[发明专利]一种异频无线传感器网络中的初始组网与路由方法

说明书

技术领域

本发明属于无线网络技术领域，具体为一种异频无线传感器网络中的初始组网与路由方法，应用于具有多个工作频率且随机投放在监测区域的无线传感器网。

背景技术

无线传感器网络是由一组传感器节点和基站构成的一类无线多跳网络。传感器节点负责收集所在区域内的信息，并通过多跳方式将数据传递给基站；基站则负责分析和处理来自网络中各节点的数据。

在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置往往不能预先确定，节点之间的相互邻居关系也不能预先获知。例如，通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人类不可到达的危险的区域。因而无线传感器网络具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自组织地形成多跳转发的通信系统。

为了减少冲突，网络中的基站可以采用不同的工作频率。网络在布设前，各基站预先设置一个工作频率。然而，由于基站位置的不可预知性，网络拓扑的随机性，不能预先为普通节点设置固定的工作频率。为此，目前已有了一些分簇方法：

1)低能耗分簇方法(参见文献：W.R.Heinzelman,A.Chandrakasan and H.Balakrishnan.Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks.33rd Hawaii International Conference on System Sciences,Hawaii,USA,2000)。该方法的基本思想是在全网范围内周期性随机选取簇首，未选举成为簇首的节点选择最近的相邻簇首加入簇。在该方法中，簇首的周期性随机选举使得网络中每个节点都可以周期性担任簇首，从而使得网络能耗均衡；另外，簇首的数据融合处理能够减少网络中冗余数据信息，降低数据传输开销。

2)权重分簇方法(参见文献：M.Chatterjee,S.K.Das and D.Turgut.WCA:A Weighted Clustering Algorithm for Mobile Ad Hoc Networks.Cluster Computing Journal,2002,vol.5,no.2,pp.193-204)。该方法是一种经典的基于节点度的分簇方法。该方法将节点的度、收发能量和剩余能量作为选举簇首的依据，并限制形成分簇的大小(簇节点数过大时，簇内通信将消耗大量能量)以节省能量消耗。该方法比先前提出的分簇算法考虑得更为全面，并且通过实验证明，性能也更加优越。该方法的主要缺点是分簇初始化前，它需要获取节点的权重，要求每个节点向网络中扩散自己信息，并保存其他所有的节点信息，大量的计算和通信开销导致其分簇开销较大。簇首在完成汇聚和转发功能的过程中，分簇的开销也会导致其能量消耗过快而过快死亡，导致网络拓扑的不稳定。

3)定向天线分簇方法(参见文献：Y.C.Chen and C.Y.Wen.Distributed Clustering With Directional Antennas for Wireless Sensor Networks.IEEE Sensors Journal,2013.vol.13,no.6,pp.2166-2180)。该方法适用于采用定向天线的无线传感器网络中的分簇。该方法旨在减少协议开销，并保证网络的连通性。该方法采用了随机等待时钟、局部判决等手段，提高分簇性能。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种异频无线传感器网络中的初始组网与路由方法，在多个异频基站存在的条件下，普通节点通过轮询侦听与消息交互，同时实现初始组网与路由，完成网络在无人干预下的自组织运行，从而为普通节点与异频基站的组网提供一种高效、快速的手段。同时，采用逆向路由方法，在网络中的传感数据向基站汇聚提供支持。

本发明中异频无线传感器网络的初始组网与路由方法的原理：

网络中存在两类节点：基站和普通节点。其中，基站具有的无线接口具有固定工作频率，采用半双工方式进行无线信道的访问；普通节点的无线接口能够在系统所使用的频率集上进行动态切换，也采用半双工方式进行无线信道的访问。网络中的各节点被随机投放于监测区域内，并开机启动。