CN102761931B - 异步占空比无线传感器网络中进行动态数据传输的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种异步占空比无线传感器网络中进行动态数据传输的方法，该方法包括如下步骤：（1）将传感器节点以随机的方式部署在监控区域，并将基站部署在网络中心位置；（2）各个传感器节点初始化到基站的跳数距离和链路质量，并将这些信息告诉邻居节点，邻居节点将得到的这些信息记录到邻居节点自身的邻居表中；（3）传感器节点从邻居节点中选取一组候选中继节点用于转发数据包，并使用数据包捎带的方法更新邻居表的相关信息。本发明提供的方法，能够保证数据包的收包率、降低数据包的端到端时延并延长网络的寿命。

Description

异步占空比无线传感器网络中进行动态数据传输的方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络中数据传输领域，且特别是有关于一种异步占空比无线传感器网络中的动态数据传输方法。
背景技术
无线传感器网络具有广泛的应用前景。然而，传感器节点通常是由不可充电的电池来供电的，为了延长网络寿命就需要在传感器节点运行时尽可能多地节省不必要的能量损耗。让传感器节点在没有数据要发送的时候关闭无线通信模块是节省能量的最有效的方法，因此，让传感器节点周期性的睡眠/工作（称为占空比）的MAC协议就被提出来了。占空比技术通常分为两大类：一类是传感器节点之间需要时钟同步的，称为同步占空比技术；另一类是传感器节点之间不需要时钟同步并且节点自行决定睡眠调度的，称为异步占空比技术。在同步占空比中，节点需要时钟同步而交换同步数据包，从而存在很大的同步能量开销。在异步占空比中，节点可以节省同步的能量开销，但由于传感器节点之间进行通信的时间不确定，往往会使得数据包的端到端时延很大。
在以往提出的一些无线传感器网络中的路由协议往往只针对某一网络性能进行优化，例如：时延、距离等等。然而仅仅针对某一网络性能最优来进行路由决策往往会造成其他网络性能的损失。例如，在使用距离最优的方法进行路由决策时就有可能造成在链路质量很差的节点间转发数据，这会造成大量的数据重传而损耗掉节点大量能量进而造成网络过早出现分割不连通的情况。在无线传感器网络这种各种资源受限的网络中，综合考虑各种网络性能更能保证无线传感器网络应用得到更加均衡的网络功能。在大多数应用中，综合的网络性能对于保证网络的功能是至关重要的。通常需要考虑的网络性能包括节点间的链路质量、数据包的端到端时延、节点能量等等。我们的动态数据传输方法综合考虑了链路质量、时延和平衡能量消耗，因此它是一个可行的方法。
发明内容
发明目的在于提供一种异步占空比无线传感器网络中的动态数据传输的方法，克服以往的基于单一网络性能进行路由决策的问题，从而达到保证数据包收包率、降低数据包端到端时延和延长网络寿命的目的。
为达上述目的，本发明提供一种异步占空比无线传感器网络中的动态数据传输的方法，具体包括如下步骤：
（1）将传感器节点以随机的方式部署在监控区域，并将基站部署在网络中心位置；
（2）传感器节点初始化到基站的跳数距离和单跳链路质量，并将这些信息告诉邻居节点，邻居节点将得到的这些信息记录到邻居节点自身的邻居表中；
（3）传感器节点从邻居节点中选取一组候选中继节点用于转发数据包，并使用数据包捎带的方法更新邻居表的相关信息。
进一步，所述步骤（2）中，传感器节点通过基站广播跳数初始化包的方式计算到基站的跳数距离，邻居节点的发现过程如下：每个传感器节点找到所有与基站的距离不大于上述传感器节点到基站跳数距离的邻居节点，并将经过它们到基站的跳数距离和它们之间的链路质量记录到传感器节点的邻居表中，每个传感器节点广播邻居发现包，邻居节点收到邻居发现包后回复一个包含邻居节点到基站的距离和收到的邻居发现包的信号强度这两个信息的回复包给此传感器节点，传感器节点利用上述这两个信息和回复包的信号强度即可计算出到邻居节点的单跳双向链路质量，当传感器节点初始化完自己的邻居表后，即可从基站开始反向逐跳地建立起传感器节点到基站的路径链路质量，并将这些路径的下一跳相关信息记录到邻居表中用于后续数据的发送。其中，所述邻居表是按照路径链路质量从优到劣倒序排列的。
进一步，所述步骤（3）中，传感器节点从邻居节点中选取候选中继节点的步骤如下：传感器节点根据自己到基站的距离和单跳链路质量要求计算出到基站所要求的路径链路质量阈值；将邻居表中的经过邻居节点到基站的路径链路质量与上述阈值比较，优于阈值的节点即为候选中继节点。
进一步，所述步骤（3）中传感器节点根据候选中继节点醒来的先后顺序依次将数据包发送给候选中继节点直到某个中继节点收到数据包或者达到重传限制为止，如果一个节点没有收到数据包，则不再向它重传数据包而是等待下一个节点醒来将数据包发送给它，如果多次重传达到了重传限制，则丢弃此包不再重传，每当传感器节点收到一个数据包的确认包时，根据确认包中附带的路径链路质量更新其邻居表的表项。
综上所述，本发明根据路径的链路质量和选取候选中继节点的阈值选取一组节点来转发数据，从而达到保证收包率、降低数据包端到端时延和提高网络寿命的目的。
附图说明
图1为节点部署在监控区域初始化邻居表完成后的示意图。
图2为本发明异步占空比无线传感器网络中的动态传输方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
异步占空比无线传感器网络中的动态传输方法其工作步骤如下：
（1）将传感器节点以随机的方式部署在监控区域，并将基站部署在网络中心位置。也可以根据一定的需求将节点布置在监控区域内，基站部署的位置只要满足基站能够接收到所有传感器节点多跳方式发送来的数据包即可。
（2）传感器节点初始化到基站的跳数距离和链路质量，并将这些信息告诉邻居节点，邻居节点将得到的这些信息记录到自己的邻居表中，邻居表是按照路径链路质量从优到劣倒序排列的。
从基站开始初始化传感器节点到基站的跳数距离，传感器节点第一次收到初始化包时计算自己到基站的跳数距离并广播一次初始化包。如图1所示，传感器节点跳数距离初始化完成后，节点N1到基站的跳数距离为j。传感器节点知道自己到基站的跳数距离后，就可以启动邻居发现过程。在这一过程中节点需要记录跳数距离不大于自己的邻居节点的相关信息，包括经过它们到基站的跳数距离和单跳链路质量。如图1所示，节点N1需要记录邻居节点N2、N3、N4、N5的相关信息到邻居表中。最后从基站开始初始化到基站的最优路径链路质量，并将更新后的路径链路质量记录到邻居表中。最后对邻居表的表项按路径链路质量的优劣进行倒序排列。这一执行过程的算法可详细表述如下：
在上述算法中，计算单跳链路质量需要信号强度、无线模块的参数以及对信号的调制方法和数据帧长度这些信息。除了信号强度需要通过包交换来获取外，其他的都可以直接从传感器节点本身的信息得到。另外，针对无线信道的不可靠性的特点，可以让节点多次重传数据包来达到可靠初始化邻居表的目的。一旦邻居表初始化完成节点就按照路径链路质量从优到劣的顺序对邻居表进行排序，注意链路质量数值越小表示越好，具体比较两条路径链路质量的方法如下：
(LQi，hi)＞(LQj,hj) if  LQi＜LQj  LQi＝LQj,hi＜hj
(LQi，hi)＝(LQj,hj) if  LQi＝LQj and    hi＝hj
当所有的这些操作都完成后，传感器节点就可以进入占空比的工作调度模式。
（3）传感器节点选取一组候选中继节点用于转发数据，并使用数据包捎带的方法更新邻居表的相关信息。有需要时传感器节点可以主动进行一次邻居表更新过程，向所有邻居节点请求最新的网络信息以更新邻居表。
传感器节点要发送数据到基站时，它首先根据单跳单向链路选取阈值α计算自己选取候选中继节点的路径链路质量阈值。具体的计算方法如下：
2 * h α
这里的h是传感器节点到基站的跳数距离，α实际上是单跳单向的收包率下界，乘以2是因为考虑的是双向链路质量。传感器节点计算出路径链路质量阈值后，就从邻居表中找出第一个大于阈值的表项，则这一项之前的所有表项的都是符合阈值要求的候选中继节点。由于传感器节点在实际发送数据时需要重传，为了满足重传次数限制的要求，选出的候选节点不得少于重传次数加一，也即在按照阈值选取的候选节点数目达不到要求时就需要选取邻居表中的前面多项以满足数目要求。如图1所示，若重传限制不小于3时，节点N1需要选取所有的邻居节点N2、N3、N4、N5作为候选的中继节点。
当选取出候选中继节点后就按照候选中继节点醒来的先后顺序依次发送给它们直到有一个节点成功收到数据包为止。如果一个节点没有收到数据包，则不再向它重传数据包而是等待下一个节点醒来将数据包发送给它。
如果多次重传达到了重传限制，则丢弃此包不再重传。每当节点收到一个数据包的确认包时，根据确认包中附带的路径链路质量更新相应邻居表的表项。具体的算法如下所示：
在上述算法中第12行的链路更新计算公式中的参数β可根据实际需要选取。例如，想更快速的更新链路质量就可以将β取值大一些；反之则将β取小一些。但是β的值必须在0到1之间。另外，若节点出现多次无法将数据发送出去的情况时，则可能网络状态有所改变。此时，节点可以启动一次邻居发现过程以获取最新的邻居节点信息。
综上所述，本发明根据路径的链路质量和选取候选中继节点的阈值选取一组节点来转发数据，从而达到保证收包率、降低数据包端到端时延和提高网络寿命的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种异步占空比无线传感器网络中进行动态数据传输的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）将传感器节点以随机的方式部署在监控区域，并将基站部署在网络中心位置；
（2）各个传感器节点初始化到基站的跳数距离和链路质量，并将这些信息告诉邻居节点，邻居节点根据这些信息计算出到基站的最优路径链路质量并记录到邻居节点自身的邻居表中；
（3）传感器节点从邻居节点中选取一组候选中继节点用于转发数据包，并使用数据包捎带的方法更新邻居表的相关信息；
所述步骤（2）中，传感器节点通过基站广播跳数初始化包的方式计算到基站的跳数距离，且邻居节点的发现过程如下：每个传感器节点找到所有与基站的距离不大于上述传感器节点到基站跳数距离的邻居节点，并将经过它们到基站的跳数距离和它们之间的链路质量记录到传感器节点的邻居表中，每个传感器节点广播邻居发现包，邻居节点收到邻居发现包后回复一个包含邻居节点到基站的距离和收到的邻居发现包的信号强度这两个信息的回复包给此传感器节点，传感器节点利用上述这两个信息和回复包的信号强度即可计算出到邻居节点的单跳双向链路质量，当传感器节点初始化完自己的邻居表后，即可从基站开始反向逐跳地建立起传感器节点到基站的路径链路质量，并将这些路径的下一跳相关信息记录到邻居表中用于后续数据的发送；
所述步骤（2）中，所述邻居表是按照路径链路质量从优到劣倒序排列的。
2.根据权利要求1所述的异步占空比无线传感器网络中进行动态数据传输的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，传感器节点从邻居节点中选取候选中继节点的步骤如下：
传感器节点根据自己到基站的距离和单跳链路质量要求计算出到基站所要求的路径链路质量阈值；将邻居表中的经过邻居节点到基站的路径链路质量与上述阈值比较，优于阈值的节点即为候选中继节点。
3. 根据权利要求2所述的异步占空比无线传感器网络中进行动态数据传输的方法，其特征在于：所述步骤（3）中传感器节点根据候选中继节点醒来的先后顺序依次将数据包发送给候选中继节点直到某个中继节点收到数据包或者达到重传限制为止，如果一个节点没有收到数据包，则不再向它重传数据包而是等待下一个节点醒来将数据包发送给它，如果多次重传达到了重传限制，则丢弃此包不再重传，每当传感器节点收到一个数据包的确认包时，根据确认包中附带的路径链路质量更新其邻居表的表项。
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