[发明专利]一种码分分簇无线传感器网的网络架构方法

说明书

技术领域

本发明设计一种基于码分分簇的无线传感器网络的网络架构方法，适用于大规模随机布设无线传感器网络的传感数据通信等，该方法主要由无线传感器网络的物理层和MAC层实现。

背景介绍

随着微机电系统、无线通信和数字电路的不断飞速发展，具有低功耗，低成本，多功能特性的传感器节点大量出现。基于大量传感器节点部署的传感器网络也因其广泛的应用前景，越来越受到重视。无线传感器网络可以广泛地应用于军事和民用环境，进行信息的收集和处理、对象跟踪和网络环境的检测，尤其适合配置在野外、交通要道、医疗和安全部门等场合。

无线传感器网络不依赖于固定的基础设施，其网络节点要求具有自组织能力。与传统的自组织网络相比，无线传感器网络具有下述特点：

1、网络规模更为庞大，节点数目更多

2、节点密集分布在目标区域

3、网络的拓扑结构变化快

4、网络节点易失效

5、通常节点没有统一的身份(ID)

针对以上特点，传统的平面拓扑控制机制已不能满足无线传感器网络的大规模组网的要求，而且不能很好的支持局部数据融合、高效能耗管理以及传感器的工作、休眠调度机制等，因此，分簇机制已经成为部署和实现高效可扩展性密集布设无线传感器网络的主要拓扑控制方法。它与平面拓扑结构相比，在数据汇聚、融合、能量效率、支持网络可扩展性和QoS保障方面具有较好的优势。分簇机制通过将网络节点划分成若干个簇来构成分簇结构，在分簇结构中，每个簇通常有一个簇头和多个普通节点组成。

扩频通信是将待传送的信息数据用伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传送，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。这种通信方式与一般常见的窄带通信方式相反，具有伪随机编码调制和信号相关处理两大特点，从而具有有如抗干扰、抗噪音、抗多径衰弱、能在低功率谱密度下工作、有保密性、可多址复用和任意选址、可高精度测量等诸多优点。无线传感器网络的部署环境一般相对恶劣，则要求通信具有较强的抗噪声和抗干扰的能力，因此扩频通信极为适用于无线传感器网络。

使用码分多址通信是利用相互正交(或尽可能正交)的不同扩频码字分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信。在扩频码字具有良好互相关性能的条件下，码分多址有着较小的多址干扰，能够减少系统用户间冲突机率，从而增加数据传输速度，减少数据传输时延。但是由于自相关性和互相关性都较好的码字数量较少，特别是在扩频码长度较短以及异步通信的场景下，扩频码选择尤其困难，使得码分多址的扩频通信方式在无线传感器网络中的应用受到了限制。

发明内容

本发明公布了一种用于无线传感器网络的码分分簇的网络架构。其通过在簇内使用同一码字调制信号进行通信，邻居簇间选用不同的具有良好互相关性的码字调制信号进行通信，同时将通信时段划分为簇内通信时隙和簇间通信时隙，使得普通节点在簇间通信时隙能够进入休眠状态，减少能耗。

本发明的技术方案包括：

1)通信时段划分为簇内通信时隙和簇间通信时隙。在簇内通信时隙中，簇内普通节点可以按照预约或竞争的方式接入信道，簇内节点相互通信时采用较低的发射功率。若是簇内节点需要进行簇间通信，也必须在该时隙内将数据传送到簇头节点，其簇头到簇内普通节点间距离均为一跳。进入簇间通信时隙后，所有簇内普通节点进入休眠状态，只有簇头节点参与通信，簇头采用较高的发射功率，直接将数据传送到对应的下一簇头，下一簇头接收到数据后，检测其数据的目的节点是否为本簇内节点，若是本簇内节点，则在下一簇内通信周期将数据转发给本簇内节点，若不是，则查找路由表，将数据转发到对应的下一个簇头。

2)分簇初始化时使用统一的预设码字

在分簇初始化的过程中，所有节点使用唯一的预设码字进行通信，其分簇算法不是本发明关心的内容，可利用传统的分簇算法，如链路分簇算法(LCA)，低能量自适应分簇分级算法(LEACH)等。

3)分簇码字的分配

在分簇初始化完成，即网络中的节点确定自己的身份是簇头还是簇成员之后，簇头之间决定各自簇使用的码字，使得相邻簇之间使用不同的码字。簇头在选定本簇使用的码字时，须向邻居簇发出广播公告说明其使用的码字，并用该码字发出询问信息保证没有邻居簇已使用该码字。在确认该码字的可行性后，簇头向邻居簇头确认使用该码字，并同时向簇内节点发出广播消息，声明本簇使用的该扩频码字，簇内节点在收到广播消息后，更换为分配的码字进行通信。

4)簇内通信的码字使用