[发明专利]面向任务的无线传感网网络拓扑建立的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感网静态骨干网的拓扑建立与面向任务的自适应分簇结合的网络拓扑管理方法，属于无线传感网拓扑管理领域。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。

应用环境与任务的差异性对无线传感网系统的设计提出了极大的挑战，同时，由于无线传感网节点的能量受限特性，如何组织网络以有效节约能量，延长网络生存时间亦是不可忽视的重要研究课题之一。为了满足无线传感网任务复杂多样的需求，国内外的研究集中于采用面向任务的自适应动态拓扑组织与节点的自适应功能重构等方法上，如康奈尔大学的Cougar系统与加州大学伯克利分校的TinyDB系统等。Cougar系统提出网络局部节点动态成簇的方法，针对不同的应用选择不同的节点自适应的形成不同的分簇结构，可较好的支持变化的任务需求，但是难以支持网络的休眠管理等拓扑控制功能。

对于拥有大量节点的无线传感器网络，分簇的拓扑结构在网络拓扑管理和可扩展性上具有较多的优势。簇头节点(Cluster Head，CH)构成网络的骨干，负载网络中节点的休眠/唤醒及数据路由，可较好地降低网络能耗，延长网络生存时间，但是其形成的分簇结构是相对静态的，难以适应环境与任务需求的变化。而若以任务为中心自适应重分簇，一来所得拓扑难以较好的支持网络节点的分布式管理与网络连通性要求，网络的负载平衡难以达到，二来针对任务的变化需要频繁的全网拓扑重建，网络开销太大。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向任务的无线传感网网络拓扑建立的方法。

针对现有的问题，本发明的面向任务的无线传感网网络拓扑建立的方法包括以下步骤：

A.建立全局静态骨干网拓扑，提供较好的节点管理方式和保证网络连通性；

B.在维持静态拓扑结构不变的前提下，局部网络节点面向任务动态成簇，以支持不同的任务需求，在完成任务后，解除节点间的基于任务的逻辑关系。

作为本发明的一种优选方式，步骤A可采用分簇的拓扑结构，包括以下步骤：

a1、信道侦听；节点初始化后，持续侦听信道一定时间，若接收到簇头消息，则转入步骤a3，若接收到其他节点的信息(如：Hello消息)，则更新自身邻居表；

a2、信息交互：节点间通过周期性的Hello消息交互自身信息，并以此为依据竞争簇头；

a3、节点入网：未竞争成功的节点向其邻居簇头发送入网申请以完成分簇组网过程。

作为本发明的又一优选方式，步骤a2中的竞争簇头方法可采用基于多权值的簇头竞争方式，节点依据自身属性(如：节点能量、节点度等)的加权平均值竞争簇头，未竞争成功的节点成为准簇成员节点，等待入网。

作为本发明的又一优选方式，簇头维护周期性的超帧结构，包括簇内通信时段与簇间通信时段，在簇内通信时段广播Beacon帧完成簇内同步等功能，簇成员节点遵从簇头节点的周期调度，在无数据上发时转入休眠状态。

作为本发明的一种改进，步骤B具体描述如下：

b1、任务分析与节点任务分配，节点检测到目标或接收到上层的数据查询要求后，对所需执行的任务进行分析，该步骤由物理簇的簇头执行，并依据任务需求选择合适的逻辑簇头，并唤醒需要参与任务工作的簇成员节点；

b2、逻辑簇头节点针对任务执行相应的处理功能，并进行逻辑簇成员的选择，下一个逻辑簇头的指定等工作；

b3、执行任务处理的簇成员节点临时放弃对物理簇调度周期的遵从，在任务执行完成之后，则重新遵从物理簇的调度周期；

b4、任务执行的结果，若需要上传至上层或传至的节点不在逻辑簇头的直接通信范围内，则以骨干网的路由策略执行；

本发明在有任务需求时，则在局部网络区域依据任务需求动态成簇(逻辑簇)，在任务完成后解除节点间的基于任务的逻辑联系。本发明在支持动态任务变换的同时，提供较好的网络拓扑管理，有效延长网络生存时间。

附图说明

图1为网络的静态骨干网与面向任务的动态成簇的网络拓扑示意图。

图2为本发明所述网络拓扑管理步骤的流程图。