基于网格和分簇相结合的无线传感器网络组网方法

1.一种基于网格和分簇相结合的无线传感器网络组网方法，其特征在于它至少包括三个步骤：骨干节点间组网、簇头节点组网、簇成员节点组网，依次进行；
a1、骨干节点间组网流程：骨干节点间通过Mesh的方式进行组网，骨干节点按超帧机制工作，骨干节点在其Broadcast时段，广播Beacon帧，Beacon帧中包含了骨干节点的超帧周期信息，采用分布式广播退避策略竞争信道，保证Beacon帧尽可能广播成功；
a2、簇头节点组网：簇头节点接收到骨干节点的Beacon帧时，如果已经加入了骨干节点的连接，则直接丢弃该Beacon帧；
a3、簇成员节点组网流程：簇成员节点收到簇头节点的Beacon帧时，如果已经加入了一个簇头节点，则直接丢弃该Beacon帧；簇成员节点没有加入任何簇，向广播Beacon帧的簇头节点发送REQ帧，请求加入；簇头节点预先设置了一个最大成员数，收到簇成员节点的REQ帧时，当前成员数没有超过最大成员数，则同意其加入，则回复一个ADMIT帧；否则，拒绝则回复一个DENY帧。
2.根据权利要求1所述的基于网格和分簇相结合的无线传感器网络组网方法，其特征在于当a1骨干节点间组网流程中广播骨干节点传输范围之内的其他骨干节点接收到该骨干节点Beacon帧，则在自己的邻居表中记录该骨干节点的地址；
簇头节点记录所收到的Beacon帧对应的骨干节点；
骨干节点的Beacon帧属于MAC层的广播控制帧，接收方不需要回复。
3.根据权利要求1所述的基于网格和分簇相结合的无线传感器网络组网方法，其特征在于当a2簇头节点组网中：
簇头节点没有加入任何骨干节点的连接，并且首次收到骨干节点的Beacon帧，在骨干节点的Communication时段，向其发送REQ帧；
簇头节点没有加入任何骨干节点的连接，但是收到过几个来自不同骨干节点的Beacon帧；簇头节点按照Beacon帧到达的先后顺序，依次选择向每个骨干节点发送REQ帧，对于每个骨干节点，最多发送3次REQ帧；
簇头节点发送REQ帧时，采用MAC层的分布式单播退避策略竞争信道，保证REQ帧发送成功，REQ帧是MAC层的单播控制帧，需要接收方的ACK回复；
能正确接收到簇头节点的REQ帧的骨干节点，会回复一个ADMIT帧，同意其连接申请，ADMIT帧是MAC层的单播控制帧，需要接收方的ACK回复；
与上级骨干节点成功建立连接后，簇头节点会记录骨干节点的超帧信息，生成自己的调度周期表，值守阶段按照周期执行；
簇头节点会在广播时段，广播自己的Beacon帧，其中包含周期调度信息；簇头节点采用MAC层的分布式广播退避策略竞争信道，保证广播的成功；
广播簇头节点传输范围内的簇成员节点，记录接收到Beacon帧对应的簇头节点的地址；
簇头节点的Beacon帧是MAC层的广播控制帧，不需要接收方的回复。
4.根据权利要求1所述的基于网格和分簇相结合的无线传感器网络组网方法，其特征在于当a3簇成员节点组网流程中：
簇成员节点收到ADMIT帧，则代表加入成功；收到DENY帧，则侦听其他簇头节点的Beacon帧，准备加入；
簇成员节点的REQ帧，簇头节点的ADMIT帧、DENY帧都是MAC层的单播控制帧，需要接收方的ACK回复；
成功加入簇头节点后，簇成员节点会记录簇头节点的周期调度信息，生成自己的调度周期表，值守阶段按照周期执行；Uplink时段是一个可变长度的时段，在Uplink时段节点没有数据上报，仍然睡眠；上报数据完成立即睡眠；
5.根据权利要求1所述的基于网格和分簇相结合的无线传感器网络组网方法，其特征在于组网中的装置至少有：
A、骨干节点：骨干节点主要负责整个网络的连通性和数据传输，每个骨干节点负责管理若干个簇头节点；
B、簇头节点：簇头节点主要负责一个分簇的管理和数据传输，每个簇头节点负责管理若干个簇成员节点；簇头节点采用周期性睡眠调度管理方式；
C、簇成员节点：簇成员节点主要负责传感器数据的收集，是传感网络的基本单元，采用周期性睡眠调度管理；
D、汇聚节点：汇聚节点主要负责整个网络的数据收集，以及汇聚节点位置信息的广播。

基于网格和分簇相结合的无线传感器网络组网方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种无线传感网通信领域的新型组网方法。\n背景技术\n[0002] 随着传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器和网络开始大范围出现。\n无线传感器网络能够协作地实时检测、跟踪和采集网络布设区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行协同、融合处理，获得较为准确的结论，然后传送至用户。它在军事、环境监测、医疗卫生、工业自动化、公共安全等方面具有广泛的应用前景。\n[0003] 微型传感器节点一般采用电池供电使得传感网的一大特点是能量受限，为了延长网络寿命首要考虑因素是提高能量效率，使节点在无需参与网络工作或获取传感数据时尽量进入睡眠状态。同时在网络生存期间，节点会动态的加入和离开网络，因此要求网络具有良好的可扩展性。传感器网络的另一个重要特点是应用特定性，为了提高上传数据信息熵和事件准确率，网络节点间常需要多类型传感器、多节点协同信息处理，并要求实现被监测区域的无缝覆盖，因此，传感器网络具有节点布设密度高，节点感知信息具有冗余性等特点。另外，无线传感器网络不依赖于固定的基础设施，网络节点要求具有自组织能力。\n[0004] 针对以上特点，传统的平面拓扑控制机制已不能满足无线传感器网络的大规模组网要求，而且不能很好的支持局部数据融合、高效能耗管理以及传感器的工作、休眠调度机制等，因此，分簇机制已经成为部署和实现高效可扩展性密集布设无线传感器网络的拓扑控制方法。它与平面拓扑结构相比，在数据汇聚、融合、能量效率、满足网络QoS要求等方面能取得较好的改善。现有的分簇方法有几类，如低能量自适应分簇分级算法(Low Energy AdaptiveClustering Hierarchy，LEACH)、混合能效分布分簇方法(Hybrid Energy-EfficientDistributed Clustering，HEED)等，主要关注如何形成基本分簇结构，而没有考虑有效的簇间通信机制，只是简单的假设簇头节点可一跳到基站，该假设对于能量受限的传感节点来说是过于苛刻和较难实现的。较为著名的S-MAC协议虽然也提出了虚拟分簇的思想，但从拓扑控制上来讲，仍旧是一种平面结构，因此无法有效支持大规模网络的需求，而且S-MAC本身在设计上存在着如：边界节点负担过重、无网络能量均衡机制、无法有效支持数据融合等问题。Zigbee在802.15.4的基础上提出了簇树的拓扑控制机制，但该方案是一种完全集中式组网方法，对网络布设的方式要求较高，而且在网络时延与规模可扩展性方面存在严重制约。而其他一些分簇算法虽然考虑了簇间通信机制，但往往是在假设全局时间同步的前提下进行，而这一假设对于大规模无线传感器网络来说难以实现或网络额外开销过大。还有一类簇间通信机制是通过簇间的网关节点来实现，但对于网络生存周期为主要衡量指标的无线传感器网络来说，要有效保持与周围所有邻居簇的簇间通信，就须保证对应的簇间网关节点处于工作状态，因此，网络整体时序控制复杂，不利于网络扩展和节能。簇间通信若基于簇头节点间直接通信或通过中继节点直接通信，则会导致簇头节点或中继节点开销过大，并且后续网络重构和维护机制复杂。目前一种较为可行的方法即是保证大部分节点能有序的进行睡眠和执勤调度，少量的节点则用于维护网络的连通性，这在大部分无线传感网的应用场景中均是可接受的。\n[0005] Mesh网络技术目前主要应用于高速自组织无线网络中，但其对于对等通信和多跳传输良好的支持特性，对维护无线传感网的运行，保持多跳传输畅通具有重要作用。因此，Mesh网的部分特性和技术能有效地应用于无线传感器网络中。\n发明内容：\n[0006] 本发明的目的在于，提供一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感器网络组网方法。\n[0007] 针对现有的技术问题，本发明采用如下技术方案：它主要分为三个步骤，包括骨干节点间组网、簇头节点组网、簇成员节点组网，依次进行：\n[0008] a1、骨干节点间组网流程：骨干节点按超帧(图2)机制工作，骨干节点在其Broadcast时段，广播Beacon帧，Beacon帧中包含了骨干节点的超帧周期信息。采用分布式广播退避策略竞争信道(图3)，保证Beacon帧尽可能广播成功；\n[0009] 当广播骨干节点传输范围之内的其他骨干节点接收到该骨干节点Beacon帧，则在自己的邻居表中记录该骨干节点的地址。\n[0010] 簇头节点记录所收到的Beacon帧对应的骨干节点。\n[0011] 骨干节点的Beacon帧属于MAC层的广播控制帧，接收方不需要回复。\n[0012] 骨干节点接收到相应的帧，处理流程如图4所示。\n[0013] a2、簇头节点组网：簇头节点接收到骨干节点的Beacon帧时，如果已经加入了骨干节点的连接，则直接丢弃该Beacon帧。\n[0014] 簇头节点没有加入任何骨干节点的连接，并且首次收到骨干节点的Beacon帧，在骨干节点的Communication时段，向其发送REQ帧。\n[0015] 簇头节点没有加入任何骨干节点的连接，但是收到过几个来自不同骨干节点的Beacon帧。簇头节点按照Beacon帧到达的先后顺序，依次选择向每个骨干节点发送REQ帧，对于每个骨干节点，最多发送3次REQ帧。\n[0016] 簇头节点发送REQ帧时，采用MAC层的分布式单播退避策略竞争信道，保证REQ帧发送成功。REQ帧是MAC层的单播控制帧，需要接收方的ACK回复。\n[0017] 能正确接收到簇头节点的骨干节点，会回复一个ADMIT帧，同意其连接申请。\nADMIT帧是MAC层的单播控制帧，需要接收方的ACK回复。\n[0018] 与上级骨干节点成功建立连接后，簇头节点节点会记录骨干节点的超帧信息，生成自己的调度周期表，值守阶段按照周期执行，如图5所示。\n[0019] 簇头节点会在广播时段，广播自己的Beacon帧，其中包含周期调度信息。簇头节点采用MAC层的分布式广播退避策略竞争信道，保证广播的成功。\n[0020] 广播簇头节点传输范围内的簇成员节点节点，记录接收到Beacon帧对应的簇头节点的地址。\n[0021] 簇头节点的Beacon帧是MAC层的广播控制帧，不需要接收方的回复。\n[0022] 簇头节点接收到各种控制帧的处理流程，如图6所示。\n[0023] 簇头节点加入骨干节点的流程，如图7所示。\n[0024] a3、簇成员节点组网流程：簇成员节点收到簇头节点的Beacon帧时，如果已经加入了一个簇头节点，则直接丢弃该Beacon帧。\n[0025] 簇成员节点没有加入任何簇，可以向广播Beacon帧的簇头节点发送REQ帧，请求加入。簇头节点预先设置了一个最大成员数，收到磁敏的REQ帧时，当前成员数没有超过最大成员数，则同意其加入，则回复一个ADMIT帧；否则，拒绝则回复一个DENY帧。\n[0026] 簇成员节点收到ADMIT帧，则代表加入成功；收到DENY帧，则侦听其他簇头节点的Beacon帧，准备加入。\n[0027] 簇成员节点的REQ帧，簇头节点的ADMIT帧、DENY帧都是MAC层的单播控制帧，需要接收方的ACK回复。\n[0028] 成功加入簇头节点后，簇成员节点会记录簇头节点的周期调度信息，生成自己的调度周期表，如图8所示，值守阶段按照周期执行。Uplink时段是一个可变长度的时段，在Uplink时段节点没有数据上报，仍然睡眠；上报数据完成立即睡眠。\n[0029] 磁敏传感器收到各种控制帧的处理流程如图9所示。\n[0030] 磁敏传感器加入簇头节点的流程图如图10所示。\n[0031] 上述的基于Mesh和分簇相结合的无线传感器网络组网方法中的装置主要有：\n[0032] A、骨干节点：骨干节点主要负责整个网络的连通性和数据传输，每个骨干节点负责管理若干个簇头节点。骨干节点间采用较大发射功率通过Mesh的方式进行组网。\n[0033] B、簇头节点：簇头节点主要负责一个分簇的管理和数据传输，每个簇头节点负责管理若干个簇成员节点。簇头节点采用周期性睡眠调度管理方式。\n[0034] C、簇成员节点：簇成员节点主要负责传感器数据的收集，是传感网络的基本单元，采用周期性睡眠调度管理。\n[0035] D、汇聚节点：汇聚节点主要负责整个网络的数据收集，以及汇聚节点位置信息的广播。\n附图说明：\n[0036] 图1为系统组网流程。\n[0037] 图2为骨干节点超帧示意图。\n[0038] 图3为骨干节点广播Beacon帧的流程图。\n[0039] 图4为骨干节点接收到各种控制帧(包括MAC层和路由层)的处理流程图。\n[0040] 图5为簇头节点的超帧示意图。\n[0041] 图7、簇头节点加入骨干节点的流程图。\n[0042] 图8为簇成员超帧调度周期图。\n[0043] 图9为磁敏传感器收到各种控制帧的处理流程。\n[0044] 图10为磁敏传感器加入簇头节点流程图。\n具体实施方式：\n[0045] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。\n[0046] 如图所示，本发明一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感器网络组网方法包括以下主要装置：\n[0047] A、骨干节点：骨干节点主要负责整个网络的连通性和数据传输，每个骨干节点负责管理若干个簇头节点。骨干节点间采用较大发射功率通过Mesh的方式进行组网。\n[0048] B、簇头节点：簇头节点主要负责一个分簇的管理和数据传输，每个簇头节点负责管理若干个簇成员节点。簇头节点采用周期性睡眠调度管理方式。\n[0049] C、簇成员节点：簇成员节点主要负责传感器数据的收集，是传感网络的基本单元，采用周期性睡眠调度管理。\n[0050] D、汇聚节点：汇聚节点主要负责整个网络的数据收集，以及汇聚节点位置信息的广播。\n[0051] 本发明设计的组网方法主要分为三个步骤，包括骨干节点间组网、簇头节点组网、簇成员节点组网，依次进行：\n[0052] a1、骨干节点间组网流程：骨干节点按超帧(图2)机制工作，骨干节点在其Broadcast时段，广播Beacon帧，Beacon帧中包含了骨干节点的超帧周期信息。采用分布式广播退避策略竞争信道(图3)，保证Beacon帧尽可能广播成功；\n[0053] 当广播骨干节点传输范围之内的其他骨干节点接收到该骨干节点Beacon帧，则在自己的邻居表中记录该骨干节点的地址。\n[0054] 簇头节点记录所收到的Beacon帧对应的骨干节点。\n[0055] 骨干节点的Beacon帧属于MAC层的广播控制帧，接收方不需要回复。\n[0056] 骨干节点接收到相应的帧，处理流程如图4所示。\n[0057] a2、簇头节点组网：簇头节点接收到骨干节点的Beacon帧时，如果已经加入了骨干节点的连接，则直接丢弃该Beacon帧。\n[0058] 簇头节点没有加入任何骨干节点的连接，并且首次收到骨干节点的Beacon帧，在骨干节点的Communication时段，向其发送REQ帧。\n[0059] 簇头节点没有加入任何骨干节点的连接，但是收到过几个来自不同骨干节点的Beacon帧。簇头按照Beacon帧到达的先后顺序，依次选择向每个骨干节点发送REQ帧，对于每个骨干节点，最多发送3次REQ帧。\n[0060] 簇头节点发送REQ帧时，采用MAC层的分布式单播退避策略竞争信道，保证REQ帧发送成功。REQ帧是MAC层的单播控制帧，需要接收方的ACK回复。\n[0061] 能正确接收到簇头节点的骨干节点，会回复一个ADMIT帧，同意其连接申请。\nADMIT帧是MAC层的单播控制帧，需要接收方的ACK回复。\n[0062] 与上级骨干节点成功建立连接后，簇头节点会记录骨干节点的超帧信息，生成自己的调度周期表，值守阶段按照周期执行，如图5所示。\n[0063] 簇头节点会在广播时段，广播自己的Beacon帧，其中包含周期调度信息。簇头节点采用MAC层的分布式广播退避策略竞争信道，保证广播的成功。\n[0064] 广播簇头节点传输范围内的簇成员节点节点，记录接收到Beacon帧对应的簇头节点的地址。\n[0065] 簇头节点的Beacon帧是MAC层的广播控制帧，不需要接收方的回复。\n[0066] 簇头节点接收到各种控制帧的处理流程，如图6所示。\n[0067] 簇头节点加入骨干节点的流程，如图7所示。\n[0068] a3、簇成员节点组网流程：簇成员节点收到簇头节点的Beacon帧时，如果已经加入了一个簇头，则直接丢弃该Beacon帧。\n[0069] 簇成员节点没有加入任何簇，可以向广播Beacon帧的簇头节点发送REQ帧，请求加入。簇头节点预先设置了一个最大成员数，收到磁敏的REQ帧时，当前成员数没有超过最大成员数，则同意其加入，则回复一个ADMIT帧；否则，拒绝则回复一个DENY帧。\n[0070] 簇成员节点收到ADMIT帧，则代表加入成功；收到DENY帧，则侦听其他簇头节点的Beacon帧，准备加入。\n[0071] 簇成员节点的REQ帧，簇头节点的ADMIT帧、DENY帧都是MAC层的单播控制帧，需要接收方的ACK回复。\n[0072] 成功加入簇头节点后，簇成员节点会记录簇头的周期调度信息，生成自己的调度周期表，如图8所示，值守阶段按照周期执行。Uplink时段是一个可变长度的时段，在Uplink时段节点没有数据上报，仍然睡眠；上报数据完成立即睡眠。\n[0073] 磁敏传感器收到各种控制帧的处理流程如图9所示。\n[0074] 磁敏传感器加入簇头节点的流程图如图10所示。