專利名稱：一種無線傳感器網絡通信方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網絡通信系統(tǒng)，尤其涉及水聲高延遲環(huán)境的無線傳感器網絡通信方法和系統(tǒng)。
背景技術：
水下傳感器網絡的研究和發(fā)展已使得其在許多應用中顯示出越來越重要的作用，比如海洋學研究中的數據收集、海洋環(huán)境監(jiān)測、水下軍事監(jiān)測、海洋災難監(jiān)測等。如圖1所示為一種水聲傳感器網絡示意圖，水下傳感器網絡的結構與陸地上傳統(tǒng)的傳感器網絡結構相似，都是把傳感器節(jié)點分布式布放于需監(jiān)測的環(huán)境中，節(jié)點感應數據，然后傳遞數據給處理中心(Sink)，處理中心是沒有任何資源約束的浮標等物體，它應該可以直接與岸基或者是母船聯(lián)系，每個傳感器節(jié)點的資源受限，而且不可更換，以自治的方式管理自己。這就存在一個問題，就是如何快速的及時的將數據傳遞給處理中心，同時盡可能的延長網絡的壽命。這跟陸基傳感器網絡一樣，需要能量與延遲同時敏感的路由協(xié)議來確保傳感器節(jié)點對采集到的數據的及時傳輸與處理。
然而水下通信環(huán)境不同與陸地上的通信環(huán)境。其主要表現在(1)水下信道帶寬嚴重受限，一般只有30-300Hz，如果采用無線電發(fā)送信號，則需要超長度的天線和高功率的發(fā)射器，這在實現上很困難。再由于水對光的嚴重散射和吸收，使得光通信在水下也難以實現。因而，目前普遍的采用水聲信號；(2)水下聲信號的傳播速度低于無線信道大約五個數量級，因此產生了很大的傳輸延時同時也降低系統(tǒng)的吞吐量；(3)水聲信道由于其本身的物理特性，如衰減大、干擾大、多徑效應等，信道質量比有線信道差得多；(4)水下傳感器節(jié)點主要依靠電池供電，而水聲通信時由于水下環(huán)境的不利因素，其能量消耗會遠高于陸地上的普通無線信道。為此，我們需要有新的通信方法來適應水下環(huán)境的通信要求。大多數的水聲信道衰減因素，可以利用物理層的技術來克服，但象延遲大、帶寬受限、連接易中斷這些不利因素只能靠上層的協(xié)議方法來解決。
傳統(tǒng)的無線傳感器網絡和Ad hoc網絡提出了一些實時路由協(xié)議。多數傳感器網絡路由協(xié)議方法僅僅考慮節(jié)能問題，一些協(xié)議雖然提供了時延保證但并沒有仔細分析能量消耗。有些協(xié)議方法雖然結合了能量和實時度量指標，但引入的開銷過大，也不適合大規(guī)模的水下傳感器網絡應用。還有些協(xié)議由于每段鏈路只滿足最長的分段時延要求，因此僅僅適合應用于端到端時延較長的場合。
同時，位置信息也是無線網絡中的一個重要問題，其思想對于水下傳感器網絡的路由協(xié)議設計有一定借鑒作用。但是大多數基于位置的無線路由協(xié)議，如GRS、MFR等都沒有仔細地考慮過能量消耗，一些協(xié)議只保證節(jié)點的中繼節(jié)點比其自身距離目標節(jié)點更近，而不關心中繼節(jié)點是否比節(jié)點自身更加遠離源節(jié)點，因此它們并沒有最大化每一跳的有效傳輸距離。
但是由于水下傳感器網絡的特殊性，這些協(xié)議方法不能直接運用到水下傳感器網絡中來。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種無線傳感器網絡通信方法和系統(tǒng)，其適合大規(guī)模的水下傳感器網絡應用。
為實現本發(fā)明而提供的一種無線傳感器網絡通信方法，其以眾多傳感器節(jié)點以分簇結構為基礎組織通信，包括下列步驟步驟A，拓撲結構初始化步驟處理中心節(jié)點在初始化時發(fā)送廣播，網絡節(jié)點通過該廣播消息測量出自己與處理中心節(jié)點的距離向量；步驟B，路由建立步驟網絡節(jié)點組織形成分簇結構，并在分簇結構初始化時選擇簇頭節(jié)點的前向網關和普通節(jié)點的前向簇頭；步驟C，數據傳輸步驟簇成員節(jié)點在設定的時隙內采集數據并傳遞給簇頭，簇頭和前向網關在設定時隙傳輸數據給處理中心節(jié)點。
所述的無線傳感器網絡通信方法，還可以包括下列步驟步驟D，結構周期更新步驟網絡設定固定的更新周期進行分簇結構的初始化，同時重新建立路由和通信調度。
所述步驟A可以包括下列步驟步驟A1，簇頭的選擇步驟所有節(jié)點設定統(tǒng)一閥值T，然后節(jié)點隨機選擇一個數Tn，若Tn＜T，則節(jié)點開始競爭簇頭，并發(fā)送廣播消息告知所有其他節(jié)點；否則放棄競爭成為普通節(jié)點；競爭簇頭的節(jié)點通過比較成為簇頭，并發(fā)送廣播消息告知所有其他節(jié)點；步驟A2，前向候選簇頭集合與前向簇頭的選擇步驟節(jié)點在簇頭廣播消息時按照與處理中心節(jié)點的遠近程度形成自己的前向候選簇頭集合；之后再按照確定前向簇頭；步驟A3，前向候選網關集合與前向網關的選擇步驟簇頭在接收簇成員加入的時候，從簇成員加入消息中，選擇擁有前向簇頭的節(jié)點組成前向候選網關集合，最后按照確定最終前向網關，并發(fā)送通知告知節(jié)點。
所述步驟C可以包括下列步驟步驟C1，簇內通信調度步驟簇頭形成基于TDMA幀結構的調度信息，然后以簇內廣播的形式告知每一個簇內節(jié)點；簇內節(jié)點根據接收到的調度信息，安排自己的監(jiān)測和發(fā)送狀態(tài)時間；每個節(jié)點只在簇頭分配的時隙內才向簇頭發(fā)送數據，而其他時隙則處于監(jiān)測或者睡眠狀態(tài)；步驟C2，簇間通信調度步驟所有簇的TDMA幀由簇內部分與簇間部分；把簇間部分劃分成相等偶數N個時隙；第一個時隙，每個簇頭向網關發(fā)送數據，第二時隙，每個簇頭接收下一級網關的數據，然后第三個時隙，每個簇頭又向網關發(fā)送數據，這樣交替下去，直到一幀結束。
所述步驟C2之后還可以包括下列步驟步驟C3，傳輸確認步驟前向網關和前向簇頭可以在每次接收數據后，向其上游節(jié)點發(fā)送一個響應確認接收成功，若上游節(jié)點沒有收到響應則認為發(fā)送失敗，可以在下次發(fā)送數據時候一起再次發(fā)送。
所述步驟A1可以包括下列步驟步驟A11，確定參與簇頭競爭步驟節(jié)點選擇一個隨機數與閥值比較，小于則宣布參與簇頭競爭，并發(fā)送廣播消息告知周圍節(jié)點；步驟A12，確定簇頭步驟所有參與競爭簇頭的節(jié)點，比較各自收到的其他節(jié)點參與競爭的廣播消息后，通過比較各自的功率水平確認是否是最大，如果是最大則成為簇頭，并發(fā)送成為簇頭的廣播消息；若沒有發(fā)送廣播的候選簇頭，在設定的時間沒有收到其他簇頭的廣播消息，則再次認為自己成為簇頭，并發(fā)送成為簇頭的廣播消息。
所述步驟A2可以包括下列步驟步驟A21，形成前向候選簇頭集合步驟節(jié)點若收到多個簇頭發(fā)送的廣播消息后，則選擇一個功率最大的加入該簇；同時比較其自身到處理中心節(jié)點的距離向量是否比其簇頭小，若是更小，則把其他監(jiān)聽到的簇頭的處理中心節(jié)點的距離向量與自身比較，選擇小于自己的簇頭組成該節(jié)點的前向候選簇頭集合；步驟A22，選擇前向簇頭步驟節(jié)點在其前向候選簇頭集合中，按最短路徑原則確定前向簇頭。
所述步驟A3可以包括如下步驟步驟A31，形成前向候選網關集合步驟成員節(jié)點在向簇頭發(fā)送加入消息的時候，同時匯報自己的前向簇頭的情況；簇頭收到成員節(jié)點的加入消息后，把擁有前向簇頭的節(jié)點加入自己的前向候選網關集合；步驟A32，選擇前向網關步驟簇頭在其前向候選網關集合中，按最小方向角原則確定前向網關。
為實現本發(fā)明還提供一種無線傳感器網絡通信系統(tǒng)，適用在水聲高延遲環(huán)境下，其以眾多傳感器節(jié)點以分簇結構為基礎組織通信，包括下列單元拓撲結構初始化單元，用于在處理中心節(jié)點在初始化時發(fā)送廣播，網絡節(jié)點通過該廣播消息測量出自己與處理中心節(jié)點的距離向量；路由建立單元，用于在網絡節(jié)點中組織形成分簇結構，并在分簇結構初始化時選擇簇頭節(jié)點的前向網關和普通節(jié)點的前向簇頭；數據傳輸單元，用于使簇成員節(jié)點在設定的時隙內采集數據并傳遞給簇頭，簇頭和前向網關在設定時隙傳輸數據給處理中心節(jié)點。
所述的無線傳感器網絡通信系統(tǒng)，還可以包括結構周期更新單元，用于設定固定的更新周期進行分簇結構的初始化，同時重新建立路由和通信調度。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的適用于水下的無線傳感器網絡通信方法和系統(tǒng)，傳感器網絡節(jié)點采用了較為簡單的路由選擇方法，成本低、能量消耗較少，能夠以較低的能耗對水下環(huán)境進行實時監(jiān)控。而且，由于路由每次更新后在一個周期內不再改變，所以每個節(jié)點不需要存儲復雜的路由表，只需要簇頭節(jié)點記錄其前向網關節(jié)點，網關節(jié)點記錄其前向簇頭節(jié)點，節(jié)約了資源。路由的重新建立伴隨著網絡分簇結構的重建進行，同時路由的錯誤也可以在拓撲結構周期性更替的過程中得到更正，采用這樣的方法就可以減小水聲傳輸延遲過高而帶來的影響。
本發(fā)明適用于水下的傳感器網絡通信方法和系統(tǒng)，在水下傳感器網絡初始化的關鍵階段采取了一種“捎帶”前向簇頭和前向網關的選擇的分簇方法。由于只需考慮能量和距離向量兩個因素，這種分簇的方法較為簡單。在分簇的過程中形成了簇頭、前向網關和前向簇頭，形成的朝向處理中心(Sink)節(jié)點的具有方向性的路由，并且選擇和建立的時間少，能夠減少水下網絡信息傳輸的延遲；對于水下高延遲環(huán)境的路由時斷時續(xù)的情況，也能通過減少更新的周期達到緩解。


圖1是現有的水聲傳感器網絡的示意圖；圖2是本發(fā)明網絡通信網絡的示意圖；圖3是最小方向角原則選擇前向網關；圖4是最短路徑原則選擇前向簇頭；圖5是簇內通信過程；圖6是簇間通信過程；圖7是簇內簇間通信調度的TDMA幀；圖8是本發(fā)明消息格式圖。
具體實施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明的一種無線傳感器網絡通信方法和系統(tǒng)進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明的目的針對目前水下高延遲的特殊環(huán)境中，用于監(jiān)測的大型傳感器網絡信息收集困難、信息的及時性差、網絡耗能不均衡，生命周期短等問題，而提出的一種適合水聲高延遲環(huán)境的網絡通信方法和系統(tǒng)。本發(fā)明區(qū)別于以往的無線傳感器路由選擇方式，其以分簇的網絡拓撲結構為基礎，通過前向簇頭和前向網關，充分利用節(jié)點的地理位置信息，使得網絡在進行分簇拓撲結構初始化的過程中就能夠形成朝向處理中心(Sink)節(jié)點的方向性節(jié)能路由，較好的解決了水下高延遲環(huán)境下能量消耗不均衡和消息傳輸時延大的問題。
為了達到上述的目的，本發(fā)明提供了一種適合水聲傳感器網絡通信方法，其是基于前向簇頭和前向網關的路由實現方法本發(fā)明的適合水聲高延遲環(huán)境的網絡通信方法，適用在水聲高延遲環(huán)境下，其以眾多傳感器節(jié)點以分簇結構為基礎組織通信，包括下列步驟步驟1，拓撲結構初始化階段處理中心(Sink)節(jié)點在初始化時發(fā)送廣播，網絡節(jié)點通過該廣播消息測量出自己與處理中心(Sink)節(jié)點的距離向量；網絡節(jié)點組織形成分簇結構，并在分簇結構初始化時選擇簇頭節(jié)點的前向網關和普通節(jié)點的前向簇頭；處理中心(Sink)節(jié)點以最大功率廣播，以方便節(jié)點形成到處理中心(Sink)節(jié)點的距離向量；確定網絡的分簇拓撲結構中的簇頭(Cluster Header，CH)，同時“捎帶”進行節(jié)點的前向簇頭(Forward Cluster Header，FCH)的選擇和簇頭的前向網關(Forward Gateway，FGW)的選擇，為后面路由的建立提供基礎；步驟2，路由建立階段在簇間形成以前向簇頭和前向網關為傳輸中繼節(jié)點的朝向處理中心(Sink)節(jié)點的方向性路由；在簇間建立以前向網關(FGW)和前向簇頭(FCH)為中繼節(jié)點的具有方向性的簇間路由；步驟3，數據傳輸階段簇成員節(jié)點在設定的時隙內采集數據并傳遞給簇頭，簇頭和前向網關在設定時隙傳輸數據給處理中心(Sink)節(jié)點；在拓撲結構和簇間路由建立之后，各個簇內的節(jié)點按照簇內調度進行數據收集；同時簇間按照簇間的通信調度也開始數據的傳輸；步驟4，結構周期更新網絡設定固定的更新周期進行分簇結構的初始化，同時重新建立路由和通信調度。
隨著分簇結構的周期性重建，簇間路由也會重新建立。
本發(fā)明最大的好處是使得簇間路由的建立實際上是在分簇初始化過程中完成了，避免了數據傳輸前路由建立過程，減小了水下通信的傳輸時延，節(jié)省了節(jié)點能量。
具體而言，所述步驟1包括下列步驟步驟11，簇頭(CH)的選擇所有節(jié)點設定統(tǒng)一閥值T(0＜T＜1)，然后節(jié)點在(0，1)之間隨機選擇一個數T(n)，若T(n)＜T，則節(jié)點開始競爭簇頭，并發(fā)送廣播消息告知所有其他節(jié)點，反之則放棄競爭成為普通節(jié)點；競爭簇頭的節(jié)點通過能量協(xié)商比較成為簇頭，并發(fā)送成為簇頭的廣播消息(FINAL_HEAD_MSG)告知其他節(jié)點；步驟12，前向候選簇頭集合(FCHS)與前向簇頭(FCH)的選擇節(jié)點在簇頭廣播消息時按照與處理中心(Sink)節(jié)點的遠近程度形成自己的前向候選簇頭集合；之后再按照最小方向角原則確定前向簇頭；步驟13，前向候選網關集合(FCGS)與前向網關(FGW)的選擇簇頭在接收簇成員加入的時候，從簇成員加入消息中，選擇擁有前向簇頭的節(jié)點組成前向候選網關集合，最后按照最短路徑原則確定最終前向網關，并發(fā)送通知告(REPLY_MSG)知節(jié)點；具體而言，所述步驟3包括下列步驟步驟31，簇內通信調度簇頭形成基于TDMA(Time Division MultipleAccess，時分多址)幀結構的調度信息，然后以簇內廣播的形式告知每一個簇內節(jié)點；簇內節(jié)點根據接收到的調度信息，安排自己的監(jiān)測和發(fā)送狀態(tài)時間；每個節(jié)點只在簇頭分配的時隙內才向簇頭發(fā)送數據，而其他時隙則處于監(jiān)測或者睡眠狀態(tài)；步驟32，簇間通信調度所有簇的TDMA幀由簇內部分與簇間部分；把簇間部分劃分成相等偶數N個時隙；第一個時隙，每個簇頭向網關發(fā)送數據，第二時隙，每個簇頭接收下一級網關的數據，然后第三個時隙，每個簇頭又向網關發(fā)送數據，這樣交替下去，直到一幀結束。
步驟33，傳輸確認前向網關和前向簇頭可以在每次接收數據后，向其上游節(jié)點發(fā)送一個響應(ACK)確認接收成功，若上游節(jié)點沒有收到響應(ACK)則認為發(fā)送失敗，可以在下次發(fā)送數據時候一起再次發(fā)送。
具體而言，所述步驟11包括下列步驟步驟111，確定參與簇頭競爭節(jié)點選擇(0，1)之間的一個隨機數與閥值比較，小于則宣布參與簇頭競爭，并發(fā)送參與廣播消息(COMPETE_HEAD_MSG)告知周圍節(jié)點；步驟112，確定簇頭所有參與競爭簇頭的節(jié)點，比較各自收到的其他節(jié)點參與競爭的廣播消息后，通過比較各自的功率水平確認是否是最大，如果是最大則成為簇頭，并發(fā)送成為簇頭的廣播消息(FINAL_HEAD_MSG)；若沒有發(fā)送廣播的候選簇頭，在設定的時間沒有收到其他簇頭的廣播消息(FINAL_HEAD_MSG)，則再次認為自己成為簇頭，并發(fā)送成為簇頭的廣播消息(FINAL_HEAD_MSG)。
具體而言，所述步驟12包括下列步驟步驟121，形成前向候選簇頭集合節(jié)點若收到多個簇頭發(fā)送的廣播消息(FINAL_HEAD_MSG)后，則選擇一個功率最大簇頭，向其發(fā)送加入該簇的消息(JOIN_CLUSTER_MSG)；同時比較其自身到處理中心(Sink)節(jié)點的距離向量是否比其簇頭小，若是更小，則把其他監(jiān)聽到的簇頭的處理中心(Sink)節(jié)點的距離向量與自身比較，選擇小于自己的簇頭組成該節(jié)點的前向候選簇頭集合(FCHS)；步驟122，選擇前向簇頭節(jié)點在其前向候選簇頭集合中，按最短路徑原則確定前向簇頭。
具體而言，所述步驟13包括下列步驟步驟131，形成前向候選網關集合成員節(jié)點在向簇頭發(fā)送加入消息(JOIN_CLUSTER_MSG)的時候，同時匯報自己的前向簇頭(FCH)的情況；簇頭收到成員節(jié)點的加入消息后，把擁有前向簇頭的節(jié)點加入自己的前向候選網關集合(FCGS)；
步驟132，選擇前向網關簇頭在其前向候選網關集合中，按最小方向角原則確定前向網關。
下面進一步詳細說明本發(fā)明的無線傳感器網絡通信方法。
參見圖2，水下布置的傳感器節(jié)點經過步驟11的簇結構初始化，步驟12的選擇前向簇頭，步驟13的選擇前向網關之后，實際上每個簇頭將其前向網關Gi作為其路由的下一條節(jié)點，而前向網關Gi則將其前向簇頭(FCH)作為其路由的下一條節(jié)點，這樣依次朝向處理中心(Sink)節(jié)點就形成如圖2所示的數據傳輸路由。
網絡工作時，數據的收集劃分成兩個階段。第一個階段節(jié)點采集數據，節(jié)點產生數據后直接發(fā)送給其簇頭CHi；第二階段簇頭傳輸數據，簇頭收到成員傳過來的數據后，進行融合處理，然后直接把處理后的數據發(fā)送給前向網關Gi，前向網關Gi直接中繼數據給其前向簇頭FCH。在第二階段期間，普通成員可以進入“睡眠”狀態(tài)以階段能量，在一輪數據收集時再轉入工作狀態(tài)。
參見圖3，對于網絡中某個簇頭節(jié)點CHi，其對于處理中心(Sink)節(jié)點的前向網關集FCGS如圖3中橢圓虛線框所示，其內部有G1、G2等若干可供選擇的前向候選網關。以S標識簇頭節(jié)點CHi，D標識處理中心(Sink)節(jié)點。候選網關G1、G2與CHi的連線SG1、SG2與直線SD的夾角分別為θ1、θ2。θ1、θ2分別為候選網關G1、G2在數據傳輸方向上的方向角。這樣最佳方向角選取前向網關的原則即是從FCGS中選擇某個節(jié)點Gi，使得其方向角θi在所有節(jié)點的方向角中最小。在圖3中，可以看出節(jié)點G1為具有最佳方向角的網關，因此CHi將選擇G1為其前向網關。
普通的成員節(jié)點j經過前向簇頭的選擇步驟后，向其將要加入的簇頭CH0發(fā)送申請加入該簇消息(JOIN_CLUSTER_MSG)，該消息除了包含CH0的ID、節(jié)點j自身的ID，還需包含其前向簇頭FCH信息和剩余能量Ej。
每個成為簇頭的節(jié)點CHi都有一個前向候選網關集合FCGS，記為SG。當簇頭接收到節(jié)點j的加入該簇消息(JOIN_CLUSTER_MSG)后，若該消息中節(jié)點j的SFCH為非空，則將其ID加入SG，并記錄節(jié)點j的方向角θj。經過一段時間T后簇頭CHi認為已經接收完所有簇成員的加入該簇消息(JOIN_CLUSTER_MSG)，然后它對SG中的所有候選網關節(jié)點按照最小方向角原選擇前向網關，記為Gi。最后簇頭CHi將發(fā)送簇內廣播響應的消息(REPLY_MSG)，確認簇成員節(jié)點加入成功，并制定前向網關。
參見圖4，節(jié)點G已經被簇頭CHi選定為其前向網關。以G為圓心做半徑為R0的圓弧，同時以D為圓心做圓弧，兩段圓弧所圍區(qū)域為前向候選簇頭節(jié)點出現的區(qū)域。圖中虛線橢圓框即表示節(jié)點G朝向處理中心(Sink)節(jié)點的前向候選簇頭集(FCHS)。其內部有H1、H2等若干可供選擇的前向候選簇頭。以S標識簇頭節(jié)點CHi，D標識sink節(jié)點。候選簇頭H1、H2與節(jié)點G和處理中心(Sink)節(jié)點的路徑分別H1G、H1D、H2G、H2D。最短路徑原則即是選取虛線框中某個節(jié)點Hi使得其到節(jié)點G和節(jié)點D的距離之和最短，其取FCHS中滿足HiG+HiD最短的節(jié)點。
每個沒有成為簇頭的節(jié)點都有一個簇頭節(jié)點集(ClusterHead Set，記為SH)。當分簇算法選擇處簇頭之后，所有的簇頭都會進行廣播成為簇頭的廣播消息(FINAL_HEAD_MSG)，宣稱其成為簇頭。為了方便普通節(jié)點選擇前向簇頭，所有的簇頭需要在其成為簇頭的廣播消息(FINAL_HEAD_MSG)中加入自身的位置信息(di)和自身的剩余能量(Ei)。普通節(jié)點j若接收到了某個簇頭CHi的成為簇頭的廣播消息(FINAL_HEAD_MSG)，則將該簇頭ID加入到其SH中，并記錄下CHi的di、Ei。接下來，節(jié)點測算自己到SH中簇頭節(jié)點距離，然后選擇一個距離最小的簇頭作為其將要申請加入的簇的簇頭，記為CH0。此外節(jié)點還需比較SH中的其他簇頭節(jié)點的di，并選擇滿足di＜dj的簇頭為其前向候選簇頭，加入到簇頭集(FCHS)中，記為SFCH。然后根據最短路徑原則，節(jié)點j對其SFCH中取min{di+dij}為其前向候選簇頭，記為FCH。若FCH等于CH0或者SFCH為空，則記節(jié)點j無前向節(jié)點。
參考圖5，為簇內節(jié)點通信的結構圖。簇A內的節(jié)點A1與A2的通信需要通過簇頭A0進行轉發(fā)，會在一定程度上造成功率消耗的增加，這就要求簇頭A0有較大的存儲容量和能量以維持這種簇內通信。本發(fā)明實施例中，在簇內采取TDMA多址接入協(xié)議方法。所有簇的TDMA幀由簇內部分與簇間部分組成，而且每個部分總長度是固定的。每個簇頭根據各自簇內節(jié)點的數目確定其TDMA幀簇內部分的時隙數量，簇間部分供簇頭間匯報數據。簇頭形成基于TDMA幀結構的調度信息，然后以簇內廣播的形式告知每一個簇內節(jié)點。簇內節(jié)點根據接收到的調度信息，安排自己的監(jiān)測和發(fā)送狀態(tài)時間。每一個簇內節(jié)點都只在簇頭分配給其的時隙內才向簇頭發(fā)送數據，而其他時隙則處于監(jiān)測或者睡眠狀態(tài)。簇內成員節(jié)點在簇間通信部分睡眠，而前向網關節(jié)點在簇內通信部分休眠。
參考圖6，為簇間節(jié)點通信的結構圖。簇間通信主要通過前向網關C1，由簇頭A0與C1通信，再C1與B0通信；同理，簇B與簇E之間的通信也就是簇頭B0、E0和前向網關D1之間的通信。這樣的好處就是不用再進行路由選擇，前向網關本身就形成一個二跳路由。由于相鄰簇使用不同的擴頻碼，當每個簇頭向其前向網關發(fā)送數據的時候，它們之間并不會相互干擾。在這個期間內，每個前向網關跟簇頭一樣處于收發(fā)工作狀態(tài)。為了減少干擾，在各簇間采用碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)協(xié)議，每個節(jié)點都預先設置好一個擴頻碼，節(jié)點充當簇頭后，在廣播信息中告知簇內其他節(jié)點其使用的擴頻碼，這樣相鄰的簇使用的擴頻碼不同。而所有的廣播都使用相同的一個擴頻碼。
對于前向網關的通信，可以把TDMA幀的簇間部分劃分成相等N個時隙(N的數目可以事先根據情況確定，保證最外圍的簇能夠把數據傳送到簇頭)，第一個時隙，每個簇頭向網關發(fā)送數據，第二時隙，每個簇頭接收下一級網關的數據，然后第三個時隙，每個簇頭又向網關發(fā)送數據，這樣交替下去，直到一幀結束。每個前向網關接收其簇頭的數據時，使用與之相同的擴頻碼，而向其次選簇頭發(fā)送數據時，則切換到與次選簇頭相同的擴頻碼上。前向網關可以在每次接收數據后，向其簇頭發(fā)送一個回應，如果簇頭沒有收到該回應，則認為前一次數據發(fā)送失敗，可以在下次簇頭發(fā)送數據時候一起再次發(fā)送。
參考圖7，為用于簇內和簇間通信調度的TDMA幀的總體示意圖。該TDMA幀由簇內和簇間兩個部分組成，兩個部分的長度可以根據具體應用進行調整，而簇內部分的時隙數目則由簇頭根據簇內節(jié)點數目進行調整，簇間部分時隙數目需要根據具體應用進行調整。
參考圖8，為本發(fā)明說明中所涉及到的一些消息的格式。其中控制消息的類型已經標注，而數據消息分為簇間數據類型和簇內數據類型，具體的數據類型編號本領域普通技術人員可以根據具體需要進行設置，因而本發(fā)明實施例中，不進行具體限制；同樣，本領域普通技術人員也可以理解，控制消息的具體類型本領域普通技術人員也可以根據需要，在不脫離本發(fā)明主旨的條件下，進行一些不具有創(chuàng)造性的更改，但這些都不脫離本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明還提供一種無線傳感器網絡通信系統(tǒng)，適用在水聲高延遲環(huán)境下，其以眾多傳感器節(jié)點以分簇結構為基礎組織通信，包括下列單元拓撲結構初始化單元，用于在處理中心節(jié)點在初始化時發(fā)送廣播，網絡節(jié)點通過該廣播消息測量出自己與處理中心節(jié)點的距離向量；路由建立單元，用于在網絡節(jié)點中組織形成分簇結構，并在分簇結構初始化時選擇簇頭節(jié)點的前向網關和普通節(jié)點的前向簇頭；數據傳輸單元，用于使簇成員節(jié)點在設定的時隙內采集數據并傳遞給簇頭，簇頭和前向網關在設定時隙傳輸數據給處理中心節(jié)點。
結構周期更新單元，用于設定固定的更新周期進行分簇結構的初始化，同時重新建立路由和通信調度。
本發(fā)明的無線傳感器網絡通信系統(tǒng)，其與無線傳感器網絡通信方法相同的過程而工作，因此，在本發(fā)明實施例中不再一一重復描述。
本發(fā)明的適合水聲高延遲環(huán)境的網絡通信方法和系統(tǒng)，通過在對傳感器網絡節(jié)點分簇、前向網關和前向簇頭達到對水下的實時監(jiān)控和處理，能夠適應水下通信信道的高延遲、長斷開的特點，降低節(jié)點的功率消耗，減少消息采集到傳輸至處理中心(Sink)的時間，周期性的更新路由以均衡所有節(jié)點的工作壽命，從而延長整個網絡的工作壽命時間。
本發(fā)明可廣泛涉及到軍事和民用的水下通信領域中，如海洋環(huán)境的探測、海底石油的勘探、海底地震和火山爆發(fā)的觀測、海洋生物的觀察、洋流的變化及地球海洋的溫度和結構等。
以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述和說明，這些實施例應被認為其只是示例性的，并不用于對本發(fā)明進行限制，本發(fā)明應根據所附的權利要求進行解釋。
權利要求
1.一種無線傳感器網絡通信方法，其特征在于，其以眾多傳感器節(jié)點以分簇結構為基礎組織通信，包括下列步驟步驟A，處理中心節(jié)點在初始化時發(fā)送廣播，網絡節(jié)點通過該廣播消息測量出自己與處理中心節(jié)點的距離向量；步驟B，網絡節(jié)點組織形成分簇結構，并在分簇結構初始化時選擇簇頭節(jié)點的前向網關和普通節(jié)點的前向簇頭；步驟C，簇成員節(jié)點在設定的時隙內采集數據并傳遞給簇頭，簇頭和前向網關在設定時隙傳輸數據給處理中心節(jié)點。
2.根據權利要求1所述的無線傳感器網絡通信方法，其特征在于，還包括下列步驟步驟D，網絡設定固定的更新周期進行分簇結構的初始化，同時重新建立路由和通信調度。
3.根據權利要求1或2所述的無線傳感器網絡通信方法，其特征在于所述步驟A包括下列步驟步驟A1，所有節(jié)點設定統(tǒng)一閥值T，然后節(jié)點隨機選擇一個數Tn，若Tn＜T，則節(jié)點開始競爭簇頭，并發(fā)送廣播消息告知所有其他節(jié)點；否則放棄競爭成為普通節(jié)點；競爭簇頭的節(jié)點通過比較成為簇頭，并發(fā)送廣播消息告知所有其他節(jié)點；步驟A2，節(jié)點在簇頭廣播消息時按照與處理中心節(jié)點的遠近程度形成自己的前向候選簇頭集合；之后再按照確定前向簇頭；步驟A3，簇頭在接收簇成員加入的時候，從簇成員加入消息中，選擇擁有前向簇頭的節(jié)點組成前向候選網關集合，最后按照確定最終前向網關，并發(fā)送通知告知節(jié)點。
4.根據權利要求1或2所述的無線傳感器網絡通信方法，其特征在于所述步驟C包括下列步驟步驟C1，簇頭形成基于TDMA幀結構的調度信息，然后以簇內廣播的形式告知每一個簇內節(jié)點；簇內節(jié)點根據接收到的調度信息，安排自己的監(jiān)測和發(fā)送狀態(tài)時間；每個節(jié)點只在簇頭分配的時隙內才向簇頭發(fā)送數據，而其他時隙則處于監(jiān)測或者睡眠狀態(tài)；步驟C2，所有簇的TDMA幀由簇內部分與簇間部分；把簇間部分劃分成相等偶數N個時隙；第一個時隙，每個簇頭向網關發(fā)送數據，第二時隙，每個簇頭接收下一級網關的數據，然后第三個時隙，每個簇頭又向網關發(fā)送數據，這樣交替下去，直到一幀結束。
5.根據權利要求4所述的無線傳感器網絡通信方法，其特征在于，所述步驟C2之后還包括下列步驟步驟C3，前向網關和前向簇頭可以在每次接收數據后，向其上游節(jié)點發(fā)送一個響應確認接收成功，若上游節(jié)點沒有收到響應則認為發(fā)送失敗，可以在下次發(fā)送數據時候一起再次發(fā)送。
6.根據權利要求3所述的無線傳感器網絡通信方法，其特征在于，所述步驟A1包括下列步驟步驟A11，節(jié)點選擇一個隨機數與閥值比較，小于則宣布參與簇頭競爭，并發(fā)送廣播消息告知周圍節(jié)點；步驟A12，所有參與競爭簇頭的節(jié)點，比較各自收到的其他節(jié)點參與競爭的廣播消息后，通過比較各自的功率水平確認是否是最大，如果是最大則成為簇頭，并發(fā)送成為簇頭的廣播消息；若沒有發(fā)送廣播的候選簇頭，在設定的時間沒有收到其他簇頭的廣播消息，則再次認為自己成為簇頭，并發(fā)送成為簇頭的廣播消息。
7.根據權利要求3所述的無線傳感器網絡通信方法，其特征在于，所述步驟A2包括下列步驟步驟A21，節(jié)點若收到多個簇頭發(fā)送的廣播消息后，則選擇一個功率最大的加入該簇；同時比較其自身到處理中心節(jié)點的距離向量是否比其簇頭小，若是更小，則把其他監(jiān)聽到的簇頭的處理中心節(jié)點的距離向量與自身比較，選擇小于自己的簇頭組成該節(jié)點的前向候選簇頭集合；步驟A22，節(jié)點在其前向候選簇頭集合中，按最短路徑原則確定前向簇頭。
8.根據權利要求3所述的無線傳感器網絡通信方法，其特征在于，所述步驟A3包括如下步驟步驟A31，成員節(jié)點在向簇頭發(fā)送加入消息的時候，同時匯報自己的前向簇頭的情況；簇頭收到成員節(jié)點的加入消息后，把擁有前向簇頭的節(jié)點加入自己的前向候選網關集合；步驟A32，簇頭在其前向候選網關集合中，按最小方向角原則確定前向網關。
9.一種無線傳感器網絡通信系統(tǒng)，其特征在于，其以眾多傳感器節(jié)點以分簇結構為基礎組織通信，包括下列單元拓撲結構初始化單元，用于在處理中心節(jié)點在初始化時發(fā)送廣播，網絡節(jié)點通過該廣播消息測量出自己與處理中心節(jié)點的距離向量；路由建立單元，用于在網絡節(jié)點中組織形成分簇結構，并在分簇結構初始化時選擇簇頭節(jié)點的前向網關和普通節(jié)點的前向簇頭；數據傳輸單元，用于使簇成員節(jié)點在設定的時隙內采集數據并傳遞給簇頭，簇頭和前向網關在設定時隙傳輸數據給處理中心節(jié)點。
10.根據權利要求9所述的無線傳感器網絡通信系統(tǒng)，其特征在于，還包括結構周期更新單元，用于設定固定的更新周期進行分簇結構的初始化，同時重新建立路由和通信調度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線傳感器網絡通信方法和系統(tǒng)。其以眾多傳感器節(jié)點以分簇結構為基礎組織通信。該方法包括下列步驟處理中心節(jié)點在初始化時發(fā)送廣播，網絡節(jié)點通過該廣播消息測量出自己與處理中心節(jié)點的距離向量；網絡節(jié)點組織形成分簇結構，并在分簇結構初始化時選擇簇頭節(jié)點的前向網關和普通節(jié)點的前向簇頭；簇成員節(jié)點在設定的時隙內采集數據并傳遞給簇頭，簇頭和前向網關在設定時隙傳輸數據給處理中心節(jié)點。其適合大規(guī)模的水下傳感器網絡應用。
文檔編號H04L29/06GK101013926SQ200710051468
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月5日 優(yōu)先權日2007年2月5日
發(fā)明者張劍, 黃本雄, 謝旭 申請人:華中科技大學