基于多路復用的無線傳感器網絡孩子節點數據傳輸方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種無線傳感網固定區域內首領節點收集數據的方法，屬于計算機網 絡與無線通信技術的交叉領域。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網絡是由一堆傳感節點設備組成，運些節點能夠感知、傳輸、接受、存 儲周邊信息，并能夠收集溫度、光照、壓力，音頻視頻等信息發送給目的節點。對于密集分布 的無線傳感網而言，往往W鏈狀、樹狀、網狀及星型等結構開展網絡部署與信息交互。運其 中，W多跳多徑的簇樹狀數據收集模式最為典型。隨著移動互聯網和大數據技術的迅猛發 展，具備感知能力的混合無線傳感網，逐漸成為了泛在網絡體系的重要前端。如何在現有體 系結構基礎上，進一步利用數據融合、數據聚合等方式，提高混合無線傳感網的感知數據質 量，已經并必將進一步成為提升其執行效率的關鍵技術之一。此外，面對數據量更為龐大的 混合無線傳感網，如何在規定時間內實現數據的高效傳輸，避免數據傳輸時延，同樣是需要 重點研究的方向。
[0003] 無線短距離通信在傳感器網絡中有大量應用，當一條物理信道的傳輸能力高于一 路信號的需求時，該信道就可W被多路信號共享，復用就是解決如何利用一條信道同時傳 輸多路信號的技術，運樣可W充分利用信道的頻帶或者時間資源，提高信道利用率。信號多 路復用有兩種常用的方法:頻分復用(FDM)和時分復用（TDM)。時分復用通常用于數字信號 的多路傳輸，它采用同一物理連接的不同時段來傳輸不同的信號，也能達到多路傳輸的目 的。它是將提供給整個信道傳輸信息的時間劃分成若干時間片（簡稱時隙），并將運些時隙 分配給每一個信號源(節點）使用。頻分復用可W用于模擬信號和數字信號的多路傳輸，它 是一種按頻率來劃分信道的復用方式。在FDM中，信道的帶寬被分成多個相互不重疊的頻段 (子通道），每路信號占據其中一個子通道，并且各路之間必須留有未被使用的頻帶(防護頻 帶)進行分隔，W防止信號重疊。
[0004] 傳統的節點在數據傳輸過程中常常采用時分復用技術，即節點按照不同時隙向首 領節點傳送采集到的信息。當節點數量較多時，該方法將會耗費大量傳輸時間，同時首領節 點接收信息延時會變長，從而降低全網工作效率，縮短網絡的生命周期。而本發明能夠很好 地解決上面的問題，

【發明內容】

[0005] 本發明目的在于針對上述現有技術的不足，提供了基于多路復用的無線傳感器網 絡孩子節點數據傳輸方法，該方法在孩子節點向首領節點傳輸信息時采用新的復用技術來 代替W往的時分復用，并能夠減少數據傳輸的時延，提高節點工作效率，從而延長網絡生命 周期。該方法在節點傳輸數據的過程中，W往均采用時分復用的方式，即每個節點占用一個 時隙，在某一時隙內只允許一個節點傳輸數據，其他節點在運一時隙內均處于等待狀態。運 樣會造成節點信道利用率不高，在每一時隙始終只有一個節點在工作，從而造成節點數據 傳輸時延加大。
[0006] 本發明解決其技術問題所采取的技術方案是:一種基于多路復用的無線傳感器網 絡孩子節點數據傳輸方法，該方法包括：
[0007] 第一階段:網絡部署階段
[0008] 步驟1:讓節點分布在邊長為L米的正方形區域中，并把兩種不同類型的節點部署 在網絡中，一種為標量節點，用W感知并收集數據量較小的標量信息；另一種矢量節點，用 W收集數據量較大的矢量信息。
[0009] 步驟2:距離正方形區域正上方H米處部署一個基站，其用來匯聚正方形區域中所 有收集到的感知信息。
[0010] 步驟3:由于標量節點只收集一些數據量比較少的信息，而矢量節點收集到的音頻 視頻信息數據量一般很大，故規定每個特定區域中選擇兩個標量節點充當首領節點，（即矢 量節點不可充當簇頭)分別稱為主首領節點和次首領節點。主首領節點負責收集區域中標 量節點上傳的數據，次首領節點負責收集區域中矢量節點上傳的數據。
[0011] 第二階段:網絡區域劃分階段
[0012]步驟4:把正方形網絡分成非均勻大小的MiXM2個子區域，其中，Mi和M2分另鳩網絡 縱向和橫向的子區域個數。各子區域的寬度均相同。將最靠近基站的一行子區域稱為"第一 層子區域"，并W此類推，越遠離基站的子區域的面積越大（即子區域的高度越大），W便于 減羥基站附近節點的數據轉發任務量。各子區域中節點自組成區域。為實現對標量、矢量混 合的無線傳感網感知信息的收集，將在各區域中同時選舉出一個主首領節點和一個次首領 節點，它們分別負責收集該區域中的標量和矢量感知數據，分別完成數據融合后轉發至其 相鄰的上一層子區域中的主首領節點與次首領節點，直至到達基站。
[0013] 步驟5:在網絡初始運行階段，第一層子區域中分別選擇距離基站最近的一個標量 節點作為主首領節點，標記為CH-Mud < j < M2)，用W收集標量節點的感知信息；隨后選擇 距離基站次近的標量節點作為次首領節點，標記為CH-Sik( 1含k含M2)，用W收集矢量節點的 感知信息。若滿足條件的標量節點有多個，則優先選擇與子區域內各鄰居節點距離之和最 小的節點。對于第i層子區域（l<i含Ml),將選擇距離第i-1層中所有主首領節點和次首領 節點最近的節點，分別作為其主首領節點和次首領節點，標記為CH-Mij和CH-Sij，（ 1 < i <化， 1< j<l2)〇
[0014] 步驟6:根據主次首領節點的選取原則及辦風欠鑽奠式，需石謝紫從向的相鄰兩個子區域內任意 兩個節點一跳可達。即節點的通信半徑Rt需大于相鄰兩層內兩個節點所能夠達到的最遠間 距。令該間距為d'，則需滿足：
其中，di代表第i層子區域的高度。
[0015] 步驟7:當各子區域中的主首領節點和次首領節點被選出后，分別向本區域中所有 節點廣播自己成為首領的消息。子區域中的其余標量和矢量節點，分別成為主首領節點和 次首領節點的直接子節點。當所有節點的拓撲關系確定后，即開始數據收集。此時，網內形 成了若干條W主首領節點為中繼點的標量感知信息收集路徑和W次首領節點為轉發點的 矢量感知信息收集路徑。
[0016] 步驟8:在每個子區域內節點數據收集的過程中，每當子節點收集完成數據后，采 用頻分復用的方式，為每一個節點選擇不同的頻率點，讓他們按照不同的頻率把自身數據 在同一時間內傳輸給首領節點。
[0017] 步驟9:令所有節點采樣周期均為T。首輪數據收集過程完成后，各節點的剩余能量 將出現差異。為進一步提升能耗均衡性，將重新選擇主次首領節點。定義節點i的優先級為 P，且令:p = aXEi+0/di。+ 丫 Ac。其中，E功節點i的剩余能量，di。為節點i與其所在子區域 中屯、的距離，Xj為前C輪，節點i當選為首領的次數，a、e、丫分別為常參數，其取值可根據網 絡運行需要自行設定。于是P值最大的節點將當選為下一輪的首領。若下一輪首領與本輪首 領是同一節點，則無需廣播，W節約能量。否則，新當選的首領需在整個子區域中進行廣播， W確定其首領身份。據此，在新一輪首領輪轉中，各子區域中選擇P值最大的標量節點作為 主首領節點，再選擇P值次大的標量節點作為次首領節點。若符合要求的標量節點有多個， 則選擇與所有鄰居節點距離之和最小的節點作為主次首領節點。
[0018] 步驟10:區域內的孩子節點采用頻分復用的方式代替時分復用，將收集到的數據 轉發至首領節點。此時一輪數據收集完畢。
[0019] 本發明中的節點將采用頻分復用的方式傳輸數據，讓所有節點均可W在同一時隙 內采用不同的頻率傳輸數據，從而能夠有效減少傳輸延時，大大提高數據傳輸效率。
[0020] 有益效果：
[0021] 1、本發明針對無線傳感器網絡一個區域中首領節點收集孩子節點過程中數據傳 輸延時的情況，避免了孩子節點之間采用時分復用的方式把收集到的信息傳輸給首領節 點，從而造成首領節點接收信息延時過大的情況。提出了單個區域內孩子節點采用頻分復 用方式傳輸信息給首領節點。本發明可W有效減少節點之間傳輸數據的延時問題，提高了 數據傳輸的效率。
[0022] 2、本發明提出了單個區域內孩子節點采用頻分復用方式傳輸信息給首領節點。可 W有效減少節點之間傳輸數據的延時問題，提高了數據傳輸的效率，延長了網絡生命周期。
[0023] 3、本發明在孩子節點向首領節點傳輸信息時采用新的復用技術來代替W往的時 分復用，能夠減少數據傳輸的時延，提高節點工作效率，從而延長網絡生命周期。
【附圖說明】
[0024] 圖1網絡初始模型圖
[0025] 圖2基于主次簇頭的混合無線傳感網數據收集路徑
[0026] 圖3相鄰層間節點最大距離約束
[0027] 圖4頻分復用系統框圖
[0028] 圖5節點采用時分復用和頻分復用時延效果對比圖
[0029] 圖6本發明的方法流程圖
【具體實施方式】
[0030] 下面結合說明書附圖對本發明創造作進一步的詳細說明。
[0031] 第一階段:網絡部署階段
[0032] 步驟1:如圖1所示，讓節點分布在邊長為L米的正方形區域中，并把兩種不同類型 的節點部署在網絡中，一種標量節點，專口收集溫度、光照等數據量較小的信息；另一種矢 量節點，其專口用來收集音頻，視頻等數據量較大的信息。
[0033] 步驟2:如圖1所示，距離正方形區域正上方H米處部署基站，其用來收集正方形區 域中所有信息。
[0034] 步驟3:如圖2所示，由于標量節點只收集一些數據量比較少的信息，而矢量節點收 集到的音頻視頻信息數據量一般很大，故我們規定每個特定區域中選擇兩個標量節點充當 首領節點，（即矢量節點不可充當簇頭)分別稱為主首領節點和次首領節點。主首領節點負 責收集區域中標量節點上傳的數據，次首領節點負責收集區域中矢量節點上傳的數據。
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