[发明专利]随机分布无线传感网分簇拓扑建立与重建的跨层设计实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络拓扑控制的跨层实现方法。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。

微型传感器节点一般采用电池供电使得无线传感器网络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。

分簇的网络拓扑结构已经成为无线传感网研究的重要方向之一。在规模化的无线传感网中，分簇的网络结构在拓扑管理、能量效率、数据融合与节点协同处理方面都具有明显的优势。分簇的结构将大规模的网络划分为多个小规模的网络，从而降低了拓扑管理的难度，同时可以引入节点睡眠机制而不影响网络连通性，便于数据融合，减少了信道接入的竞争从而提高网络吞吐量，对节点的协同处理提供了良好的物理支持。

由于簇头负担了簇内数据融合、转发及簇间路由与数据转发等工作，其能耗远高于簇成员节点，故需要做簇头轮换以平衡网络的能耗。早期的分簇算法如LEACH与HEED等为采用的是周期性全网重分簇的方法。这种方法可以获得每一轮较好的分簇结构，但是网络开销太大，且重分簇与路由重建需要耗费的时间较长，即网络功能中断时间长，这在许多应用场景中都是难以接受的。近期的研究则提出局部分簇重建的方法，即在触发簇与其邻居簇范围内启动重分簇进程，寻求网络开销与分簇合理性的平衡，但是，此局部区域的节点在拓扑重建过程中无法承担正常的网络功能。因此，需要寻找一种方法，实现网络的快速故障检测与拓扑重建，尽量降低对网络正常工作的影响，且开销较小。

发明内容

本发明提供一种随机分布无线传感网分簇拓扑建立与重建的跨层设计实现方法，利用MAC层超帧结构中的BEACON帧的定期广播特性，在网络拓扑建立过程中，作为NWK层组网过程的入网进程的发起消息，在网络正常工作过程中，作为备份CH节点的指定消息和网络拓扑维护消息，精简了网络协议设计，有效降低了控制开销；同时，提供一种网络拓扑快速本地重建的方法，在网络正常工作过程中，CH在簇内选择合适的CM节点作为备份CH节点，其正常工作过程中承担CM功能，在CH失效时迅速转变为CH，尽量维持网络的正常工作不受太大影响。

本发明采用的技术方案如下：

A.节点身份确定与组网进程，包含下列线程：

a1、信道侦听线程；节点初始化后，持续侦听信道一定时间，若接收到簇头消息，则转入a3，启动入网线程，若接收到其他节点的信息(如：Hello消息)，则更新自身邻居表；

a2、信息交互线程：节点间通过周期性的Hello消息交互自身信息，并以此为依据竞争簇头；

a3、节点入网线程；未竞争成功的节点向其邻居簇头发送入网申请以完成分簇组网过程。

B.网络正常工作进程

节点的正常工作时间以超帧周期为单位，每个超帧周期包括簇内通信时段、簇间通信时段及簇内与簇间广播时段。CH节点在每个超帧的簇内广播时段在簇内广播BEACON帧，可用做簇内时间同步、簇成员时隙分配、备份CH节点通知等，簇间通信时段则与邻居簇头通信。在此阶段，CH需要收集簇成员信息以选择合适的备份CH节点。备份CH节点的选择步骤如下：

b1、在簇内通信时段，CH节点启动备份CH节点的选举进程，指示所有CM节点发送携带备份CH选择所需信息(如节点的能量、邻居信息等)到CH节点；

b2、收集完所需信息后，CH节点计算每一个CM节点做为备份CH节点的合格度，选择最合适的作为备份CH节点；