[發(fā)明專利]一種基于分布式波束形成的海面無線傳感網(wǎng)分簇方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410443072.3
• 申請日: 2014-09-02
• 公開（公告）號: CN104168621B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬健欣;石碩;顧學(xué)邁;葉亮;田斯;胡瑞東;許恩瑋;劉通
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H04W40/20
• 分類號: H04W40/20;H04W84/18
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所23109
• 代理人: 張宏威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)的分布式波束形成技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

海洋是人類維持生存繁衍和社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要基地，開發(fā)海洋、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)是整個人類生存和社會發(fā)展的必由之路，鑒于海洋的重要性，對海洋資源與環(huán)境的監(jiān)測正成為世界各國研究的一大熱點。海洋信息通常采用衛(wèi)星作為中繼進(jìn)行傳輸，海洋與陸地不同，海面上無法架設(shè)大的基站與衛(wèi)星進(jìn)行通信，同時基站也無法在海面進(jìn)行隨機(jī)布撒。而傳感器節(jié)點由于其低成本和小體積，能夠在海面進(jìn)行隨機(jī)布撒，但是單個傳感器節(jié)點的能量較小，無法與衛(wèi)星直接進(jìn)行通信，所以需利用海面多傳感器節(jié)點的分布式(協(xié)同)波束形成遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星直接通信。而在波束形成之前則需要一種有效的方式對大量的傳感器節(jié)點進(jìn)行管理，組成分布式網(wǎng)絡(luò)，對傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，在此基礎(chǔ)上才能夠進(jìn)行分布式波束形成。

現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)自組織分簇算法有很多，但幾乎都是基于陸地位置相對固定，并且最終通過基站將數(shù)據(jù)向外傳輸。考慮由海面?zhèn)鞲衅鞲?biāo)組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，由于其要與衛(wèi)星直接進(jìn)行通信需要使用分布式波束形成技術(shù)，而該技術(shù)必須要解決載波相位同步的問題，所以要求此分布式網(wǎng)絡(luò)層數(shù)不能過多，層數(shù)過多則無法進(jìn)行同步。同時，雖然傳感器層數(shù)減少，但其節(jié)點數(shù)量仍需保證，否則無法滿足波束形成上星要求。并且海面無法架設(shè)大規(guī)模基站，當(dāng)單個簇節(jié)點數(shù)量無法滿足波束形成的功率要求時，這就要求多個簇協(xié)助進(jìn)行波束形成，那么在無基站情況下的簇間通信又成為了新的急待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了實現(xiàn)海面?zhèn)鞲衅髋c衛(wèi)星進(jìn)行通信時無基站情況下的簇間通信的問題，也是為了解決海面?zhèn)鞲衅髦苯优c衛(wèi)星進(jìn)行通信時采用載波相位同步技術(shù)出現(xiàn)的分布式網(wǎng)絡(luò)層數(shù)過多而導(dǎo)致的無法實現(xiàn)同步的問題，及由此導(dǎo)致的海面?zhèn)鞲衅鲗訑?shù)減少，海面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點數(shù)量相應(yīng)減少導(dǎo)致的無法滿足波束與衛(wèi)星通信的功率需求的問題，提出了一種基于分布式波束形成的海面無線傳感網(wǎng)分簇方法。

一種基于分布式波束形成的海面無線傳感網(wǎng)分簇方法，在事件觸發(fā)機(jī)制下，將海面無線傳感器浮標(biāo)充好電并隨機(jī)布撒在海面指定區(qū)域，該方法包括如下步驟：

步驟一、數(shù)量為m的節(jié)點S的狀態(tài)均為等待狀態(tài)，即：my_wait＝1，記錄節(jié)點編號my_id并隨時測得自身的位置坐標(biāo)(x，y)，此時數(shù)量為m的節(jié)點S不屬于任何一層，即：level＝-1；m≥1；每個節(jié)點S均存儲通信簇頭設(shè)定值；

步驟二、數(shù)量為m的節(jié)點S中的一個節(jié)點要向衛(wèi)星或遠(yuǎn)距離基站上傳數(shù)據(jù)，該節(jié)點成為觸發(fā)節(jié)點T，且該觸發(fā)節(jié)點所在層為my_level＝2，成為觸發(fā)節(jié)點的節(jié)點執(zhí)行步驟三；未成為觸發(fā)節(jié)點的節(jié)點繼續(xù)保持當(dāng)前狀態(tài)；

步驟三、觸發(fā)節(jié)點T廣播自己的位置坐標(biāo)(x，y)和節(jié)點編號my_id，此時該觸發(fā)節(jié)點T不再處于等待狀態(tài)，即：my_wait＝0；同時該觸發(fā)節(jié)點T對該觸發(fā)節(jié)點的通信范圍R_c(s)內(nèi)的節(jié)點數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計并判斷該節(jié)點數(shù)量與最小波束形成通信節(jié)點數(shù)量MIN的大小關(guān)系，執(zhí)行步驟四；

步驟四、若統(tǒng)計的節(jié)點數(shù)量大于等于最小波束形成通信節(jié)點數(shù)量MIN，那么該觸發(fā)節(jié)點T只向該觸發(fā)節(jié)點通信范圍內(nèi)的MIN個節(jié)點S發(fā)送啟動自身請求，然后執(zhí)行步驟六；

若統(tǒng)計的節(jié)點數(shù)量小于最小波束形成通信節(jié)點數(shù)量MIN，那么該觸發(fā)節(jié)點T向該觸發(fā)節(jié)點通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點S發(fā)送啟動自身請求及通知簇頭啟動其通信范圍內(nèi)節(jié)點的請求，并執(zhí)行步驟五；

步驟五、接收到啟動請求的所有節(jié)點S計算自身的權(quán)重并廣播自身的權(quán)重，通過節(jié)點間權(quán)重的相互比較，推舉權(quán)重最大的節(jié)點S成為簇頭H，再通過簇頭向簇頭通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點發(fā)送啟動自身請求，直到觸發(fā)節(jié)點T統(tǒng)計的節(jié)點數(shù)量大于等于最小波束形成通信節(jié)點數(shù)量MIN，然后執(zhí)行步驟六；

步驟六、接收到啟動自身請求的MIN個節(jié)點S計算自身的權(quán)重并廣播自身的權(quán)重，接收到啟動請求的MIN個節(jié)點S通過節(jié)點間權(quán)重的相互比較，推舉權(quán)重最大的節(jié)點S成為簇頭H；成為簇頭的節(jié)點執(zhí)行步驟七；

步驟七、成為簇頭的節(jié)點標(biāo)記自己的簇頭id為my_head_id并變更該簇頭的坐標(biāo)為：head_x＝my_x,head_y＝my_y，同時調(diào)整簇頭所在層級為零級my_level＝0；然后簇頭H廣播簇頭信息給該簇頭通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點；同時簇頭H廣播簇頭信息給觸發(fā)節(jié)點T，觸發(fā)節(jié)點T記錄簇頭數(shù)量，然后執(zhí)行步驟八；