基于多路复用的无线传感器网络孩子节点数据传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种无线传感网固定区域内首领节点收集数据的方法，属于计算机网 络与无线通信技术的交叉领域。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是由一堆传感节点设备组成，运些节点能够感知、传输、接受、存 储周边信息，并能够收集溫度、光照、压力，音频视频等信息发送给目的节点。对于密集分布 的无线传感网而言，往往W链状、树状、网状及星型等结构开展网络部署与信息交互。运其 中，W多跳多径的簇树状数据收集模式最为典型。随着移动互联网和大数据技术的迅猛发 展，具备感知能力的混合无线传感网，逐渐成为了泛在网络体系的重要前端。如何在现有体 系结构基础上，进一步利用数据融合、数据聚合等方式，提高混合无线传感网的感知数据质 量，已经并必将进一步成为提升其执行效率的关键技术之一。此外，面对数据量更为庞大的 混合无线传感网，如何在规定时间内实现数据的高效传输，避免数据传输时延，同样是需要 重点研究的方向。
[0003] 无线短距离通信在传感器网络中有大量应用，当一条物理信道的传输能力高于一 路信号的需求时，该信道就可W被多路信号共享，复用就是解决如何利用一条信道同时传 输多路信号的技术，运样可W充分利用信道的频带或者时间资源，提高信道利用率。信号多 路复用有两种常用的方法:频分复用(FDM)和时分复用（TDM)。时分复用通常用于数字信号 的多路传输，它采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目 的。它是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片（简称时隙），并将运些时隙 分配给每一个信号源(节点）使用。频分复用可W用于模拟信号和数字信号的多路传输，它 是一种按频率来划分信道的复用方式。在FDM中，信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段 (子通道），每路信号占据其中一个子通道，并且各路之间必须留有未被使用的频带(防护频 带)进行分隔，W防止信号重叠。
[0004] 传统的节点在数据传输过程中常常采用时分复用技术，即节点按照不同时隙向首 领节点传送采集到的信息。当节点数量较多时，该方法将会耗费大量传输时间，同时首领节 点接收信息延时会变长，从而降低全网工作效率，缩短网络的生命周期。而本发明能够很好 地解决上面的问题，
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提供了基于多路复用的无线传感器网 络孩子节点数据传输方法，该方法在孩子节点向首领节点传输信息时采用新的复用技术来 代替W往的时分复用，并能够减少数据传输的时延，提高节点工作效率，从而延长网络生命 周期。该方法在节点传输数据的过程中，W往均采用时分复用的方式，即每个节点占用一个 时隙，在某一时隙内只允许一个节点传输数据，其他节点在运一时隙内均处于等待状态。运 样会造成节点信道利用率不高，在每一时隙始终只有一个节点在工作，从而造成节点数据 传输时延加大。
[0006] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:一种基于多路复用的无线传感器网 络孩子节点数据传输方法，该方法包括：
[0007] 第一阶段:网络部署阶段
[0008] 步骤1:让节点分布在边长为L米的正方形区域中，并把两种不同类型的节点部署 在网络中，一种为标量节点，用W感知并收集数据量较小的标量信息；另一种矢量节点，用 W收集数据量较大的矢量信息。
[0009] 步骤2:距离正方形区域正上方H米处部署一个基站，其用来汇聚正方形区域中所 有收集到的感知信息。
[0010] 步骤3:由于标量节点只收集一些数据量比较少的信息，而矢量节点收集到的音频 视频信息数据量一般很大，故规定每个特定区域中选择两个标量节点充当首领节点，（即矢 量节点不可充当簇头)分别称为主首领节点和次首领节点。主首领节点负责收集区域中标 量节点上传的数据，次首领节点负责收集区域中矢量节点上传的数据。
[0011] 第二阶段:网络区域划分阶段
[0012]步骤4:把正方形网络分成非均匀大小的MiXM2个子区域，其中，Mi和M2分另鳩网络 纵向和横向的子区域个数。各子区域的宽度均相同。将最靠近基站的一行子区域称为"第一 层子区域"，并W此类推，越远离基站的子区域的面积越大（即子区域的高度越大），W便于 减羟基站附近节点的数据转发任务量。各子区域中节点自组成区域。为实现对标量、矢量混 合的无线传感网感知信息的收集，将在各区域中同时选举出一个主首领节点和一个次首领 节点，它们分别负责收集该区域中的标量和矢量感知数据，分别完成数据融合后转发至其 相邻的上一层子区域中的主首领节点与次首领节点，直至到达基站。
[0013] 步骤5:在网络初始运行阶段，第一层子区域中分别选择距离基站最近的一个标量 节点作为主首领节点，标记为CH-Mud < j < M2)，用W收集标量节点的感知信息；随后选择 距离基站次近的标量节点作为次首领节点，标记为CH-Sik( 1含k含M2)，用W收集矢量节点的 感知信息。若满足条件的标量节点有多个，则优先选择与子区域内各邻居节点距离之和最 小的节点。对于第i层子区域（l<i含Ml),将选择距离第i-1层中所有主首领节点和次首领 节点最近的节点，分别作为其主首领节点和次首领节点，标记为CH-Mij和CH-Sij，（ 1 < i <化， 1< j<l2)〇
[0014] 步骤6:根据主次首领节点的选取原则及辦風欠鑽奠式，需石谢紫从向的相邻两个子区域内任意 两个节点一跳可达。即节点的通信半径Rt需大于相邻两层内两个节点所能够达到的最远间 距。令该间距为d'，则需满足：
其中，di代表第i层子区域的高度。
[0015] 步骤7:当各子区域中的主首领节点和次首领节点被选出后，分别向本区域中所有 节点广播自己成为首领的消息。子区域中的其余标量和矢量节点，分别成为主首领节点和 次首领节点的直接子节点。当所有节点的拓扑关系确定后，即开始数据收集。此时，网内形 成了若干条W主首领节点为中继点的标量感知信息收集路径和W次首领节点为转发点的 矢量感知信息收集路径。
[0016] 步骤8:在每个子区域内节点数据收集的过程中，每当子节点收集完成数据后，采 用频分复用的方式，为每一个节点选择不同的频率点，让他们按照不同的频率把自身数据 在同一时间内传输给首领节点。
[0017] 步骤9:令所有节点采样周期均为T。首轮数据收集过程完成后，各节点的剩余能量 将出现差异。为进一步提升能耗均衡性，将重新选择主次首领节点。定义节点i的优先级为 P，且令:p = aXEi+0/di。+ 丫 Ac。其中，E功节点i的剩余能量，di。为节点i与其所在子区域 中屯、的距离，Xj为前C轮，节点i当选为首领的次数，a、e、丫分别为常参数，其取值可根据网 络运行需要自行设定。于是P值最大的节点将当选为下一轮的首领。若下一轮首领与本轮首 领是同一节点，则无需广播，W节约能量。否则，新当选的首领需在整个子区域中进行广播， W确定其首领身份。据此，在新一轮首领轮转中，各子区域中选择P值最大的标量节点作为 主首领节点，再选择P值次大的标量节点作为次首领节点。若符合要求的标量节点有多个， 则选择与所有邻居节点距离之和最小的节点作为主次首领节点。
[0018] 步骤10:区域内的孩子节点采用频分复用的方式代替时分复用，将收集到的数据 转发至首领节点。此时一轮数据收集完毕。
[0019] 本发明中的节点将采用频分复用的方式传输数据，让所有节点均可W在同一时隙 内采用不同的频率传输数据，从而能够有效减少传输延时，大大提高数据传输效率。
[0020] 有益效果：
[0021] 1、本发明针对无线传感器网络一个区域中首领节点收集孩子节点过程中数据传 输延时的情况，避免了孩子节点之间采用时分复用的方式把收集到的信息传输给首领节 点，从而造成首领节点接收信息延时过大的情况。提出了单个区域内孩子节点采用频分复 用方式传输信息给首领节点。本发明可W有效减少节点之间传输数据的延时问题，提高了 数据传输的效率。
[0022] 2、本发明提出了单个区域内孩子节点采用频分复用方式传输信息给首领节点。可 W有效减少节点之间传输数据的延时问题，提高了数据传输的效率，延长了网络生命周期。
[0023] 3、本发明在孩子节点向首领节点传输信息时采用新的复用技术来代替W往的时 分复用，能够减少数据传输的时延，提高节点工作效率，从而延长网络生命周期。
【附图说明】
[0024] 图1网络初始模型图
[0025] 图2基于主次簇头的混合无线传感网数据收集路径
[0026] 图3相邻层间节点最大距离约束
[0027] 图4频分复用系统框图
[0028] 图5节点采用时分复用和频分复用时延效果对比图
[0029] 图6本发明的方法流程图
【具体实施方式】
[0030] 下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
[0031] 第一阶段:网络部署阶段
[0032] 步骤1:如图1所示，让节点分布在边长为L米的正方形区域中，并把两种不同类型 的节点部署在网络中，一种标量节点，专口收集溫度、光照等数据量较小的信息；另一种矢 量节点，其专口用来收集音频，视频等数据量较大的信息。
[0033] 步骤2:如图1所示，距离正方形区域正上方H米处部署基站，其用来收集正方形区 域中所有信息。
[0034] 步骤3:如图2所示，由于标量节点只收集一些数据量比较少的信息，而矢量节点收 集到的音频视频信息数据量一般很大，故我们规定每个特定区域中选择两个标量节点充当 首领节点，（即矢量节点不可充当簇头)分别称为主首领节点和次首领节点。主首领节点负 责收集区域中标量节点上传的数据，次首领节点负责收集区域中矢量节点上传的数据。
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