一种大规模无线传感网分簇组网方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种大规模无线传感网分簇组网方法。

背景技术

无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知监测区域的传感器，传感器可监测声音、温度、光线、压力等物理数据。无线传感网络将采集到的数据按照一定的方式发送到网关，以实现对目标区域对象的监测。无线传感网络通过无线通信方式形成多跳自组织网络。

传统扁平式结构的无线传感网络，在大规模结点、多跳通信、大量传感数据需上报的场景下，容易产生“广播风暴”问题，导致网络拥塞和通信失败。通过分簇来构造分层网络，成为解决该问题的一种思路。

然而，现有无线传感网络分簇方法用于大规模无线传感网络，存在如下不足：

问题1：方法依赖结点间距离信息，获取成本高、落地难。大规模网络获取两两结点间的距离，需要巨大的测量工作或增加高精度定位模块来实现，过高的成本导致方法难以落地。相关引证专利有：

CN110602167A一种无线自组网络环境下的分布式数据存储系统：分簇方案、选举方案和宕机恢复方案，适用于小型的无线自组网络；CN111726847A提供的基于结点量能与密集度的无线传感网改良分组方法，在结点密集度和结点剩余量能之间寻找平衡；CN104168621A提出一种基于分布式波束形成的海面无线传感网分簇方法中，计算结点权重使用了结点到簇头、及结点到触发结点的距离信息。

问题2：方法中引入随机决策机制，牺牲了系统的确定性及最优性。例如专利CN111107603A根据结点自身电量百分比随机性参与竞争簇头，本质上可视为一种减少运算、控制开销的手段。不足之处：一是系统组网无法进行迭代优化，每次都是推翻重来；二是随机落选的结点可能是潜在的最优选择。

问题3：方法复杂度高，分布式计算所需硬件成本高，大规模应用难。例如专利CN111107603A通过权值最优原则选取网络中簇头节点的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种大规模无线传感网分簇组网方法，解决了现有技术中大规模无线传感网络组网依赖两两结点间的距离导致获取成本高、落地难的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种大规模无线传感网分簇组网方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用网络的多跳特性划分环区；

步骤2、对各环区，生成最优邻簇链，将环区内所有结点均划分入簇；

步骤3、基于步骤1、步骤2划分的环区与簇，生成分层路由，完成组网。

步骤1具体过程为：

步骤1.1、选择网关结点作为源结点广播HELLO通信帧；

步骤1.2、接收到HELLO通信帧的结点允许进行1次中继转播；经i跳通信接收到源结点HELLO通信帧的结点，在其存储器中记录其前向结点、及当前结点的跳数；其中，源结点跳数为0，源结点单跳到达的结点跳数为1，1跳结点单跳到达的结点跳数为2……依此类推；

步骤1.3、结点通过其前向结点链路向源结点回传其ID与跳数信息；当所有结点回传信息结束后，以源结点为中心，覆盖跳数为i的结点集合的环形区域称为环区，记作R

步骤2具体过程为：

步骤2.1、在各环区中选择能量最大的一个结点做各环区首簇头，能量相等情况下选择ID最小的结点做首簇头；

步骤2.2、由簇头关联簇成员；

步骤2.3、从跳数最小的环区开始，对各环区，由当前分簇生成最优邻簇；

步骤2.4、迭代步骤2.3，不断生成新的最优邻簇，直到当前环区所有结点均划分入簇；此时，环区内所有最优邻簇组成最优邻簇链。

步骤2.2具体过程为：

步骤2.2.1、簇头发射组簇通信帧-CLUSTER；

步骤2.2.2、自由态结点收到组簇通信帧-CLUSTER后，记录对应的簇头ID，并向对应簇头发送入簇请求帧-REQUEST；非自由态结点收到组簇通信帧后不响应；已经发送过入簇请求帧-REQUEST的结点不转发组簇通信帧、也不再接收新的组簇通信帧；

步骤2.2.3、簇头收到结点入簇请求帧-REQUEST后，如果当前簇的结点数未超过簇规模上限，则向结点发送入簇确认帧-CONFIRM，接收结点入簇；

步骤2.2.4、结点收到簇头的入簇确认帧后记录对应的簇头ID同时作为簇编号，修改身份标记为“簇成员”，向簇头发送入簇成功通信帧-SUCCESS；

步骤2.2.5、簇头收到结点入簇成功通信帧后，更新簇头存储的簇成员列表。

步骤2.3具体过程为：

步骤2.3.1、在环区中，筛选自由态结点中能量大于设定阈值θ、且为当前环区已入簇成员单跳邻居的结点，按结点id排序，生成当前环区的准邻簇头列表；自由态结点非簇头且非簇成员；

步骤2.3.2、对当前环区准邻簇头列表中每个准邻簇头，获取相应的准邻簇成员数m、单跳覆盖当前环区已入簇成员数n；

步骤2.3.3、对当前环区准邻簇头列表中所有准邻簇头，通过冒泡排序法找到m最大、n最小且n不为0的准邻簇头，即最优邻簇头；由步骤2.2，最优邻簇头关联簇成员，得到最优邻簇成员；最优邻簇头与相应的最优邻簇成员组成当前环区现有分簇的最优邻簇。

步骤2.3.2具体过程为：

步骤2.3.2.1、按步骤2.2由准邻簇头关联准邻簇成员，统计得到成员数m；

步骤2.3.2.2、准邻簇头发射簇成员解散帧-RELEASE，将关联的簇成员结点恢复为自由态；

步骤2.3.2.3、确定准邻簇头单跳覆盖的当前环区已入簇成员数n。

确定准邻簇头单跳覆盖的当前环区已入簇成员数n具体过程为：

准邻簇头发射覆盖探测帧-COVER；

网络中接收到COVER帧的已入簇簇成员结点向COVER帧来源的准邻簇头反馈回应帧-COVERED；

对准邻簇头收到的回应帧相关的已入簇簇成员结点进行计数。

步骤3具体过程为：

步骤3.1、分簇自组为星型网络：

a).簇头与簇成员之间为单跳通信；

b).记录每个簇成员对应的簇头ID，簇头存储对应的簇成员ID；簇成员与簇头之间可通过定向通信进行连通，组成星型网络；

步骤3.2、源结点与1跳范围内的簇头双向直接通信；

步骤3.3、分簇间通过簇头连通组成分层网络；

A).同一环区内相邻簇的簇头之间直接连通、或通过邻接结点进行两跳通信连通；邻接结点为相邻簇的簇头，均单跳到达的簇成员节点；

B).相邻环区的簇头之间单跳直接连通、或通过其中一个环区簇头的邻接结点进行两跳通信实现与另一个环区簇头连通；

C).根据A)、B)得到簇头间的直接或间接通路，构成整个分层网络的上层网络；

D).分簇间需要传递数据时，若有直接通路，优先选择直接通路；否则，选择间接通路；

E).两个分簇间的间接通路经由分簇的邻接结点、或者经由第三个分簇的结点实现中转连通。

本发明有益效果是：

本发明为一种大规模无线传感网分簇组网方法，解决了现有技术中大规模无线传感网络组网依赖两两结点间的距离导致获取成本高、落地难的问题；对于无需过多考虑结点能量限制的大规模无线传感网应用场景(典型如楼宇无线物联网络)，提出的高效组网方法具有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明中划分环区与分簇的示意图；

图2是本发明基于环区与分簇生成分层路由的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种大规模无线传感网分簇组网方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用网络的多跳特性划分环区；具体过程为：

步骤1.1、选择网关结点作为源结点广播HELLO通信帧；

步骤1.2、接收到HELLO通信帧的结点允许进行1次中继转播；经i跳通信接收到源结点HELLO通信帧的结点，在其存储器中记录其前向结点、及当前结点的跳数；其中，源结点跳数为0，源结点单跳到达的结点跳数为1，1跳结点单跳到达的结点跳数为2……依此类推；

步骤1.3、结点通过其前向结点链路向源结点回传其ID与跳数信息；当所有结点回传信息结束后，以源结点为中心，覆盖跳数为i的结点集合的环形区域称为环区，记作R

步骤2、对各环区，生成最优邻簇链，将环区内所有结点均划分入簇；具体过程为：

步骤2.1、在各环区中选择能量最大的一个结点做各环区首簇头，能量相等情况下选择ID最小的结点做首簇头；

步骤2.2、由簇头关联簇成员；具体过程为：

步骤2.2.1、簇头发射组簇通信帧-CLUSTER；

步骤2.2.2、自由态结点收到组簇通信帧-CLUSTER后，记录对应的簇头ID，并向对应簇头发送入簇请求帧-REQUEST；非自由态结点收到组簇通信帧后不响应；已经发送过入簇请求帧-REQUEST的结点不转发组簇通信帧、也不再接收新的组簇通信帧；

步骤2.2.3、簇头收到结点入簇请求帧-REQUEST后，如果当前簇的结点数未超过簇规模上限，则向结点发送入簇确认帧-CONFIRM，接收结点入簇；

步骤2.2.4、结点收到簇头的入簇确认帧后记录对应的簇头ID同时作为簇编号，修改身份标记为“簇成员”，向簇头发送入簇成功通信帧-SUCCESS；

步骤2.2.5、簇头收到结点入簇成功通信帧后，更新簇头存储的簇成员列表。

步骤2.3、从跳数最小的环区开始，对各环区，由当前分簇生成最优邻簇；具体过程为：

步骤2.3.1、在环区中，筛选自由态结点中能量大于设定阈值θ、且为当前环区已入簇成员单跳邻居的结点，按结点id排序，生成当前环区的准邻簇头列表；这里，自由态结点为非簇头且非簇成员；

步骤2.3.2、对当前环区准邻簇头列表中每个准邻簇头，获取相应的准邻簇成员数m、单跳覆盖当前环区已入簇成员数n；具体过程为：

步骤2.3.2.1、按步骤2.2由准邻簇头关联准邻簇成员，统计得到成员数m；

步骤2.3.2.2、准邻簇头发射簇成员解散帧-RELEASE，将关联的簇成员结点恢复为自由态；

步骤2.3.2.3、确定准邻簇头单跳覆盖的当前环区已入簇成员数n；具体过程为：

准邻簇头发射覆盖探测帧-COVER；

网络中接收到COVER帧的已入簇簇成员结点向COVER帧来源的准邻簇头反馈回应帧-COVERED；

对准邻簇头收到的回应帧相关的已入簇簇成员结点进行计数。

步骤2.3.3、对当前环区准邻簇头列表中所有准邻簇头，通过冒泡排序法找到m最大、n最小且n不为0的准邻簇头，即最优邻簇头；由步骤2.2，最优邻簇头关联簇成员，得到最优邻簇成员；最优邻簇头与相应的最优邻簇成员组成当前环区现有分簇的最优邻簇。

步骤2.4、迭代步骤2.3，不断生成新的最优邻簇，直到当前环区所有结点均划分入簇；此时，环区内所有最优邻簇组成最优邻簇链。

步骤3、基于步骤1、步骤2划分的环区与簇，生成分层路由如图2所示，完成组网；具体过程为：

步骤3具体过程为：

步骤3.1、分簇自组为星型网络：

a).簇头与簇成员之间为单跳通信；

b).记录每个簇成员对应的簇头ID，簇头存储对应的簇成员ID；簇成员与簇头之间可通过定向通信进行连通，组成星型网络；

步骤3.2、源结点与1跳范围内的簇头双向直接通信；

步骤3.3、分簇间通过簇头连通组成分层网络；

A).同一环区内相邻簇的簇头之间直接连通、或通过邻接结点进行两跳通信连通；邻接结点为相邻簇的簇头，均单跳到达的簇成员节点；

B).相邻环区的簇头之间单跳直接连通、或通过其中一个环区簇头的邻接结点进行两跳通信实现与另一个环区簇头连通；

C).根据A)、B)得到簇头间的直接或间接通路，构成整个分层网络的上层网络；

D).分簇间需要传递数据时，若有直接通路，优先选择直接通路；否则，选择间接通路；

E).两个分簇间的间接通路经由分簇的邻接结点、或者经由第三个分簇的结点实现中转连通。

本发明一种大规模无线传感网分簇组网方法，能实现更高效的组网，体现在三方面改进：

(1).本发明方法利用网络多跳特性划分环区、以及每个环区内各分簇的簇头对簇成员的单跳覆盖，是一种更简单直接的利用“触达距离”信息。能够降低对大规模输入数据的依赖，特别是两两结点间的距离数据。由此带来的好处是，避免了大规模数据获取及预处理所需的时间及费用。

(2).随机决策本质上是一种简单但不确定性强的筛选，不确定性导致的低效体现在两方面：a)通常需要执行不确定次数的循环计算，直至产生符合目标数量的结果，这样的循环降低了组网效率；b)随机决策通常牺牲了优化性，导致的结果是后续通常需要执行额外的修正计算，降低了组网效率。因此，本发明中避免引入随机决策机制，能减少系统优化性损失，提高组网效率。本发明方法无论划分环区、还是生成邻簇链，均采用了基于规则的确定性方法，明确、有序，最大程度实现分簇的分布均匀及规模接近。

(3).本发明利用网络的多跳特性划分环区、再按顺序在每个环区内循环生成最优邻簇链的方法，即是一种先将规模大、分布式计算的网络进行分解、再执行规则判断生成分簇的低复杂度方法。

通过上述方式，发明一种大规模无线传感网分簇组网方法，解决了现有技术中大规模网络获取依赖两两结点间的距离导致获取成本高、落地难的问题；对于无需过多考虑结点能量限制的大规模无线传感网应用场景(典型如楼宇无线物联网络)，提出的高效组网方法具有重要应用价值。