專利名稱：帶有簇中繼節(jié)點的碼分分簇無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大規(guī)模隨機布設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感數(shù)據(jù)通信技術(shù)，特別地， 涉及一種帶有簇中繼節(jié)點的碼分分簇無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法。
背景技術(shù)：
隨著微機電系統(tǒng)、無線通信和數(shù)字電路的不斷飛速發(fā)展，具有低功耗，低 成本，多功能特性的傳感器節(jié)點大量出現(xiàn)?；诖罅總鞲衅鞴?jié)點部署的傳感器 網(wǎng)絡(luò)也因其廣泛的應(yīng)用前景，越來越受到重視。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以廣泛地應(yīng) 用于軍事和民用環(huán)境，進行信息的收集和處理、對象跟蹤和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的檢測， 尤其適合配置在野外、交通要道、醫(yī)療和安全部門等場合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不依賴于固定的基礎(chǔ)設(shè)施，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要求具有自組織能 力。與傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有下述特點1、 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更為龐大，節(jié)點數(shù)目更多2、 節(jié)點密集分布在目標區(qū)域3、 網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)變化快4、 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點易失效5、 通常節(jié)點沒有統(tǒng)一的身份(ID)針對以上特點，傳統(tǒng)的平面拓撲控制機制已不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大 規(guī)模組網(wǎng)的要求，而且不能很好的支持局部數(shù)據(jù)融合、高效能耗管理以及傳感 器的工作、休眠調(diào)度機制等，因此，分簇機制已經(jīng)成為部署和實現(xiàn)高效可擴展 性密集布設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要拓撲控制方法。它與平面拓撲結(jié)構(gòu)相比，在 數(shù)據(jù)匯聚、融合、能量效率、支持網(wǎng)絡(luò)可擴展性和QoS保障方面具有較好的優(yōu) 勢。分簇機制通過將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃分成若干個簇來構(gòu)成分簇結(jié)構(gòu)，在分簇結(jié)構(gòu)中， 每個簇通常有一個簇頭和多個普通節(jié)點組成，并且由簇頭和簇中繼節(jié)點形成高 一級的虛擬骨干網(wǎng)。擴頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)用偽隨機編碼調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳送，接收端則采用同樣的編碼進行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。這種 通信方式與一般常見的窄帶通信方式相反，具有偽隨機編碼調(diào)制和信號相關(guān)處 理兩大特點，從而具有有如抗干擾、抗噪音、抗多徑衰弱、能在低功率譜密度 下工作、有保密性、可多址復(fù)用和任意選址、可高精度測量等諸多優(yōu)點。無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署環(huán)境一般相對惡劣，則要求通信具有較強的抗噪聲和抗干擾 的能力，因此擴頻通信極為適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。使用碼分多址通信是利用相互正交(或盡可能正交)的不同擴頻碼字分配 給不同用戶調(diào)制信號，實現(xiàn)多用戶同時使用同一頻率接入系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的通信。 在擴頻碼字具有良好互相關(guān)性能的條件下，碼分多址有著較小的多址干擾，能 夠減少系統(tǒng)用戶間沖突機率，從而增加數(shù)據(jù)傳輸速度，減少數(shù)據(jù)傳輸時延。但 是由于自相關(guān)性和互相關(guān)性都較好的碼字數(shù)量較少，特別是在擴頻碼長度較短 以及異步通信的場景下，擴頻碼選擇尤其困難，使得碼分多址的擴頻通信方式 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用受到了限制。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶有簇中繼節(jié)點的碼分 分簇無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的 一種帶有簇中繼節(jié)點的碼分 分簇無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法，包括以下步驟(1) 分簇初始化時使用統(tǒng)一的預(yù)設(shè)碼字在分簇初始化的過程中，所有節(jié)點使 用唯一的預(yù)設(shè)碼字進行通信，其分簇算法不是本發(fā)明關(guān)心的內(nèi)容，可利用 傳統(tǒng)的分簇算法，如鏈路分簇算法(LCA)，低能量自適應(yīng)分簇分級算法(LEACH)等；(2) 分簇碼字的分配在分簇初始化完成，即網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點確定自己的身份是簇頭還是簇成員之后，簇頭之間決定各自簇使用的碼字，使得相鄰簇之間 使用不同的碼字。簇頭在選定本簇使用的碼字時，須向鄰居簇發(fā)出廣播公 告說明其使用的碼字，并用該碼字發(fā)出詢問信息保證沒有鄰居簇已使用該 碼字。在確認該碼字的可行性后，簇頭向鄰居簇頭確認使用該碼字，并同 時向簇內(nèi)節(jié)點發(fā)出廣播消息，聲明本簇使用的該擴頻碼字，簇內(nèi)節(jié)點在收到廣播消息后，更換為分配的碼字進行通信；(3) 簇內(nèi)通信的碼字使用在完成分簇和簇碼字分配后，簇內(nèi)普通節(jié)點只使用本簇規(guī)定的碼字進行通信，直到網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生改變；(4) 分簇簇間通信的碼字使用當需要進行簇間通信時，簇普通節(jié)點首先使用 多跳的形式將數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點根據(jù)其路由信息，將數(shù)據(jù)通 過多跳的形式傳送到簇中繼節(jié)點，發(fā)送簇中繼節(jié)點需要更換其碼字為對應(yīng) 的接收中繼節(jié)點所屬簇的碼字進行發(fā)送，接收簇中繼節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給本 簇簇頭，再有簇頭根據(jù)要求傳送給對應(yīng)的接收節(jié)點或中繼節(jié)點傳送到下一 個簇。即在數(shù)據(jù)多跳傳輸過程中， 一跳鏈路中傳遞信息的調(diào)制碼字均以接 收節(jié)點所屬簇的碼字為準。(5) 新的節(jié)點出現(xiàn)申請加入當新的節(jié)點需要加入網(wǎng)絡(luò)時，新節(jié)點需按照預(yù)設(shè) 的碼字表依次更換碼字進行查詢，簇頭收到査詢信息后返回應(yīng)答信息給新 節(jié)點。查詢完所有碼字后，新節(jié)點根據(jù)每個碼字接收到的應(yīng)答信息狀況決 定自己加入的簇，以該簇碼字向簇頭發(fā)送信息申請加入。本發(fā)明的有益效果是，(1) 由于在碼分分簇的方式下，簇內(nèi)使用統(tǒng)一的碼字，使得簇內(nèi)普通節(jié)點只需 要用指定的一種碼字進行通信，無需進行通信節(jié)點的碼字維護，也無需進 行碼字的更換，從而減少了簇內(nèi)普通節(jié)點的開銷。(2) 簇間通信采用碼分的接入方式時，使得簇與簇之間的通信相互不干擾，增 加了系統(tǒng)的吞吐能力。對于簇中繼節(jié)點來說，提高了每次發(fā)送的成功率， 使得節(jié)點避免了反復(fù)偵聽等待和重復(fù)發(fā)送的過程，避免了大量的功耗。(3) 若所有簇內(nèi)普通節(jié)點都使用碼分的方式接入信道，因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點布設(shè)的隨機性，可能在某個區(qū)域內(nèi)密布了大量節(jié)點，則相應(yīng)每個節(jié)點會 擁有多個鄰居節(jié)點，若要求這些節(jié)點之間均采用不同的碼字，就需要較多 的適用碼字。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中往往是異步通信的場景，使得碼字的選擇 非常困難。實際在擴頻碼的選擇時，無法得到自相關(guān)和互相關(guān)完全理想的 碼字，在碼字長度一定，符合一定要求的碼字數(shù)量有限，即多址干擾的強 度和碼字數(shù)量是相互制約的。若是增強碼字長度，又需要節(jié)點增加計算資 源和計算時鐘，大大增加了節(jié)點的功耗。而在碼分分簇的方式下，只需要 各個鄰居簇選擇不同的碼字，相應(yīng)所需要的碼字數(shù)量大為減少。(4) 簇頭由于需要維護簇與簇之間的路由等信息，對功耗的需求較高，往往成 為分簇結(jié)構(gòu)的瓶頸。由于采用多跳的方式，即每個節(jié)點只需要與其鄰居節(jié) 點進行通信，則節(jié)點均可以以一個較小的發(fā)射功率參與通信。對于同樣的 通信距離，可以推斷，若采用多跳的傳送方式，較之一跳的方式，其總的發(fā)射功率較小。同時，由于在簇間通信時，實際上簇頭只需要將數(shù)據(jù)發(fā)送 到其一跳鄰居節(jié)點，再以多跳的形式傳送，其發(fā)送碼字的更換發(fā)生在簇中 繼節(jié)點，則較之簇頭增加發(fā)射功率直接傳送數(shù)據(jù)到下一簇頭的方式，可以 認為將簇頭的功耗平均到了簇內(nèi)普通節(jié)點和簇中繼節(jié)點，使得簇頭的壽命 延長從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。


圖1為一個無線傳感網(wǎng)的分簇結(jié)構(gòu)示意圖，包括簇頭、簇中繼節(jié)點、簇內(nèi)普通 節(jié)點三種節(jié)點類型；圖2為碼字分配過程中簇頭工作流程圖； 圖3簇中繼節(jié)點傳遞簇間消息流程圖； 圖4新節(jié)點申請加入流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明公布了一種帶有簇中繼節(jié)點的碼分分簇無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方 法。其通過在簇內(nèi)使用同一碼字調(diào)制信號進行通信，鄰居簇間選用不同的具有 良好互相關(guān)性的碼字調(diào)制信號進行通信。無論是簇內(nèi)通信還是簇間通信，均以 多跳的方式來實現(xiàn)。本發(fā)明中，基于分簇結(jié)構(gòu)的每個節(jié)點均具有三種身份，即 簇頭、簇內(nèi)普通節(jié)點和簇中繼節(jié)點中的一種。1) 簇頭是按照某種分簇算法或規(guī)則選舉出的中心節(jié)點，其需要維護到達其 他簇頭的路由，還要負責管理和協(xié)調(diào)簇內(nèi)的節(jié)點；2) 簇中繼節(jié)點是指屬于不同的簇但彼此位于通信范圍之內(nèi)的節(jié)點，即其一 跳鄰居節(jié)點中存在著不屬于本簇的節(jié)點；3) 簇內(nèi)普通節(jié)點是指除簇頭、簇中繼節(jié)點外的其他節(jié)點。 為了實現(xiàn)碼分分簇網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，每個節(jié)點中需要存儲一張預(yù)設(shè)的碼字表，并在MAC層協(xié)議中增加相應(yīng)用于分配和控制碼字的原語。其主要需要實現(xiàn)的功能 有一、 自主有效的進行碼字分配，使得鄰居簇之間使用的碼字不重復(fù)；二、 碼字使用公告和簇頭碼字表的更新維護；三、 使用不同碼字的分簇間的通信。1. 簇間碼字分配(圖2)1) 分簇初始化完成后，經(jīng)過一個保護時段Tp后進入碼字分配過程；2) 簇頭等待一個隨機時間L，防止大量簇頭同時開始碼字選擇導(dǎo)致過多沖 突；3) 簇頭隨機地從預(yù)設(shè)的節(jié)點表中選用一個空閑碼字，并向所有鄰居簇發(fā)布 廣播Code. Reserve消息，聲明自己希望使用該碼字，要求預(yù)留此碼字。 其鄰居簇收到該聲明后，若本簇不使用該碼字，則將對應(yīng)的碼字狀態(tài)修 改為保留狀態(tài)，并向該簇頭發(fā)送Code. Acknowledge消息。若本簇需要使 用該碼字，則應(yīng)答Code. Reject消息；4) 當簇頭收到Code. Reject消息時，就放棄當前碼字的使用，并回到第3 步，若所有未指定碼字的鄰居節(jié)點均回復(fù)Code. Acknowledge消息后，進 入第5步；5) 簇頭更改其碼字為選定碼字，并發(fā)送問詢消息Code. Test,判斷是否有已 指定碼字的鄰居簇已經(jīng)使用該碼字，若存在這樣的鄰居簇，則鄰居簇應(yīng) 答Code. Exist消息聲明該碼字已經(jīng)使用，簇頭收到該消息后，認定該碼 字不可使用，廣播Code. Cancel消息給所有鄰居簇頭，并返回第2步。 鄰居簇頭收到廣播的Code. Cancel信息后，將該碼字重新設(shè)置為空閑狀 態(tài)。若是在給定的時間Tk內(nèi)，無鄰居簇頭應(yīng)答Code. Test信息，則簇頭 認為該碼字空閑可用，進入第6步；6) 簇頭確認碼字可用后，更換回公共碼字，向簇內(nèi)節(jié)點和鄰居簇頭發(fā)出 Code. Conform消息，收到該消息的簇內(nèi)節(jié)點開始使用該碼字進行通信， 鄰居簇頭則將其碼字表中該碼字狀態(tài)改為已用。簇頭更換為本簇碼字， 本簇碼字分配完成。2. 簇間通信過程簇頭在維護到達其他簇頭的路由的同時，還要維護鄰居簇使用的擴頻碼的碼 字表，即將碼字與鄰居簇相對應(yīng)。在簇頭向簇頭通過多跳的方式傳送數(shù)據(jù)時， 若是數(shù)據(jù)在本簇內(nèi)中繼，則各節(jié)點仍用本簇的碼字進行通信。當數(shù)據(jù)傳送到簇 的邊沿即簇中繼節(jié)點時，簇中節(jié)點需要進行碼字的更換，具體步驟(圖3)如下1)當簇中繼節(jié)點發(fā)現(xiàn)需要要轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點不是屬于本簇時，從其緩沖中査找 是否存在對應(yīng)節(jié)點所在簇的碼字，當存在碼字信息，且其時間戳與當前時間差 小于門限Tt時，更換本節(jié)點發(fā)送碼字后轉(zhuǎn)發(fā)信息。若不存在合適的碼字信息， 則進入第2歩；2) 簇中繼節(jié)點向簇頭發(fā)出碼字査詢信息Code. Request,簇頭查詢其對應(yīng)的 碼字，通過Code. Tell信息返回簇中繼節(jié)點，簇中繼在根據(jù)該信息更換發(fā)送碼 字發(fā)送數(shù)據(jù)；3) 簇中繼節(jié)點更新其緩沖區(qū)碼字信息，保存對應(yīng)節(jié)點的碼字信息和當前時間。3.新節(jié)點加入過程在分簇初始化完成后，若存在一個節(jié)點需要申請加入網(wǎng)絡(luò)時，需按照下列過 程(圖4)1) 新節(jié)點按照碼字表順序依次更改碼字，并以此碼字發(fā)出申請加入的問 詢信息；2) 收到申請加入問詢信息的簇頭需要對申請作出應(yīng)答，申明接受或拒絕 新的節(jié)點加入，新節(jié)點收到消息后儲存消息的響應(yīng)信息，轉(zhuǎn)用下一個碼字 進行問詢。若節(jié)點在保持Tk時間后，沒有收到應(yīng)答信息，則認為對應(yīng)碼字 無簇使用或?qū)?yīng)鏈路較差，繼續(xù)選擇使用下一個碼字進行問詢；3) 問詢完碼字表中所有碼字后，新節(jié)點在接收到應(yīng)答的碼字中挑選最優(yōu) (如應(yīng)答時間最短或者接受鏈路質(zhì)量LQI最高)的一個簇申請加入，更改碼字為該簇碼字發(fā)出申請加入信息，進入申請加入簇過程。
權(quán)利要求
1.一種帶有簇中繼節(jié)點的碼分分簇無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法，其特征在于，包括以下步驟(1)簇初始化時使用統(tǒng)一的預(yù)設(shè)碼字在分簇初始化的過程中，所有節(jié)點使用唯一的預(yù)設(shè)碼字進行通信；(2)分簇碼字的分配在分簇初始化完成，即網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點確定自己的身份是簇頭還是簇成員之后，簇頭之間決定各自簇使用的碼字，使得相鄰簇之間使用不同的碼字；(3)簇內(nèi)通信的碼字使用在完成分簇和簇碼字分配后，簇內(nèi)普通節(jié)點只使用本簇規(guī)定的碼字進行通信，直到網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生改變；(4)分簇簇間通信的碼字使用在數(shù)據(jù)多跳傳輸過程中，一跳鏈路中傳遞信息的調(diào)制碼字均以接收節(jié)點所屬簇的碼字為準；(5)新的節(jié)點出現(xiàn)申請加入當新的節(jié)點需要加入網(wǎng)絡(luò)時，新節(jié)點需按照預(yù)設(shè)的碼字表依次更換碼字進行查詢，簇頭收到查詢信息后返回應(yīng)答信息給新節(jié)點；查詢完所有碼字后，新節(jié)點根據(jù)每個碼字接收到的應(yīng)答信息狀況決定自己加入的簇，以該簇碼字向簇頭發(fā)送信息申請加入。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法，其特征在于，所述步驟(2)具體為 簇頭在選定本簇使用的碼字時，須向鄰居簇發(fā)出廣播公告說明其使用的碼字， 并用該碼字發(fā)出詢問信息保證沒有鄰居簇已使用該碼字；在確認該碼字的可行 性后，簇頭向鄰居簇頭確認使用該碼字，并同時向簇內(nèi)節(jié)點發(fā)出廣播消息，聲 明本簇使用的該擴頻碼字，簇內(nèi)節(jié)點在收到廣播消息后，更換為分配的碼字進 行通信。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法，其特征在于，所述步驟(4)具體為 當需要進行簇間通信時，簇普通節(jié)點首先使用多跳的形式將數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié) 點，簇頭節(jié)點根據(jù)其路由信息，將數(shù)據(jù)通過多跳的形式傳送到簇中繼節(jié)點，發(fā) 送簇中繼節(jié)點需要更換其碼字為對應(yīng)的接收中繼節(jié)點所屬簇的碼字進行發(fā)送， 接收簇中繼節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給本簇簇頭，再有簇頭根據(jù)要求傳送給對應(yīng)的接收 節(jié)點或中繼節(jié)點傳送到下一個簇。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有簇中繼節(jié)點的碼分分簇無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法；其針對的分簇網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點可區(qū)分為簇頭節(jié)點、簇中繼節(jié)點和簇內(nèi)普通節(jié)點三類；其中，簇內(nèi)普通節(jié)點只在簇內(nèi)維護完整的路由信息和在簇內(nèi)進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，而只由簇頭節(jié)點和簇中繼節(jié)點來維護簇間的路由信息和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，在多址接入方式上，以簇作為碼分的單位；該方法解決了良好性能的短擴頻碼字數(shù)量有限和傳感器網(wǎng)絡(luò)對功耗敏感的問題，能夠適用于大規(guī)模隨機布設(shè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號H04L12/56GK101237370SQ200810059979
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, 夏凌楠, 杰 沈, 翔 王 申請人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心