一种星链型无线传感器网络无层通信方法   0    0

本发明公开了一种星链型无线传感器网络无层通信方法。采用星‑链型拓扑结构构建整个网络，采用无层方法设计通讯协议。所有传感器节点初始化后即进入侦听状态，通过接收来自汇聚节点的信标帧完成时间同步；星型簇成员节点在进行时间同步时，能够在对应的时隙内醒来，并确认簇头节点可达后，向其发送采集到的数据，各簇头节点同时接收所属簇成员节点发送的信息；各个簇头节点在汇聚节点的调度下，通过多跳中继的方式将数据上报至汇聚节点。本发明打破了传统的协议栈之间的层级关系，将整个通信协议作为一个整体进行全局设计，进而达到能耗减少、时延降低的目的。

1.一种星链型无线传感器网络无层通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）结合星型网络拓扑结构和链型拓扑结构的特点，对无线传感器网络采用星链型的节点部署方案；其中，每个星型簇的成员节点采集数据，汇总至所在簇的簇头节点，然后簇头节点按照多跳中继的方式传输至汇聚节点；每个星型簇包括1个簇头节点和6个簇成员节点，且簇头节点位于簇成员节点围成的正六边形的中心处，6个簇成员节点的编号按照逆时针的方向依次增大，各个星型簇的簇头节点依次连接，直至到达汇聚节点，各个簇头节点的编号按照其与汇聚节点距离的增大而增大；
（2）所有传感器节点初始化后即进入侦听状态，通过接收汇聚节点发送的同步信标帧完成时间同步并加入整个网络，之后立即进入睡眠状态；具体过程如下：
汇聚节点广播固定数目的同步信标帧，各传感器节点收到汇聚节点发送的同步信标帧后，根据帧类型判断收到的数据是否为同步信号，随即进入睡眠状态，直到属于自己的侦听时隙到来；各传感器节点根据收到的信标帧号以及汇聚节点发送的信标帧总个数，再结合自己的节点编号，计算出下次唤醒的时间；
（3）各传感器节点休眠结束后醒来，各星型簇进行簇内数据传递，直至将数据传递至该星型簇的簇头节点；
（4）各个簇头节点在汇聚节点的调度下，通过多跳中继的方式进行簇间数据传递，直至将数据上传至汇聚节点。

2.根据权利要求1所述星链型无线传感器网络无层通信方法，其特征在于：簇成员节点的睡眠时间的计算公式如下：
上式中， 表示簇成员节点收到同步信标帧后的睡眠时间，m代表汇聚节点一共发送的时间同步信标帧帧数，j代表该簇成员节点接收到的信标帧的序号，j上式中， 为簇头节点收到同步信标帧后的睡眠时间，j代表该簇头节点接收到的信标帧的序号，j
3.根据权利要求2所述星链型无线传感器网络无层通信方法，其特征在于，步骤（3）中所述簇内数据传递的步骤如下：
（31）簇成员节点发送控制消息数据帧给簇头节点，询问此时簇头节点是否处于侦听状态且空闲；
（32）簇头节点接收到控制消息数据帧后，如果条件符合则回复确认消息数据帧；如果处于休眠状态或者异常情况，则不执行任何操作；
（33）簇成员节点如果收到簇头节点回复的确认消息数据帧，则立即上传数据消息数据帧给簇头节点；如果簇成员节点在一个时隙tslot内没有收到确认消息数据帧，则直接进入休眠状态，不再发送数据消息数据帧；
（34）数据消息数据帧上传至簇头节点，至此一次完整的簇成员节点数据传输完成，随即进入睡眠状态，同时下一个簇成员节点开始进行数据传输；簇成员节点按照节点编号依次醒来进入侦听状态，并在数据传输完成后休眠以节省能量。

4.根据权利要求3所述星链型无线传感器网络无层通信方法，其特征在于，步骤（4）中所述簇间数据传递的步骤如下：
（41）簇头节点按照编号由大到小的顺序依次醒来，编号最大的簇头节点首先醒来，并向前一跳簇头节点发送控制消息数据帧；
（42）当前一跳簇头节点收到后一跳簇头节点的控制消息数据帧后，向后一跳簇头节点发送一个确认控制消息数据帧，后一跳数据帧接收到该确认控制消息数据帧后部署自身时隙；
（42）编号最大的簇头节点的控制消息数据帧经过各个簇头节点的中继传输，最终到达距离汇聚节点最近的簇头节点，此时簇头节点的侦听阶段结束，所有簇头节点进入睡眠状态；
（43）各个簇头节点按照步骤（42）部署的时隙按照编号从小到大的顺序依次醒来，编号最小的簇头节点首先醒来，将所在星型簇的数据消息数据帧上传至汇聚节点，该簇头节点再次进入睡眠状态；
（44）按照步骤（42）部署的时隙，编号最小的簇头节点和编号第二小的簇头节点同时醒来，编号第二小的簇头节点将所在星型簇的数据消息数据帧通过编号最小的簇头节点中继至汇聚节点，然后这两个簇头节点再次进入睡眠状态；
（45）以此类推，直至所有簇头节点的数据消息数据帧均上传至汇聚节点，一个数据传输周期结束，随后进入下一个数据传输周期。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述星链型无线传感器网络无层通信方法，其特征在于，当簇头节点发生异常情况时，及时上报给汇聚节点，由汇聚节点处理异常问题，具体过程如下：
当汇聚节点在规定时间内收不到来自某个簇头节点上传的数据消息数据帧，则汇聚节点将发送一个故障询问命令帧至相应的簇头节点，若该簇头节点状态正常，则会生成一个故障回复命令帧上报至汇聚节点，汇聚节点确认节点状态正常，停止发送故障询问命令帧；
如果簇头节点已死亡，汇聚节点在规定时间内没有收到该节点上报的故障命令回复帧，则判断该簇头节点死亡，广播调度表更新命令帧，通知所有簇头节点该节点已死亡，相关的簇头节点根据调度表更新命令帧改变自身发射功率，从而跳过死亡的簇头节点进行中继，同时汇聚节点通知终端用户及时更换传感器节点；
对每个传感器节点的电量设定了一个最低阈值，当某簇头节点i的电量低于其最低阈值时，立即生成低电警告命令帧上报给汇聚节点，由汇聚节点广播调度表更新命令帧，告知其他簇头节点该簇头节点i无法参与通信，同时上报至终端用户及时更换传感器节点，相关的簇头节点根据调度表更新命令帧改变自身发射功率，从而跳过死亡的簇头节点进行中继，簇头节点i收到调度表更新命令帧后，确认自己的低电异常已被处理，簇头节点i死亡;
当有新簇头节点j加入网络时，首先向前一跳簇头节点发送异常处理命令帧，然后通过多跳传输上报至汇聚节点，通知汇聚节点有新节点加入,汇聚节点收到新簇头节点j发送的命令帧后，广播调度表更新命令帧通知所有簇头节点，表明簇头节点j能后正常工作，新加入的簇头节点j收到汇聚节点发送的调度表更新命令帧后，停止发送异常处理命令帧，同时建立自己的调度表，进入正常的簇头节点工作流程。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述星链型无线传感器网络无层通信方法，其特征在于：控制各簇成员节点的通信半径远远小于该簇成员节点与其相邻星型簇的簇头节点的距离。