專利名稱：基于分簇的無線傳感網(wǎng)局部拓?fù)渲亟ǖ姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖崿F(xiàn)方法，具體地說是一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部 自適應(yīng)拓?fù)渲亟ǚ椒ā?br> 背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network, WSN)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉的新 興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物 醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價值和巨大實用價 值，已經(jīng)引起了世界許多國家軍界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，并成為進(jìn)入2000年以來公認(rèn)的新興前沿 熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，被認(rèn)為是將對二十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一，它將會對人類未來的生活方式產(chǎn)生 深遠(yuǎn)影響。微型傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一大特點(diǎn)是能量受限，為了延長網(wǎng)絡(luò)壽命首 要考慮因素是提高能量效率，使節(jié)點(diǎn)在無需參與網(wǎng)絡(luò)工作或獲取傳感數(shù)據(jù)時盡量進(jìn)入睡眠狀態(tài)。同時在網(wǎng) 絡(luò)生存期間，節(jié)點(diǎn)會動態(tài)的加入和離開網(wǎng)絡(luò)，因此要求網(wǎng)絡(luò)具有良好的可擴(kuò)展性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個重 要特點(diǎn)是應(yīng)用特定性，為了提高上傳數(shù)據(jù)信息熵和事件準(zhǔn)確率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間常需要多類型傳感器、多節(jié)點(diǎn) 協(xié)同信息處理，并要求實現(xiàn)被監(jiān)測區(qū)域的無縫覆蓋，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)布設(shè)密度高，節(jié)點(diǎn)感知信 息具有冗余性等特點(diǎn)。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不依賴于固定的基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求具有自組織能力。分簇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)成為無線傳感網(wǎng)研究的重要方向之一。在規(guī)?；臒o線傳感網(wǎng)中，分簇的網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)在拓?fù)涔芾?、能量效率、?shù)據(jù)融合與節(jié)點(diǎn)協(xié)同處理方面都具有明顯的優(yōu)勢。分簇的結(jié)構(gòu)將大規(guī)模的 網(wǎng)絡(luò)劃分為多個小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，從而降低了拓?fù)涔芾淼碾y度，同時可以引入節(jié)點(diǎn)睡眠機(jī)制而不影響網(wǎng)絡(luò)連 通性，便于數(shù)據(jù)融合，減少了信道接入的競爭從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，對節(jié)點(diǎn)的協(xié)同處理提供了良好的物理 支持。由于簇頭負(fù)擔(dān)了簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合、轉(zhuǎn)發(fā)及簇間路由與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等工作，其能耗遠(yuǎn)高于簇成員節(jié)點(diǎn)，故需 要做簇頭輪換以平衡網(wǎng)絡(luò)的能耗。早期的分簇算法如LEACH與HEED等為采用的是周期性全網(wǎng)重分簇的 方法。這種方法可以獲得每一輪較好的分簇結(jié)構(gòu)，但是網(wǎng)絡(luò)開銷太大，且重分簇與路由重建需要耗費(fèi)的時 間較長，即網(wǎng)絡(luò)功能中斷時間長，這在許多應(yīng)用場景中都是難以接受的。因此，考慮將網(wǎng)絡(luò)的簇重建限制 在一個較小的范圍內(nèi)，則可在局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟▍家嗑S持網(wǎng)絡(luò)的正常工作，且控制開銷有效降低。但是局部重建的范圍難以確定，范圍太小，參與重分簇的節(jié)點(diǎn)太少則易導(dǎo)致簇分裂與分簇不均，影響網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載 平衡，范圍太大則對網(wǎng)絡(luò)正常工作造成較大影響，且控制開銷較高。本發(fā)明提供一種網(wǎng)絡(luò)局部自適應(yīng)重分簇的方法，網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)能量降至閾值或意外失效的情況下， 觸發(fā)局部網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的簇重建過程，重建范圍由觸發(fā)節(jié)點(diǎn)依據(jù)本簇與鄰居簇的規(guī)模決定，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分 布的隨機(jī)性，不同的簇觸發(fā)的局部重建范圍有所不同，以保證重建的分簇結(jié)構(gòu)較優(yōu)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部應(yīng)拓?fù)渲亟ǚ椒?。本發(fā)明要解決的網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)在能量降至閾值或意外失效的情況下，局部網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的簇重建問題。 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案包括以下步驟C. 網(wǎng)絡(luò)分布式分簇，建立基于分簇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；D. 簇頭故障或低能量報警觸發(fā)的網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域重分簇，參與重分簇的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域為觸發(fā)簇為中心的N 跳范圍內(nèi)的處于空閑狀態(tài)的簇，N值由觸發(fā)簇依據(jù)網(wǎng)絡(luò)局部節(jié)點(diǎn)分布、簇規(guī)模與鄰居簇數(shù)等因素 自適應(yīng)確定以保證足夠的節(jié)點(diǎn)參與重分簇，獲得較好的分簇結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，所述步驟A包括以下幾個步驟al、信道偵聽線程；節(jié)點(diǎn)初始化后，持續(xù)偵聽信道一定時間，若接收到簇頭消息，則轉(zhuǎn)入a3，啟動入網(wǎng)線程，若接收到其他節(jié)點(diǎn)的信息(如Hello消息)，則更新自身鄰居表；a2、信息交互線程節(jié)點(diǎn)間通過周期性的Hello消息交互自身信息，并以此為依據(jù)競爭簇頭； a3、節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)線程；未競爭成功的節(jié)點(diǎn)向其鄰居簇頭發(fā)送入網(wǎng)申請以完成分簇組網(wǎng)過程。 所述步驟B的具體實現(xiàn)步驟為-bl、簇頭周期性的在簇內(nèi)廣播Beacon幀，作為網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的參考信息；b2、簇成員節(jié)點(diǎn)維護(hù)簇頭失效檢測計數(shù)器，在預(yù)定時段未接收到簇頭的Beacon幀，則計數(shù)器加一，否 貝IJ，計數(shù)器清零；b3、若簇成員節(jié)點(diǎn)的簇頭失效檢測計數(shù)器計數(shù)值超過預(yù)設(shè)數(shù)值，則認(rèn)為簇頭失效，啟動局部重分簇進(jìn) 程，轉(zhuǎn)入b5;b4、若簇頭節(jié)點(diǎn)的能量值達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值，則啟動局部重分簇進(jìn)程，轉(zhuǎn)入b5;b5、網(wǎng)絡(luò)局部重分簇進(jìn)程，觸發(fā)節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)廣播重分簇消息，并依據(jù)簇規(guī)模與鄰居簇數(shù)確定重分簇消 息的擴(kuò)散范圍，作為該消息的附加信息，在簇間廣播該消息，并置自身為未定狀態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟al; b6、接收到重分簇消息的簇成員節(jié)點(diǎn)，置自身為未定狀態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟al;b7、接收到重分簇消息的簇頭節(jié)點(diǎn)，若處于重分簇的范圍，則在簇內(nèi)廣播重分簇消息，并判斷是否需 要擴(kuò)散該消息，若是則將消息的擴(kuò)散范圍減一，轉(zhuǎn)發(fā)該消息，否則不做處理；最后置自身為未定狀態(tài)， 轉(zhuǎn)入步驟al;作為本發(fā)明的又一優(yōu)選方式，步驟b3中的簇頭失效檢測可有下述方法其一，簇頭節(jié)點(diǎn)可以指定一個 簇成員節(jié)點(diǎn)為備份簇頭節(jié)點(diǎn)，在其簇頭失效檢測計數(shù)器溢出時，發(fā)起重分簇進(jìn)程；其二，檢測到簇頭失效 的簇成員節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)廣播簇頭失效消息，通過簇成員節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商，確定簇頭是否失效，并發(fā)起重分簇進(jìn) 程；以下結(jié)合附圖與實例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1為網(wǎng)絡(luò)分簇拓?fù)浣⒌膶嵗龍D。 圖2為網(wǎng)絡(luò)局部重分簇觸發(fā)的實例圖。
具體實施方式
一種基于分簇的無線傳感網(wǎng)自適應(yīng)拓?fù)渲亟ǚ椒?，包括以下步驟A.網(wǎng)絡(luò)分布式分簇，建立基于分簇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在分簇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，存在兩種節(jié)點(diǎn)簇頭(ClusterHead， CH)與簇成員(ClusterMember,CM)。節(jié)點(diǎn)初始化時，身份是未定的(Undefined, UN)，在組網(wǎng)進(jìn)程中，包括信道偵聽、消息交互和節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)三個線程，可采用任何一種分布式的簇頭競爭方法。在本發(fā)明中，提供一種基于多權(quán)值優(yōu)化的簇頭選舉方法作為實例，其具體步驟如下 al:鄰居發(fā)現(xiàn)1) 節(jié)點(diǎn)偵聽信道1個超幀周期，若接收到CH的Beacon幀，則置自己狀態(tài)為PreCM，轉(zhuǎn)入step3;2) 節(jié)點(diǎn)周期性廣播消息(周期數(shù)一般不超過10),包含節(jié)點(diǎn)/￡>、當(dāng)前能量g 、權(quán)值^ (初 始值為0)、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)狀態(tài)(初始為UN)等信息；3) 節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的Hello信息建立鄰居表，更新自己的簇頭競爭權(quán)值^; a2:簇頭選舉1) 在此階段，仍需周期性的Hello廣播(周期數(shù)不超過10):2) 若節(jié)點(diǎn)的權(quán)值K在其鄰居中最小，置自己為CH;3) 若節(jié)點(diǎn)鄰居中存在權(quán)值小于自身權(quán)值的CH，置自己為PreCM; a3:成簇1) CH廣播Beacon幀，包含CH的調(diào)度信息；2) PreCM偵聽信道1個超幀周期，接收Beacon，建立CH表；3) PreCM在第2個超幀開始按xxx原則選擇CH表中的最佳CH，向其發(fā)送加入申請 MSG jOIN_REQ消息，設(shè)置WaitACK定時器，等待MSG—JOIN一ACK消息；4) CH接收到MSG—JOIN一REQ，若簇未滿，發(fā)送MSG一JOIN一ACK消息，否則，發(fā)送 MSG_JOIN—DENY消息；5) PreCM若接收到MSG—JOIN—ACK消息，則置自己為CM ，完成分簇，若接收到 MSG—JOIN—DENY消息或WaitACK定時器超時，則轉(zhuǎn)入3);6) 若PreCM節(jié)點(diǎn)的CH表中無可用CH，則置自己為CH，開始廣播Beacon,完成分簇。其流程圖如圖1所示。B.簇頭故障或低能量報警觸發(fā)的網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域重分簇；參與重分簇的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域為觸發(fā)簇為中心的N跳范圍內(nèi)的處于空閑狀態(tài)的簇，N值由觸發(fā)簇依據(jù)網(wǎng) 絡(luò)局部節(jié)點(diǎn)分布、簇規(guī)模與鄰居簇數(shù)等因素自適應(yīng)確定以保證足夠的節(jié)點(diǎn)參與重分簇，獲得較好的分 簇結(jié)構(gòu)。具體實現(xiàn)步驟為 bl、觸發(fā)重分簇1) CH達(dá)到能量閾值，依據(jù)簇規(guī)模與鄰居簇數(shù)確定重分簇消息的擴(kuò)散范圍，在簇內(nèi)與簇間廣播 MSG—CLUSTER—REBUILD消息，通知鄰居簇頭啟動重分簇進(jìn)程；2) CM的簇頭故障檢測計數(shù)器溢出，依據(jù)簇規(guī)模與鄰居簇數(shù)確定重分簇消息的擴(kuò)散范圍，在簇內(nèi) 與簇間廣播MSG丄CLUSTER—REBUILD消息，通知鄰居簇頭啟動重分簇進(jìn)程；3) 節(jié)點(diǎn)收到MSG—CLUSTER—REBUILD消息，此時a) 節(jié)點(diǎn)為CH,且處于重分簇范圍，則在其簇內(nèi)廣播MSG—CLUSTER—REBUILD消息，若 處于重分簇范圍邊緣，則在簇間廣播MSG_ROUTE—BROKEN消息，否則將接收到的 MSG—CLUSTER—REBUILD消息的擴(kuò)散范圍減一，在簇間廣播，同時置自己狀態(tài)為UN， 開始偵聽信道；b) 節(jié)點(diǎn)為CM，置自己狀態(tài)為UN,開始偵聽信道；4) 在重分簇區(qū)域外圍的CH節(jié)點(diǎn)收到MSG一ROUTE—BROKEN消息，啟動路由切換進(jìn)程，-其流程如圖2所示。b2、簇頭選舉進(jìn)程-1) 節(jié)點(diǎn)收到CH的Hello/Beacon消息，此時，a) 若節(jié)點(diǎn)為CH,比較其權(quán)值，高于己則置自己狀態(tài)為PreCM,停止廣播Hello消息；b) 若節(jié)點(diǎn)為UN，置自己狀態(tài)為PreCM;b3、成簇進(jìn)程1) PreCM節(jié)點(diǎn)向周圍的CH節(jié)點(diǎn)發(fā)出加入申請消息MSG—JOIN_REQ,2) CH收到消息MSG—JOIN—REQ,a) 若簇未滿，CH回應(yīng)MSG_JOIN_ACK確認(rèn)，b) 若簇已滿，CH發(fā)送MSG—JOIN—DENY拒絕；3) 無法加入簇的節(jié)點(diǎn)置自己為CH，從而完成整個進(jìn)程。其流程如圖1所示。以上描述的僅是本發(fā)明的一個最佳實施例，本發(fā)明的保護(hù)范圍并非局限于上述具體實施例，凡本領(lǐng)域 技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所做出的顯而易見的改動均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。 '
權(quán)利要求
1、一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部自適應(yīng)拓?fù)渲亟ǚ椒?，其特征在于包括以下步驟A.網(wǎng)絡(luò)分布式分簇，建立基于分簇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；B.簇頭故障或低能量報警觸發(fā)的網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域重分簇，參與重分簇的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域為觸發(fā)簇為中心的N跳范圍內(nèi)的處于空閑狀態(tài)的簇，N值由觸發(fā)簇依據(jù)網(wǎng)絡(luò)局部節(jié)點(diǎn)分布、簇規(guī)模與鄰居簇數(shù)等因素自適應(yīng)確定以保證足夠的節(jié)點(diǎn)參與重分簇，獲得較好的分簇結(jié)構(gòu)。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部自適應(yīng)拓?fù)渲亟ǚ椒?，其特征在于所述步驟A 包括以下幾個步驟al、信道偵聽線程；節(jié)點(diǎn)初始化后，持續(xù)偵聽信道一定時間，若接收到簇頭消息，則轉(zhuǎn)入a3，啟動入 網(wǎng)線程，若接收到其他節(jié)點(diǎn)的信息(如Hello消息)，則更新自身鄰居表；a2、信息交互線程節(jié)點(diǎn)間通過周期性的Hello消息交互自身信息，并以此為依據(jù)競爭簇頭； a3、節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)線程；未競爭成功的節(jié)點(diǎn)向其鄰居簇頭發(fā)送入網(wǎng)申請以完成分簇組網(wǎng)過程。
3、 如權(quán)利要求l所述的基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部自適應(yīng)拓?fù)渲亟ǚ椒?，其特征在于所述步驟B的具體實現(xiàn)步驟為M、簇頭周期性的在簇內(nèi)廣播Beacon幀，作為網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的參考信息；b2、簇成員節(jié)點(diǎn)維護(hù)簇頭失效檢測計數(shù)器，在預(yù)定時段未接收到簇頭的Beacon幀，則計數(shù)器加一，否 則，計數(shù)器清零；b3、若簇成員節(jié)點(diǎn)的簇頭失效檢測計數(shù)鎏計數(shù)值超過預(yù)設(shè)數(shù)值，則認(rèn)為簇頭失效，啟動局部重分簇進(jìn) 程，轉(zhuǎn)入b5;b4、若簇頭節(jié)點(diǎn)的能量值達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值，則啟動局部重分簇進(jìn)程，轉(zhuǎn)入b5;b5、網(wǎng)絡(luò)局部重分簇進(jìn)程，觸發(fā)節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)廣播重分簇消息，并依據(jù)簇規(guī)模與鄰居簇數(shù)確定重分簇消 息的擴(kuò)散范圍，作為該消息的附加信息，在簇間廣播該消息，并置自身為未定狀態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟al; b6、接收到重分簇消息的簇成員節(jié)點(diǎn)，置自身為未定狀態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟al;b7、接收到重分簇消息的簇頭節(jié)點(diǎn)，若處于重分簇的范圍，則在簇內(nèi)廣播重分簇消息，并判斷是否需 要擴(kuò)散該消息，若是則將消息的擴(kuò)散范圍減一，轉(zhuǎn)發(fā)該消息，否則不做處理；最后置自身為未定狀態(tài)，轉(zhuǎn) 入步驟al;
4、 如權(quán)利要求3所述的基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部自適應(yīng)拓?fù)渲亟ǚ椒?，其特征在于所述步驟 b3中的簇頭失效檢測包括方法不其一，簇頭節(jié)點(diǎn)可以指定一個簇成員節(jié)點(diǎn)為備份簇頭節(jié)點(diǎn)，在其簇頭失 效檢測計數(shù)器溢出時，發(fā)起重分簇進(jìn)程；其二，檢測到簇頭失效的簇成員節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)廣播簇頭失效消息， 通過簇成員節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商，確定簇頭是否失效，并發(fā)起重分簇進(jìn)程；
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于分簇的無線傳感網(wǎng)分布式局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟▽崿F(xiàn)方法，重建的觸發(fā)或由簇頭廣播重建消息，或由備份簇頭檢測故障后廣播重建消息，以啟動拓?fù)渲亟ㄟM(jìn)程；重建范圍由觸發(fā)節(jié)點(diǎn)依據(jù)本簇與鄰居簇的規(guī)模決定，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布的隨機(jī)性，不同的簇觸發(fā)的局部重建范圍有所不同，以保證重建的分簇結(jié)構(gòu)較優(yōu)。本發(fā)明提供的方法為分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)的簇頭輪換提供了較好的解決方法，較好的做到了網(wǎng)絡(luò)開銷與分簇結(jié)構(gòu)優(yōu)化的折中。
文檔編號H04L12/56GK101237416SQ20081006005
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者劉海濤, 姚道遠(yuǎn), 杰 沈, 奎 馬, 黃河清 申請人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心