阅读说明：本技术 一种基于簇的全ip无线传感器网构建方法 (Cluster-based all-IP wireless sensor network construction method ) 是由 王宝亮 马彩光 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于簇的全IP无线传感器网构建方法,将传感器节点划分为四类：与IPv6网络连接的接入节点、固定簇首节点、移动簇首节点及簇成员节点,全IP无线传感网被划分为两个层次,由接入节点和固定簇首节点组成的接入节点动态树以及由簇首节点和簇成员节点组成的簇。(The invention relates to a cluster-based all-IP wireless sensor network construction method, which divides sensor nodes into four types: the all-IP wireless sensor network is divided into two layers, namely an access node dynamic tree consisting of the access node and the fixed cluster head node and a cluster consisting of the cluster head node and the cluster member node.)

一种基于簇的全IP无线传感器网构建方法

技术领域

本发明涉及一种基于簇的全IP无线传感器网构建方法。

背景技术

随着无线传感器网的快速发展和大规模应用，以及IPv6网络的不断普及和完善，无线传感网与IPv6网络之间实现全IP通信已成为必然趋势。6LoWPAN为在低功耗无线个人局域网中引入IPv6协议提供了可行性，是实现无线传感网与IPv6网络全IP通信的理想方案。基于IPv6的全IP无线传感网为每个传感器节点配置全局唯一的IPv6地址，可以实现与IPv6网络全IP通信。

现如今，IPv6网络预计将要大面积普及，无线传感网与IPv6网络之间实现全IP通信已成为必然趋势。在无线传感网与IPv6网络实现全IP通信之前，必须进行地址配置和建立路由路径。由于传感器节点能源和硬件条件的限制，这就要求在地址配置和路由建立过程高效利用节点能量和资源，高效的网络构建算法是实现无线传感器网络有效运转的保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于簇的全IP无线传感器网构建方法，技术方案如下：

一种基于簇的全IP无线传感器网构建方法，将传感器节点划分为四类：与IPv6网络连接的接入节点、固定簇首节点、移动簇首节点及簇成员节点，全IP无线传感网被划分为两个层次，由接入节点和固定簇首节点组成的接入节点动态树以及由簇首节点和簇成员节点组成的簇。构建方法如下：

(1)簇首节点的选取

在初始阶段，所有的节点都是普通节点，都通过接受其他节点广播的beacon消息来计算邻居节点的数量，簇首节点的选举过程如下：(1)节点F在一跳范围内广播beacon消息，然后侦听相邻节点的beacon消息，对比所拥有的邻居节点数量；(2)如果节点F的邻居节点数量最多，将自己标记为簇首节点，广播Cluster_Head消息，否则将自己标记为簇成员节点；如果存在多个节点拥有相同的最多邻居节点数量，则选取MAC地址最小的节点为簇首节点；簇首节点一跳范围内的其他节点转换为簇成员节点；

(2)固定簇的构建

通过每个节点广播beacon消息，计算出拥有邻居节点数量最多的节点，标记为固定簇首节点；如果两个或两个以上节点拥有相同的最多邻居节点数量，则选取其中MAC地址最小的节点作为固定簇首节点；固定簇首节点一跳范围内的其他节点则转换为簇成员节点，建立相应的固定簇；

(3)移动簇的构建

通过每个节点广播beacon消息，计算出拥有邻居节点数量最多的节点，标记为移动簇首节点；如果两个或两个以上节点拥有相同的最多邻居节点数量，则选取其中MAC地址最小的节点作为移动簇首节点；移动簇首节点一跳范围内的其他节点则转换为簇成员节点，建立相应的移动簇；

(4)接入节点动态树的构建

在选取出固定簇首节点后，固定簇首节点接收来自节点或其他邻居固定簇首节点发送的beacon消息；初始时，所有的固定簇首节点的深度值都是-1；接入节点动态树是从接入节点开始构建的，所以接入节点的深度值是1；未加入接入节点动态树的固定簇首节点选择接入节点或者深度值最小且非负的固定簇首节点作为自己的父节点，加入接入节点动态树，同时在父节点的深度值基础上将自己在接入节点动态树中的深度值增加1；如果一个固定簇首节点收到多个深度值相同且非负的固定簇首节点的beacon消息，则选取优先级最高的固定簇首节点作为父节点并加入接入节点动态树；

移动簇首节点不加入接入节点动态树；与移动簇首节点直接通信的接入节点动态树中的节点称作移动簇的关联节点，同一时刻，一个移动簇只有一个关联节点；如果移动簇首节点能够与多个接入节点动态树中的节点进行直接通信，那么选择深度值最小且非负的节点作为它的关联节点。

如果一个固定簇首节点收到多个深度值相同且非负的固定簇首节点的beacon消息，则可以采用单混合度量参数路由算法计算优先级。

接入节点动态树构建过程可以如下：(1)固定簇首节点F侦听相邻节点的beacon消息，获取深度值；(2)比较相邻节点的深度值，如果存在非负且最小深度值的节点，将其作为父节点加入接入节点动态树，并在该节点深度值基础上将自己在接入节点动态树中的深度值增加1，否则，如果存在多个拥有相同最小深度值的节点，根据动态树单混合度量参数算法计算其优先级，选择优先级最高的节点作为父节点接入节点动态树；(3)重复上述过程，直到所有的固定簇首节点都加入了接入节点动态树。

本发明提出一种基于簇的全IP无线传感器网构建方法，将传感器节点分为接入节点、固定簇首节点、移动簇首节点和簇成员节点四类，使得全IP无线传感器网络能与IPv6网络体系结构充分融合。全IP无线传感网被划分为两个层次，由接入节点和固定簇首节点组成的接入节点动态树以及由簇首节点和簇成员节点组成的簇，该方法减少了无线传感器网络需要网络构建的节点数量，降低了无线传感器网络构建的代价和延迟。

附图说明

图1全IP无线传感网层次体系结构

图2固定簇的构建

图3移动簇的构建

具体实施方式

本发明适用于全IP无线传感器网络的构建中，现如今，IPv6网络即将要大面积普及，无线传感网与IPv6网络之间实现全IP通信已成为必然趋势。在无线传感网与IPv6网络实现全IP通信之前，必须进行地址配置和建立路由路径。传感器节点能源和硬件条件的限制要求在地址配置和路由建立过程中高效利用节点能量和资源，高效的无线传感器网络的拓扑结构能高效地利用传感器节点的能量和资源，有效提高传感器节点数据采集与传输等功能的效率，为地址配置和建立路由路径提供便利。

为了使全IP无线传感器网络与IPv6网络体系结构充分融合，将传感器节点划分为四类：与IPv6网络连接的接入节点、固定簇首节点、移动簇首节点及簇成员节点。全IP无线传感网被划分为两个层次，由接入节点和固定簇首节点组成的接入节点动态树以及由簇首节点和簇成员节点组成的簇。全IP无线传感器网络层次体系结构如图1所示。下面是全IP无线传感网构建过程。

1簇的构建

1.1簇首节点的选取

在初始阶段，所有的节点都是普通节点，都通过接受其他节点广播的beacon消息来计算邻居节点的数量，簇首节点的选举过程如下：(1)节点F在一跳范围内广播beacon消息，然后侦听相邻节点的beacon消息，对比所拥有的邻居节点数量；(2)如果节点F的邻居节点数量最多，将自己标记为簇首节点，广播Cluster_Head消息，否则将自己标记为簇成员节点。如果存在多个节点拥有相同的最多邻居节点数量，则选取MAC地址最小的节点为簇首节点。簇首节点一跳范围内的其他节点转换为簇成员节点。

1.2固定簇的构建

如图2所示，通过每个节点广播beacon消息，计算出拥有邻居节点数量最多的节点，标记为固定簇首节点；如果两个或两个以上节点拥有相同的最多邻居节点数量，则选取其中MAC地址最小的节点作为固定簇首节点。固定簇首节点一跳范围内的其他节点则转换为簇成员节点，建立相应的固定簇。

1.3移动簇的构建

移动簇首节点的选取过程和固定簇首节点的选取过程相似，都是选取出拥有邻居节点数量最多的节点作为簇首节点。如图3所示，通过每个节点广播beacon消息，计算出拥有邻居节点数量最多的节点，标记为移动簇首节点；如果两个或两个以上节点拥有相同的最多邻居节点数量，则选取其中MAC地址最小的节点作为移动簇首节点。移动簇首节点一跳范围内的其他节点则转换为簇成员节点，建立相应的移动簇。

2接入节点动态树的构建

在选取出固定簇首节点后，固定簇首节点就可以接收来自节点或其他邻居固定簇首节点发送的beacon消息。初始时，所有的固定簇首节点的深度值都是-1。接入节点动态树是从接入节点开始构建的，所以接入节点的深度值是1。未加入接入节点动态树的固定簇首节点选择接入节点或者深度值最小且非负的固定簇首节点作为自己的父节点，加入接入节点动态树，同时在父节点的深度值基础上将自己在接入节点动态树中的深度值增加1。如果一个固定簇首节点收到多个深度值相同且非负的固定簇首节点的beacon消息，采用单混合度量参数路由算法(Single mixedmetric routing algorithm)计算它们的优先级，选取优先级最高的固定簇首节点作为父节点并加入接入节点动态树。

移动簇首节点不加入接入节点动态树。与移动簇首节点直接通信的接入节点动态树中的节点称作移动簇的关联节点，同一时刻，一个移动簇只有一个关联节点。如果移动簇首节点能够与多个接入节点动态树中的节点进行直接通信，那么它将选择深度值最小且非负的节点作为它的关联节点。

接入节点动态树构建过程如下：(1)固定簇首节点F侦听相邻节点的beacon消息，获取深度值；(2)比较相邻节点的深度值，如果存在非负且最小深度值的节点，将其作为父节点加入接入节点动态树，并在该节点深度值基础上将自己在接入节点动态树中的深度值增加1，否则，如果存在多个拥有相同最小深度值的节点，根据动态树单混合度量参数算法计算其优先级，选择优先级最高的节点作为父节点接入节点动态树。(3)重复上述过程，直到所有的固定簇首节点都加入了接入节点动态树。

相同深度值的固定簇首节点是相互独立的，未加入接入节点动态树的固定簇首节点可以选择加入不同的分支上，所以接入节点动态树可以并行构建。