專利名稱：一種基于tdma的用于無線傳感網的星型成簇方法
技術領域：
本發明屬于無線通信技術領域，涉及一種基于TDMA的用于無線傳感網的星型成 簇方法。
背景技術：
面向野外監測的無線傳感網一般都具有以下特點第一，對目標的采樣具有周期 性；第二，節點本身都帶有GPS模塊，以便于定位和同步；第三，節點通常用電池或太陽能供 電，因此應盡量做到低功耗。由于無線傳感器網絡是一種無線的自組織網絡，當節點的信號 覆蓋范圍近似等于節點的布撒區域時，就可以形成以簇頭或匯聚節點( 一般為用戶接收端 或網關)為中心的組網相對簡單的星型簇(或星型網)。對于無線傳感器網絡中的節點可 隨時加入或退出的動態拓撲特性來說，星型簇(或星型網)具有控制簡單、組網方便、性能 可靠的特點。 TDMA時分多址接入方式是一種比較常用的多址接入方式，網絡中的節點通過分享 各自不同的工作時隙共享無線信道，避免了用戶間的碰撞，大大提高了效率。但由于各個節 點的本地時鐘存在偏差，為了保持同步，節點間要不停的統一時間基準。正是由于需要嚴格 的同步和運行中不靈活的時隙分配方式，導致TDMA方式實用于無線傳感網的成功案例并 不多見。但是，只要解決了同步和靈活分配時隙的問題，就能在無線傳感網中充分發揮TDMA 的優勢，達到理想的效果。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基于TDMA的用于無線傳感網的星型成 簇方法。 為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案。 —種基于TDMA的用于無線傳感網的星型成簇方法，包括以下步驟 步驟一，簇頭根據固定的采樣周期和每次傳輸所需時間預先在每個工作周期劃分
多個待分配的時隙；整個星型簇默認一個GPS時間段為時隙申請時段； 步驟二，簇頭在時隙申請時段開始后進入偵聽狀態，偵聽時隙申請請求的到來； 步驟三，進入時隙申請時段后，各個成員節點通過CSMA/CA方式發送時隙申請請
求，直到得到回復或發送達到最大次數或時隙申請時段結束為止； 步驟四，簇頭收到各個成員節點的時隙申請請求后對所有時隙申請請求進行處理 并合理分配時隙號，然后回復各個成員節點； 步驟五，各個成員節點在接收到回復后自己的工作時隙到來之前完成采樣，并讀 取GPS時間校準本地時鐘，然后進入休眠直到自己的工作時隙開始； 步驟六，簇頭的時隙調度、信息接收時間段開始后，各個成員節點的工作時隙依次 開始； 步驟七，各個成員節點在自己的工作時隙開始后，首先經過保護時間段的時間長度后才開始上傳本地采樣信息，并保證上傳結束時距離自己的工作時隙結束還有至少一個保護時間段的時間長度； 步驟八，工作時隙結束后，成員節點進入休眠直到下一個工作時隙的到來，重復步驟六至步驟八。 作為本發明的一種優選方案，所述時隙申請請求包括節點ID和采樣周期。 作為本發明的另一種優選方案，步驟四中，所述回復內容包括接受，所分配的時隙
號或拒絕。 作為本發明的再一種優選方案，步驟四中，所述簇頭將時隙號以ACK的形式回復給提出申請的成員節點。 作為本發明的再一種優選方案，簇頭在沒有分配任何時隙之前處于休眠狀態，直到時隙申請時段開始。 作為本發明的再一種優選方案，簇頭分配完時隙后進入休眠狀態，直到時隙調度、信息接收時間段的到來。 本發明的有益效果在于由于采用GPS作為時鐘校準參考基準，避免了采用某個節點內部時鐘帶來的頻繁通信校準問題； 本發明的另一有益效果在于由于利用了野外無線傳感網節點采樣的周期特性，只要對獲得的GPS時間信息稍作處理便可獲得當前時刻距離時隙申請、申請回復和正常工作等時隙的時間間隔，大大簡化了實現同步的工作量，并且節省了時鐘/定時器的使用，節省了有限的資源。


圖1為本發明中星型簇的平面示意 圖2為本發明中時隙的組成示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細說明。 本發明的目的在于針對野外無線傳感網的特定應用場景提出一種簡單、可靠、高效的星型(TDMA)成簇(組網)方案。所述星型簇為基于TDMA的動態自組織自維護的星型簇或星型網。實現本方案的前提是所有節點的采樣都具有固定的采樣頻率(一般為每小時的采樣頻率或每天的采樣頻率)，節點間的本地時鐘在短時間內偏差不大并且所有節點都配有GPS模塊。 本發明提出了一種基于TDMA的實用于野外無線傳感網的星型成簇方法，包括以
下步驟簇頭(或星型網的匯聚節點)根據采樣周期和傳輸時間劃分時隙；默認一個GPS時
間段為時隙申請時段，簇頭(匯聚節點)在該時間段接收各個節點的入網申請并將分配的
時隙號回復給申請節點；節點(或稱傳感器節點)獲得GPS時間信息校準本地時鐘后休眠
并在工作時隙到來之前醒來完成采樣、讀取GPS時間再次校準本地時鐘；節點在延遲一定
的保護時間段之后開始發送數據并保證發送結束后距離本地時鐘所得出的工作時隙結束還有至少一個保護時間段的時間長度；節點休眠直到下一個周期開始。其中，星型簇的平面
示意圖如圖l所示，時隙的組成由圖2所示。由于本發明利用了野外傳感網節點周期性采樣的特點和節點本身自帶的用于定位的GPS來設計TDMA方法，避免了采用某個節點內部時鐘為基準帶來的頻繁通信校準問題，節省了能源、降低了復雜度，便于在無穩定電源供電的單片機節點上實現。
實施例一 本實施例提供了一種基于TDMA的用于無線傳感網的星型成簇方法，包括以下步驟 步驟一，簇頭根據固定的采樣周期和每次傳輸所需時間預先在每個工作周期劃分多個待分配的時隙；整個星型簇默認一個GPS時間段為時隙申請時段；
步驟二，簇頭在時隙申請時段開始后進入偵聽狀態，偵聽時隙申請請求的到來；
步驟三，進入時隙申請時段后，各個成員節點通過CSMA/CA方式發送時隙申請請求，直到得到回復或發送達到最大次數或時隙申請時段結束為止； 步驟四，簇頭收到各個成員節點的時隙申請請求后對所有時隙申請請求進行處理并合理分配時隙號，然后回復各個成員節點； 步驟五，各個成員節點在接收到回復后自己的工作時隙到來之前完成采樣，并讀取GPS時間校準本地時鐘，然后進入休眠直到自己的工作時隙開始； 步驟六，簇頭的時隙調度、信息接收時間段開始后，各個成員節點的工作時隙依次開始； 步驟七，各個成員節點在自己的工作時隙開始后，首先經過保護時間段的時間長度后才開始上傳本地采樣信息，并保證上傳結束時距離自己的工作時隙結束還有至少一個保護時間段的時間長度； 步驟八，工作時隙結束后，成員節點進入休眠直到下一個工作時隙的到來，重復步驟六至步驟八。 所述時隙申請請求包括節點ID和采樣周期。步驟四中，所述回復內容包括接受，所分配的時隙號或拒絕；所述簇頭將時隙號以確認應答(ACKnowledgeCharacter， ACK)的形式回復給提出申請的成員節點。簇頭在沒有分配任何時隙之前處于休眠狀態，直到時隙申請時段開始。簇頭分配完時隙后進入休眠狀態，直到時隙調度、信息接收時間段的到來。
實施例二 本實施例的具體實現過程為 (1)整個簇網絡默認一個GPS時間段為時隙申請時段(如每個整點開始后的前n秒鐘或每天零點過后的前n秒鐘等)，簇頭(匯聚節點)在該時間段接收各個成員節點的時隙申請請求，請求信息包含成員節點ID和采樣周期。簇頭(匯聚節點)對接收到的時隙申請請求進行處理并合理分配時隙。 (2)簇頭(匯聚節點)會對申請時隙的成員節點進行回復，回復內容會包含接受或拒絕、所分配的時隙號等。 (3)節點會結合本地時鐘在工作時隙到來之前完成采樣并讀取GPS時間校準本地
時鐘。由于采樣具有周期性，因此節點通過判斷GPS時間的時分秒毫秒位就可判斷到達工
作時隙的時間間隔，若距離時間比較長，則根據距離時間的長短重新調整本地時鐘并進入
休眠，若距離時間比較短，則將本地時鐘定時后休眠直到工作時隙開始。
(4)節點在延遲一定的保護時間段之后開始發送數據(發送之前可以也進行信道偵聽和退避)，并保證發送結束后距離本地時鐘所得出的工作時隙結束還有至少一個保護時間段的時間長度。
(5)節點休眠直到下一個工作時隙開始。
(6)重復以上步驟。 另外，簇頭(匯聚節點)每收到一幀都會回復ACK，并且簇頭(匯聚節點)會在內部維護一個時隙分配的列表，一旦一個已經分配出去的時隙號連續N次時隙都沒有收到信息幀，就會將該時隙列為空閑時隙用于再分配。另外，如果某個節點連續N個工作時隙發出信息后都沒有收到ACK，就會放棄該工作時隙，并在下一個時隙申請時段重新申請工作時隙。 其中，為確保發送數據時確實已經進入工作時隙，每個時隙的前部和后部都設置
一定時間的冗余時間保護段，以確保節點確實進入工作時隙才發送數據，并且在發送完成
后仍處于當前工作時隙。從而避免對其他的工作時隙產生不必要的干擾。 實施例三 本實施例的詳細內容為 —、時隙申請時段 1、簇頭的工作整個簇(或星型網絡)首先共同默認一個共同的時隙申請時段，該時段的開始時間點可以通過對GPS時間信息進行簡單的處理得到。簇頭(匯聚節點)在沒分配任何時隙之前會處于休眠直到時隙申請時段開始，然后進入偵聽狀態，偵聽申請幀的到來。收到申請幀之后，簇頭(匯聚節點)進行鑒權(可選)、計算可分配的時隙，并將同意或拒絕、分配的時隙號等以ACK的形式發回給節點。之后匯聚節點會進入休眠，直到時隙調度、信息接收時間段的到來。 2、節點的工作對于簇(或星型網絡)中的其他節點，在沒有加入任何簇(或網絡)之前，會一直保持休眠直到下一個時隙申請時段的到來。進入時隙申請時段之后，節點會通過CSMA/CA方式發送時隙申請幀，直到得到回復或發送達到最大次數或時隙申請時段結束。如果申請失敗，例如簇頭(或匯聚節點)距離太遠沒收到申請幀或者簇頭(或匯聚節點)時隙已經分配完或者簇頭(或匯聚節點)拒絕該節點加入，則節點會再次進入休眠直到下一個時隙申請階段到來重新申請；如果申請成功并分配到了時隙，則節點會讀取GPS時間調整本地時鐘，然后根據時隙開始的時間和采樣所用時間確定在何時醒來讀取GPS校準時鐘和進行采樣，然后定時、休眠。 一般獲取GPS時間信息需要比較長的一段時間，在定時時需要考慮這一段時間，以免因讀不到正確的GPS時間信息而錯過正常的工作時隙。當醒來后，若讀到的GPS時間信息距離工作時隙時間太長則根據當前時間重復上述申請成功后的步驟；若讀到的GPS時間信息已經超過了工作時隙開始時間則放棄本次時隙，定時、休眠等待下一個工作時隙；若時間比較適合(該判斷要依據本地時鐘的精度，原則上要使使用本地時鐘定時到達工作時隙時所產生的時間誤差小于時隙保護時間段長度)，則進行定時、采樣、休眠直到工作時隙開始。時隙的分配、本地時鐘的校準都使用GPS，時隙分配的周期并不一定等于采樣周期，可能等于采樣周期的整數倍。
二、時隙調度、信息接收時間段 1、節點的工作節點在自己的工作時隙開始后，會等待一個時隙保護時間段的長度之后才進行數據的上傳，并保證上傳完成后距離時隙結束還有至少一個時隙保護時間段的長度，以免因本地時鐘的誤差而導致發送過程對其他時隙造成的干擾。為以防萬一，發送
也可采用CSMA/CA方式。節點每個工作時隙的前后部各有一個保護時隙用于保證在一定的
本地時鐘誤差內節點的工作時隙一定處于其對應的匯聚節點的相應時隙內。即使使用了
TDMA方式，節點在工作時隙的發送過程仍使用CSMA/CA方式。節點除去初始化、時隙申請、
采樣、時間校準和工作時隙是處于工作狀態外，其余時間均處于休眠狀態。 2、簇頭的工作簇頭(或匯聚節點)會對每一個接收到的信息幀進行回復ACK，并
且簇頭(匯聚節點)會在內部維護一個時隙分配的列表，一旦一個已經分配出去的時隙號
連續N次時隙都沒有收到信息幀，就會將該時隙列為空閑時隙用于再分配。另外，如果某個
節點連續N個工作時隙發出信息后都沒有收到ACK回復幀，節點也會放棄該工作時隙，并在
下一個時隙申請時段重新申請工作時隙。 本發明由于采用GPS作為時鐘校準參考基準，避免了采用某個節點內部時鐘帶來 的頻繁通信校準問題，由于無線通信在無線傳感網的能耗中占的比重最大，本方案節省了 能源、降低了復雜度，便于在無穩定電源供電的單片機節點上實現。由于本發明利用了野外 無線傳感網節點采樣的周期特性，因此只要對獲得的GPS時間信息稍作處理便可獲得當前 時刻距離時隙申請、申請回復和正常工作等時隙的時間間隔，大大簡化了實現同步的工作 量，并且節省了時鐘/定時器的使用(因為單片機的時鐘/定時器數量是有限的)，節省了 有限的資源。 這里本發明的描述和應用是說明性的，并非想將本發明的范圍限制在上述實施例 中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實 施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明 的精神或本質特征的情況下，本發明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他元件、 材料和部件來實現。
權利要求
一種基于TDMA的用于無線傳感網的星型成簇方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，簇頭根據固定的采樣周期和每次傳輸所需時間預先在每個工作周期劃分多個待分配的時隙；整個星型簇默認一個GPS時間段為時隙申請時段；步驟二，簇頭在時隙申請時段開始后進入偵聽狀態，偵聽時隙申請請求的到來；步驟三，進入時隙申請時段后，各個成員節點發送時隙申請請求，直到得到回復或發送達到最大次數或時隙申請時段結束為止；步驟四，簇頭收到各個成員節點的時隙申請請求后對所有時隙申請請求進行處理并合理分配時隙號，然后回復各個成員節點；步驟五，各個成員節點在接收到回復后自己的工作時隙到來之前完成采樣，并讀取GPS時間校準本地時鐘，然后進入休眠直到自己的工作時隙開始；步驟六，簇頭的時隙調度、信息接收時間段開始后，各個成員節點的工作時隙依次開始；步驟七，各個成員節點在自己的工作時隙開始后，首先經過保護時間段的時間長度后才開始上傳本地采樣信息，并保證上傳結束時距離自己的工作時隙結束還有至少一個保護時間段的時間長度；步驟八，工作時隙結束后，成員節點進入休眠直到下一個工作時隙的到來，重復步驟六至步驟八。
2. 根據權利要求1所述的基于TDMA的用于無線傳感網的星型成簇方法，其特征在于所述時隙申請請求包括節點ID和采樣周期。
3. 根據權利要求1所述的基于TDMA的用于無線傳感網的星型成簇方法，其特征在于步驟四中，所述回復內容包括接受時隙申請請求和所分配的時隙號，或拒絕時隙申請請求。
4. 根據權利要求1所述的基于TDMA的用于無線傳感網的星型成簇方法，其特征在于步驟四中，所述簇頭將時隙號以ACK的形式回復給提出申請的成員節點。
5. 根據權利要求1所述的基于TDMA的用于無線傳感網的星型成簇方法，其特征在于簇頭在沒有分配任何時隙之前處于休眠狀態，直到時隙申請時段開始。
6. 根據權利要求1所述的基于TDMA的用于無線傳感網的星型成簇方法，其特征在于簇頭分配完時隙后進入休眠狀態，直到時隙調度、信息接收時間段的到來。
7. 根據權利要求1所述的基于TDMA的用于無線傳感網的星型成簇方法，其特征在于步驟三中，所述各個成員節點通過CSMA/CA方式發送時隙申請請求。
全文摘要
本發明公開了一種基于TDMA的用于無線傳感網的星型成簇方法，包括以下步驟簇頭根據采樣周期和傳輸時間劃分時隙；默認一個GPS時間段為時隙申請時段，簇頭在該時間段接收各個節點的入網申請并將分配的時隙號回復給申請節點；節點獲得GPS時間信息校準本地時鐘后休眠并在工作時隙到來之前醒來完成采樣、讀取GPS時間再次校準本地時鐘；節點在延遲一定的保護時間段之后開始發送數據并保證發送結束后距離本地時鐘所得出的工作時隙結束還有至少一個保護時間段的時間長度；節點休眠直到下一個周期開始。本發明避免了采用某個節點內部時鐘為基準帶來的頻繁通信校準問題，節省了能源、降低了復雜度，便于實現。
文檔編號H04W56/00GK101707801SQ200910198288
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月4日 優先權日2009年11月4日
發明者周璐巍, 左秀婷, 鞏思亮, 張唯易, 王營冠, 趙康 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所