專利名稱：：無(wú)線分簇傳感網(wǎng)的信息分流通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，特別涉及一種無(wú)線分簇傳感網(wǎng)的信息分流通信方法。
背景技術(shù)：
：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，其綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并將該些信息通過(guò)無(wú)線方式予以發(fā)送，同時(shí)還能以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)三元世界的連通，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，尤其在軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多重要領(lǐng)域都有潛在的實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)引起了許多國(guó)家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)(Sinknode)兩大類。大量具有無(wú)線傳輸能力的傳感節(jié)點(diǎn)由電池供電，隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感節(jié)點(diǎn)將興趣事件通過(guò)節(jié)點(diǎn)間多跳方式上傳至Sink,在上傳過(guò)程中傳感數(shù)據(jù)可能與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同或融合處理，從而達(dá)到提高上傳信息熵和降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的目的。Sink在收集目標(biāo)區(qū)域的信息后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星發(fā)送至終端用戶或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。為了更好的實(shí)現(xiàn)信息融合，目前大多情況下采用分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)進(jìn)行信息的傳遞。與平面網(wǎng)絡(luò)相比，分簇網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)融合、節(jié)能、網(wǎng)管、吞吐量等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為設(shè)計(jì)和部署大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種重要方法。典型的分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D所示。相互靠近的節(jié)點(diǎn)被分為小的分組，稱為簇。每個(gè)簇有一個(gè)協(xié)調(diào)者，稱為簇頭。簇可理解為兩層結(jié)構(gòu)，簇頭為上層結(jié)構(gòu)，簇成員為下層結(jié)構(gòu)。圖中給出典型的信息傳輸上報(bào)方式。簇成員將數(shù)據(jù)信息上報(bào)給相應(yīng)簇頭，簇頭通過(guò)其他簇頭將信息匯聚至中心節(jié)點(diǎn)。由于簇頭節(jié)點(diǎn)經(jīng)常進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的傳輸，和其他成員節(jié)點(diǎn)相比而言具有更多的能量消耗。通常情況下，采用重新建簇來(lái)選擇能量充足的節(jié)點(diǎn)來(lái)作為簇頭，從而可將負(fù)載均衡的分散于各個(gè)節(jié)點(diǎn)。除獲得能量有效性外，簇減少了信道搶占和包沖突，使在高負(fù)載情況下的表現(xiàn)更好，能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。在傳輸過(guò)程中不斷迸行數(shù)據(jù)融合，從而減少數(shù)據(jù)流量，被認(rèn)為是傳感網(wǎng)的主要特點(diǎn)之一，是分簇架構(gòu)得以廣泛接受的基礎(chǔ)。但MAC層是否能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以及如何進(jìn)行數(shù)據(jù)融合是目前研究較少的領(lǐng)域，還沒有成熟的研究成果。實(shí)際上，在不同應(yīng)用需求下，信息的可融合性有待考慮。特別地，觀察如圖所示的應(yīng)用模型。以典型的入侵探測(cè)為例進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入WSN布設(shè)區(qū)域時(shí)，隨機(jī)散布的節(jié)點(diǎn)l，2，5，3，7將依次探測(cè)到目標(biāo)。對(duì)于用戶而言，處于檢測(cè)態(tài)時(shí)，需要獲得的基本的信息為目標(biāo)報(bào)警、目標(biāo)類型及目標(biāo)運(yùn)行軌跡等。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)1，2，5，3，7上傳的原始信息為目標(biāo)觸發(fā)、經(jīng)模式識(shí)別后的目標(biāo)類型，本身信息量較小，且由于該信息均針對(duì)同一目標(biāo)，信息高度相關(guān)，可在傳輸過(guò)程中通過(guò)信息融合方式匯集。如節(jié)點(diǎn)l，2的原始信息匯集后為目標(biāo)觸發(fā)，目標(biāo)類型(經(jīng)融合后提高了識(shí)別概率)，目標(biāo)軌跡(通過(guò)節(jié)點(diǎn)l，2)，更多節(jié)點(diǎn)的匯集結(jié)果與此類似，目標(biāo)觸發(fā)，目標(biāo)類型(識(shí)別概率進(jìn)一步提高)，目標(biāo)軌跡(1，2，5，3，7…)，最終傳輸?shù)接脩舳说男畔⒑驮夹畔⒃趥鬏敂?shù)據(jù)量上相去不遠(yuǎn)。而用戶在收到該融合后的報(bào)警信息時(shí)，若對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)處的直接信息感興趣，如需觀察圖像探測(cè)器拍得的目標(biāo)圖片信息時(shí)，信息的傳輸模式和上述情況存在著完全的不同，該信息量較大，且在傳輸過(guò)程中無(wú)法與其他信息進(jìn)行融合處理。在上述典型應(yīng)用中存在兩種情況數(shù)據(jù)聚合和數(shù)據(jù)非聚合情況。即匯聚到簇頭節(jié)點(diǎn)的聚合因子a是不一樣的。a較大時(shí)數(shù)據(jù)間的相關(guān)程度高，聚合后的數(shù)據(jù)量就越小，適合采用分簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。但對(duì)于a較小的非信息融合模型，分簇網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的信息傳輸?shù)母咝灾档每紤]。此時(shí)匯聚到簇頭處的信息量較大，而基于所有節(jié)點(diǎn)相同的考慮，采用簇頭作為信息上傳的主要途徑將造成較大的時(shí)延，且加大簇頭的開銷。而在分簇拓?fù)湎?，所有上層協(xié)議均以簇為單位建立，為非融合模型來(lái)設(shè)立專門的傳輸途徑又開銷太大。同時(shí)，非聚合型數(shù)據(jù)和聚合型數(shù)據(jù)的傳輸要求還是不一致的。無(wú)線傳感網(wǎng)中基本的MAC協(xié)議采用工作休眠機(jī)制來(lái)進(jìn)行能量的節(jié)省，通過(guò)在休眠過(guò)程中將待傳輸信息累積的方式來(lái)減少工作和偵聽等待的時(shí)間，這對(duì)聚合型數(shù)據(jù)是恰當(dāng)?shù)模酆闲蛿?shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，通過(guò)休眠態(tài)的等待，可以獲得更多的可聚合信息，從而減小下一節(jié)點(diǎn)處需要傳輸?shù)男畔⒘?，但該協(xié)議對(duì)于非聚合型數(shù)據(jù)是不恰當(dāng)?shù)?，非聚合型?shù)據(jù)信息量較大，采用工作休眠機(jī)制時(shí)，該工作機(jī)制帶來(lái)的時(shí)延將成為一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，傳輸過(guò)程中的等待延遲將被累加，且不會(huì)帶來(lái)任何傳輸增益，所以希望其睡眠延遲開銷越小越好。綜上所述，對(duì)于存在著聚合型和非聚合性兩種不同類型的數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況，典型的無(wú)線傳感網(wǎng)分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵㈦y以滿足信息傳遞要求，需要在此基礎(chǔ)上建立新的有效傳輸方式。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無(wú)線分簇傳感網(wǎng)的信息分流通信方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種無(wú)線分簇傳感網(wǎng)的信息分流通信方法，包括以下步驟(1)系統(tǒng)完成簇的建立，簇頭處收集了簇成員節(jié)點(diǎn)的ID信息和地理位置信息；(2)系統(tǒng)通過(guò)簇頭完成路由的建立，信息從某個(gè)簇被發(fā)起時(shí)，經(jīng)由簇頭為信息傳遞媒介時(shí)，其到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)的路徑已確知；(3)當(dāng)發(fā)起簇發(fā)起一個(gè)信息上報(bào)時(shí)，根據(jù)信息的聚合因子選擇不同的上報(bào)方式；(4)簇頭處的信息傳遞基于工作休眠機(jī)制進(jìn)行；(5)通信物理層具有多個(gè)可選頻點(diǎn)，可選擇某一頻點(diǎn)進(jìn)行通信；當(dāng)存在多個(gè)信息同時(shí)上報(bào)，或待傳送信息量較大的情況時(shí)，多個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)工作在不同頻點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行信息傳輸。本發(fā)明的有益效果是在無(wú)線傳感網(wǎng)分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎?，為同時(shí)存在聚合性和非聚合性兩種不同類型數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)境提供有效的信息傳輸方式。圖1為不同通信模式構(gòu)造的信息傳輸通道框圖，圖2為信息分流流程示意圖，圖3為通信模式一示意圖，圖4為通信模式二示意圖，圖5為休眠喚醒協(xié)議下固定幀長(zhǎng)與傳輸延時(shí)示意圖，圖6為不同情況下簇頭與簇成員能耗對(duì)比示意圖，圖7為不同傳輸方式下聚合因子對(duì)簇頭/整簇能耗的影響示意圖，圖8為不同種類簇頭在不同情況下的能耗開銷示意圖，圖9為小信息量下不同傳輸模式的時(shí)間耗費(fèi)隨信息量的變化示意圖，圖10為大信息量下不同傳輸模式的時(shí)間耗費(fèi)隨信息量的變化示意圖，圖11為不同傳輸方式耗費(fèi)時(shí)間示意圖，圖12為不同參數(shù)對(duì)切換點(diǎn)判決值的影響示意圖。圖13為收發(fā)能耗對(duì)判決值的影響圖，具體實(shí)施例方式本發(fā)明的主要思想為將多頻點(diǎn)通信與分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嘟Y(jié)合，以簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)參與通信的方式，建立了兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，融合型數(shù)據(jù)通道和非融合型數(shù)據(jù)通道。融合型數(shù)據(jù)通道采用簇頭-簇頭的傳輸方式，可同時(shí)進(jìn)行控制信息的傳輸。非融合型數(shù)據(jù)通道采用簇成員-簇成員的傳輸方式。二者之間的傳輸互不干擾。即在進(jìn)行融合型數(shù)據(jù)和控制信息傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還可進(jìn)行非融合型數(shù)據(jù)的傳輸，兩種通信方式的選擇由信息聚合因子決定。如圖所示。關(guān)于上述通信方式的幾點(diǎn)說(shuō)明1、依據(jù)信息(數(shù)據(jù))流量自適應(yīng)選擇通信方式。傳感網(wǎng)由于用戶的特殊需求及傳輸信息的多樣化，信息的融合程度不同，信息傳輸流量存在較大的差異。采用該方式可兼容不同的信息(數(shù)據(jù))流量要求。2、自適應(yīng)選擇實(shí)際參加信息傳輸?shù)拇爻蓡T數(shù)。由簇頭根據(jù)信息量的大小和系統(tǒng)的時(shí)延要求來(lái)自適應(yīng)選擇，最大即為全部簇成員。3、可降低節(jié)點(diǎn)休眠對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的影響。由于簇頭控制的信息量較小，傳遞較快，且預(yù)知信息量大小和本跳跳數(shù)，可設(shè)置簇成員節(jié)點(diǎn)工作于相應(yīng)的時(shí)段，保證傳輸?shù)捻槙承?，從而使休眠周期?duì)傳輸基本不造成影響。4、另辟蹊徑達(dá)到簇內(nèi)能耗均衡。在a〈;ff模式下，簇頭節(jié)點(diǎn)是主要的能量消耗點(diǎn)，而a〉P模式下，簇成員替代簇頭節(jié)點(diǎn)成為主要的能量消耗點(diǎn)，二者間的切換有利于保持整體能量耗費(fèi)的均衡，減少了簇頭輪換的協(xié)議開銷。一、具體實(shí)施步驟1)系統(tǒng)完成簇的建立，簇頭處收集了簇成員節(jié)點(diǎn)的ID信息和地理位置信息(若可能的話)；2)系統(tǒng)通過(guò)簇頭完成路由的建立，即信息從某個(gè)簇被發(fā)起時(shí)，經(jīng)由簇頭為信息傳遞媒介時(shí)，其到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)的路徑已確知；3)當(dāng)發(fā)起簇發(fā)起一個(gè)信息上報(bào)時(shí)，根據(jù)信息的聚合因子選擇不同的上報(bào)方式。當(dāng)聚合因子較大時(shí)，選擇將數(shù)據(jù)上報(bào)給簇頭，通過(guò)簇頭來(lái)進(jìn)行信息傳遞。當(dāng)聚合因子較小時(shí)，選擇通過(guò)簇頭調(diào)度，直接將數(shù)據(jù)傳遞給下一簇的簇成員方式來(lái)進(jìn)行信息傳遞；4)簇頭處的信息傳遞基于工作休眠機(jī)制進(jìn)行，數(shù)據(jù)傳遞存在著休眠時(shí)間，以便進(jìn)行信息的匯集；簇成員處的信息傳遞，不同簇的簇成員在簇頭預(yù)約聯(lián)系的時(shí)間里處于工作態(tài)，該預(yù)約時(shí)間沿傳輸路徑順次觸發(fā)，從而可以保證信息傳輸不被中斷；5)通信物理層具有多個(gè)可選頻點(diǎn)，可選擇某一頻點(diǎn)進(jìn)行通信；6)當(dāng)存在多個(gè)信息同時(shí)上報(bào)，或待傳送信息量較大的情^時(shí)，多個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)工作在不同頻點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行信息傳輸。二、物理層對(duì)通信模式的支持本系統(tǒng)物理層支持在多個(gè)頻點(diǎn)上的信息傳輸，即系統(tǒng)通信頻點(diǎn)在一定范圍內(nèi)可變，但同一時(shí)間僅能選擇某個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行信息傳遞。約定系統(tǒng)可工作在如下兩種通信模式下，以供在不同聚合因子下切換調(diào)用。通信模式一適合信息融合模式(a〈"，其中"為一常量)在該模式下，對(duì)于信息發(fā)起簇而言，簇成員上報(bào)的信息經(jīng)簇頭處的信息融合后，信息量與單個(gè)簇成員上報(bào)的信息量相當(dāng)。此時(shí)釆用簇頭-簇頭的通信方式進(jìn)行信息的傳遞上報(bào)。如圖所示。簇節(jié)點(diǎn)在探測(cè)到疑似目標(biāo)后，將信息匯總到簇頭處，通過(guò)簇頭間的相互通信，以多跳形式將信息傳送給用戶端。在信息傳遞過(guò)程中，信息量呈現(xiàn)融合態(tài)勢(shì)，即信息量隨著傳遞的過(guò)程逐次減少，其收斂的速度由信息相關(guān)度決定。在該模式下，待傳送信息量呈樹狀收斂狀，和信息傳輸途徑匹配。表格h通信模式一頻點(diǎn)選用示意表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>通信模式二適合非信息融合模式(a〉"，其中"為一常量)信息匯聚指信息發(fā)起源多個(gè)而信息目的有限的情況，且在該模式下，對(duì)于信息發(fā)起簇而言，簇成員上報(bào)的信息經(jīng)簇頭處的信息融合后，信息量遠(yuǎn)大于單個(gè)簇成員上報(bào)的信息量。此時(shí)采用簇-簇通信的方式。如圖所示。所謂簇-簇通信方式即在簇頭控制下，發(fā)送簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)同時(shí)向接收簇內(nèi)相應(yīng)成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，簇成員節(jié)點(diǎn)和簇成員節(jié)點(diǎn)間分別采用不同頻點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行通信，接收簇在簇頭控制下解算原始信息或直接進(jìn)行下一跳的傳輸。表格2:通信模式二頻點(diǎn)選用示意表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>通信模式一和通信模式二根據(jù)信息流量的不同進(jìn)行預(yù)約切換。在信息流量較小或信息呈融合態(tài)時(shí)，采用通信模式一，反之采用通信模式二。融合型數(shù)據(jù)上報(bào)到簇頭處后，通過(guò)簇頭的信息融合，減小了信息傳輸量，從某種意義上獲得了傳輸增益。而非融合型數(shù)據(jù)上報(bào)給簇頭，只會(huì)增加中轉(zhuǎn)次數(shù)和簇頭的負(fù)擔(dān)，故在不考慮控制協(xié)議開銷的情況下，釆用簇頭直接聯(lián)系下一跳簇的路由，由節(jié)點(diǎn)本身來(lái)進(jìn)行信息傳輸更合適。簇頭在收到簇成員的上報(bào)類型后，根據(jù)該信息的可融合程度，判斷采用的通信方式。若為方式一，則接收節(jié)點(diǎn)上報(bào)的可融合信息，進(jìn)行信息融合后傳遞給下一簇頭；若為方式二，則簇頭通知下一跳的簇頭信息量的大小、通信頻點(diǎn)及自身跳數(shù)，下一跳簇頭將該信息傳遞給路由上的下一節(jié)點(diǎn)后，可預(yù)估信息到達(dá)本簇的時(shí)間，安排自身相應(yīng)的簇成員在適合的時(shí)間里處于工作態(tài)，等待上一節(jié)點(diǎn)的信息傳輸，并在接收完畢后將數(shù)據(jù)繼續(xù)下傳。三、路由預(yù)約方式路由的預(yù)約包括兩部分。其一為頻點(diǎn)的預(yù)約，其二為工作時(shí)間的預(yù)約。1)頻點(diǎn)預(yù)約頻點(diǎn)預(yù)約即為相應(yīng)的簇成員分配工作頻點(diǎn)，為節(jié)點(diǎn)分配不同的工作頻點(diǎn)，可使建立的多個(gè)簇間通道互不干擾，達(dá)到同時(shí)通信的效果，從而可加快信息傳輸速率。簇頭在進(jìn)行路由預(yù)約時(shí)，互相通報(bào)建立通信的節(jié)點(diǎn)ID號(hào)，需要建立通信的簇成員節(jié)點(diǎn)間可互相推算彼此的通信頻點(diǎn)，在相應(yīng)的工作頻點(diǎn)上工作，建立通信o某個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前所在頻率是與節(jié)點(diǎn)所在ID和當(dāng)前簇(簇頭)時(shí)間單位相關(guān)的函數(shù)。/=/>(((/，/))其中，P為跳頻圖譜；G"，W為跳頻圖譜的當(dāng)前時(shí)間，和I及m有關(guān)；/為節(jié)點(diǎn)ID或約定的固定數(shù)值，對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)不一樣。m為時(shí)間單位，則w-L〃7j，t為從約定時(shí)間開始的時(shí)間，T為工作休眠周期，其中，L」表示對(duì)結(jié)果進(jìn)行向下取整；采用該方式進(jìn)行頻點(diǎn)預(yù)約時(shí)，有可能出現(xiàn)頻點(diǎn)的沖撞，對(duì)于沖撞頻點(diǎn)上的信息，根據(jù)約定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行時(shí)分傳送。在完全理想的情況下，設(shè)在一個(gè)頻點(diǎn)切換周期內(nèi)，可傳送的總信息量為4^，沖撞的頻點(diǎn)數(shù)為^f，則每個(gè)路徑上傳送的信息量為-即在發(fā)生沖撞時(shí)，相應(yīng)頻點(diǎn)上的信息傳輸速率會(huì)降低，但不會(huì)完全為零。2)工作時(shí)間預(yù)約工作時(shí)間的預(yù)約是針對(duì)簇頭處的工作休眠協(xié)議而言的，在無(wú)工作任務(wù)時(shí)，簇成員節(jié)點(diǎn)在大多數(shù)情況下均處于休眠狀態(tài)，此時(shí)，為了建立節(jié)點(diǎn)間的通信，必須使相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的工作時(shí)間內(nèi)處于工作態(tài)。簇頭的工作按照工作休眠時(shí)間表執(zhí)行，在約定的工作時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)入工作態(tài)，在休眠時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)入休眠態(tài)。該約定時(shí)間不能保證信息的無(wú)間斷傳輸。但對(duì)于簇成員節(jié)點(diǎn)而言，在未被要求作為信息傳輸節(jié)點(diǎn)時(shí)，在簇間通信時(shí)間段內(nèi)，簇成員節(jié)點(diǎn)均處于休眠態(tài)，簇頭節(jié)點(diǎn)可隨意安排簇成員節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。而同時(shí)，對(duì)于被喚醒的簇成員節(jié)點(diǎn)而言，當(dāng)其被喚醒時(shí)，其信息傳遞路由即已經(jīng)建立，可以根據(jù)該確知路由及每次信息傳遞所需時(shí)間來(lái)預(yù)先設(shè)定簇成員節(jié)點(diǎn)的喚醒工作時(shí)間，避免信息傳遞過(guò)程中中轉(zhuǎn)簇成員節(jié)點(diǎn)處于休眠態(tài)造成信息延遲。設(shè)約定的傳輸起始時(shí)間為~。w，總的待傳輸信息量為Z，一次待傳輸信息量為^自，簇間傳輸速率為V'，本簇為第h跳中轉(zhuǎn)跳數(shù)。則本簇的工作起始時(shí)間為-Lfe=G。rt+2(Z/聽/-1)-+2(￡,歐/v')(A-1)+2L"Z,魔J(Z,匿/V)+厶,則簇成員在該時(shí)間段內(nèi)應(yīng)處于工作狀態(tài)，其中&是增加的提前或延后的預(yù)留量。而在其他時(shí)間，則可轉(zhuǎn)入休眠態(tài)，以節(jié)省能量。但一般情況下，路由預(yù)約只設(shè)定起始時(shí)間，并給出休眠時(shí)間參考，并不強(qiáng)制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠態(tài)。因?yàn)橛捎趥鬏斶^(guò)程中可能出現(xiàn)的傳輸錯(cuò)誤等問(wèn)題，信息的起始到達(dá)時(shí)間可能出現(xiàn)延遲。所以當(dāng)節(jié)點(diǎn)在預(yù)約時(shí)間點(diǎn)上未收到信息時(shí)，應(yīng)繼續(xù)處于不活躍的等待狀態(tài)。3)傳輸滿負(fù)荷的討論在傳輸過(guò)程中，可能出現(xiàn)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)預(yù)約滿負(fù)荷的情況。描述如下簇/內(nèi)的簇成員數(shù)為^，其中有信息上報(bào)的成員集合為7"，成員集合數(shù)為U。簇J內(nèi)的簇成員數(shù)為^。當(dāng)簇I向簇J發(fā)送信息時(shí)，若">^,則出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)預(yù)約滿負(fù)荷情況。解決方案為超編節(jié)點(diǎn)預(yù)約時(shí)間片，在該時(shí)間片內(nèi)，分配~——~。"最小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行超編信道信號(hào)的接收。而在轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)時(shí)，若下一跳簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)非滿負(fù)荷，則可將該信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。但應(yīng)同時(shí)將該傳輸延時(shí)信息記錄并發(fā)送給后續(xù)路由上的簇，以便調(diào)整簇成員工作時(shí)間。四、通信模式切換點(diǎn)的選擇通信模式的切換點(diǎn)的選擇可從能耗、時(shí)延兩個(gè)角度來(lái)分析。在系統(tǒng)應(yīng)用中，系統(tǒng)的能耗和時(shí)延與具體采用的協(xié)議具有相當(dāng)大的關(guān)系，需要與具體協(xié)議進(jìn)行結(jié)合分析。本文在此僅給出最基本的能耗時(shí)延相關(guān)的切換底線，即到達(dá)該底線時(shí)，采用任意協(xié)議，采用通信模式二均能使性能更加優(yōu)化,有必要進(jìn)行切換。1)從能量耗費(fèi)角度選取切換點(diǎn)從能量耗費(fèi)角度考慮，只要簇頭進(jìn)行路由的開銷小于簇成員向簇頭進(jìn)行信息上報(bào)的開銷，則可選擇通信模式二，反之可選擇通信模式一。設(shè)控制信息在簇間的傳遞能耗為&^，在簇內(nèi)的傳遞能耗為^W，中轉(zhuǎn)跳數(shù)為H。則平均用于路由聯(lián)系的能量耗費(fèi)的總數(shù)為設(shè)上傳數(shù)據(jù)信息在簇內(nèi)的傳遞能耗為^w,該數(shù)據(jù)為一時(shí)間段內(nèi)該簇到達(dá)同一目的地的非融合型數(shù)據(jù)總和。貝IJ當(dāng)^，P^,時(shí)，采用通信模式二，反之采用通信模式一。下面建立該能耗和具體物理層的關(guān)系。其中簇/內(nèi)的簇成員數(shù)為仏，其中有信息上報(bào)的成員集合為^，成員集合數(shù)為u。設(shè)控制信令長(zhǎng)為工。，節(jié)點(diǎn)i上報(bào)的信息長(zhǎng)度為A。設(shè)簇I內(nèi)第i個(gè)簇成員至簇頭的通信距離為^，'；設(shè)簇I內(nèi)的簇頭至下一目的簇的簇頭通信距離為D";設(shè)以速率v進(jìn)行信息傳輸時(shí)，除功放外所需的發(fā)射功耗為7^，所需的接收功耗為^-「；設(shè)簇內(nèi)通信速率為v，簇間通信速率為v'。則<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>設(shè)在簇內(nèi)通信時(shí)，簇頭發(fā)布信息時(shí)，參與通信且接收簇頭發(fā)布信息的節(jié)點(diǎn)數(shù)為^0，貝ij對(duì)系統(tǒng)判決而言，只要￡(^")>^^^)，即可轉(zhuǎn)入通信模式二，假定節(jié)點(diǎn)上報(bào)信息長(zhǎng)度平均值為^，簇內(nèi)和簇間通信速率一致，平均簇內(nèi)通信距離為"s，平均簇間通信距離為A，平均參與通信的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)為^，則<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>此時(shí)采用通信模式二更節(jié)省能量。2)從時(shí)延角度選取切換點(diǎn)時(shí)延和具體的協(xié)議密切相關(guān)，在此給出不考慮協(xié)議的一般性分析。設(shè)用戶要求的信息到達(dá)最大時(shí)延為r，信息量為L(zhǎng)，在不存在休眠時(shí)間的狀態(tài)下，設(shè)在第n次跳轉(zhuǎn)時(shí)，用于載波偵聽的延時(shí)為、"，其平均值由競(jìng)爭(zhēng)窗大小決定，表示為^用于傳輸?shù)难訒r(shí)為f",則整個(gè)延時(shí)為則在無(wú)睡眠狀態(tài)下的系統(tǒng)延遲為而傳輸延時(shí)可表示為~=￡/17'其中，v'表示簇間的傳輸速率。則當(dāng)E[D(AO]〃時(shí)，須考慮進(jìn)行通信模式的切換。此時(shí)可調(diào)用多個(gè)節(jié)點(diǎn)參與通信，通信節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為JV,=Lr/￡,)]」其中，L」表示向上取整。上述時(shí)延切換應(yīng)用于傳輸速率不能滿足系統(tǒng)時(shí)延要求的情況下，可加速大流量的信息上傳。一般說(shuō)來(lái)，在傳感網(wǎng)中，信息的占空比是很低的，甚至為此加入了長(zhǎng)時(shí)間的休眠，來(lái)降低系統(tǒng)整體能耗。在上述假定下，有兩種情況可能發(fā)生從時(shí)延角度出發(fā)的切換-情況一協(xié)議限制了工作時(shí)間長(zhǎng)度。即工作幀長(zhǎng)是固定的，不可變。此時(shí)通過(guò)采用多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸?shù)姆绞?，可以保證工作時(shí)間內(nèi)的信息傳輸量，減小針對(duì)不同信息量工作時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)定的困擾，在某種意義上有助于節(jié)省能耗。情況二當(dāng)信息為非融合型模式時(shí)，無(wú)須等待其他節(jié)點(diǎn)上報(bào)信息，此時(shí)希望傳輸時(shí)延越小越好。而一般情況下，非融合型模式的信息傳輸量較大，而對(duì)于用戶而言，對(duì)大小信息量要求的傳輸時(shí)延容忍度是基本相當(dāng)?shù)?，此時(shí)通過(guò)簇頭的路徑預(yù)約，可使節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸不受休眠時(shí)間的影響，從而極大的加快傳輸速率。具體預(yù)約方式將在下一節(jié)中進(jìn)行說(shuō)明。上述分析僅給出一個(gè)切換底線，是從總能量和總時(shí)延角度考慮的，而在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到能量的均衡等方面，上述結(jié)果需要做一定的修正。5、性能分析1)能耗分析關(guān)于能耗分析的參數(shù)主要包括表格3:仿真參數(shù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>首先觀察發(fā)起簇的情況，分析一個(gè)有5個(gè)融合型數(shù)據(jù)和1個(gè)非融合型數(shù)據(jù)上傳時(shí)的發(fā)起簇情況。圖6a)給出簇頭發(fā)融合后數(shù)據(jù)時(shí)各部分的能耗開銷。非融合型數(shù)據(jù)上報(bào)成員由于其傳送信息量大，且為簇間通信，具有最大的能耗開銷，簇頭也占有較大的協(xié)議開銷。在圖6b)中，簇頭認(rèn)為融合后的數(shù)據(jù)不在具有進(jìn)一步融合價(jià)值，而將其轉(zhuǎn)發(fā)給簇成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳送，簇頭的協(xié)議開銷減小，同時(shí)增加轉(zhuǎn)發(fā)簇成員的能耗。當(dāng)然，這種轉(zhuǎn)發(fā)增大了系統(tǒng)整體能耗，但減小了簇頭的開銷。如圖6d)所示。圖中藍(lán)色表示簇頭轉(zhuǎn)發(fā)融合后數(shù)據(jù)時(shí)各部分的能耗情況，綠色表示簇頭將融合后數(shù)據(jù)交給簇成員進(jìn)行傳送時(shí)各部分的能耗情況，紅色表示兩種情況下的總體能耗。而在這種情況下，聚合因子對(duì)簇頭能量耗費(fèi)的影響降低，而對(duì)整體的能量耗費(fèi)影響增加，如圖7所示。而對(duì)于融合中轉(zhuǎn)簇而言，由于其簇成員節(jié)點(diǎn)增加了信息接收部分的能耗，其簇成員的能耗開銷在整體上占的比重更大。如圖6c)所示。而對(duì)于不同種類的簇頭，其能量開銷基本相當(dāng)，如圖8所示。圖中分別給出同時(shí)有融合類信息和非融合類信息上報(bào)時(shí)，僅有非融合類信息上報(bào)時(shí)和僅有融合類信息上報(bào)時(shí)的情況?？梢姡诟鞣N不同的情況下，其能耗基本相當(dāng)。綜上所述，當(dāng)無(wú)非融合型數(shù)據(jù)上傳時(shí)，簇頭的能耗占整簇能量耗費(fèi)的比重較大，而有非融合型數(shù)據(jù)上傳時(shí)，簇成員的能耗增加，二者的切換有利于維持系統(tǒng)能耗均衡。同時(shí)，對(duì)于簇頭節(jié)點(diǎn)而言，在執(zhí)行不同功能時(shí)，其能耗開銷基本相同。2)傳輸時(shí)延分析假設(shè)系統(tǒng)采用休眠喚醒機(jī)制，且工作時(shí)間固定，頻點(diǎn)切換為一次休眠喚醒周期關(guān)于時(shí)延分析設(shè)定的主要仿真參數(shù)如下:<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>圖9所示為小信息量下不同傳輸模式的時(shí)間耗費(fèi)隨信息量的變化，從圖中可以看出，由于中轉(zhuǎn)跳數(shù)的存在，系統(tǒng)的最小時(shí)延耗費(fèi)是基本一致的。且由于無(wú)需進(jìn)行預(yù)約，通信模式一在傳輸信息量小于一個(gè)工作時(shí)間可傳輸信息量時(shí)，時(shí)間耗費(fèi)最小，但當(dāng)大于一個(gè)工作時(shí)間可傳輸信息量時(shí)，通信模式一的傳輸時(shí)間迅速提升。而通信模式二由于進(jìn)行預(yù)約后不再受休眠時(shí)間影響，故其傳輸時(shí)間隨信息量的增大呈漸變上升趨勢(shì)。在采用多節(jié)點(diǎn)參與通信時(shí)，其增長(zhǎng)趨勢(shì)趨在大信息量情況下可以看出參與節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)信息傳輸?shù)挠绊?，如傳送信息量為le5個(gè)bit時(shí)，采用通信模式二的多節(jié)點(diǎn)傳輸所需時(shí)間耗費(fèi)約為100s，采用通信模式二的單節(jié)點(diǎn)傳輸所需時(shí)間耗費(fèi)約為500s，而采用通信模式一時(shí)所需時(shí)間耗費(fèi)約為4000s。如圖10所示。對(duì)于通信模式而的多節(jié)點(diǎn)傳輸，該圖對(duì)應(yīng)的在不同時(shí)間段內(nèi)發(fā)生沖撞的頻點(diǎn)數(shù)分別為2、2、3、2、3、3、1、2。從圖中可見，由于頻點(diǎn)沖撞的影響，使傳輸速率有所波動(dòng)，且有所降低，但總體趨勢(shì)上，仍較單節(jié)點(diǎn)的傳輸速率快。而圖11比較了采用通信模式二(多節(jié)點(diǎn))進(jìn)行信息傳輸時(shí)，參與的簇成員個(gè)數(shù)與傳遞時(shí)延的關(guān)系。從圖中可以看出，采用多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳遞時(shí)，不管傳遞的信息量大小，隨著參與節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，傳輸時(shí)間呈下降趨勢(shì)，但節(jié)點(diǎn)數(shù)增多到一定程度后，該趨勢(shì)趨緩，所以參與通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)并不是越多越好。且由于頻點(diǎn)選擇的隨機(jī)性，該過(guò)程中可能會(huì)有所起伏。同時(shí)我們可以看出，待傳送信息量越大，時(shí)間節(jié)省的效果越明顯。3)通信模式選擇切換點(diǎn)的受影響情況仿真參數(shù)如下<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>取上述典型值時(shí)，可得根據(jù)能耗計(jì)算的轉(zhuǎn)換點(diǎn)為，>10,即當(dāng)非融合上報(bào)信息長(zhǎng)度為路由預(yù)約信息長(zhǎng)度的io倍時(shí)，應(yīng)采用通信鏡式二。各種不同參數(shù)對(duì)切換點(diǎn)的影響如圖12所示。從圖中可見，簇間通信距離與簇內(nèi)通信距離的比對(duì)切換點(diǎn)具有暴大的影響，使切換點(diǎn)呈指數(shù)趨勢(shì)變化，即簇內(nèi)通信距離越短，采用通信模式二的概率越小。但在最常見的情況下，簇間通信距離一般為簇內(nèi)通信距離的二倍。另一個(gè)影響較大的因子是中轉(zhuǎn)跳數(shù)，中轉(zhuǎn)跳數(shù)越多，耗費(fèi)在預(yù)約上的時(shí)間越長(zhǎng)，采用通信模式二的概率越小。簇內(nèi)通信參與的節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，在預(yù)約時(shí)可能的無(wú)效能耗越多，采用通信模式二的概率越小。而非融合信息上傳節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，則耗費(fèi)于簇內(nèi)通信的能量越多，采用通信模式二的概率越大。發(fā)射能耗和接收能耗對(duì)切換點(diǎn)的選擇影響較小，如圖13所示?？偟恼f(shuō)來(lái)，發(fā)射能耗越大，采用采用通信模式二的概率越大，接收能耗越大，采用通信模式二的概率越小。權(quán)利要求1.一種無(wú)線分簇傳感網(wǎng)的信息分流通信方法，其特征在于，包括以下步驟(1)系統(tǒng)完成簇的建立，簇頭處收集了簇成員節(jié)點(diǎn)的ID信息和地理位置信息；(2)系統(tǒng)通過(guò)簇頭完成路由的建立，信息從某個(gè)簇被發(fā)起時(shí)，經(jīng)由簇頭為信息傳遞媒介時(shí)，其到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)的路徑已確知；(3)當(dāng)發(fā)起簇發(fā)起一個(gè)信息上報(bào)時(shí)，根據(jù)信息的聚合因子選擇不同的上報(bào)方式；(4)簇頭處的信息傳遞基于工作休眠機(jī)制進(jìn)行；(5)通信物理層具有多個(gè)可選頻點(diǎn)，可選擇某一頻點(diǎn)進(jìn)行通信；當(dāng)存在多個(gè)信息同時(shí)上報(bào)，或待傳送信息量較大的情況時(shí)，多個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)工作在不同頻點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行信息傳輸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線分簇傳感網(wǎng)的信息分流通信方法，其特征在于，所述步驟(3)具體為當(dāng)聚合因子較大時(shí)，選擇將數(shù)據(jù)上報(bào)給簇頭，通過(guò)簇頭來(lái)進(jìn)行信息傳遞；當(dāng)聚合因子較小時(shí)，選擇通過(guò)簇頭調(diào)度，直接將數(shù)據(jù)傳遞給下一簇的簇成員方式來(lái)進(jìn)行信息傳遞。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線分簇傳感網(wǎng)的信息分流通信方法，其特征在于，所述步驟(4)具體為數(shù)據(jù)傳遞存在著休眠時(shí)間，以便進(jìn)行信息的匯集；簇成員處的信息傳遞，不同簇的簇成員在簇頭預(yù)約聯(lián)系的時(shí)間里處于工作態(tài)，該預(yù)約時(shí)間沿傳輸路徑順次觸發(fā)，從而可以保證信息傳輸不被中斷。全文摘要本發(fā)明公開了一種無(wú)線分簇傳感網(wǎng)的信息分流通信方法，為同時(shí)存在聚合性和非聚合性兩種不同類型數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)境提供有效的信息傳輸方式；本發(fā)明將多頻點(diǎn)通信與分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嘟Y(jié)合，以簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)參與通信的方式，建立了兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，融合型數(shù)據(jù)通道和非融合型數(shù)據(jù)通道，融合型數(shù)據(jù)通道采用簇頭-簇頭的傳輸方式，可同時(shí)進(jìn)行控制信息的傳輸，非融合型數(shù)據(jù)通道采用簇成員-簇成員的傳輸方式。二者之間的傳輸互不干擾，即在進(jìn)行融合型數(shù)據(jù)和控制信息傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還可進(jìn)行非融合型數(shù)據(jù)的傳輸，兩種通信方式的選擇由信息聚合因子決定。文檔編號(hào)H04L12/28GK101282291SQ20081006007公開日2008年10月8日申請(qǐng)日期2008年3月5日優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日發(fā)明者付耀先申請(qǐng)人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心