專利名稱：基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法
技術領域：
本發明涉及一種無線傳感器網絡拓撲控制實現方法。
背景技術：
隨著傳感器技術、無線通信技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術的飛速發展和 日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器和網絡開始大范圍出現。無線 傳感器網絡能夠協作地實時檢測、跟蹤和采集網絡布設區域內的各種環境或監測對象的信息， 并對這些信息進行協同、融合處理，獲得較為準確的結論，然后傳送至用戶。它在軍事、環 境監測、醫療衛生、工業自動化、公共安全等方面具有廣泛的應用前景。
微型傳感器節點一般采用電池供電使得傳感網的一大特點是能量受限，為了延長網絡壽 命首要考慮因素是提高能量效率，使節點在無需參與網絡工作或獲取傳感數據時盡量進入睡 眠狀態。同時在網絡生存期間，節點會動態的加入和離開網絡，因此要求網絡具有良好的可 擴展性。傳感器網絡的另一個重要特點是應用特定性，為了提高上傳數據信息熵和事件準確 率，網絡節點間常需要多類型傳感器、多節點協同信息處理，并要求實現被監測區域的無縫 覆蓋，因此，傳感器網絡具有節點布設密度高，節點感知信息具有冗余性等特點。另外，無 線傳感器網絡不依賴于固定的基礎設施，網絡節點要求具有自組織能力。
針對以上特點，傳統的平面拓撲控制機制已不能滿足無線傳感器網絡的大規模組網的要 求，而且不能很好的支持局部數據融合、高效能耗管理以及傳感器的工作、休眠調度機制等， 因此，分簇機制已經成為部署和實現高效可擴展性密集布設無線傳感器網絡的拓撲控制方法。 它與平面拓撲結構相比，在數據匯聚、融合、能量效率、滿足網絡QoS要求等方面能取得較 好的改善。現有的分簇方法有幾類，如低能量自適應分簇分級算法(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH )、混合能效分布分簇方法(Hybrid Energy-Efficient Distributed Clustering, HEED)等，主要關注如何形成基本分簇結構，而沒有考慮有效的 簇間通信機制，只是簡單的假設簇頭可一跳到基站，該假設對于能量受限的傳感節點來說是 過于苛刻和較難實現的。較為著名的S-MAC協議雖然也提出了虛擬分簇的思想，但從拓撲控 制上來講，仍舊是一種平面結構，因此無法有效支持大規模網絡的需求，而且S-MAC本身在 設計上存在著如邊界節點負擔過重、無網絡能量均衡機制、無法有效支持數據融合等問題。 Zigbee在802. 15. 4的基礎上提出了簇樹的拓撲控制機制，伹該方案是一種完全集中式組網方 法，對網絡布設的方式要求較高，而且在網絡時延與規模可擴展性方面存在嚴重制約。而其 他一些分簇算法雖然考慮了簇間通信機制，但往往是在假設全局時間同步的前提下進行，而 這一假設對于大規模無線傳感器網絡來說難以實現或網絡額外開銷過大。還有一類簇間通信 機制是通過簇間的網關節點來實現，但對于網絡生存周期為主要衡量指標的無線傳感器網絡 來說，要有效保持與周圍所有鄰居簇的簇間通信，就須保證對應的簇間網關節點處于工作狀 態，因此，網絡整體時序控制復雜，不利于網絡擴展和節能。簇間通信若完全基于簇頭間競 爭接入機制實現，則會導致簇間干擾嚴重、數據傳輸效率低等問題。近來也有關于采用虛擬 多天線(MIM0)技術來實現簇間通信，但該方法對于簇頭物理層實現要求較高，且對節點間 協同、同步和方案預制要求極高，缺乏可實現性。

發明內容
本發明的目的在于，提供一種基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法。本 發明采用如下技術方案
一種基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，包括以下步驟
A、 物理分簇，確定各節點的簇頭或簇成員身份，形成物理簇；
B、 虛擬分簇，通過分布式競爭的方式，所述物理簇的簇頭產生自身或遵從相鄰簇簇頭產 生的周期調度表，使相鄰物理簇的簇頭組成周期性工作、休眠同步的虛擬分簇，并通過自適 應通信機制實現所述簇頭間的通信。所述虛擬簇間自適應通信時段根據對方簇間通信時段的 相對起始、結束時間，在本簇頭超幀周期中的相應位置設定。
作為本發明的一種優選方式，所述步驟A具體包括以下步驟
al、節點上電啟動后，掃描附近是否存在簇頭；如果是，則進入步驟a3，否則轉步驟a2; a2、通過分布式競爭方式，選舉出物理簇簇頭，其余節點的身份標記為簇成員； a3、以簇成員身份申請加入該簇頭所在物理簇，并服從物理簇的周期時間調度策略。 作為本發明的又一優選方式，所述步驟a2具體為，節點周期性地發送包含自身基本屬性 和加權平均值信息的信息幀，同時偵聽、接收鄰居節點的信息幀，完成鄰居發現和節點的局 部信息收集，根據加權平均值的選舉算法選舉出物理簇簇頭，其余節點的身份標記為簇成員。 作為本發明的再一優選方式，在所述步驟a2確定各節點的簇頭或簇成員身份之后，所述
簇成員在所述簇頭確立自己的周期調度策略后申請加入該物理簇，該物理簇的簇成員到該簇 頭均為一跳可達。
作為本發明的再一優選方式，所述周期調度表包括同步時段、簇內通信時段、簇間通信
時段和休眠時段， 一個調度周期為一個超幀，所述簇頭及簇成員均依據所在物理簇簇頭的周 期調度表來設置各自的休眠、工作時段。
作為本發明的一種改進，在所述步驟B具體為，
M、所述簇頭確立身份后，在一段時間內掃描鄰居簇頭的包含周期調度表相對起始時刻 信息的同步幀，如果掃描到，則進入步驟b3，否則轉步驟b2;
b2、所述簇頭產生自身的周期調度表，并廣播包含自身周期調度表相對起始時刻信息的 同步幀；
b3、所述簇頭接收該同步幀，判定是否己確立自身的周期調度表，如果是，則進入步驟 b4，否則轉步驟b5;
b4、所述簇頭判定自身的周期調度表與接收到周期調度表是否相同，如果是，則進入步 驟b6,否則轉步驟b7;
b5、所述簇頭遵從該接收到周期調度表，并廣播包含自身周期調度表相對起始時刻信息 的同步幀；
b6、所述簇頭記錄并更新鄰居簇頭列表，該鄰居簇頭列表記錄自身及鄰居簇頭的周期調 度信息；
b7、所述簇頭根據鄰居簇頭列表判定是否已存在和自身調度周期相同的鄰居簇頭，如果 是，則進入步驟b8，否則轉步驟b9;
b8、所述簇頭根據接收周期調度表修正自身周期調度表，建立和該鄰居簇頭的簇間通信 時段，更新鄰居簇頭列表，并廣播包含自身周期調度表相對起始時刻信息的同步幀；
b9、所述簇頭拋棄自身周期調度表，轉步驟5。
作為本發明的又一改進，所述步驟B后還包括
C、網絡值守，按照所述周期調度表以超幀方式進行周期性的同步、簇內通信、簇間通信 和休眠調度。
作為本發明的再一改進，所述步驟C的周期性同步方法為，所述簇頭以某一同步周期通 過同步幀廣播自身的周期調度表，所述鄰居簇頭通過該同步幀進行時間重同步，新建立的物 理簇簇頭通過掃描、接收該同步幀，服從現有虛擬分簇的周期調度表。
作為本發明的再一改進，所述步驟C中還包括一鄰居虛擬簇發現步驟，各簇頭在某一段
期間內偵聽一個同步周期，以發現鄰居虛擬簇。
作為本發明的再一改進，所述偵聽為連續偵聽，在此同步周期內，簇頭在所述超幀的休
眠時段均保持偵聽狀態。
作為本發明的再一改進，所述步驟C中還包括一新成員節點邀請步驟，在所述超幀的簇 內通信時段設有邀請時隙，所述簇頭以某一周期在邀請時隙發送邀請幀，新成員通過掃描該 邀請幀，向所述簇頭申請加入現有物理簇，并接受該物理簇的周期調度表。
本發明提供的基于雙重分簇的分布式拓撲控制方法，它以具有較好的網絡負載均衡特性 和簇頭分布均勻性的物理分簇結構為基礎，同時通過分布式選擇和維護各物理分簇的周期性 工作調度表，使相鄰物理簇的簇頭組成休眠喚醒自動同步的虛擬分簇，通過自適應通信機制 實現不同簇頭間通信，從而在無需全局網絡同步的前提下，實現局部信息傳輸的同步和簇間 多跳到基站的數據傳輸，并減少控制開銷和簇間幀沖突概率。同時基于虛擬分簇局部簇頭輪 換策略來進一步均衡網絡負載。本發明在物理分簇的基礎上，形成了一個使鄰居簇頭能彼此 自由通信的骨干網拓撲結構，同步簇頭間形成一個無簇內通信沖突的虛擬簇，很容易適應拓
撲結構的改變。本發明能在滿足特定應用QoS要求的基礎上有效的實現網絡負載均衡，提高
網絡能耗效率，延長網絡系統壽命。依據本發明組建的無線傳感器網絡，在單信道的條件下 即可實現，大大節省物理層設計成本。 以下結合附圖及實施例進一步說明本發明。


圖1為本發明一個完整的超幀結構；
圖2為本發明物理分簇控制流程圖實施例；
圖3本發明虛擬分簇流程圖實施例。
具體實施例方式
為方便本發明實施例的描述，先介紹本發明實施例中使用的超幀結構及各時段的屬性參 數。 一個調度周期為一個超幀。所述周期調度表規定了一個物理簇簇頭和簇成員的工作、休 眠調度機制，主要包括同步時段、簇內通信時段、簇間通信時段和休眠時段， 一個調度周期 為一個超幀，所述簇頭及簇成員均依據所在物理簇簇頭的周期調度表來設置各自的工作、休
眠時段。如圖1所示， 一個完整的超幀7>包括如下時段
簇間同步即同步時段7;^，為簇頭發送同步幀設置，在該時段內有一定的時間余量，使每 次發送同步幀時按CSMA-CA機制發送。該時段可采用公共信道，較大級發射功率。
簇內通信時段7;^，主要分為簇內邀請時隙7;^、簇內同步時隙7;^—^和簇內上行通信
時段^t,a。簇成員在該時段內喚醒，在超幀的其他時段均處于休眠狀態，以節省能耗。其中
簇內邀請時隙7;^，由簇頭根據新成員節點加入網絡的頻繁度來決定邀請幀的發送間隔
周期，當新加入節點偵聽到邀請時隙后，即在隨后的簇內通信時段申請加入該物理簇，該時 隙采用公共信道，較低級發射功率。
簇內同步時隙r，c，為簇頭和簇成員間同步和簇頭下行幀而設置的，同步幀主要為了
糾正時鐘漂移而引起的簇頭與各簇成員節點的時間偏差，下行幀主要包括一些命令控制及時 隙預約等。該時隙采用本地信道，較低級發射功率。
簇內上行通信時段7;^。，主要為簇成員節點上行數據至簇頭而設置，有兩個主要時段
非競爭上行時段、隨機競爭時段。非競爭上行時段中劃分為若干時隙，由簇成員節點根據需 要在上一個超幀周期的隨機競爭上行時段向簇頭進行預約，然后由簇頭在本超幀的簇內同步 時隙中通過時隙預約幀廣播非競爭上行時段的使用情況。隨機競爭上行時段由簇成員節點采 用時隙csma-ca訪問機制與簇頭進行通信。簇內上行通信時段采用本地信道，較低級發射 功率。
簇間通信時段7;^，主要為同一虛擬簇內簇頭間相互通信而設置，保證在虛擬簇內以較
小的時延進行數據通信。若簇頭c7/,只有一種調度周期，即C巧鄰居簇頭均在同一虛擬分簇內，
則簇間通信時段只要維護簇間通信時段即可。該時段采用公共信道，較大級發射功率。
虛擬簇間自適應通信時段7^^一^ ，主要為偵聽鄰居虛擬簇簇間通信而設置。當簇頭C//,
位于兩個虛擬簇交界時，即c/z,有鄰居簇頭位于另一個虛擬簇，則c/z,需要維護虛擬簇間自適
應通信時段，而對于Ci/,所有鄰居簇頭均在同一虛擬分簇內時，無需維護虛擬簇間自適應通
信時段。該時段采用公共信道，較大級發射功率。
休眠時段 ; ，如果簇頭不在兩個虛擬簇交界，則進入休眠節能狀態，節點的通信模塊
均關閉。
上述各時段的長度存在如下
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一種基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，包括以下步驟A、物理分簇，確定各節點的簇頭或簇成員身份，形成物理簇；如圖1所示，具體包括以 下步驟-
al、節點上電啟動后，掃描附近是否存在簇頭；即掃描附近是否存在已經形成的物理簇; 為了盡量加入網絡中現有的物理簇，先在公共信道上掃描A^個周期為j;,的時長，通過檢測簇
頭發出的邀請幀(Invite-Frame),判別周圍是否存在物理簇。由新成員加入和節點移動
頻繁度以及網絡生存時間等因素決定。如在物理簇建立初期A^值較大，簇頭會以較高的頻率
發送邀請幀，而在物理簇生存后期A^值較小。；即為周期調度表的時長。邀請幀中可包含如
本簇周期調度表、本簇簇內通信所用信道、本簇成員飽和度等信息。如果周圍已經存在物理 簇，則進入步驟a3，否則轉步驟a2;
a2、通過分布式競爭方式，選舉出物理簇簇頭，其余節點的身份標記為簇成員；該步驟 具體可以是，節點周期性地發送(可采用現有技術中的載波偵聽沖突避免多址接入方式， Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoid, CSMA-CA)包含自身基本屬性和加權平 均值信息的信息幀，同時偵聽、接收鄰居節點的信息幀，完成鄰居發現和節點的局部信息收 集，根據加權平均值的選舉算法選舉出物理簇簇頭，其余節點的身份標記為簇成員。并且在 確定各節點的簇頭或簇成員身份之后，所述簇成員在所述簇頭確立自己的周期調度策略后申 請加入該物理簇，該物理簇的簇成員到該簇頭均為一跳可達。具體可以采用如下方式實現 在掃描期間沒有收到邀請幀，進入簇頭競爭選舉階段，每個節點以7;周期廣播HELLO幀，同
時收集鄰居節點信息。HELLO幀中包含節點自身的加權平均值。節點通過接收鄰居節點的HELLO 幀來更新自身網絡通信成本的加權平均值，更新后再通過HELLO幀進行廣播。節點每次發送
服LL0幀均采用CSMA-CA方式，此過程持續K后可達到局部節點信息一致性，r =7;*A^， 7VA
為HELLO幀廣播次數，iVA、 7;均可根據節點布設密度配置。其中，節點根據所收集的鄰居節
點加權平均值分布，使用的策略例如基于最小加權平均值算法選舉確定簇頭和簇成員，該策 略可采用現有技術實現，在此省略對該部分的詳細說明。
a3、以簇成員身份申請加入該簇頭所在物理簇，并服從物理簇的周期時間調度策略。即 節點收到邀請幀，并在隨后的簇內通信時段向簇頭發起加入請求，得到簇頭許可后開始按該 簇的周期調度表工作。
完成物理分簇后，簇成員雖已獲知所在物理簇的簇頭，但簇成員暫不正式向簇頭申請加入物理簇，直至物理簇頭確立自己的周期調度表，開始進入網絡值守階段。并且物理簇簇成 員到簇頭均為一跳可達。在此階段，各節點發射功率設置在較低的水平，該功率水平從統計 上保證節點具有一定數量的鄰居數目即可。
B、虛擬分簇，物理簇簇頭選舉完成后，通過分布式競爭的方式，所述物理簇的簇頭產生 自身或遵從相鄰簇簇頭產生的周期調度表，使相鄰物理簇的簇頭組成周期性工作、休眠同步 的虛擬分簇，并通過自適應通信機制實現所述簇頭間的通信。虛擬簇并沒有一個實際存在的 簇頭，而是指維護同一周期調度表的物理簇簇頭形成的虛擬集合。在此階段，各簇頭發射功 率設置在較高的水平，該功率水平從統計上保證每個簇頭擁有合適的鄰居簇頭數目。簇頭間 交換周期調度表，即在同步幀中告知鄰居簇頭本地調度周期的相)^起始時刻。
其中，所述虛擬分簇步驟B可具體采用圖3所示的方式實現，具體描述如下 bl、所述物理簇簇頭確立身份后，同樣可采用CSMA-CA方式偵聽無線信道，在一段時間 內掃描鄰居簇頭的包含周期調度表相對起始時刻信息的同步幀，例如掃描N個超幀調度周期 7>，以發現周圍已經存在虛擬分簇。以保證當網絡進入值守階段后，簇頭在N個超幀調度周
期7^中以較高的概率成功發送一次同步幀。如果掃描到，則轉步驟b3，否則進入步驟b2;
b2、所述簇頭判定是否己確立自身的周期調度表，如果是，則在下一調度周期進入網絡 職守階段；否則，產生自身的周期調度表，并廣播包含自身周期調度表相對起始時刻信息的
同步幀；即以當前時間巧為基準建立自己的周期調度表。在本調度周期7;的同步時段內
(《，《+ ;，)以CSMA-CA方式向鄰居簇頭C/ft,和簇成員集aW5,廣播宣布本地周期調度表的 同步幀；
b3、所述簇頭接收該同步幀，判定是否已確立自身的周期調度表，如果是，則進入步驟 b4，否則轉步驟b5;
b4、所述簇頭判定自身的周期調度表與接收到周期調度表是否相同，如果是，則進入步 驟b6，否則轉步驟b7;
b5、所述簇頭遵從該接收到周期調度表，并廣播包含自身周期調度表相對起始時刻信息
的同步幀；即釆用收到C/^的周期調度表，設C/4本調度周期的起始時刻為^ ，當前時刻為 ^ ，并在本調度周期剩余時段，々+7V )以CS區-CA隨機退避方式向鄰居簇頭C/^,及 簇內成員節點CM^.廣播自己的周期調度表，并在下一個調度周期開始時^ 進入網絡職
守階段；
b6、所述簇頭記錄并更新鄰居簇頭列表，該鄰居簇頭列表記錄自身及鄰居簇頭的周期調 度信息；即記錄C/^調度表簇間通信時段信息，然后根據接收到的周期調度表修改CZ/,的周
期調度表，設c/f,本調度周期的起始時刻為^當前時刻為/1 ，并在本調度周期剩余時段(^ ，
〔+;)以CSMA-CA方式向鄰居簇頭C他,及簇內成員節點CMy,廣播C/7,.的周期調度表，并
在下一個調度周期按新的時段劃分進入網絡值守階段，該種情況表明簇頭C巧、C/^處于兩
個虛擬簇的交界，兩個簇頭都需要知道對方的調度周期，并修改本地周期調度表，在超幀調 度周期中預留時段來保持兩個虛擬簇間的正常通信；
b7、所述簇頭根據鄰居簇頭列表判定是否已存在和自身調度周期相同的鄰居簇頭，如果 是，則進入步驟b8，否則轉步驟b9;
b8、所述簇頭根據接收周期調度表修正自身周期調度表，建立和該鄰居簇頭的簇間通信 時段，更新鄰居簇頭列表，并廣播包含自身周期調度表相對起始時刻信息的同步幀；
b9、所述簇頭拋棄自身周期調度表，轉步驟5。
C、網絡值守，按照所述周期調度表以超幀方式進行周期性的同步、簇內通信、簇間通信 和休眠調度。所述步驟C的周期性同步方法為，所述簇頭以某一同步周期(例如各簇頭C巧以
N個超幀調度周期;為同步周期r, = W *7V ，即在A^，個超幀周期內成功發送一次同步 幀)通過同步幀廣播自身的周期調度表，所述鄰居簇頭通過該同步幀進行時間重同步，新建 立的物理簇簇頭通過掃描、接收該同步幀，服從現有虛擬分簇的周期調度表。
其中，由于在虛擬分簇階段可能存在廣播幀沖突等問題，從而導致鄰居簇頭不能成功交 互周期調度表，即兩個虛擬簇間無法正常通信；另外新建立的虛擬簇和鄰近的虛擬簇由于周 期調度表的不同，可能無法正常接收到對方的同步幀，為保證在網絡值守期間能發現鄰居虛 擬簇的存在，保證網絡的連通性，作為本發明的一種改進，所述步驟C中可包括一鄰居虛擬 簇發現步驟，因為在網絡值守階段，簇頭會以一定的同步周期間隔發送同步幀，因此各簇頭 在某一段期間內偵聽一個同步周期，即可實現鄰居虛擬簇的發現。所述偵聽可以是連續偵聽，
在此同步周期內，簇頭在所述超幀的休眠時段均保持偵聽狀態。即簇頭e《連續工作一段較
長的時間^w，然后在一段緊接的長度為同步周期^的時間內，簇頭C/Z,在休眠時段均保持偵 聽喚醒狀態，其他時段的工作機制保持不變。由于簇頭的同步機制設置，在該時間范圍內，
各個簇頭均會以較高的概率成功發送一次同步幀。因此，通過鄰居虛擬簇發現機制，可發現 鄰居虛擬簇建立不同虛擬簇間的有效通信。7> ,可根據應用要求以及鄰居簇頭數等進行動態調整。
其中，當網絡值守工作時，可能會有新的節點加入網絡，或者少數節點從一個物理簇移 動到另一個物理簇，作為本發明的一種改進，所述步驟C中還包括一新成員節點邀請步驟， 在所述超幀的簇內通信時段設有邀請時隙，所述簇頭以某一周期在邀請時隙發送邀請幀，新 成員通過掃描該邀請幀，向所述簇頭申請加入現有物理簇，并接受該物理簇的周期調度表。 所述簇頭發送邀請幀的周期性根據新成員加入和節點移動的頻繁度確定。
權利要求
1、基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征包括以下步驟A、物理分簇，確定各節點的簇頭或簇成員身份，形成物理簇；B、虛擬分簇，通過分布式競爭的方式，所述物理簇的簇頭產生自身或遵從相鄰簇簇頭產生的周期調度表，使相鄰物理簇的簇頭組成周期性工作、休眠同步的虛擬分簇，并通過自適應通信機制實現所述簇頭間的通信。
2、 根據權利要求1所述的基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征 在于所述步驟A具體包括以下步驟al、節點上電啟動后，掃描附近是否存在簇頭；如果是，則進入步驟a3，否則轉步驟a2; a2、通過分布式競爭方式，選舉出物理簇簇頭，其余節點的身份標記為簇成員； a3、以簇成員身份申請加入該簇頭所在物理簇，并服從物理簇的周期時間調度策略。
3、 根據權利要求2所述的基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征 在于所述步驟a2具體為，節點周期性地發送包含自身基本屬性和加權平均值信息的信息幀， 同時偵聽、接收鄰居節點的信息幀，完成鄰居發現和節點的局部信息收集，根據加權平均值 的選舉算法選舉出物理簇簇頭，其余節點的身份標記為簇成員。
4、 根據權利要求3所述的基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征 在于在所述步驟a2確定各節點的簇頭或簇成員身份之后，所述簇成員在所述簇頭確立自己 的周期調度策略后申請加入該物理簇，該物理簇的簇成員到該簇頭均為一跳可達。
5、 根據權利要求1所述的基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征 在于所述周期調度表包括同步時段、簇內通信時段、簇間通信時段和休眠時段， 一個調度 周期為一個超幀，所述簇頭及簇成員均依據所在物理簇簇頭的周期調度表來設置各自的休眠、 工作時段。
6、 根據權利要求5所述的基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征在于在所述步驟B具體為，bl、所述簇頭確立身份后，在一段時間內掃描鄰居簇頭的包含周期調度表相對起始時刻信息的同步幀，如果掃描到，則進入步驟b3，否則轉步驟b2;b2、所述簇頭產生自身的周期調度表，并廣播包含自身周期調度表相對起始時刻信息的同步幀-,b3、所述簇頭接收該同步幀，判定是否已確立自身的周期調度表，如果是，則進入步驟 b4，否則轉步驟b5;b4、所述簇頭判定自身的周期調度表與接收到周期調度表是否相同，如果是，則進入步驟b6，否則轉步驟b7;b5、所述簇頭遵從該接收到周期調度表，并廣播包含自身周期調度表相對起始時刻信息 的同步幀；b6、所述簇頭記錄并更新鄰居簇頭列表，該鄰居簇頭列表記錄自身及鄰居簇頭的周期調 度信息；b7、所述簇頭根據鄰居簇頭列表判定是否已存在和自身調度周期相同的鄰居簇頭，如果 是，則進入步驟b8，否則轉步驟b9;b8、所述簇頭根據接收周期調度表修正自身周期調度表，建立和該鄰居簇頭的簇間通信 時段，更新鄰居簇頭列表，并廣播包含自身周期調度表相對起始時刻信息的同步幀；b9、所述簇頭拋棄自身周期調度表，轉步驟5。
7、 根據權利要求6所述的基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征 在于所述步驟B后還包括C、網絡值守，按照所述周期調度表以超幀方式進行周期性的同步、簇內通信、簇間通信 和休眠調度。
8、 根據權利要求7所述的基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征在于所述步驟C的周期性同步方法為，所述簇頭以某一同步周期通過同步幀廣播自身的周期調度表，所述鄰居簇頭通過該同步幀進行時間重同步，新建立的物理簇簇頭通過掃描、接 收該同步幀，服從現有虛擬分簇的周期調度表。
9、 根據權利要求7所述的基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征在于所述步驟C中還包括一鄰居虛擬簇發現步驟，各簇頭在某一段期間內偵聽一個同步周期，以發現鄰居虛擬簇。
10、 根據權利要求9所述的基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征在于所述偵聽為連續偵聽，在此同步周期內，簇頭在所述超幀的休眠時段均保持偵聽狀態。
11、 根據權利要求7所述的基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制方法，其特征在于所述步驟C中還包括一新成員節點邀請步驟，在所述超幀的簇內通信時段設有邀請時隙，所述簇頭以某一周期在邀請時隙發送邀請幀，新成員通過掃描該邀請幀，向所述簇頭 申請加入現有物理簇，并接受該物理簇的周期調度表。
全文摘要
本發明涉及一種基于雙重分簇的無線傳感器網絡分布式拓撲控制實現方法，包括物理分簇步驟和虛擬分簇步驟，其中物理分簇步驟，確定各節點的簇頭或簇成員身份，形成物理簇；虛擬分簇步驟則通過分布式競爭的方式，所述物理簇的簇頭產生自身或遵從相鄰簇簇頭產生的周期調度表，使相鄰物理簇的簇頭組成周期性工作、休眠同步的虛擬分簇，并通過自適應通信機制實現所述簇頭間的通信。本發明針對無線傳感器網絡的能量受限性、應用特定性、節點隨機密集布設等特點，在滿足特定應用的QoS要求的基礎上有效的實現了網絡負載均衡、提高網絡能耗效率、延長網絡系統壽命。
文檔編號H04L12/28GK101184004SQ200710038130
公開日2008年5月21日 申請日期2007年3月16日 優先權日2007年3月16日
發明者劉海濤, 姚道遠, 杰 沈, 袁曉兵, 濤 邢, 奎 馬, 黃河清 申請人:中科院嘉興中心微系統所分中心