基于无线传感网络隐藏节点冲突的分配方法组成比例

本发明专利技术公开了基于无线传感网络隐藏节点冲突的分配方法；用对称邻接矩阵表示节点间的隐藏关系，分割出多个完全图表示节点的分组，组内节点能侦听到组成员的发包，而分组间存在隐藏冲突问题。若两个节点由于自身信号覆盖范围不能侦听对方的报文，则它们互为隐藏节点，当它们同时向中心节点发送报文，报文叠加就造成报文出错。分组后的无线传感器节点在所属分组的时间片区内进行报文发送，由于节点发送报文采用先侦听信道，确认信道空闲再发送的方式，组内节点能避免彼此的冲突，而组外节点由于不在同一时间片区发送报文，解决了网段内互为隐藏节点的节点向同一非隐藏节点同时发送消息导致接收错误的实际问题。

Method for hiding node conflict based on Wireless Sensor Network

The invention discloses a method for allocating hidden node conflicts based on wireless sensor networks; symmetric adjacency matrices are used to represent hidden relationships among nodes, and multiple complete graphs are divided to represent the groupings of nodes. The nodes in the group can detect the outgoing packets of group members, while hidden conflicts exist among groups. If two nodes can't listen to each other's messages because of their signal coverage, they are hidden nodes. When they send messages to the central node at the same time, the overlapping of messages will cause message errors. Packet-based wireless sensor nodes send messages in the time-slice of their respective packet. Because the nodes send messages by listening to the channel first and confirming that the channel is free and sending again, intra-group nodes can avoid conflicts with each other, while out-group nodes can solve the problem of inter-network interaction because they do not send messages in the same time-slice. The hidden node's message is sent to the same non hidden node at the same time, resulting in the actual problem of receiving the error.

【技术实现步骤摘要】
基于无线传感网络隐藏节点冲突的分配方法
本专利技术涉及一种节点冲突分组方法，特别是涉及一种基于无线传感网络隐藏节点冲突的分配方法，属于网络

技术介绍
无线传感网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳、自组织的网络系统，以达到协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息。IEEE802.15.4(以下称LR-WPAN)是一种为低速率无线个域网设计的新标准，与其它无线网协议相比(Wi-Fi、蓝牙)，具有低功耗、低成本和短距离等特点，更适用于作为WSN的mac协议，发展前景广阔。然而，LR-WPAN使用CSMA/CA机制来接入信道以达到较小的能量消耗，但存在不足：随着节点数量的增多和网络负载的加重，整个网络冲突大量增加而降低网络的性能。特别是隐藏节点冲突(hiddennodecollision,HNC)引起的性能下降。节点B正在向协调器发送数据包，由于节点A与节点B具有隐藏关系，所以节点A不能感知到节点B的存在，在判断信道空闲后节点A也开始向协调器发送数据，那么协调器端就会发生由于隐藏节点引起的冲突，此冲突可能发生在发送包过程中的任何时间点。研究表明，在节点随机分布的网络中，发生隐藏节点问题的几率高达41％，频繁的隐藏冲突会导致消息重传，对整个网络的吞吐量和通信延时产生消极影响，也导致大量能量消耗，大大降低整个网络的生存周期。LR-WPAN网络节点数量大，分布随机性强，如何在存在隐藏节点的网络中，有效减少冲突碰撞的反复发生，是IEEE802.15.4MAC层亟待完善的问题。其中一种解决思路是对无线网络提出分组设想,有研究者提出一种分组策略(GroupingStrategy)解决隐藏节点问题，解决步骤分为四步：隐藏节点场景发现、隐藏关系收集、节点分组、带宽分配。算法的具体思路是根据节点间的隐藏关系把节点划分为N个只有竞争冲突的组,然后将原来的自由竞争时间片(CAP)均匀分成N个时间片,组内节点只能在规定的时间片内竞争发送数据,但如果某一时间片所属的组没有节点要发送数据,其他组也不能使用该时间片，造成时间浪费，影响网络传输的时效性。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于无线传感网络隐藏节点冲突的分配方法，解决网段内互为隐藏节点的节点向同一非隐藏节点同时发送消息导致接收错误的实际问题。本专利技术基于ZigBee无线网络，中心节点通过自行设计的算法获取各子节点的可侦听节点列表。算法通过邻接矩阵对网络隐藏关系进行建模，然后从邻接矩阵中分割出多个完全图表示多个分组。本专利技术目的通过如下技术方案实现：一种基于无线传感网络隐藏节点冲突的分配方法，包括如下步骤：1)Zigbee网络组建完成，中心节点通过分布式地址分配方法为子节点分配地址IP1、IP2～IPn，各子节点通过多次交互，侦听到该节点能侦听到的其他节点地址；2)根据可达信号列表构建邻接矩阵，假设子节点数量为n，邻接矩阵中构建二维矩阵A[n][n]，A[i][j]＝1表示节点i侦听到节点j，IPj属于{IPi1～IPim}；A[i][j]＝0表示节点i不在节点j的信号覆盖范围内；3)对邻接矩阵进行数据清洗得到非隐藏关系邻接矩阵，要求组内节点能互相侦听到对方，将所有A[i][j]！＝A[j][i]改为A[i][j]＝A[j][i]＝0，清理后的邻接矩阵为对称矩阵；4)将步骤3)步得到的邻接矩阵分割出多个互不交叉的完全图，每个完全图代表一个分组；5)分组后，子节点按照分组通讯办法，在自身分组所属时间片区进行报文发送，避免隐藏冲突问题。为进一步实现本专利技术目的，优选地，步骤4)所述分割出多个互不交叉的完全图的方法为：A、建立一个分组标记表示各节点最终所属分组，初始值为无效分组；初始将所有子节点划分到一个分组，若邻接矩阵是完全图，分组标记设置为1，计算结束，该网络只需要1个分组，否则下一步；B、检查所有分组标记是否已设置值，若是则算法结束，各节点按照分组标记进行分组；否则由所有未分组节点构建新的邻接矩阵，输入到下一步；C、假设该步输入矩阵为B[w,w]，依次计算各节点的非隐藏节点数量，如B中i节点非隐藏关系数量counti为B[i][1:w]的和；选择i属于1～w所有count的最小值，假设为t；以t为中心，将所有与它非隐藏关系的节点共同构建出一个新的邻接矩阵Ct[m,m]，Ct中X,Y分别对应B的X’和Y’，则Ct[X][Y]＝B[X’][Y’]；D、判断Ct是否为完全图，若是将Ct中所有节点分到一个全新分组，分组标记为一个新的分组值，跳到4.2；否则以Ct为输入矩阵跳到步骤C。相对于现有技术，本专利技术具有如下优点：(1)分组算法在中心节点进行，有效利用中心节点较强的计算资源和较大的内存资源。(2)空间复杂度为O(n^2)，算法复杂度为O(n^2)，可以提前根据子节点数量预计内存消耗情况，及时做出预警或放弃分组算法，避免运算过程中才发现内存不足的问题，提高算法性能。(3)算法中使用邻接矩阵表示非隐藏关系，在网络节点分布均匀的情况下，每个节点的非隐藏节点数量与隐藏节点数量的比例是1：2，矩阵中值为0的数量大于值为1，且算法过程中对原始数据清理后得出的矩阵是对称矩阵，中心节点可以进一步对该稀疏矩阵进行压缩，节省存储空间。附图说明图1为本专利技术方法的流程示意图。图2为实施例节点情况示意图。图3为实施例1号节点的信号覆盖范围情况图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。基于无线传感网络隐藏节点冲突的分配方法，包括如下步骤：1)Zigbee网络组建完成，中心节点通过分布式地址分配方法为子节点分配地址IP1、IP2～IPn，各子节点通过多次交互，侦听到该节点能侦听到的其他节点地址；2)根据可达信号列表构建邻接矩阵，假设子节点数量为n，邻接矩阵中构建二维矩阵A[n][n]，A[i][j]＝1表示节点i侦听到节点j，IPj属于{IPi1～IPim}；A[i][j]＝0表示节点i不在节点j的信号覆盖范围内；3)对邻接矩阵进行数据清洗得到非隐藏关系邻接矩阵，要求组内节点能互相侦听到对方，将所有A[i][j]！＝A[j][i]改为A[i][j]＝A[j][i]＝0，清理后的邻接矩阵为对称矩阵；4)将步骤3)步得到的邻接矩阵分割出多个互不交叉的完全图，每个完全图代表一个分组；5)分组后，子节点按照分组通讯办法，在自身分组所属时间片区进行报文发送，避免隐藏冲突问题。步骤4)所述分割出多个互不交叉的完全图的方法为：A、建立一个分组标记表示各节点最终所属分组，初始值为无效分组；初始将所有子节点划分到一个分组，若邻接矩阵是完全图，分组标记设置为1，计算结束，该网络只需要1个分组，否则下一步；B、检查所有分组标记是否已设置值，若是则算法结束，各节点按照分组标记进行分组；否则由所有未分组节点构建新的邻接矩阵，输入到下一步；C、假设该步输入矩阵为B[w,w]，依次计算各节点的非隐藏节点数量，如B中i节点非隐藏关系数量counti为B[i][1:w]的和；选择i属于1～w所有count的最小值，假设为t；以t为中心，将所有与它非隐藏关系的节点共同构建出一个新的邻接矩阵Ct[m,m]，Ct中X,Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于无线传感网络隐藏节点冲突的分配方法，其特征在于包括如下步骤：1)Zigbee网络组建完成，中心节点通过分布式地址分配方法为子节点分配地址IP1、IP2～IPn，各子节点通过多次交互，侦听到该节点能侦听到的其他节点地址；2)根据可达信号列表构建邻接矩阵，假设子节点数量为n，邻接矩阵中构建二维矩阵A[n][n]，A[i][j]＝1表示节点i侦听到节点j，IPj属于{IPi1～IPim}；A[i][j]＝0表示节点i不在节点j的信号覆盖范围内；3)对邻接矩阵进行数据清洗得到非隐藏关系邻接矩阵，要求组内节点能互相侦听到对方，将所有A[i][j]！＝A[j][i]改为A[i][j]＝A[j][i]＝0，清理后的邻接矩阵为对称矩阵；4)将步骤3)步得到的邻接矩阵分割出多个互不交叉的完全图，每个完全图代表一个分组；5)分组后，子节点按照分组通讯办法，在自身分组所属时间片区进行报文发送，避免隐藏冲突问题。

【技术特征摘要】
1.基于无线传感网络隐藏节点冲突的分配方法，其特征在于包括如下步骤：1)Zigbee网络组建完成，中心节点通过分布式地址分配方法为子节点分配地址IP1、IP2～IPn，各子节点通过多次交互，侦听到该节点能侦听到的其他节点地址；2)根据可达信号列表构建邻接矩阵，假设子节点数量为n，邻接矩阵中构建二维矩阵A[n][n]，A[i][j]＝1表示节点i侦听到节点j，IPj属于{IPi1～IPim}；A[i][j]＝0表示节点i不在节点j的信号覆盖范围内；3)对邻接矩阵进行数据清洗得到非隐藏关系邻接矩阵，要求组内节点能互相侦听到对方，将所有A[i][j]！＝A[j][i]改为A[i][j]＝A[j][i]＝0，清理后的邻接矩阵为对称矩阵；4)将步骤3)步得到的邻接矩阵分割出多个互不交叉的完全图，每个完全图代表一个分组；5)分组后，子节点按照分组通讯办法，在自身分组所属时间片区进行报文发送，避免隐藏冲突问题。2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络隐藏节...

【专利技术属性】
技术研发人员：李拥军，周玮康，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44