基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法

摘要

本发明公开了一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法，网络中各节点周期性地执行各自的任务调度，实现节点之间的通信。本通信调度方法的主要思想是，簇内通信方面，上层节点形成调度周期后，以周期性广播Beacon帧的形式通知下层节点，以便下层节点加入上层节点组建的簇以及维护与上层节点的时钟同步；簇间通信方面，由骨干节点负责路由建立和簇间数据传输。本通信调度方法通过簇内通信时段的划分和引入节点睡眠机制，有效的解决了簇间大功率通信对簇内通信的干扰以及节点过度空闲侦听的问题。本发明提出的通信调度方法，适用于相当一部分典型的无线传感网应用，同时可以作为其他无线传感网通信调度方法的扩展基础。

主权项

1.一种基于Mesh和分簇相结合的无线传感网通信调度方法，其特征在于，无线传感网由骨干节点BB、簇头节点CH和簇成员节点CM组成；其中，BB之间是Mesh结构，BB与CH，CM之间是分簇结构，该方法包括以下步骤：(1)形成BB节点超帧：BB节点形成自己的超帧，周期性广播携带有超帧信息的Beacon帧；(2)形成CH节点超帧：CH节点收到BB的Beacon帧，申请加入BB组建的簇；CH被BB批准加入簇后，形成自己的超帧，周期性广播携带有簇内通信信息的Beacon帧；(3)形成CM节点超帧：CM节点收到CH的Beacon帧，申请加入CH组建的簇；CM经CH批准加入簇后，形成自己的超帧；BB节点超帧时段确定：BB的一个超帧周期包括2个时段，Broadcast时段和Communication时段；一个超帧周期中第一个时段是Broadcast时段，其预设长度是T_Broadcast，该时段内BB节点以退避的方式向管理范围内的CH广播Beacon帧；Broadcast时段的实际长度取决于该超帧周期内BB成功广播Beacon帧需要的时间T₁；关系式如下：$T_{\mathrm{BB}-\mathrm{Broadcast}}=\left\{\begin{array}{c}{T}_1,T_1<T_{\mathrm{Broadcast}}\\ T_{\mathrm{Broadcast}},T_1\ge T_{\mathrm{Broadcast}}\end{array}\right.;$Broadcast时段结束后，是Communication时段；该时段内BB节点的任务包括路由建立和数据传输；Communication时段的长度是，T_{BB-Communication}＝T_Superframe-T_BB-Broadcast；CH节点超帧时段确定：CH的一个超帧周期包括了7个时段，Scan时段，Sync时段，Sleep时段，Broadcast时段，Collect时段，Report时段，Sleep时段；Scan时段用于扫描BB的Beacon帧，其长度等于BB的Broadcast时段的实际长度，即，T_CH-Scan＝T_BB-Broadcast；Sync时段，CH启动时钟同步计算进程，根据计算结果调整本地时钟，保证与BB节点的时钟同步，其长度等于同步计算需要的时间，即，T_CH-Sync＝T_Sync；CH的Broadcast时段的起点由BB节点指定，用符号t₁表示，同时用符号t₀表示Scan时段的预设终点；那么有下面的关系式成立，t₁-t₀＝n×(T_CH-Broadcast+T_CH-Collect+T_CH-Report)＞T_Sync；Sync与Broadcast之间的Sleep时段的长度用符号T_CH-Sleep1表示为，T_CH-Sleep1＝n×(T_CH-Broadcast+T_CH-Collect+T_CH-Report)-T_Sync；+T_Broadcast-T_CH-ScanBroadcast时段，CH无冲突地广播Beacon帧，其长度等于发送Beacon帧需要的时间T_Beacon，即，T_CH-Broadcast＝T_Beacon；Collect时段，CH接收来自CM的数据包，其长度用符号T_CH-Collect；Report时段，CH无冲突地向BB发送数据包；假设CH发送数据包需要的时间为T_Data，那么有，Report之后到超帧周期结束的Sleep时段的长度用符号T_CH-Sleep2表示为，T_CH-Sleep2＝T_Superframe-T_CH-Scan-T_CH-Sync-T_CH-Sleep1-T_CH-Broadcast-T_CH-Collect-T_CH-Report；CM节点超帧时段确定：CM的一个超帧周期中包括4个时段Scan时段，Report时段，Sync时段，Sleep时段；Scan时段，CM扫描CH的Beacon帧，其长度等于CH的Broadcast时段的长度，即，T_CM-Scan＝T_CH-Broadcast；Report时段，CM以退避方式向CH发送数据包，其长度等于CH的Collect时段的长度，即，其中T₂的计算，如果该超帧周期内，CM以退避方式成功发送一次数据包需要的时间为T₃，那么有，$T_2=\left\{\begin{array}{c}{T}_3,T_3<T_{\mathrm{CH}-\mathrm{Collect}}\\ T_{\mathrm{CH}-\mathrm{Collect}},T_3\ge T_{\mathrm{CH}-\mathrm{Collect}}\end{array}\right.;$Sync时段，CM启动时钟同步计算进程，根据结果调整本地时钟，保证与CH节点的时钟同步，其长度等于同步计算需要的时间，即，T_CM-Sync＝T_SyncSleep时段的长度，为T_CH-Sleep＝T_Superframe-T_CM-Scan-T_CM-Report-T_CM-Sync。