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異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于簇樹拓撲結(jié)構(gòu)的tdma調(diào)度方法

文檔序號:9567695閱讀:491來源:國知局
異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于簇樹拓撲結(jié)構(gòu)的tdma調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域,尤其設(shè)及一種異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于簇樹拓撲 結(jié)構(gòu)的TDM調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)的分層模型中屬于第一層,通過各種類型的傳感器獲 取外部環(huán)境信息,是物聯(lián)網(wǎng)的核屯、技術(shù)之一。在大多數(shù)應(yīng)用中,傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點采用電 池供電,因此需要降低節(jié)點能耗W最大化節(jié)點工作時間。傳感器節(jié)點按工作模式可具體分 為空閑模式、休眠模式、數(shù)據(jù)傳送模式、數(shù)據(jù)接收模式,在運幾種模式中,數(shù)據(jù)傳送模式和數(shù) 據(jù)接收模式耗能最高,因此,為了最大化節(jié)點工作時間,通常可通過對節(jié)點進行調(diào)度,使節(jié) 點處于休眠模式W節(jié)能。
[0003] 傳感器網(wǎng)絡(luò)可分為同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)或異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò),在現(xiàn)有的研究中,多集中 在同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò),對異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究較少。而在傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中,由于節(jié)點通 信能力、處理能力等不同,在網(wǎng)絡(luò)中存在很多異構(gòu)節(jié)點,因此,如何根據(jù)節(jié)點的異構(gòu)性,最大 化網(wǎng)絡(luò)的生存期,是一個必須解決的問題。傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)上可采用平面拓撲 結(jié)構(gòu)或?qū)哟瓮負浣Y(jié)構(gòu)。層次拓撲結(jié)構(gòu)將相鄰的節(jié)點組成"簇",簇所在范圍的數(shù)據(jù)經(jīng)簇首節(jié) 點處理后再上傳,能有效降低網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量,進而降低節(jié)點功耗。在層次拓撲結(jié)構(gòu)中,簇 內(nèi)路由可采用一跳或多跳方式,簇間路由可采用W處理中屯、為樹根的匯聚樹結(jié)構(gòu)。傳感器 節(jié)點W簇為單位,簇內(nèi)節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給簇首節(jié)點,簇首對簇內(nèi)數(shù)據(jù)進行處理后,通過匯聚 樹將數(shù)據(jù)傳送至處理中屯、。現(xiàn)有的基于簇樹結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò),簇間數(shù)據(jù)和簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸 存在有信道干擾,導(dǎo)致了數(shù)據(jù)包誤碼率提高或發(fā)生丟包現(xiàn)象。為了解決信道共享問題,在傳 感器網(wǎng)絡(luò)中通常采用基于競爭和基于調(diào)度(TDMA)兩種方式,TDMA與基于競爭的方式相比, 具有限制傳輸時延和降低沖突的優(yōu)點,有助于避免數(shù)據(jù)的重傳,因此能有效降低節(jié)點通信 能耗,延長節(jié)點工作時間,是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究熱點之一。
[0004] 現(xiàn)有研究多集中在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò),沒有很好考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點異構(gòu)的特點,但在 一些應(yīng)用中,如農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測、河流監(jiān)測、智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測等,由于簇首節(jié)點要承擔(dān)執(zhí)行 器的功能,所W與普通傳感器節(jié)點在結(jié)構(gòu)上存在異構(gòu),且現(xiàn)有研究中很少根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋問 題和傳感器的監(jiān)測精度問題來綜合研究TDM調(diào)度方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題:提供一種異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于簇樹拓撲結(jié)構(gòu)的 TDMA調(diào)度方法,W解決現(xiàn)有技術(shù)的TDMA調(diào)度沒有很好考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點異構(gòu)的特點, 缺少根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和傳感器的監(jiān)測精度來進行TDM調(diào)度,使得不能有效降低和均衡傳感 器節(jié)點能耗,W達到延長網(wǎng)絡(luò)生存期等技術(shù)問題。
[000引本發(fā)明技術(shù)方案: 一種異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于簇樹拓撲結(jié)構(gòu)的TDM調(diào)度方法,它包括: 步驟I、構(gòu)建簇,確定簇首節(jié)點數(shù); 步驟2、形成簇間路徑; 步驟3、確定每個簇內(nèi)的工作節(jié)點數(shù); 步驟4、確定每個簇內(nèi)的活動節(jié)點; 步驟5、根據(jù)TDM調(diào)度方法確定簇首節(jié)點工作時間和開始工作時刻。
[0007] 步驟1所述的構(gòu)建簇,確定簇首節(jié)點數(shù)的方法為: 步驟1. 1、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求,通過公式
確定簇首節(jié)點數(shù);按六 邊形部署方式部署簇首節(jié)點,式中:藥!為簇首節(jié)點數(shù);P表示網(wǎng)絡(luò)要求被覆蓋的概率;A為簇首節(jié)點布置區(qū)域面積;rr/為每個簇的最大覆蓋面積; 步驟1. 2、傳感器節(jié)點上電后啟動定時器,等待接收簇首廣播的組網(wǎng)帖; 步驟1. 3、定時器時間到,傳感器節(jié)點根據(jù)接收到的組網(wǎng)帖信號強度,選擇信號最強的 一個簇首申請加入簇。
[0008] 步驟2所述的形成簇間路徑的方法為:由處理中屯、發(fā)送組網(wǎng)帖,通過廣播形成W 處理中屯、為樹根,所有簇首節(jié)點為頂點的骨干樹,簇首對簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合處理后通過單跳或 多跳方式傳送給處理中屯、。
[0009] 步驟3所述確定每個簇內(nèi)工作節(jié)點數(shù)方法為:首先令簇首節(jié)點融合后的估計值為 S,簇內(nèi)節(jié)點所接傳感器的方差為巧'為)、幻打;'巧虹f,各節(jié)點所接傳感器的感知結(jié) 果分別為P:;,芯、>、.、孤2.,根據(jù)傳感器的方差給予每個傳感器i相應(yīng)的加權(quán)因子灣i, 得到融合后的估計值及-呈展瓣簿殘f,纖巧胃麵Il,養(yǎng)議端講;簇內(nèi)所有節(jié) 點將自身的方差!>(巧和自身的剩余能量;!龜,W及各自所連接傳感器的感知結(jié)果編傳送給 簇首節(jié)點;然后簇首節(jié)點計算估計誤差隱麵廣;H鍵,給定口限為S,1話fH編激;黃,f為真 值,通過增加傳感器的個數(shù)來滿足估計誤差Pl纖il,最終的傳感器個數(shù)即為工作節(jié)點數(shù) ko
[0010] 步驟4所述的確定簇內(nèi)活動節(jié)點的方法為:首先簇首節(jié)點根據(jù)公式 計算簇內(nèi)所有節(jié)點成為活動節(jié)點的概率;然后對概率值A(chǔ)進行從大到 小排序,選擇概率值從大到小的k個節(jié)點作為活動節(jié)點;如果^值相同,則剩余能量A值較 多的節(jié)點為活動節(jié)點;并將活動節(jié)點的序號廣播給簇內(nèi)節(jié)點廣值相同,則剩余能量夏 1最多 的節(jié)點為活動節(jié)點;最后簇首節(jié)點將活動節(jié)點的節(jié)點號和序號廣播給簇內(nèi)節(jié)點,如果自身 節(jié)點號與廣播帖中的節(jié)點號一致,則設(shè)置自身為活動節(jié)點。
[0011] 步驟5所述的根據(jù)TDM調(diào)度方法確定簇首節(jié)點工作時間和開始工作時刻的方法 包括: 步驟5. 1、將簇內(nèi)活動節(jié)點數(shù)和簇內(nèi)工作時間最長的節(jié)點的工作時間7:"k傳送至處理 中屯、; 步驟5.2、節(jié)點的工作時間7:。4=7;+&+&+&,7;為傳感器對感知信號的轉(zhuǎn)換時間,&為 數(shù)據(jù)收發(fā)的時間,&為數(shù)據(jù)處理時間,7;為監(jiān)聽時間; 步驟5. 3、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)深度和每個簇的活動節(jié)點數(shù),取節(jié)點數(shù)最多的一個為網(wǎng)絡(luò)中每個簇 的節(jié)點數(shù); 步驟5. 4、計算網(wǎng)絡(luò)一次數(shù)據(jù)采集所需的總工作時間并沿骨干樹對全網(wǎng)廣播; 步驟5. 5、時間沿骨干樹逐次進行分割,簇首節(jié)點將自己所在簇的工作時間在簇內(nèi)廣 播,簇內(nèi)活動的傳感器節(jié)點根據(jù)自身序號確定自身的工作時刻;其中與處理中屯、相距一跳 的簇首節(jié)點按公式(1)計算工作時間和公式(2)計算開始工作時刻;
與處理中屯、相距大于一跳的簇首節(jié)點按下面(3)計算工作時間和公式(4)計算開始工 作時刻;
上述式中,頸i續(xù)為網(wǎng)絡(luò)總的工作時間,灘絳|為孩子節(jié)點數(shù),纖為自身編號,賴額 為孩子簇首數(shù)。
[0012] 本發(fā)明的有益效果: 本發(fā)明根據(jù)傳感器監(jiān)測精度要求確定活動節(jié)點數(shù),其余節(jié)點通過處于休眠狀態(tài)節(jié)能, 可有效延長網(wǎng)絡(luò)生存期;W往的節(jié)點調(diào)度算法很少提及節(jié)點的工作時間,而節(jié)點工作時間 事實上直接影響調(diào)度算法的可靠性,因此本發(fā)明將節(jié)點工作時間考慮在算法中,特別是考 慮了傳感器的轉(zhuǎn)換時間和數(shù)據(jù)的處理時間,通過選擇簇內(nèi)工作時間最長的節(jié)點的工作時間 作為簇內(nèi)節(jié)點的平均工作時間,在有效降低時序分配算法的復(fù)雜度的同時,又保證了每個 節(jié)點都有足夠的時間處理數(shù)據(jù);簇首節(jié)點和簇內(nèi)傳感器節(jié)點根據(jù)父節(jié)點的工作時間及自身 編號確定自身的工作時隙和開始工作的時刻,采用的是分布式的計算方法,有效降低了網(wǎng) 絡(luò)中的信息量,進而降低節(jié)點的功耗和延長網(wǎng)絡(luò)生存期;解決了現(xiàn)有技術(shù)的TDM調(diào)度沒 有很好考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點異構(gòu)的特點,缺少根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和傳感器的監(jiān)測精度來進行 TDMA調(diào)度,使得不能有效降低和均衡傳感器節(jié)點能耗,W達到延長網(wǎng)絡(luò)生存期等技術(shù)問題。 [001引【附圖說明】: 圖1是本發(fā)明實施例的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2是本發(fā)明實施例的TDM調(diào)度方法的流程圖; 圖3是本發(fā)明實施例的簇內(nèi)節(jié)點工作狀況示意圖; 圖4是本發(fā)明實施例的節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。
[0014]
【具體實施方式】: 圖中序號1.處理中屯、,2.簇首節(jié)點,3.傳感器節(jié)點,4.連接簇首的骨干樹,5.簇覆蓋 區(qū)域,6.事件區(qū)域,7.休眠節(jié)點,8.工作節(jié)點,9.簇首與工作節(jié)點間的通信鏈路,10.工作時 間,11.休眠時間,12.感知時間,13.處理時間,14.監(jiān)聽時間,15.數(shù)據(jù)收發(fā)時間。
[0015] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0016] 如圖1所示,異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中由處理中屯、、簇首節(jié)點和傳感器節(jié)點構(gòu)成,網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)為簇樹拓撲結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)周期性工作,簇首節(jié)點具有感知和執(zhí)行的功能,與簇內(nèi)節(jié)點在 結(jié)構(gòu)和功能上異構(gòu),簇的建立W達到簇首節(jié)點所帶執(zhí)行器的控制范圍為標準,簇首配置有 兩個通信模塊,工作在不同的頻段,一個通信模塊用于簇間通信,一個通信模塊用于簇內(nèi)通 信,有效降低了頻段沖突導(dǎo)致的數(shù)據(jù)重發(fā)、丟失等情況。
[0017] 圖2為本發(fā)明采用簇樹拓撲結(jié)構(gòu)的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的TDMA調(diào)度方法的流程圖,包 括下列步驟: 步驟1,網(wǎng)絡(luò)初始化:網(wǎng)絡(luò)上電后,節(jié)點進行初始化,包括對輸入輸出端口、傳感器模 塊、無線通信模塊進行初始化; 步驟2,構(gòu)建簇,包括: 步驟2. 1 :根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求,簇首節(jié)點數(shù)
,按六邊形部署方式部署簇首節(jié)點; 步驟2. 2 :傳感器節(jié)點上電后啟動定時器,等待接收簇首廣播的組網(wǎng)帖; 步驟2. 3 :定時時間到,傳感器節(jié)點根據(jù)接收到的組網(wǎng)帖信號強度,選擇距離自身較近 的一個簇首申請加入; 步驟3,形成簇間路徑:由處理中屯、發(fā)送組網(wǎng)帖,包含有跳數(shù)等信息,跳數(shù)的初始值為 0,通過廣播形成W處理中屯、為樹根,所有簇首節(jié)點為頂點的骨干樹,簇首對簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合 處理后通過單跳或多跳方式傳送給處理中屯、。
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