[发明专利]一种三维传感器网络中去媒体访问冲突的拓扑构造方法

说明书

本发明提供一种三维传感器网络中避免媒体访问冲突的拓扑构造方法，其特征在于：在三维传感器网络中，通过在水平方向上构建独立集，在垂直方向上将所述独立集的节点连接成连通支配树，以形成无访问冲突的数据转发路径，实现无冲突的数据传输。本发明具有能适应空间或水下三维传感器网络，能实现邻居节点间的无冲突媒体接入，也能实现从采样节点到汇聚节点的无冲突数据传输，提高媒体访问控制的效率的优点。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络拓扑设计的技术领域，尤其涉及一种三维传感器网络中避免媒体访问冲突的拓扑构造方法。

背景技术

媒体控制技术的性能直接影响多用户对媒体访问的效率和系统的性能。当无线传感器网络运用于水下或空中时，传感器节点将构成一个三维网络，不同于传统的二维传感器网络，三维空间的节点之间的媒体访问控制问题将更加复杂。

一般情况下，MAC协议可分为确定接入MAC协议和随机接入MAC协议。其中，确定接入协议主要包括FDMA协议、TDMA协议以及CDMA协议等，可以完全避免冲突的产生。由于确定接入协议对节点的硬件配置有特殊要求，如必须能实现频率、时隙或编码的多接入，在很多传感器应用中，节点无法满足这些要求。随机接入协议主要包括ALOHA协议、CSMA/CA协议、MACA协议等典型代表协议。其基本原理是试图通过设计合理的机制协调各个用户对媒体的占用，以尽量减小冲突的可能性，或减少冲突带来的影响。但无论是怎样的随机接入技术，冲突都是无法完全避免的。对于三维传感器网络，冲突的产生将带来更加复杂的监听、预约和数据重传的控制，将严重影响整个传感器网络的性能。

目前已有学者考虑从传感器网络的拓扑设计方面入手来考虑冲突避免问题，其关键在于基于物理的传感器节点分布，寻找合适的工作节点以构成满足冲突避免要求的数据转发路径。文献(F.A.Alfouzan,A.Shahrabi,S.M.Ghoreyshi,and T.Boutaleb,ACollision-Free Graph Coloring MAC Protocol for Underwater SensorNetworks[J],IEEE Access,2019,vol.7,pp.39862-39878)在三维传感器网络中提出了一种节点染色策略，使得具有相同颜色的节点位于彼此的通信距离以外，从而相同颜色的节点可以在同一时刻发送数据而不会产生冲突，但协议基于立方体结构进行节点的染色管理，其过程相当复杂。文献(R.Zhang,X.Cheng,X.Cheng,and L.Yang,Interference-Free Graph BasedTDMA Protocol for Underwater Acoustic Sensor Networks,IEEE Transactions onVehicularTechnology,2017,67(5):4008-4019)在三维传感器网络中提出了一种基于通信冲突距离的拓扑构造方法，通过计算每条通信链路的冲突距离，每个节点获知其邻居节点和非邻居节点，删除邻居节点之间的通路，保留非邻居节点组成无冲突的拓扑图，从而实现无冲突的数据发送。该方法需要对全网每条链路进行参数计算，并与邻居节点通信，计算复杂度和通信复杂度相当高。同时上述方法均仅考虑相邻节点间的无冲突发送，并不能保证数据能无冲突地转发至汇聚节点，故实用价值有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于分层拓扑的无线传感器网络无访问冲突的三维拓扑构造方法。

为实现达到上述目的，本发明采用如下具体技术方案：

本发明提供一种三维传感器网络中避免媒体访问冲突的拓扑构造方法，其特征在于：在三维传感器网络中，通过在水平方向上构建独立集，在垂直方向上将所述独立集的节点连接成连通支配树，以形成无访问冲突的数据转发路径，实现无冲突的数据传输。

进一步地，在本发明提供的三维传感器网络中避免媒体访问冲突的拓扑构造方法中，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、基于传感器节点的有效通信距离，将三维拓扑划分为若干个具有一定垂直距离的水平二维平面；