一种大规模无线传感网分簇组网方法技术

本发明专利技术公开了一种大规模无线传感网分簇组网方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、利用网络的多跳特性划分环区；步骤2、对各环区，生成最优邻簇链，将环区内所有结点均划分入簇；步骤3、基于步骤1、步骤2划分的环区与簇，生成分层路由，完成组网；解决了现有技术中大规模网络获取依赖两两结点间的距离导致获取成本高、落地难的问题；对于无需过多考虑结点能量限制的大规模无线传感网应用场景(典型如楼宇无线物联网络)，提出的高效组网方法具有重要应用价值。应用价值。应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种大规模无线传感网分簇组网方法


[0001]本专利技术属于通信
，具体涉及一种大规模无线传感网分簇组网方法。

技术介绍

[0002]无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知监测区域的传感器，传感器可监测声音、温度、光线、压力等物理数据。无线传感网络将采集到的数据按照一定的方式发送到网关，以实现对目标区域对象的监测。无线传感网络通过无线通信方式形成多跳自组织网络。
[0003]传统扁平式结构的无线传感网络，在大规模结点、多跳通信、大量传感数据需上报的场景下，容易产生“广播风暴”问题，导致网络拥塞和通信失败。通过分簇来构造分层网络，成为解决该问题的一种思路。
[0004]然而，现有无线传感网络分簇方法用于大规模无线传感网络，存在如下不足：
[0005]问题1：方法依赖结点间距离信息，获取成本高、落地难。大规模网络获取两两结点间的距离，需要巨大的测量工作或增加高精度定位模块来实现，过高的成本导致方法难以落地。相关引证专利有：
[0006]CN110602167A一种无线自组网络环境下的分布式数据存储系统：分簇方案、选举方案和宕机恢复方案，适用于小型的无线自组网络；CN111726847A提供的基于结点量能与密集度的无线传感网改良分组方法，在结点密集度和结点剩余量能之间寻找平衡；CN104168621A提出一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法中，计算结点权重使用了结点到簇头、及结点到触发结点的距离信息。<br/>[0007]问题2：方法中引入随机决策机制，牺牲了系统的确定性及最优性。例如专利CN111107603A根据结点自身电量百分比随机性参与竞争簇头，本质上可视为一种减少运算、控制开销的手段。不足之处：一是系统组网无法进行迭代优化，每次都是推翻重来；二是随机落选的结点可能是潜在的最优选择。
[0008]问题3：方法复杂度高，分布式计算所需硬件成本高，大规模应用难。例如专利CN111107603A通过权值最优原则选取网络中簇头节点的方法。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种大规模无线传感网分簇组网方法，解决了现有技术中大规模无线传感网络组网依赖两两结点间的距离导致获取成本高、落地难的问题。
[0010]本专利技术所采用的技术方案是，一种大规模无线传感网分簇组网方法，具体按照以下步骤实施：
[0011]步骤1、利用网络的多跳特性划分环区；
[0012]步骤2、对各环区，生成最优邻簇链，将环区内所有结点均划分入簇；
[0013]步骤3、基于步骤1、步骤2划分的环区与簇，生成分层路由，完成组网。
[0014]步骤1具体过程为：
[0015]步骤1.1、选择网关结点作为源结点广播HELLO通信帧；
[0016]步骤1.2、接收到HELLO通信帧的结点允许进行1次中继转播；经i跳通信接收到源结点HELLO通信帧的结点，在其存储器中记录其前向结点、及当前结点的跳数；其中，源结点跳数为0，源结点单跳到达的结点跳数为1，1跳结点单跳到达的结点跳数为2
……
依此类推；
[0017]步骤1.3、结点通过其前向结点链路向源结点回传其ID与跳数信息；当所有结点回传信息结束后，以源结点为中心，覆盖跳数为i的结点集合的环形区域称为环区，记作R
i
；其中，环区R
i
中结点的跳数为i。
[0018]步骤2具体过程为：
[0019]步骤2.1、在各环区中选择能量最大的一个结点做各环区首簇头，能量相等情况下选择ID最小的结点做首簇头；
[0020]步骤2.2、由簇头关联簇成员；
[0021]步骤2.3、从跳数最小的环区开始，对各环区，由当前分簇生成最优邻簇；
[0022]步骤2.4、迭代步骤2.3，不断生成新的最优邻簇，直到当前环区所有结点均划分入簇；此时，环区内所有最优邻簇组成最优邻簇链。
[0023]步骤2.2具体过程为：
[0024]步骤2.2.1、簇头发射组簇通信帧
‑
CLUSTER；
[0025]步骤2.2.2、自由态结点收到组簇通信帧
‑
CLUSTER后，记录对应的簇头ID，并向对应簇头发送入簇请求帧
‑
REQUEST；非自由态结点收到组簇通信帧后不响应；已经发送过入簇请求帧
‑
REQUEST的结点不转发组簇通信帧、也不再接收新的组簇通信帧；
[0026]步骤2.2.3、簇头收到结点入簇请求帧
‑
REQUEST后，如果当前簇的结点数未超过簇规模上限，则向结点发送入簇确认帧
‑
CONFIRM，接收结点入簇；
[0027]步骤2.2.4、结点收到簇头的入簇确认帧后记录对应的簇头ID同时作为簇编号，修改身份标记为“簇成员”，向簇头发送入簇成功通信帧
‑
SUCCESS；
[0028]步骤2.2.5、簇头收到结点入簇成功通信帧后，更新簇头存储的簇成员列表。
[0029]步骤2.3具体过程为：
[0030]步骤2.3.1、在环区中，筛选自由态结点中能量大于设定阈值θ、且为当前环区已入簇成员单跳邻居的结点，按结点id排序，生成当前环区的准邻簇头列表；自由态结点非簇头且非簇成员；
[0031]步骤2.3.2、对当前环区准邻簇头列表中每个准邻簇头，获取相应的准邻簇成员数m、单跳覆盖当前环区已入簇成员数n；
[0032]步骤2.3.3、对当前环区准邻簇头列表中所有准邻簇头，通过冒泡排序法找到m最大、n最小且n不为0的准邻簇头，即最优邻簇头；由步骤2.2，最优邻簇头关联簇成员，得到最优邻簇成员；最优邻簇头与相应的最优邻簇成员组成当前环区现有分簇的最优邻簇。
[0033]步骤2.3.2具体过程为：
[0034]步骤2.3.2.1、按步骤2.2由准邻簇头关联准邻簇成员，统计得到成员数m；
[0035]步骤2.3.2.2、准邻簇头发射簇成员解散帧
‑
RELEASE，将关联的簇成员结点恢复为自由态；
[0036]步骤2.3.2.3、确定准邻簇头单跳覆盖的当前环区已入簇成员数n。
[0037]确定准邻簇头单跳覆盖的当前环区已入簇成员数n具体过程为：
[0038]准邻簇头发射覆盖探测帧
‑
COVER；
[0039]网络中接收到COVER帧的已入簇簇成员结点向COVER帧来源的准邻簇头反馈回应帧
‑
COVERED；
[0040]对准邻簇头收到的回应帧相关的已入簇簇成员结点进行计数。
[0041]步骤3具体过程为：
[0042]步骤3.1、分簇自组为星型网络：
[0043]a).簇头与簇成员之间为单跳通信；
[0044]b).记录每个簇成员对应的簇头ID，簇头存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大规模无线传感网分簇组网方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、利用网络的多跳特性划分环区；步骤2、对各环区，生成最优邻簇链，将环区内所有结点均划分入簇；步骤3、基于步骤1、步骤2划分的环区与簇，生成分层路由，完成组网。2.根据权利要求1所述一种大规模无线传感网分簇组网方法，其特征在于，步骤1具体过程为：步骤1.1、选择网关结点作为源结点广播HELLO通信帧；步骤1.2、接收到HELLO通信帧的结点允许进行1次中继转播；经i跳通信接收到源结点HELLO通信帧的结点，在其存储器中记录其前向结点、及当前结点的跳数；其中，源结点跳数为0，源结点单跳到达的结点跳数为1，1跳结点单跳到达的结点跳数为2
……
依此类推；步骤1.3、结点通过其前向结点链路向源结点回传其ID与跳数信息；当所有结点回传信息结束后，以源结点为中心，覆盖跳数为i的结点集合的环形区域称为环区，记作R
i
；其中，环区R
i
中结点的跳数为i。3.根据权利要求1所述一种大规模无线传感网分簇组网方法，其特征在于，步骤2具体过程为：步骤2.1、在各环区中选择能量最大的一个结点做各环区首簇头，能量相等情况下选择ID最小的结点做首簇头；步骤2.2、由簇头关联簇成员；步骤2.3、从跳数最小的环区开始，对各环区，由当前分簇生成最优邻簇；步骤2.4、迭代步骤2.3，不断生成新的最优邻簇，直到当前环区所有结点均划分入簇；此时，环区内所有最优邻簇组成最优邻簇链。4.根据权利要求1所述一种大规模无线传感网分簇组网方法，其特征在于，步骤2.2具体过程为：步骤2.2.1、簇头发射组簇通信帧
‑
CLUSTER；步骤2.2.2、自由态结点收到组簇通信帧
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CLUSTER后，记录对应的簇头ID，并向对应簇头发送入簇请求帧
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REQUEST；非自由态结点收到组簇通信帧后不响应；已经发送过入簇请求帧
‑
REQUEST的结点不转发组簇通信帧、也不再接收新的组簇通信帧；步骤2.2.3、簇头收到结点入簇请求帧
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REQUEST后，如果当前簇的结点数未超过簇规模上限，则向结点发送入簇确认帧
‑
CONFIRM，接收结点入簇；步骤2.2.4、结点收到簇头的入簇确认帧后记录对应的簇头ID同时作为簇编号，修改身份标记为“簇成员”，向簇头发送入簇成功通信帧
‑
SUCCESS；步骤2.2.5、簇头收到结点入簇成功通信帧后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛刚刚，赵瓅晔，
申请(专利权)人：非凡士智能科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：