[发明专利]一种广域传感器网络的多跳动态自组网方法

说明书

技术领域

本发明涉及为无线传感器网络领域，特别涉及一种广域传感器网络的多跳动态自组网方法。

背景技术

广域无线传感器网络是指一类超大规模的无线传感器网络，包含成千上万个微型传感器节点，被部署在农田、战场、河谷等广域空间环境，通过有限距离的无线通讯自组织形成多跳分布式网络，完成信息采集等应用任务。在现有的广域传感器网络系统的研究中，自组织的多跳路由通讯协议是研究中的重点和难点。由于节点数量巨大，难于手动配置，且部署环境地形复杂，常常难于靠近，广域传感器网络在部署之后，必须通过自组织的方法完成邻域信息学习、路由树建立、数据采集与处理、多跳数据汇聚、节能调度、网络故障修复等功能。研究广域传感器网络的自组织协议和多跳路由协议，主要解决如下问题：大规模网络随机部署之后基于节点邻域信息学习的自组网方法；数据汇聚路由树的建立、负载均衡控制，与路由树的自治维护；运行阶段大规模网络节点的协作节能调度，自治时间同步与自治故障修复。

解决上述问题是解决广域传感器网络的自组织、节能运行、多跳路由通讯的关键和必要途径。自组织多跳路由协议的研究要达到如下目标：

1)可扩展性

组网和路由协议的设计要支持超大规模的网络。随着网络规模的增大，网络的数据汇聚量会增大，节点通讯跳数增加，信道竞争更为激烈，通讯冲突概率增大。组网和路由协议设计需要解决大规模网络中的上述问题。

2)自治性

超大规模网络的组网和路由协议一定是自治运行的，因为节点众多难于个别调整和管理，在初始化阶段节点需要自治学习周围邻域信息，自治组网和建立路由树；在运行阶段，如果部分节点出现故障，或者环境发生变化导致部分链路出现故障时，网络需要有自修复的能力。

3)节能性

由于节点能量有限，节能是传感器网络最为重要的要求之一，组网协议和路由协议设计必须保证节点能够长时间处于休眠状态，并在短暂的活跃时隙协同工作完成数据采集、汇聚、多跳通信等功能。

4)分布式

算法和协议必须是分布式的，因为由一个或几个集中式服务器管理和控制整个广域网络的传感器节点，需要付出高额的通讯开销，而且在网络动态运行过程中，每个节点的周边信息是不断变化的，由集中式算法持续采集网络信息是不切实际的，必须设计分布式的组网和路由算法。

5)易用性

广域传感器网络的协议设计必须满足易用性要求，包括易于实施、易于操作等。

现有研究工业界和学术界的研究工作中，这方面的解决方案主要包括：Zigbee标准通讯协议、Xbow公司的Xmesh协议、MintRoute协议和聚类自组织协议。

但在现有的上述协议中，有两方面的关键问题并未得到解决，使得现有协议只支持小规模的传感器网络，不支持在超大规模传感器网络中的运行能力。

1)系统的自治运行和自治维护问题

在大规模网络部署之后，系统需要自治运行和自治维护，在出现部分节点故障，链路故障等问题时网络能够自动修复路由。一方面，在有新节点加入网络或有节点移出网络时，其它节点必须能够自动的调整自己的状态，并尽快同新加入节点进入协作状态，或者修补移出节点造成的路由和覆盖问题。另一方面，在网络初始化和运行阶段，节点必须对周围的环境自适应。但在上述现有协议中，Xmesh，MintRoute，Zigbee以及聚类自组织协议中，处理节点动态加入离开等事件的能力，和处理环境变化对网络链路质量影响的能力都较为不足。

2)系统节能性与系统可扩展性之间的矛盾

限制传感器网络规模的最主要问题之一是节点有限的能量。随着网络规模的增大，网络的数据汇聚量增大，节点通讯跳数增加，信道竞争更为激烈，需要更为有效的调度节点的节能工作状态。令节点长时间处于休眠状态时传感网节能的主要手段，但是当节点进入节能的休眠状态之后，它就无法接收和转发数据包。具体表现为，当一些节点进入休眠状态后，多跳通讯链路就会中断，无法完成大规模数据采集。必须设计有效的多跳协作的节能调度算法，既保证节点节能，又保证整个多跳网络的正常运作。在上述现有工作中，Zigbee协议只支持叶节点的休眠，进行中继转发的节点不能进入休眠状态，这严重限制了zigbee协议的可扩展规模和能量有效性。聚类自组织协议通过聚类头结点调度聚类内成员节点的休眠/工作状态，是一种集中式算法，可扩展性受限制。MintRoute并未考虑节点休眠机制。Xmesh是基于全网时间同步进行休眠调度，但时间同步精度较低，导致休眠时隙设计不精细，影响节能性能。

发明内容