CN101841933A - 一种用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法 - Google Patents

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左秀婷
周璐巍
张唯易
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Abstract

本发明涉及一种用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，包括以下步骤：网络预先将每个采样周期划分为多个待分配的时隙；汇聚节点在入网申请时隙监听其他节点发来的入网请求，若收到该信息就会给发来请求的节点临时分配一个通信时隙并回复；汇聚节点在所分配的通信时隙监听确认帧，若收到则会分配可用时隙，由此节点入网产生了汇聚节点的下一跳；已经入网的节点会采用同样的方式处理其他节点的入网请求帧；未入网的节点会在入网申请时隙发出入网请求帧，在入网请求时隙结束后节点会选择一个已入网的节点作为其父节点入网；直至构建出信号碰撞几率小、传输效率高的无线传感网络，其中，节点会在非工作时隙休眠直到工作时隙到来。

Description

一种用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络领域，特别是涉及一种用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法。
背景技术
传感器网络的主要任务和目的是将网络中所有传感器节点采集到的信息传送到基站(即汇聚节点)。因应用场景的不同，无线传感器网络的网络采集区域范围大小和节点间距离间隔都有所不同。最常见的是应用于家居的无线传感网，节点间距几厘米到几十米不等，这也是无线传感网能量受限的一个结果。但是应用于野外信息采集时，由于一般采集区域距离信息收集者距离比较远、采集范围也比较大，有的网络节点间距可达到十几公里至几十公里，可以称之为中程无线传感网。中程无线传感网的特点是天线的发射功率大、信号衰减严重、节点间信号碰撞干扰频率高、隐藏终端问题严重、数据空中速率低等。所有这些特点导致的结果是由信号冲突引起的信号重传次数增多、无线发射产生的功耗增大。这对于一般只能使用太阳能供电的中程无线传感网来说无疑是致命的打击。因此，设计一种信号碰撞几率小、传输效率高的组网协议是成功构建中程无线传感网的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，解决了现有的无线传感器网络技术大多局限于短程小范围应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，各个节点之间的通信距离大于1Km，包括以下步骤：
(1)整个网络将每个采样周期划分为N个时隙，并规定其中的一个固定时隙为接收入网请求时隙，其中，N＞1；
(2)在接收入网请求时隙时，汇聚节点接收节点申请入网请求，将临时分配的通信时隙回复给申请入网的节点，在临时分配的通信时隙中监听申请入网节点的确认帧，若未收到节点发送的确认帧，则放弃所述的节点的加入，若收到节点发送的确认帧，则对所述的节点分配n个可用时隙并规定二者之间的通信时隙，其中n＜N，由此产生下一跳；
(3)在下一个接收入网请求时隙时，未入网节点发出申请入网请求，一旦收到已入网节点的回复就会记录与该已入网节点的通信时隙，在接收入网请求时隙结束后所述的未入网节点会选择一个已入网节点加入，并在之前记录的通信时隙中向所述的已入网节点发出确认；已入网节点在下一个接收入网请求时隙时监听未入网节点的申请入网请求，一旦收到未入网节点的入网请求则重复步骤(2)中汇聚节点接收节点申请入网请求的处理步骤；
(4)重复步骤(3)直至整个树状无线传感网组网完成。
所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，在所述的步骤(2)中汇聚节点将临时分配的通信时隙回复给申请入网的节点时会附带自身的ID；汇聚节点将分配出去的n个可用时隙标记为已分配，并记录与所述的可用时隙对应节点的ID。
所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，在所述的步骤(2)中n个可用时隙根据预定的网络规模、布网区域的形状和N个时隙的大小来确定。
所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，在所述的步骤(3)中当未入网节点有两个以上的已入网节点可加入时，所述的未入网节点采用择优加入的方法进行入网。
所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，在所述的步骤(3)中若已入网的节点在组网的过程中发现可用时隙不足，可向上一级的已入网节点请求再次分配可用时隙。
所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，在构建所述的无线传感网的过程中，所述的汇聚节点根据多退少补原则不断地调整对其下一级已入网节点分配可用时隙的个数。
所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法中所述的节点在未分配的时隙中保持休眠状态。
所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法中所述的时隙的分配方式采用由汇聚节点开始逐级预分配的方式。
所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法中所述的无线传感网采用GPS或节点间的自适应同步的方法解决各个节点之间的同步问题。
所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法中所述的通信时隙前后都设定一个保护带。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：将各个节点生成树状的逐层汇聚的拓扑结构，满足了无线传感网的任务和中程传感网的特点，同时也便于路由和控制管理。在多址接入方面采用时分多址(简称“TDMA”)协议，具有软硬件实现简单、传输效率高的优点。由于野外中程无线传感网的信息采集具有周期性采样的特点，采用树形拓扑并实行时隙的预分配可以很容易的克服同步、灵活分配时隙等困难，实现基于TDMA的高效、简单、灵活的树状中程无线传感信息采集网。
附图说明
图1是本发明的网络结构示意图；
图2是本发明所用的时隙分配方式示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种用于野外信息采集的中程无线传感网实现方法，包括以下步骤：网络预先将每个采样周期划分为多个待分配的时隙；用于信息收集的汇聚节点在公共的入网申请时隙监听其他节点发来的入网请求，若收到该信息就会给发来请求的节点临时分配一个通信时隙并回复；汇聚节点在所分配的通信时隙监听确认帧，若收到则会进一步分配可用时隙，由此节点入网产生了汇聚节点的下一跳；已经入网的节点会采用同样的方式处理其他节点的入网请求帧；未入网的节点会在公共的入网申请时隙发出入网请求帧，在入网请求时隙结束后节点会选择一个已入网的节点作为其父节点，并在由之前该父节点回复帧中指明的通信时隙对该父节点发出确认，然后等待该父节点的可用时隙分配；最后重复上一步骤直至完成如图1所示的树状逐层汇聚的拓扑结构；节点会在非工作时隙休眠直到工作时隙到来，即节点在未分配的时隙中保持休眠状态。本发明通过信息采集树的生长，父节点依次将自己可以使用的时隙分配给其所属的子节点，并要求子节点只能在分配好的特定的通信时隙才可以与父节点通信。这样做的目的是为了克服中程无线传感网存在的单个信号覆盖范围大、节点间信号碰撞干扰现象严重、隐藏终端问题突出等不利于无线自组组网的缺点。图2所示的是本发明所用的时隙分配示意图，本发明时隙分配的方式采用由汇聚节点开始逐级预分配的方式。
下面进一步说明本发明是如何实现的，其具体步骤如下：
(1)首先根据采样周期、每次传输所用时间等要素将每个采样周期划分为N个时隙，规定其中的某个固定时隙为接收入网请求时隙，并且这个时隙为所有节点所共知，其中，各个节点之间的通信距离大于1Km。
(2)汇聚节点(基站)在接收入网请求时隙中监听信道并接收需要入网的节点的入网申请，一旦监听到有节点发出申请入网帧，则对其进行鉴权并返还一个回复帧，在该回复帧中包含有汇聚节点的自身ID和一个与该节点的通信时隙，如果在该通信时隙中得到了节点的回复，汇聚节点会对该节点分配n个属于该节点的可用时隙并规定两者之间的通信时隙，n个可用时隙可根据预定的网络规模、布网区域的形状和N个时隙的大小来确定；若在通信时隙中得不到节点的回复，则会放弃该节点的加入。比如在图1中，基站在接收入网请求时隙中监听各个信道，并接收需要入网的节点的入网申请，节点A此时发送了入网申请帧，一旦基站监听到节点A需要入网之后，便回复一个包含有该基站自身ID和一个与节点A的通信时隙，若在通信时隙中基站收到了节点A的回复，基站会对节点A分配n个可用时隙并规定两者之间的通信时隙；如果没有收到节点A的回复，则放弃节点A的加入。
在这个过程中，汇聚节点会将分配出去的可用时隙标记为已分配，并记录与该可用时隙对应的通信节点ID。由此成功从汇聚节点产生下一跳，在此后的网络动态构建中，汇聚节点会不断地调整对其子节点分配时隙的个数，并采用多退少补原则。因为没有入网的节点不会接收申请人网请求，所以在网络建成之初只有汇聚节点可以接受申请并产生回复。
(3)各个节点定时、睡眠直到下一个接收入网请求时隙到来时醒来，若节点尚未入网，则会发出入网请求帧，一旦收到已入网节点的回复就会将回复帧中的通信时隙予以记录，在接收入网请求时隙结束后，节点会选择一个已入网节点作为其父节点，并在之前记录的与该父节点的通信时隙中向父节点发出确认，父节点稍后应该会对其进行时隙分配并规定二者之间的通信时隙；若没有收到父节点的时隙分配，则放弃该父节点并等待下一个入网请求时隙继续申请入网。若节点已经入网，在下一个接收入网请求时隙时则会监听未入网节点的入网请求，一旦收到入网请求，已入网节点就会重复汇聚节点收到入网请求帧的处理步骤(即上个步骤中汇聚节点的处理步骤)。其中，未入网节点收到的回复帧中还可以包含有发送该回复帧的已入网节点的ID，未入网节点则会暂存该ID。在上述例子中，下一个接收入网请求时隙到来时，已入网的节点A监听为入网节点的入网请求，未入网的节点C发出入网请求帧，节点A收到请求后会回复一个包含有其自身ID和一个与节点C的通信时隙给节点C，节点C在收到回复后记录节点A的ID和与节点A的通信时隙，在接收入网请求时隙结束后，节点C会选择节点A作为其父节点，并在之前与节点A的通信时隙期间向节点A发出确认，节点A稍后会对节点C进行时隙分配并规定二者之间的通信时隙。
在本步骤中如果未入网节点收到多个回复帧的话，在接收入网请求时隙结束后，该未入网节点从多个向其发送回复帧的已入网节点中选择一个最优的节点作为其父节点入网，选择的依据是信号的质量，一般来说选择信号质量好。继续以上述例子说明，如果节点C在接收入网请求时隙中收到节点A和节点B的回复帧，则节点C在接收入网请求时隙结束后，可根据信号质量的好坏来选择哪个节点作为其父节点。
(4)重复步骤(3)直至完成如图1所示的无线传感网。在本步骤中，只是重复步骤(3)的内容，在此不再赘述，只是需要说明的是，当未入网节点在收到多个回复帧后其选择父节点的依据还可以是已入网节点在网络树中的层数，一般来说选择所在层最靠近根节点(即汇聚节点)的节点作为其父节点。如图1，节点L在接收入网请求时隙中收到节点D、节点H和节点I发送的回复帧，在接收入网请求时隙结束后，节点L可根据节点D  更靠近基站的节点D作为其父节点入网。
需要说明的是，在整个组网过程中，如果在时隙分配的过程中出现了可用时隙不足的情况，则节点可以向其父节点申请再次分配可用时隙。如果某节点的可用时隙在组网成功后的一段时间之后可用的未分配时隙过多，则可以适量“退”给父节点一部分。
对于节点间的同步问题，若节点自带GPS模块可以通过GPS时间完成同步；否则节点可以通过在每个周期都与父节点进行一次时钟校准等方式来实现。节点在每个通信时隙前后都设定一个保护带以保证每次发送都处于监听节点的工作状态。
不难发现，将各个节点生成树状的逐层汇聚的拓扑结构，满足了无线传感网的任务和中程传感网的特点，同时也便于路由和控制管理。在多址接入方面采用TDMA协议，具有软硬件实现简单、传输效率高的优点。由于野外中程无线传感网的信息采集具有周期性采样的特点，采用树形拓扑并实行时隙的预分配可以很容易的克服同步、灵活分配时隙等困难，实现基于TDMA的高效、简单、灵活的树状中程无线传感信息采集网。

Claims (10)

1.一种用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，其特征在于，各个节点之间的通信距离大于1Km，包括以下步骤：
(1)整个网络将每个采样周期划分为N个时隙，并规定其中的一个固定时隙为接收入网请求时隙，其中，N＞1；
(2)在接收入网请求时隙时，汇聚节点接收节点申请入网请求，将临时分配的通信时隙回复给申请入网的节点，在临时分配的通信时隙中监听申请入网节点的确认帧，若未收到节点发送的确认帧，则放弃所述的节点的加入，若收到节点发送的确认帧，则对所述的节点分配n个可用时隙并规定二者之间的通信时隙，其中n＜N，由此产生下一跳；
(3)在下一个接收入网请求时隙时，未入网节点发出申请入网请求，一旦收到已入网节点的回复就会记录与所述的已入网节点的通信时隙，在接收入网请求时隙结束后所述的未入网节点会选择一个所述的已入网节点加入，并在之前记录的通信时隙中向所述的已入网节点发出确认；已入网节点在下一个接收入网请求时隙时监听未入网节点的申请入网请求，一旦收到所述的未入网节点的入网请求则重复步骤(2)中汇聚节点接收节点申请入网请求的处理步骤；
(4)重复步骤(3)直至整个树状无线传感网组网完成。
2.根据权利要求1所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中汇聚节点将临时分配的通信时隙回复给申请入网的节点时会附带自身的ID；汇聚节点将分配出去的n个可用时隙标记为已分配，并记录与所述的可用时隙对应节点的ID。
3.根据权利要求1所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中n个可用时隙根据预定的网络规模、布网区域的形状和N个时隙的大小来确定。
4.根据权利要求1所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，其特征在于，在所述的步骤(3)中当未入网节点有两个以上的已入网节点可加入时，所述的未入网节点采用择优加入的方法进行入网。
5.根据权利要求1所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，其特征在于，在所述的步骤(3)中若已入网的节点在组网的过程中发现可用时隙不足，可向上一级的已入网节点请求再次分配可用时隙。
6.根据权利要求1所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，其特征在于，在构建所述的无线传感网的过程中，所述的汇聚节点根据多退少补原则不断地调整对其下一级已入网节点分配可用时隙的个数。
7.根据权利要求1所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，其特征在于，所述的节点在未分配的时隙中保持休眠状态。
8.根据权利要求1所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，其特征在于，所述的时隙的分配方式采用由汇聚节点开始逐级预分配的方式。
9.根据权利要求1所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，其特征在于，所述的无线传感网采用GPS或节点间的自适应同步的方法解决各个节点之间的同步问题。
10.根据权利要求1所述的用于野外信息采集的中程无线传感网组网方法，其特征在于，所述的通信时隙前后都设定一个保护带。
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