，在tlast内完成数据传输：tlast＝(N-Nk+1)*tcluster上式中，Nk为簇首节点接收到的信标帧帧位号，在第i个簇间周期Nk＝i，此时Nk＝1，tcluster为i号簇首节点向i-1号簇首节点簇首节点传输数据所需的时间；(46)N号簇首节点休眠时间trest7后进入下一轮数据收集周期：上式中，i为当前簇间周期发送数据的簇首节点编号，此时i＝N，j为求和变量；(47)N-1号簇首节点接收完数据后，准备开始下一个簇间周期；(48)依次类推，直至所有节点信息上传到1号簇首节点；(49)汇聚节点在最后一个簇间周期开始发出帧位号为1的同步信标帧，唤醒1号簇首节点进入工作状态，同时汇聚节点由发送状态进入接收状态；(410)1号簇首节点根据所接收到的信标帧帧序号计算出休眠时间trest9，延迟时间trest9后进入发送状态：trest9＝(m-mj)tbeacon(411)1号簇首节点发送收据，汇聚节点接收数据；(412)1号簇首节点发送完数据后直接进入WOR状态，汇聚节点由接收状态进入发送状态，至此，一轮数据收集完成。进一步地，节点部署完成后，需要给每一个节点设置一个ID号，来表明该节点在网络中的位置，该ID号包括簇首号和簇内成员号，所有簇首节点的簇内成员号均为0，在一个簇内，所有节点的簇首号相同，汇聚节点的簇首号和簇内成员号均为0。进一步地，传感器节点有3种状态：工作状态、WOR状态和休眠状态，工作状态分为发送状态和接收状态，WOR状态和休眠状态属于低功耗状态，节省能耗；WOR状态能够接收数据，休眠状态不能发送和接收数据。进一步地，限制簇成员节点的通信半径为最小有效通信半径，使相邻簇簇首节点与该簇成员节点之间的距离远远大于其通信距离。进一步地，汇聚节点由交流电直接供电，没有能耗限制；簇首节点和簇成员节点的初始能量配比不同，簇首节点能量高于簇成员节点。采用上述技术方案带来的有益效果：本专利技术综合考虑了农田、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分簇链状无线传感器网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)结合分簇拓扑结构和链型拓扑结构的特点，对无线传感器网络采用分簇链状的节点部署方案；其中，每个簇的簇成员节点采集数据，并汇总至所在簇的簇首节点，然后簇首节点按照多跳中继的方式将数据传输至汇聚节点；(2)所有传感器节点初始化完成后进入WOR状态，汇聚节点进入发送状态；整个网络完成一轮数据收集需要N+1个周期，包含1个簇内周期和N个簇间周期，N为簇的数量；(3)进入簇内周期，汇聚节点发送簇内信标帧，唤醒网络内全部传感器节点，簇成员节点在对应的时隙醒来后，向簇首节点发送采集到的数据，各簇首节点同时接收所属簇成员节点发送的信息，互不干扰；(4)进入簇间周期，汇聚节点发送同步信号帧，唤醒所有簇首节点，相邻簇首节点两两进入工作状态，通过多跳中继的方式将数据上报至汇聚节点；(5)进入睡眠周期，所有传感器节点处于休眠状态，直至下一轮数据收集周期。

【技术特征摘要】
1.一种分簇链状无线传感器网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)结合分簇拓扑结构和链型拓扑结构的特点，对无线传感器网络采用分簇链状的节点部署方案；其中，每个簇的簇成员节点采集数据，并汇总至所在簇的簇首节点，然后簇首节点按照多跳中继的方式将数据传输至汇聚节点；(2)所有传感器节点初始化完成后进入WOR状态，汇聚节点进入发送状态；整个网络完成一轮数据收集需要N+1个周期，包含1个簇内周期和N个簇间周期，N为簇的数量；(3)进入簇内周期，汇聚节点发送簇内信标帧，唤醒网络内全部传感器节点，簇成员节点在对应的时隙醒来后，向簇首节点发送采集到的数据，各簇首节点同时接收所属簇成员节点发送的信息，互不干扰；(4)进入簇间周期，汇聚节点发送同步信号帧，唤醒所有簇首节点，相邻簇首节点两两进入工作状态，通过多跳中继的方式将数据上报至汇聚节点；(5)进入睡眠周期，所有传感器节点处于休眠状态，直至下一轮数据收集周期。2.根据权利要求1所述分簇链状无线传感器网络通信方法，其特征在于，网络中的每个分簇包括1个簇首节点和n个簇成员节点，且簇头节点位于簇成员节点的中心处，在一个分簇内，簇首节点的编号为0，各簇成员节点的编号按照逆时针的方向从1开始依次递增；各簇首节点依次连接，直至到达汇聚节点，从而构成链型拓扑结构，在链型拓扑结构中，各簇首节点的编号按照其与汇聚节点距离的增大而从1开始依次递增。3.根据权利要求2所述分簇链状无线传感器网络通信方法，其特征在于，步骤(3)的具体步骤如下：(31)汇聚节点发送包含m个帧的簇内信标帧，唤醒网络内全部传感器节点；(32)簇首节点被唤醒并接收到一个完整的信标帧后，根据其ID号以及所接收到的信标帧帧序号计算出休眠时间trest1，休眠时间trest1后进入接收状态：trest1＝(m-mj)tbeacon上式中，mj为簇首节点接收到的信标帧帧序号，tbeacon为汇聚节点广播一个信标帧的时间；(33)簇成员节点被唤醒并接收到一个完整的信标帧后，根据其ID号以及所接收到的信标帧帧序号计算出休眠时间trest3，休眠trest3后醒来，若无数据发送，则休眠时间trest5后直接进入下一轮数据收集周期，至此，簇内同步、时隙部署完成：trest3＝(m-mj)tbeacon+(ni-1)tslottrest5＝(n-ni+1)tslot+Tbetween+Tsleep上式中，ni为簇成员节点的簇内编号，tslot为簇成员节点发送一个数据帧的时隙长度，Tbetween为一个簇间周期，Tsleep为一个睡眠周期；(34)簇成员节点在自己规定的时隙内发送数据，簇首节点接收数据；(35)簇首节点在trest2时间内接收全部簇成员节点发送过来的数据后，进入WOR状态，等待汇聚节点唤醒进入簇间周期：trest2＝n*tslot上式中，n为一个分簇的簇成员个数；(36)簇成员节点在对应的时隙内发送完数据并休眠trest4时间后进入下一轮数据采集周期：trest4＝(n-ni)tslot+Tbetween+Tsleep至此，簇内周期完成。4.根据权利要求3所述分簇链状无线传感器网络通信方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：严锡君，于凡，刁宏志，潘晓陈，孙颖，赵姗姗，范媛媛，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32