本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于即時路由的無線自組網(wǎng)方法及裝置。

背景技術(shù)：

無線傳感器自組網(wǎng)過程中，所有節(jié)點(diǎn)都有同等地位，都承擔(dān)著主機(jī)和路由器的功能，每個節(jié)點(diǎn)都具備報文的收發(fā)能力。受通信距離的限制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時，可通過中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)通信。傳統(tǒng)的路由協(xié)議，如Zigbee、RPL、GWBZ和靜態(tài)路由等，在數(shù)據(jù)受到干擾時，都要重新尋找路由，然后由源地址對數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā)，這些技術(shù)可以使用在對功耗沒有特殊要求的場合下。為了降低能耗，避免數(shù)據(jù)從源端重發(fā)，同時結(jié)合靜態(tài)路由的優(yōu)點(diǎn)，將路由信息封裝進(jìn)IP地址編碼內(nèi)部，從而節(jié)省額外的路由表存儲，這種路由技術(shù)被稱為即時路由技術(shù)。

傳統(tǒng)的自組網(wǎng)方法都要額外地存儲路由表，當(dāng)目標(biāo)地址不可達(dá)時，要根據(jù)存儲的路由表重新計(jì)算路徑，然后由源地址主機(jī)重新發(fā)送數(shù)據(jù)。雖然其能實(shí)現(xiàn)動態(tài)更新路徑，從而保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，但是其存在明顯的不足，數(shù)據(jù)重發(fā)的次數(shù)過多會極大地消耗能量，特別地，在電池供電的低功耗場合下，該方法不適用。其中，通過自學(xué)習(xí)來獲得網(wǎng)絡(luò)的方法，其學(xué)習(xí)時間受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響，規(guī)模稍大一些其處理過程比較長，無法快速組網(wǎng)，不便調(diào)試，無法滿足實(shí)際的工程需求。

在傳統(tǒng)的組網(wǎng)方法中從未對原始數(shù)據(jù)如何取獲和地址如何分配進(jìn)行詳細(xì)地說明，理論公式繁多，眾多模型僅是通過計(jì)算機(jī)模擬就得出結(jié)論，僅在理論的理想情況下可行，難以應(yīng)用到實(shí)際中去，對工程指導(dǎo)意義并不大。

更有一些路由技術(shù)，僅給出了路由的思想，對組網(wǎng)部分并沒有涉及，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過人工組網(wǎng)的方式獲取的，雖然其有較好的通信效果和較高的抗干擾能力，但其網(wǎng)絡(luò)組建由人工組網(wǎng)的方式完成，導(dǎo)致無法推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種至少部分解決上述技術(shù)問題的基于即時路由的無線自組網(wǎng)方法及裝置。

第一方面，本發(fā)明提供一種基于即時路由的無線自組網(wǎng)方法，包括如下步驟：

S10:構(gòu)建樹型網(wǎng)絡(luò)：將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中上層節(jié)點(diǎn)的所有鄰居作為下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以其上一層節(jié)點(diǎn)中場強(qiáng)最大的節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個以最大場強(qiáng)值進(jìn)行連接的樹型網(wǎng)絡(luò)，同時收集到整個網(wǎng)絡(luò)的鄰居列表；

S20:網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：對所述樹型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)冗余優(yōu)化，使一個節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間存在多條通信路徑。

優(yōu)選的，步驟S10中所述樹型網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程如下：

S100:主節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)喚醒幀喚醒網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)；

S110:主節(jié)點(diǎn)發(fā)組網(wǎng)信標(biāo)，收到所述組網(wǎng)信標(biāo)的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)源地址和接收場強(qiáng)記錄到鄰居列表并轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)信標(biāo)；

S120:主節(jié)點(diǎn)對鄰居列表中的節(jié)點(diǎn)按接收場強(qiáng)由大到小排序，將排序中前面預(yù)設(shè)數(shù)量的節(jié)點(diǎn)劃分為第一層，并為第一層節(jié)點(diǎn)計(jì)算和分配IP；

S130:收集已分配IP的節(jié)點(diǎn)上的鄰居列表，并整理得到其下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；

S140:判斷是否有新節(jié)點(diǎn)未分配IP，若是，則繼續(xù)下一步；若否，則結(jié)束；

S150:對每個下層節(jié)點(diǎn)都從場強(qiáng)中找到場強(qiáng)最大的連接關(guān)系作為IP分配依據(jù)，并計(jì)算對應(yīng)IP；

S160:主節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)層指令為對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)分配IP，返回步驟S130。

優(yōu)選的，步驟S20中所述網(wǎng)絡(luò)冗余優(yōu)化的過程如下：

S200:讀取整個網(wǎng)絡(luò)的鄰居列表，以其場強(qiáng)值構(gòu)建矩陣；

S210:場強(qiáng)最小化處理，每兩個節(jié)點(diǎn)中，各節(jié)點(diǎn)均記錄對方的場強(qiáng)，取兩個場強(qiáng)中的較小值；

S220:場強(qiáng)閾值化處理，將低于預(yù)設(shè)閾值的場強(qiáng)強(qiáng)制清除為0；

S230:劃分網(wǎng)絡(luò)層次，將各節(jié)點(diǎn)分配至不同的網(wǎng)絡(luò)層；

S240:計(jì)算最佳通信路徑，在該通信路徑上，各節(jié)點(diǎn)與上層網(wǎng)絡(luò)的通信鏈路中，節(jié)點(diǎn)的場強(qiáng)最強(qiáng)；

S250:通過網(wǎng)絡(luò)成簇計(jì)算，增加通信冗余路徑；

S260:按分配規(guī)則計(jì)算IP，并逐個節(jié)點(diǎn)分配IP。

優(yōu)選的，步驟S120中所述第一層節(jié)點(diǎn)不超過14個，多余的劃分到下一層。

優(yōu)選的，步驟S210中所述場強(qiáng)最小化處理的過程如下：

任意兩個節(jié)點(diǎn)之間雙向通信時，每個節(jié)點(diǎn)均取接收場強(qiáng)的最小值，構(gòu)建對稱的場強(qiáng)方陣，所述場強(qiáng)方陣中，不在所述鄰居列表中的節(jié)點(diǎn)表示為0。

優(yōu)選的，步驟S220中所述場強(qiáng)閾值化處理的過程如下：

主節(jié)點(diǎn)層和其他層分別取不同的閾值對場強(qiáng)進(jìn)行處理，將主節(jié)點(diǎn)層和其他層將低于相應(yīng)預(yù)設(shè)閾值的場強(qiáng)強(qiáng)制清除為0。

優(yōu)選的，步驟S230中所述劃分網(wǎng)絡(luò)層次的過程如下：

所述場強(qiáng)方陣中，采用統(tǒng)計(jì)方法，首先計(jì)算出每一行與上層節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)，然后按統(tǒng)計(jì)的所述連接數(shù)由大到小排序，連接數(shù)為非0的行中的節(jié)點(diǎn)劃分為本層網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)；

在排序完成之后，對所述場強(qiáng)方陣進(jìn)行行列變換；

所述連接數(shù)為非0元素的數(shù)量。

優(yōu)選的，步驟S240中所述計(jì)算最佳通信路徑的過程如下：

計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)的最佳上層通信節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)與所述最佳上層通信節(jié)點(diǎn)之間的路徑為所述最佳通信路徑；

所述最佳上層通信節(jié)點(diǎn)的獲得過程如下：

從原始場強(qiáng)矩陣中取上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所在列、當(dāng)前層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所在行所構(gòu)成的矩陣為組網(wǎng)矩陣，計(jì)算所述組網(wǎng)矩陣中每一行中各節(jié)點(diǎn)中場強(qiáng)最大的節(jié)點(diǎn)所在位置，該位置為列對應(yīng)上層網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)為所述最佳上層通信節(jié)點(diǎn)。

優(yōu)選的，步驟S250中網(wǎng)絡(luò)成簇計(jì)算的過程如下：

將所述最佳通信路徑上具有相同上層節(jié)點(diǎn)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行與運(yùn)算，在所述場強(qiáng)方陣的對應(yīng)列上，只要有一個為0，則全部清除為0，從而產(chǎn)生多個上層節(jié)點(diǎn)分支簇；

對多個所述分支簇進(jìn)行合并，將兩個小簇合并為一個大簇，使各節(jié)點(diǎn)具有最大的可用連接數(shù)。

優(yōu)選的，步驟S260中所述計(jì)算和分配IP的過程如下：

層與層之間自頂向下分配IP；

簇內(nèi)部，將小號IP優(yōu)先分配給連接數(shù)最多的節(jié)點(diǎn)，簇成員依次遞增分支號得到IP。

第二方面，本發(fā)明還提供一種基于即時路由的無線自組網(wǎng)裝置，包括：

樹型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建單元，用于構(gòu)建樹型網(wǎng)絡(luò)：將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中上層節(jié)點(diǎn)的所有鄰居作為下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以其上一層節(jié)點(diǎn)中場強(qiáng)最大的節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個以最大場強(qiáng)值進(jìn)行連接的樹型網(wǎng)絡(luò)，同時收集到整個網(wǎng)絡(luò)的鄰居列表；

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元，用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：對所述樹型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)冗余優(yōu)化，使一個節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間存在多條通信路徑。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明基于即時路由的無線自組網(wǎng)方法及裝置，使用即時路由技術(shù)，直接通過IP即可計(jì)算路由關(guān)系，避免了額外的路由表存儲，適用于電池供電的低功耗場合；將組網(wǎng)過程分為2個階段，第1階段，按單一最強(qiáng)路徑進(jìn)行組網(wǎng)，目的是為了采集到所有節(jié)點(diǎn)的鄰居列表，第2階段，綜合分析收集到的鄰居信息，通過冗余技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，避免以往組網(wǎng)方式局部化的局限性；優(yōu)化過程中強(qiáng)制使用最小值和閾值處理的方法，將組網(wǎng)技術(shù)使用矩陣形式進(jìn)行表達(dá)，為不同網(wǎng)絡(luò)層次加入了不同的閾值條件，為避免收發(fā)不平衡問題，以最小場強(qiáng)值構(gòu)造對稱矩陣，保證計(jì)算得到的可用連接與實(shí)際相符，即通過此矩陣組建的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間確實(shí)地可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，避免由于無線場強(qiáng)收發(fā)不平衡對組網(wǎng)結(jié)果的影響；為了加速運(yùn)算速度，在分層算法和成簇算法中加入了統(tǒng)計(jì)方法，用統(tǒng)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行排序，通過統(tǒng)計(jì)量排序的結(jié)果對矩陣施加行列變換，達(dá)到快速排列的目的，避免了多余的循環(huán)遍歷；保留了最佳通信路徑，通過成簇方法加入了冗余路徑，在保證網(wǎng)絡(luò)最佳通信路徑的情況下，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提供的基于即時路由的無線自組網(wǎng)方法的流程圖；

圖2是圖1中步驟S10的具體流程圖；

圖3是圖1中步驟S20的具體流程圖；

圖4是即時路由的原理示意圖；

圖5是樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是場強(qiáng)方陣示意圖；

圖7是雙層網(wǎng)絡(luò)的場強(qiáng)方陣示意圖；

圖8是最佳通信路徑計(jì)算示意圖；

圖9是網(wǎng)絡(luò)成簇計(jì)算示意圖一；

圖10是網(wǎng)絡(luò)成簇計(jì)算示意圖二；

圖11是網(wǎng)絡(luò)成簇計(jì)算示意圖三；

圖12是本發(fā)明一實(shí)施例提供的基于即時路由的無線自組網(wǎng)裝置的原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

與傳統(tǒng)的路由技術(shù)不同，本發(fā)明中使用即時路由技術(shù)，將路由信息編碼在IP地址內(nèi)部，以減少路由表信息的存儲。本發(fā)明使用6個字節(jié)長度(即12位16進(jìn)制數(shù))表示IP地址，一個IP地址由網(wǎng)絡(luò)號和分支號組成，其中分支號為最后一個非0的16進(jìn)制數(shù)據(jù)。其中000000000000表示主節(jié)點(diǎn)(或稱根節(jié)點(diǎn))，F(xiàn)FFFFFFFFFFF表示廣播地址。

圖4中將所有的0都省略了，如9號節(jié)點(diǎn)，其IP地址顯示為1131，實(shí)際IP是11 31 00 00 00 00，其網(wǎng)絡(luò)號為113，分支號為1，表明其上層路由為113，再看113的網(wǎng)絡(luò)號為11，即其上層路由為11，11的網(wǎng)絡(luò)號為1，沒有上層路由了，表示是第一層節(jié)點(diǎn)，可以直接與頂層通信，通信路徑就找出來了，不需要存儲路由表。

通過簇成員表達(dá)網(wǎng)絡(luò)冗余信息，如4圖中所示ABC三個節(jié)點(diǎn)具有相同的網(wǎng)絡(luò)號，表示其是簇成員，簇成員可以通過上層簇成員與主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。優(yōu)先通過網(wǎng)絡(luò)號對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，如圖4中5號節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行通信，當(dāng)5號節(jié)點(diǎn)失效時，6號會替代5號成為路由節(jié)點(diǎn)。

為了采集到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的所有鄰居信息，首先要將所有節(jié)點(diǎn)的鄰居列表和對應(yīng)的場強(qiáng)信息采集回來。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中并無法保證所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以直接在MAC(Media Access Control，體訪問控制)層上進(jìn)行通信，如圖4中所示，主節(jié)點(diǎn)僅可以直接和1、2、3號節(jié)點(diǎn)直接通信，無法直接通過MAC層指令收集到所有信息，若通過邊采集邊組織的方式進(jìn)行組網(wǎng)，無法避免無線收發(fā)不平衡問題，得到的網(wǎng)絡(luò)信息也是不全面的。因此，本發(fā)明將組網(wǎng)過程分為兩個階段，第一階段，場強(qiáng)收集階段，第二階段，網(wǎng)絡(luò)冗余優(yōu)化階段。

實(shí)施例1

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提供的基于即時路由的無線自組網(wǎng)方法一個實(shí)施例的流程圖。

如圖1所示，本發(fā)明的基于即時路由的無線自組網(wǎng)方法，包括如下步驟：

S10:構(gòu)建樹型網(wǎng)絡(luò)：將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中上層節(jié)點(diǎn)的所有鄰居作為下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以其上一層節(jié)點(diǎn)中場強(qiáng)最大的節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個以最大場強(qiáng)值進(jìn)行連接的樹型網(wǎng)絡(luò)，同時收集到整個網(wǎng)絡(luò)的鄰居列表；

S20:網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：對所述樹型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)冗余優(yōu)化，使一個節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間存在多條通信路徑。

本發(fā)明使用即時路由技術(shù)，直接通過IP即可計(jì)算路由關(guān)系，避免了額外的路由表存儲，適用于電池供電的低功耗場合；將組網(wǎng)過程分為2個階段，第1階段，按單一最強(qiáng)路徑進(jìn)行組網(wǎng)，目的是為了采集到所有節(jié)點(diǎn)的鄰居列表，第2階段，綜合分析收集到的鄰居信息，通過冗余技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，避免以往組網(wǎng)方式局部化的局限性；優(yōu)化過程中強(qiáng)制使用最小值和閾值處理的方法，將組網(wǎng)技術(shù)使用矩陣形式進(jìn)行表達(dá)，為不同網(wǎng)絡(luò)層次加入了不同的閾值條件，為避免收發(fā)不平衡問題，以最小場強(qiáng)值構(gòu)造對稱矩陣，保證計(jì)算得到的可用連接與實(shí)際相符，即通過此矩陣組建的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間確實(shí)地可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，避免由于無線場強(qiáng)收發(fā)不平衡對組網(wǎng)結(jié)果的影響；為了加速運(yùn)算速度，在分層算法和成簇算法中加入了統(tǒng)計(jì)方法，用統(tǒng)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行排序，通過統(tǒng)計(jì)量排序的結(jié)果對矩陣施加行列變換，達(dá)到快速排列的目的，避免了多余的循環(huán)遍歷；保留了最佳通信路徑，通過成簇方法加入了冗余路徑，在保證網(wǎng)絡(luò)最佳通信路徑的情況下，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

實(shí)施例2

如圖2和圖3所示，本發(fā)明的基于即時路由的無線自組網(wǎng)方法，將組網(wǎng)過程分為兩個階段，第一階段，場強(qiáng)收集階段，第二階段，網(wǎng)絡(luò)冗余優(yōu)化階段。

第一階段按場強(qiáng)最強(qiáng)的路徑進(jìn)行路徑規(guī)劃，將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個單一路徑的連接形式，即以上層節(jié)點(diǎn)的所有鄰居當(dāng)作是下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以其上一層節(jié)點(diǎn)中通信效果最好(或場強(qiáng)最大)的節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，最終構(gòu)成一個以最大場強(qiáng)值進(jìn)行連接的樹型網(wǎng)絡(luò)。

第一階段具體包括如下步驟：

S100：主節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)喚醒幀喚醒網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)；

在本實(shí)施例中，主節(jié)點(diǎn)主動發(fā)送廣播喚醒幀，將所有節(jié)點(diǎn)都喚醒，接收到喚醒幀的節(jié)點(diǎn)依次轉(zhuǎn)發(fā)廣播喚醒幀，發(fā)且轉(zhuǎn)發(fā)一次，為提高抗干擾能力，隨后緊跟一同步幀；主節(jié)點(diǎn)等待所有節(jié)點(diǎn)被喚醒，其等待時間與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有關(guān)；

如圖4所示，0號節(jié)點(diǎn)稱為主節(jié)點(diǎn)，首先由0號節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒指令，將所有節(jié)點(diǎn)喚醒，1、2、3節(jié)點(diǎn)會首先收到喚醒指令，然后，按自己的ID計(jì)算延時，轉(zhuǎn)發(fā)喚醒指令；其他節(jié)點(diǎn)收到喚醒指令后也一樣處理；

S110：主節(jié)點(diǎn)發(fā)組網(wǎng)信標(biāo)，收到組網(wǎng)信標(biāo)的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)源地址和接收場強(qiáng)值記錄到鄰居列表并轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)信標(biāo)；

可以理解的是，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送組網(wǎng)信標(biāo)，接收到組網(wǎng)信標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，先將數(shù)據(jù)源地址和接收場強(qiáng)值記錄到自己的鄰居列表中，同時進(jìn)行閾值處理，太小的直接去除；然后根據(jù)自己的ID計(jì)算出轉(zhuǎn)發(fā)時間，修改源地址并轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)信標(biāo)，每個節(jié)點(diǎn)只轉(zhuǎn)發(fā)一次；等待組網(wǎng)信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)完畢，其等待時間與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有關(guān)；

如圖4所示，0號節(jié)點(diǎn)發(fā)送組網(wǎng)信標(biāo)，接收到組網(wǎng)信標(biāo)的所有節(jié)點(diǎn)都會轉(zhuǎn)發(fā)一次組網(wǎng)信標(biāo)，在MAC層更改數(shù)據(jù)源地址，同時記錄接收到組網(wǎng)信標(biāo)的源地址，并記錄場強(qiáng)值，這個記錄下來的信息稱鄰居列表；

S120：主節(jié)點(diǎn)對鄰居列表中的節(jié)點(diǎn)按場強(qiáng)由大到小排序，將排序中前面預(yù)設(shè)數(shù)量的節(jié)點(diǎn)劃分為第一層，并為第一層節(jié)點(diǎn)計(jì)算和分配IP；

可以理解的是，主節(jié)點(diǎn)對自身鄰居列表中的節(jié)點(diǎn)按場強(qiáng)由大到小進(jìn)行排序，并將排序中前面預(yù)設(shè)數(shù)量的節(jié)點(diǎn)劃分為第1層，限定第1層節(jié)點(diǎn)個數(shù)不超過14個(即為小于等于14個)，多余的劃分到下一層，以避開0和F開頭的地址，為第1層節(jié)點(diǎn)計(jì)算并分配IP地址；

如圖4所示，0號節(jié)點(diǎn)鄰居列表中包含1、2、3，此時通過MAC層指令分配節(jié)點(diǎn)1、2、3的IP地址為11，21，31；

S130:收集已分配IP的節(jié)點(diǎn)上的鄰居列表，并整理得到其下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；

S140:判斷是否有新節(jié)點(diǎn)未分配IP，若是，則繼續(xù)下一步；若否，則結(jié)束；

在本實(shí)施例中，采集IP地址分別為11、21、31的節(jié)點(diǎn)1、2、3的鄰居列表，通過對比發(fā)現(xiàn)4、5、6、7、8等多個新節(jié)點(diǎn)(對應(yīng)步驟S130-S140)；

值得說明的是，此處的結(jié)束表示的是步驟S10的結(jié)束，即該步驟之后執(zhí)行步驟S20。

S150:對每個下層節(jié)點(diǎn)都從場強(qiáng)中找到場強(qiáng)最大的連接關(guān)系作為IP分配依據(jù)，并計(jì)算對應(yīng)IP；

S160:主節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)層指令為對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)分配IP，返回步驟S130。

在本實(shí)施例中，其中與4、5、6節(jié)點(diǎn)通信的最強(qiáng)節(jié)點(diǎn)為1，因此分配4、5、6節(jié)點(diǎn)IP＝111，121，131，而與7、8節(jié)點(diǎn)通信的最強(qiáng)節(jié)點(diǎn)為3，因此分配7、8節(jié)點(diǎn)IP＝311,321(對應(yīng)步驟S150-S160)；

采集4、5、6、7、8節(jié)點(diǎn)的鄰居列表發(fā)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)9、A、B、C、D、E、F(對應(yīng)步驟S130-S140)；

按最強(qiáng)連接關(guān)系分配IP,節(jié)點(diǎn)9、A、B、C、D、E、F的IP分別為9＝1111,A＝1211,B＝1221,C＝1231，D＝3111,E＝3121,F＝3131(對應(yīng)步驟S150-S160)；

采集9、A、B、C、D、E、F節(jié)點(diǎn)的鄰居列表，沒有發(fā)現(xiàn)多余的節(jié)點(diǎn)，IP分配結(jié)束(對應(yīng)步驟S130-S140)；

此時以最佳場強(qiáng)值構(gòu)建的樹型網(wǎng)絡(luò)組建完畢，如圖4中右側(cè)結(jié)構(gòu)圖所示，同時也收集到了整個網(wǎng)絡(luò)的鄰居列表；

第二階段為網(wǎng)絡(luò)冗余優(yōu)化，由圖4的樹型網(wǎng)絡(luò)可以看出，只要一個節(jié)點(diǎn)失效，那么掛載在其下方的節(jié)點(diǎn)會全部失效，這是由于使用最強(qiáng)通信鏈路時，過多地刪除了可用的連接造成的，也是單一路徑網(wǎng)絡(luò)的弊端。因此，第二階段的目的是：在保證最優(yōu)路徑可用的前提下保留盡可能多的擴(kuò)展可用通信路徑數(shù)，即一個節(jié)點(diǎn)盡可能存在多條與主節(jié)點(diǎn)通信的路徑。

第二階段包括如下步驟：

S200：讀取整個網(wǎng)絡(luò)的鄰居列表，以其場強(qiáng)值構(gòu)建矩陣；

第一階段已經(jīng)采集到了整個網(wǎng)絡(luò)的鄰居列表；

S210：場強(qiáng)最小化處理，每兩個節(jié)點(diǎn)中，各節(jié)點(diǎn)均記錄對方的場強(qiáng)，取兩個場強(qiáng)中的較小值；

在本實(shí)施例中，以節(jié)點(diǎn)為單位，每個節(jié)點(diǎn)的鄰居信息，占矩陣的一行，矩陣中只保留場強(qiáng)信息，所在的行和列對應(yīng)實(shí)際節(jié)點(diǎn)，不在鄰居列表中的以0補(bǔ)充，如圖6所示；

由于無線網(wǎng)絡(luò)中存在收發(fā)場強(qiáng)不平衡的問題，即在兩個節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信時，受節(jié)點(diǎn)安裝位置和節(jié)點(diǎn)的天線指向等因素影響，相互接收到的場強(qiáng)值不一定是相同的，為此取兩個接收場強(qiáng)的最小值，以保證其按此場強(qiáng)進(jìn)行組網(wǎng)時，能正常通信。處理之后，得到的場強(qiáng)矩陣將是一個對稱的場強(qiáng)方陣；

對鄰居列表進(jìn)行整理，每個節(jié)點(diǎn)一行，構(gòu)建矩陣，如圖6所示，自己對自己的場強(qiáng)寫0或是FF；

S220：場強(qiáng)閾值化處理，將低于預(yù)設(shè)閾值的場強(qiáng)強(qiáng)制清除為0；

作為一種優(yōu)選實(shí)施例，步驟S220中所述場強(qiáng)閾值化處理的過程如下：

主節(jié)點(diǎn)層和其他層分別取不同的閾值對場強(qiáng)進(jìn)行處理，主節(jié)點(diǎn)層和其他層將低于相應(yīng)預(yù)設(shè)閾值的場強(qiáng)強(qiáng)制清除為0。

可以理解的是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于不同的無線設(shè)備使用的天線不同，其接收到的場強(qiáng)也會不同，在本發(fā)明實(shí)施過程中，主節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的天線不一致，為此，使用兩個不同的閾值分別對主節(jié)點(diǎn)層和其他層的場強(qiáng)值進(jìn)行處理，兩種層下，均將小于相應(yīng)閾值的場強(qiáng)值(表示當(dāng)前所在行列對應(yīng)的兩個節(jié)點(diǎn)通信效果不佳)強(qiáng)制清除為0，否則，將場強(qiáng)值轉(zhuǎn)換為通信系數(shù)；通信系數(shù)是對通信效果的一個評估，因?yàn)閳鰪?qiáng)值與通信效果存在著一定的關(guān)系，也可以簡單地直接使用場強(qiáng)值表示；

S230：劃分網(wǎng)絡(luò)層次，將各節(jié)點(diǎn)分配至不同的網(wǎng)絡(luò)層；

作為一種優(yōu)選實(shí)施例，步驟S230中所述劃分網(wǎng)絡(luò)層次的過程如下：

所述場強(qiáng)方陣中，采用統(tǒng)計(jì)方法，首先計(jì)算出每一行與上層節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)，然后按統(tǒng)計(jì)的所述連接數(shù)由大到小排序，連接數(shù)為非0的行中的節(jié)點(diǎn)劃分為本層網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)；

在排序完成之后，對所述場強(qiáng)方陣進(jìn)行行列變換；

所述連接數(shù)為非0元素的數(shù)量。

在本實(shí)施例中，具體地，由于前面已經(jīng)對場強(qiáng)進(jìn)行了閾值處理，因此，層次劃分時只要查看節(jié)點(diǎn)是否在上一層的鄰居列表內(nèi)即可；由于得到的矩陣是一個對稱陣，按行進(jìn)行處理或按列進(jìn)行處理所得到的結(jié)果是一致的；在矩陣中的判別方式是，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所在行，上層所有節(jié)點(diǎn)所在列上若出現(xiàn)了非0元素，那么當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可被分配在當(dāng)前層，否則將節(jié)點(diǎn)置換到后面去；注意主節(jié)點(diǎn)不得與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行置換，且主節(jié)點(diǎn)必須在矩陣的第一行出現(xiàn)，即圖6中所示第0行(即主節(jié)點(diǎn))不得與其他行進(jìn)行交換。

為了加快運(yùn)算速度，引入統(tǒng)計(jì)方法，首先計(jì)算出每一行(除去已分層完的)與上層節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)(即非0元素個數(shù))，然后按統(tǒng)計(jì)的連接數(shù)由大到小排序，連接數(shù)據(jù)非0的行(或節(jié)點(diǎn))即為本層網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)；在排序完成之后，要將矩陣同時施加行列變換，以保證數(shù)據(jù)的一致性；如此循環(huán)，得到的矩陣的非0元素分布在主對角線的兩側(cè)；

如圖7所示，主節(jié)點(diǎn)在第0層；先看第一行，這是主節(jié)點(diǎn)的鄰居列表，其非0的元素所占的列都劃到第1層網(wǎng)絡(luò)里；

然后，統(tǒng)計(jì)第1層網(wǎng)絡(luò)所占列上的各行非0元素，(除1層及以上的行列)并按其大小進(jìn)行排序，將統(tǒng)計(jì)量非0對應(yīng)的行(或列)代表的節(jié)點(diǎn)劃分為第2層；

然后，統(tǒng)計(jì)第2層網(wǎng)絡(luò)所占列上的各行非0元素，(除2層及以上的行列)按上述方式處理；其他層如是循環(huán)處理，直到所有節(jié)點(diǎn)處理完成。

S240：計(jì)算最佳通信路徑，在該通信路徑上，各節(jié)點(diǎn)與上層網(wǎng)絡(luò)的通信鏈路中，節(jié)點(diǎn)的場強(qiáng)最強(qiáng)；

可以理解的是，為了保證節(jié)點(diǎn)的最佳通信路徑能被保留下來，在分簇之前要計(jì)算出每個節(jié)點(diǎn)的最佳上層通信節(jié)點(diǎn)，盡可能保證在分簇之后這些最佳通信節(jié)點(diǎn)在簇之內(nèi)，每個節(jié)點(diǎn)與上層都有一個最強(qiáng)的通信鏈路，通過這個鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)，即為最佳單鏈通信路徑，即每個節(jié)點(diǎn)與所述最佳上層通信節(jié)點(diǎn)之間的路徑為所述最佳通信路徑；

所述最佳上層通信節(jié)點(diǎn)的獲得過程如下：

從原始矩陣中抽取對應(yīng)的組網(wǎng)矩陣，即取上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所在列、當(dāng)前層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所在行所構(gòu)成的矩陣(組網(wǎng)矩陣)為簇成員劃分的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算組網(wǎng)矩陣中每一行(即每個節(jié)點(diǎn))中的最大值的位置(即列對應(yīng)上層網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點(diǎn))，該節(jié)點(diǎn)為所述最佳上層通信節(jié)點(diǎn)；

如圖7所示，從第2層開始，取其與前一層網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系，作為選擇依據(jù)，如圖7中方框所示數(shù)據(jù)，即為圖8所示的矩陣；在圖8的矩陣每一行找到其最大值，此列對應(yīng)上層網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)就是最佳通信路徑；

S250：通過網(wǎng)絡(luò)成簇計(jì)算，增加通信冗余路徑；

可以理解的是，單鏈通信的最大缺陷就是可靠性差，當(dāng)其中一個節(jié)點(diǎn)失效時，通過這個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的所有節(jié)點(diǎn)都將失效，通過增加通信冗余路徑來提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

成簇原則1：任意兩個不同層級的簇成員之間可以相互通信，如圖5中所示，5、6中任意一個節(jié)點(diǎn)可以和A、B、C中的任意一個節(jié)點(diǎn)通信；在集合上表示為公共(非0)子集的關(guān)系，在矩陣中，經(jīng)過行變換和列變換之后(或提取簇成員所在行列)，表現(xiàn)為一個非0元素構(gòu)成的矩陣；

成簇原則2：簇與簇之間存在獨(dú)立性，即任意兩個簇之間不能有相互重疊的部分，若有相疊的部分，那么這重疊的節(jié)點(diǎn)只能分配給其中一個簇，而另一個簇對應(yīng)元素要全部清0，其中，分配過程中使用最優(yōu)化方法，這樣分配到簇時，保證可用連接數(shù)最大；

先將最強(qiáng)鏈路(所述最佳通信路徑)上具有相同上層節(jié)點(diǎn)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交集(或稱與)運(yùn)算，即保證不同層的簇成員之間可以實(shí)現(xiàn)兩兩通信，在矩陣上處理時，在對應(yīng)的列(在所述場強(qiáng)方陣的對應(yīng)列)上只要有一個為0，則全部清除為0；

經(jīng)過上述處理之后會出現(xiàn)多個上層節(jié)點(diǎn)分支簇，接著將這些分支簇進(jìn)行合并，即將兩個小簇合并為一個大簇，合并的原則是保證各節(jié)點(diǎn)有最大的可用連接數(shù)，同時保證簇和簇之間相互獨(dú)立，將問題轉(zhuǎn)換為一個需求分配問題，即給定約束條件下求極值的最優(yōu)化問題；

如圖9所示，首先，構(gòu)建小簇，先按成簇原則1最強(qiáng)路徑公共關(guān)系合并網(wǎng)絡(luò)，同時按成簇原則2進(jìn)行處理，得到圖9所示數(shù)據(jù)；

然后，合并簇，合并的原則是使用目標(biāo)路徑數(shù)量達(dá)到最大，轉(zhuǎn)化為在給定條件下的最優(yōu)化問題，實(shí)質(zhì)是，在一些排列組合中取得一個路徑最多的方案作為輸出方案；

圖10和圖11分別給出了兩種不同的成簇方法，其中圖10的方法得到的路徑大于圖11，因此選擇圖10的方法進(jìn)行組網(wǎng)，與非0元數(shù)所在列建立網(wǎng)絡(luò)關(guān)系；即如圖10所示，第1行與上層網(wǎng)絡(luò)第1、3列成簇，2、3、7、10行與上層網(wǎng)絡(luò)第4、6、10列成簇，4、5、6、8、9行與上層5、7、8、9列成簇；

對非成簇的，以網(wǎng)絡(luò)號編寫其順序，成簇的按成員編號；

S260：按分配規(guī)則計(jì)算IP，并逐個節(jié)點(diǎn)分配IP；

分配規(guī)則具體包括：分配順序，層與層之間自頂向下分配IP；簇內(nèi)部，由于IP序號小的節(jié)點(diǎn)有優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)，因此將小號IP優(yōu)先分配給連接數(shù)最多的節(jié)點(diǎn)，以保證較好的通信效果，如圖4所示，由于A、B、C的最優(yōu)路徑都在5號節(jié)點(diǎn)上，因此分配小號IP111給5號節(jié)點(diǎn)，其簇成員依次遞增分支號得到IP。

本發(fā)明中，場強(qiáng)閾值化處理部分，還可通過對轉(zhuǎn)換函數(shù)的定義來實(shí)現(xiàn)不同的組網(wǎng)。如，使用二值化方法，即認(rèn)為大于一定值時，通信正常，退化為對等網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)；若將場強(qiáng)與通信效果結(jié)合起來，認(rèn)為場強(qiáng)越強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)通信效果越好，其關(guān)系是一個非線性關(guān)系，然后將場強(qiáng)值轉(zhuǎn)換為通信效果值，這種處理方法，將原來計(jì)算最大路徑數(shù)轉(zhuǎn)換為求取最大通信效果值，相當(dāng)于為每個路徑分配一定的通信分?jǐn)?shù)，總分最高的認(rèn)為效果最好。或是求取其失效因數(shù)，即為每條路徑定義失效概率，通過計(jì)算最小失效因數(shù)以確定最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖12是本發(fā)明一實(shí)施例提供的基于即時路由的無線自組網(wǎng)裝置的原理框圖。

如圖12所示的一種基于即時路由的無線自組網(wǎng)裝置，包括：

樹型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建單元1211a，用于構(gòu)建樹型網(wǎng)絡(luò)：將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中上層節(jié)點(diǎn)的所有鄰居作為下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，下一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以其上一層節(jié)點(diǎn)中場強(qiáng)最大的節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個以最大場強(qiáng)值進(jìn)行連接的樹型網(wǎng)絡(luò)，同時收集到整個網(wǎng)絡(luò)的鄰居列表；

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化單元1211b:用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：對所述樹型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)冗余優(yōu)化，使一個節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間存在多條通信路徑。

由于本發(fā)明中的基于即時路由的無線自組網(wǎng)裝置和基于即時路由的無線自組網(wǎng)方法是一一對應(yīng)的，故在此不再詳述該裝置。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。