CN102833792B - 一种对抗能量空洞的传感网协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对抗能量空洞的传感网协作通信方法，首先将传感网的区域划分为多个同心圆环区域，相邻同心圆节点间的进行协作通信，具体包括以下步骤：首先源节点发出请求发送帧信息给目的节点；然后源节点进入监听状态，在规定时间内若收到允许发送帧信息，则源节点向目的节点发送数据帧；若没有收到允许发送帧信息，则源节点以翻倍功率继续发送请求发送帧给目的节点；若在规定时间内收到协作要求帧信息，则源节点遂向发送协作要求帧的发送节点发送数据帧，该发送节点将数据帧发送给目的节点；最后源节点转入监听状态，等待目的节点协作通信完成。采用本发明能充分有效的利用有限的计算和存储资源，更重要的是，各节点间协作通信能有效抵抗无线信道衰落的影响。

Description

一种对抗能量空洞的传感网协作通信方法

技术领域

本发明涉及网络通信领域，尤其涉及的是一种对抗能量空洞的传感网协作通信方法。

背景技术

众所周知，传感网是一个由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。借助于节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象。

所以，传感网节点所部署的环境很多情况下比较恶劣，节点间的无线通信受信道衰落的影响非常大。传感网通常包含一个或者多个汇聚节点和大量的分布在感知区域的传感器节点组成。从传感器节点到汇聚节点的数据传输通常是采用多跳的方式，计算机模拟实验表明，离汇聚节点距离越近，节点消耗的能量越快，这种因部分节点过早耗尽自身能量而导致网络原有覆盖区域缺失或者数据无法送达汇聚节点的现象被称作“能量空洞”现象。因此，避免或延缓能量空洞的出现，是提高网络寿命与能量利用效率的有效方法。另外，由于传感网节点个数多、体积微小、成本低廉，它通常配备能量十分有限的电池作为能量单元，并且不能更换，一旦节点的能量耗尽会直接影响整个网络功能的实现。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对抗能量空洞的传感网协作通信方法，旨在解决现有的传感网节点间的无线通信受信道衰落的影响非常大的问题。

本发明的技术方案如下：

一种对抗能量空洞的传感网协作通信方法，其特征在于，包括源节点、协作节点和目的节点，以传感网的最终目的节点作为圆心，以传感网内相邻节点的平均间距的n倍为半径，把传感网的区域划分为多个同心圆环区域，且环间距为n，其中，n是5<n<100内的正整数，所述对抗能量空洞的传感网协作通信方法中源节点的处理方法包括以下步骤：

步骤1、源节点发出请求发送帧信息给目的节点；

步骤2、源节点进入监听状态，在***设置的规定时间内若收到允许发送帧信息，则执行步骤4；若没有收到允许发送帧信息，则执行步骤3；若在规定时间内收到协作要求帧信息，则执行步骤5；

步骤3、源节点以翻倍功率继续发送请求发送帧给目的节点后执行步骤2；

步骤4、源节点向目的节点发送数据帧并执行步骤6；

步骤5、源节点遂向发送协作要求帧的发送节点发送数据帧，该发送协作要求帧的发送节点将数据帧发送给目的节点；

步骤6、源节点转入监听状态，等待目的节点协作通信完成。

所述的对抗能量空洞的传感网协作通信方法，其中，所述源节点以翻倍功率继续发送请求发送帧给目的节点中，功率的上限要以无线传感器网络节点参数作为参考设定门限值。

所述的对抗能量空洞的传感网协作通信方法，其中，所述发送协作要求帧的发送节点为协作节点，所述通信方法中协作节点的通信方法包括以下步骤：

步骤A、协作节点进入监听状态，当接收到数据帧，且目的地址为自己时，则接收并重新打包转发给目的节点；当接收到控制帧，则计算瞬时的接收信号的强度值；

步骤B、节点根据协作节点的判定条件验证自己是否有协作转发的资格，若通过则执行步骤C，若不通过则返回步骤A；

步骤C、协作节点启动计数器，在计数器到达0值之前，节点未接收到协作要求帧或者数据帧则节点即被选择为中继节点，广播协作要求帧，同时协作节点进入监听状态。

所述的对抗能量空洞的传感网协作通信方法，其中，计数器的初始值跟请求发送帧和允许发送帧的接收信号的强度值的最小值和节点剩余能量之积成反比。

所述的对抗能量空洞的传感网协作通信方法，其中，所述通信方法中目的节点的通信方法包括以下步骤：

步骤S1、目的节点的接收机保持在接收监听状态，只对发给自己的帧做相关处理，丢弃不是发送给自己的帧，并判断接收到的时数据帧还是控制帧，若是数据帧则执行步骤S2，若是控制帧则执行步骤S3；

步骤S2、接收到数据帧时，保存数据帧，并测算误码率和丢包率，数据包是由协作转发而来还是源节点直接发送过来可以通过数据帧的校验位得到判断；

步骤S3、目的节点接收到RTS控制帧，则其向源节点发送CTS消息帧,并执行步骤S1，进入监听状态。

本发明的有益效果：本发明通过协作通信利用网络中闲置的天线资源作为信源的中继协助转发信息，通过不同天线传输相同的数据达到空间分集的目的，以此有效抵抗信道衰落的影响，提高通信质量和可靠性。在传感网中，各节点间协作完成任务能充分有效的利用有限的计算和存储资源，更重要的是，各节点间协作通信能有效抵抗无线信道衰落的影响。

附图说明

图1是本发明中传感网通信结构划分示意图。

图2是本发明中源节点通信方法流程图。

图3是本发明中协作节点通信方法流程图。

图4是本发明中目的节点通信方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

对于有一个汇聚节点a的传感网，以汇聚节点a为圆心，相邻传感网节点x的平均间距的n倍，2n倍，3n倍……为半径，把传感网的区域划分为多个同心圆环区域，其中，n是正整数。根据信道衰落的情况而定。如果信道衰落严重，那么n取值较小，如果信道衰落不严重，那么n取值较大。通常情况下，5<n<100。传统传感网的多跳协议一般都是考虑相邻节点间的通信，通过节点间的接力传输，把信号传输到目的节点。而本发明采用相邻同心圆节点间的通信，这样平均通信距离为传统多跳协议的n倍。相邻同心圆节点间的通信采用协作通信的方式实现，请参见图示1。

汇聚节点是最终的目的节点，汇聚节点在圆心，其它节点都需要通过多跳的方式发送数据到汇聚节点。每一跳，都有源节点和目的节点。如果是多汇聚节点，那么可以把整个传感网划分为多个区域，每个区域包含一个汇聚节点，汇聚节点都在区域中心，区域内的传感网节点发送数据到区域中的汇聚节点。

参见图2，本发明提供的对抗能量空洞的传感网协作通信方法中源节点通信原理流程包括以下步骤：

步骤1、源节点发出请求发送帧信息给目的节点；

步骤2、源节点进入监听状态，在***设置的规定时间内若收到允许发送帧信息，则执行步骤4；若没有收到允许发送帧信息，则执行步骤3；若在规定时间内收到协作要求帧信息，则执行步骤5；

步骤3、源节点以翻倍功率继续发送请求发送帧给目的节点后执行步骤2；

步骤4、源节点向目的节点发送数据帧并执行步骤6；

步骤5、源节点遂向发送协作要求帧的发送节点发送数据帧，该发送协作要求帧的发送节点将数据帧发送给目的节点；

步骤6、源节点转入监听状态，等待目的节点协作通信完成。

在相邻同心圆节点间的协作通信过程中，协作中继通信中的源节点只发送RTS（Request to Send,请求发送帧）或者数据帧。通常源节点发出RTS后进入监听状态，如果在规定间隔时间内未能收到对应CTS（Clear toSend,允许发送帧），则源节点以翻倍功率继续发送RTS，这里功率不能无限翻倍，以无线传感器网络节点参数作为参考设定门限值，本实施例中，门限值设定为发射功率小于100mW。当源节点在规定间隔时间内收到目的节点发回的CTS，则认为源节点和目的节点之间的信道状况比较好，无需协作中继，源节点即向目的节点以当前功率发送数据帧；当源节点在规定间隔时间内只收到CPR（Cooperative Communication Request,协作要求帧），则认为源节点和目的节点之间的信道状况较差，需采用协作通信，源节点遂向CPR的发送节点发送数据帧。此后，源节点转入监听状态，等待目的节点协作通信完成。

图3，本发明提供的对抗能量空洞的传感网协作通信方法中协作节点的通信方法包括以下步骤：

步骤A、协作节点进入监听状态，当接收到数据帧，且目的地址为自己时，则接收并重新打包转发给目的节点；当接收到控制帧，则计算瞬时的接收信号的强度值；

步骤B、节点根据协作节点的判定条件验证自己是否有协作转发的资格，若通过则执行步骤C，若不通过则返回步骤A；

步骤C、协作节点启动计数器，在计数器到达0值之前，节点未接收到协作要求帧或者数据帧则节点即被选择为中继节点，广播协作要求帧，同时协作节点进入监听状态。

在对抗能量空洞的传感网协作通信中，处于通信源节点和目的节点所在同心圆内的其它节点为可能的协作节点。对于当中协作节点的选择主要基于以下两个因素，一是协作节点的剩余能量尽可能大，二是源节点到协作节点的信号衰减尽可能小。

协作节点时刻处在监听状态，当其接收到数据且目的地址为自己时，接收数据并重新打包转发给目的节点，如果接收到RTS或者CTS这样的控制帧，则计算对应的瞬时RSSI值（Received Signal Strength Indicator，接收信号的强度指示），作节点启动一个计数器。计数器的初始值跟RTS和CTS的RSSI值的最小值和节点剩余能量之积成反比。计数器的数值随时间逐渐递减。在计数器到达0值之前，节点未接收到CPR消息帧或者数据帧则节点即被选择为中继节点，广播CPR控制帧。此时，其余协作节点仍然在监听状态，收到CPR控制帧，表明协作节点已经选出，且不是自己。同时，发送节点接收到CPR控制帧，进入协作转发模式。

图4，本发明提供的对抗能量空洞的传感网协作通信方法中目的节点的通信方法包括以下步骤：

步骤S1、目的节点的接收机保持在接收监听状态，只对发给自己的帧做相关处理，丢弃不是发送给自己的帧，并判断接收到的时数据帧还是控制帧，若是数据帧则执行步骤S2，若是控制帧则执行步骤S3；

步骤S2、接收到数据帧时，保存数据帧，并测算误码率和丢包率，数据包是由协作转发而来还是源节点直接发送过来可以通过数据帧的校验位得到判断；

步骤S3、目的节点接收到RTS控制帧，则其向源节点发送CTS消息帧,并执行步骤S1，进入监听状态。

目的节点保持在监听状态，其只对发给自己的帧做相关处理，当其接收到数据帧时，即保存数据帧，测算误码率和丢包率，数据包是由协作转发而来还是源节点直接发送过来可以通过数据帧的校验位得到；如果目的节点接收到RTS控制帧，则其向源节点发送CTS消息帧，而后继续进入监听状态。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种对抗能量空洞的传感网协作通信方法，其特征在于，包括源节点、协作节点和目的节点，以传感网的最终目的节点作为圆心，以传感网内相邻节点的平均间距的n倍为半径，把传感网的区域划分为多个同心圆环区域，且环间距为n，其中，n是5<n<100内的正整数，相邻同心圆的节点之间进行协作通信，其具体方法包括以下步骤： 

步骤1、源节点发出请求发送帧信息给目的节点； 

步骤2、源节点进入监听状态，在***设置的规定时间内若收到允许发送帧信息，则执行步骤4；若没有收到允许发送帧信息，则执行步骤3；若在规定时间内收到协作要求帧信息，则执行步骤5； 

步骤3、源节点以翻倍功率继续发送请求发送帧给目的节点后执行步骤2； 

步骤4、源节点向目的节点发送数据帧并执行步骤6； 

步骤5、源节点遂向发送协作要求帧的发送节点发送数据帧，该发送协作要求帧的发送节点将数据帧发送给目的节点； 

步骤6、源节点转入监听状态，等待目的节点协作通信完成； 

所述发送协作要求帧的发送节点为协作节点，所述通信方法中协作节点的通信方法包括以下步骤： 

步骤A、协作节点进入监听状态，当接收到数据帧，且目的地址为自己时，则接收并重新打包转发给目的节点；当接收到控制帧，则计算瞬时的接收信号的强度值； 

步骤B、节点根据协作节点的判定条件验证自己是否有协作转发的资格，若通过则执行步骤C，若不通过则返回步骤A； 

步骤C、协作节点启动计数器，在计数器到达0值之前，节点未接收到协作要求帧或者数据帧则节点即被选择为中继节点，广播协作要求帧，同 时协作节点进入监听状态 。

2.根据权利要求1所述的对抗能量空洞的传感网协作通信方法，其特征在于，所述源节点以翻倍功率继续发送请求发送帧给目的节点中，功率的上限要以无线传感器网络节点参数作为参考设定门限值。 

3.根据权利要求1所述的对抗能量空洞的传感网协作通信方法，其特征在于，计数器的初始值跟请求发送帧和允许发送帧的接收信号的强度值的最小值和节点剩余能量之积成反比。 

4.根据权利要求1所述的对抗能量空洞的传感网协作通信方法，其特征在于，所述通信方法中目的节点的通信方法包括以下步骤： 

步骤S1、目的节点的接收机保持在接收监听状态，只对发给自己的帧做相关处理，丢弃不是发送给自己的帧，并判断接收到的时数据帧还是控制帧，若是数据帧则执行步骤S2，若是控制帧则执行步骤S3； 

步骤S2、接收到数据帧时，保存数据帧，并测算误码率和丢包率，数据包是由协作转发而来还是源节点直接发送过来可以通过数据帧的校验位得到判断； 

步骤S3、目的节点接收到RTS控制帧，则其向源节点发送CTS消息帧,并执行步骤S1，进入监听状态。