CN103096387A - 智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法，包括步骤：分别给无线传感器网络中的每个节点编号并设置相应的初始传输等级信息、初始节点状态信息、初始传输开始时间、初始传输结束时间；每个节点在工作时间内按照时间t1周期性产生数据，且按照数据分级算法将生成的数据依次分配到不同的优先级数据包中；节点根据自己的状态决定对信道的操作；对于信道被数据优先等级标记较低的节点占用情况，当前节点进行核查确认，然后进行冲突处理。当前周期结束后，经睡眠时间，开始新的工作周期。本发明能在传感器节点能量有限的情况下，在恶劣的工作环境中，保证节点收集到的最重要的数据以最短的时延到达根节点，实现简单，效率高。

Description

智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种基于数据分级技术的无线传感器网络的认知传输方法。 

背景技术

随着智能电网技术的发展，对于电气设备的实时监测和控制变得越来越重要。由于电气***的一些设备受到布线、供电电源、安装场所或设备本身的特点所限制，有线的实时监测控制网络难以实现。此时无线的实时监测控制网络的优势就体现了出来，它不需要电缆连接。这意味每个无线传感器终端只需要天线就可以了，节省了大量电缆的费用。而且无线传感器可以更加灵活的布置在需要的地方，可以更靠近测量对象。 

但是，无线传感器也有一些不足的地方。由于没有电缆，无法使用电源供电，只能使用电池供电。这就意味着能量的消耗对于传感器网络来说是很敏感的。在传感器网络的研究中，如何节省能量是一个重要的研究点。一般来说，越是省电的无线传感器传输策略，其信息传输的延迟越大。即信息在网络中传输的速度和无线传感器网络节点的能耗是一个交换。同时，对于实时监测的传感器网络来说，由于监测的数据种类复杂，不同的数据是有不同的重要程度的。这就是说不同的数据对于延时的敏感程度是不一样的，有的数据比较紧急，需要尽快的传输到接收节点，而有的数据对实效性不太敏感，容许较大的传输延时。另一方面，由于传感器网络用于智能电网尤其是远程错误诊断的作用是监测设备的运行状况，它们在大多数时间收集到的数据其实都是比较正常的数据，从整个网络的角度来看实际上传感器收集到的信息有很大的冗余度。这些冗余的数据如果都被传送到接收节点，实际上只是浪费传感器的能量而已。而且，冗余的数据往往是那些不重要的数据，它们对延迟没有很高的要求。 

发明内容

在数据传输的过程中，如果可以通过认知数据的冗余度，探测数据的重要程度，进行认知的传输，既可以减少传输的数据量，又可以在不增加甚至减少能量消耗的前提下，增加重要信息的传输速度。 

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤： 

第一步，分别给无线传感器网络中的每个节点编号并设置每个节点相应的初始传输等级信息、初始节点状态信息、初始传输开始时间、以及初始传输结束时间。 

所述的初始传输等级，是：默认设置初始等待传输的数据来自最高优先级的堆栈。 

所述的传输开始时间，是：当前工作时间。 

所述的传输结束时间，是：当前工作时间。 

第二步，节点以时间T为周期，在周期T内工作时间为t，睡眠时间设置为(T-t)。每个节点在工作时间内按照时间t1周期性地产生数据，并且按照数据分级算法将生成的数据依次分配到不同的优先级数据包中。 

所述的优先级数据包，包括：0，1，...，k个等级，其中0等级的数据具有最高的重要性，其他依次次之。 

第三步，传感器节点根据自己的状态(空闲状态、有待发数据状态、Tx状态、Rx状态)决定对信道的操作。 

所述的Tx状态，其表示传感器节点当前处于发送数据阶段； 

所述的Rx状态，其表示传感器节点当前处于接收数据状态； 

所述的空闲状态，其表示在节点工作时间内，反复查找优先级数据等级包，查看高优先级的数据包是否有数据，若0级没有数据，则往下查找1级、2级等等，直到查找到数据为止； 

对待需要传输的数据，节点在其传输半径范围内查看其他节点的状态，得到信道的当前状态，并进行下一步工作； 

所述的传感器节点传输半径是指：根据生成的节点拓扑，设置传感器节点可以传输的半径范围，在半径范围内，如果存在除节点本身之外的其他传感器节点，则这个节点可以和其他的节点进行数据传输，并且所有的传输过程通过同一个信道进行。同时其他节点在进行数据传输的时候，其传输过程会对传感器节点的传输造成干扰。 

节点侦听范围内信道可能的状态包括空闲、有高优先级数据传输、有同优先级数据传输、有低优先级数据传输： 

信道空闲状态，其表示信道没有被其他节点占用。当前节点经过一个很短的随机事件再次核查信道，如果信道仍然空闲，则进行数据传输； 

有高优先级数据传输状态，传感器节点的传输半径范围内其他节点处于传输或者接收数据的状态，并且传输或者接收的数据的等级标记高于当前要传输的数据，则返回第三步； 

有同优先级数据传输状态，传感器节点的传输半径范围内其他节点处于传输或者接收数据的状态，并且传输或者接收的数据的等级标记和当前要传输的数据优先等级相同，则返回第三步； 

有低优先级数据传输，传感器节点的传输半径范围内其他节点处于传输或者接受数据的状态，并且传输或者接收的数据的等级标记全部低于当前要传输的数据，则进入到第四步。 

第四步，对于信道被数据优先等级标记较低的节点占用情况，当前节点进行核查确认。核查之后信道还是这个情况，就进行冲突处理。 

上述冲突处理过程，包括以下步骤： 

步骤(1)：若当前节点的状态为Tx状态，表示当前节点是传输节点。则等待传输的节点首先通过信令信道发送RFC(request for the channel)给当前节点。当前正在传输数据的节点通过自己的信令交互信道收到RFC之后，将正在传输的数据包发送完毕，随即通过自己的信令信道发送SAF(stop after the frame)给它的下一跳。下一跳节点通过自己的信令交互信道接收到SAF之后，首先完成数据传输信道上正在接收的当前数据包，之后通过信令信道发送NOTIFICATION应答给当前节点。当前节点接收到来自下一跳的NOTIFICATION应答，随即通过信令信道发送另一个NOTIFICATION应答给等待传输数据的打断节点； 

步骤(2)：若当前节点的状态为RX状态，表示当前节点是接收节点。则等待传输的节点通过信令信道发送RFC(request for the channel)给当前节点。当前节点收到这个信令之后立即通过信令信道将其转发给它的上一跳节点，上一跳节点收到此信令之后立即发送SAF给当前的接收节点，待当前数据包发送完成之后，上一跳节点通过信令信道发送NOTIFICATION应答给当前的接收节点。当前接收数据的节点完成当前数据包在数据传输信道的传输之后，随即通过信令信道发送NOTIFICATION应答给等待传输数据的打断节点； 

步骤(3)当前节点和它的下一跳(或者上一跳)节点进行数据和状态结算工作，然后让出信道给等待传输的节点。 

步骤(4)等待传输的节点收到正在占用信道的节点通过信令信道发送的NOTIFICATION应答之后，进行正常的数据传输。 

第五步，当前周期结束后，经过相当长的睡眠时间，返回第二步，开始新的工作周期。 

优选地，所述的数据和状态结算工作包括以下步骤： 

步骤(31)将当前节点和它的下一跳或者上一跳节点的状态更改为0； 

步骤(32)计算当前节点的已发送数据数量，然后在当前节点和它的下一跳(或者上一跳)节点相应的优先级数据堆栈中加减相应的数据数量； 

步骤(33)将当前节点和它的下一跳或者上一跳节点的接受和发送时间更改为当前时间。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(i)节点工作时间远小于节点的睡眠时间，节省传感器能量损耗；(ii)重要性高的数据以最快的速度到达根节点；(iii)不重要的数据经过相当长的时间也能全部到达根节点，确保数据完整性；(iv)基于分级的数据进行传输，最终本发明的复杂度低，器件要求简单，传输效果明显。 

附图说明

图1是整体数据传输流程图a。 

图2是整体数据传输流程图b。 

图3是信道冲突处理流程图。 

图4冲突处理的信令交互图a。 

图5冲突处理的信令交互图b。 

图6仿真周期为10，传输速率为2000比特/秒时实施例的对于不同优先等级数据的平均传输时延示意图。 

图7仿真周期为10，传输速率为2000比特/秒时实施例的对于不同优先等级，不同传输跳数数据的平均传输时延示意图。 

图8仿真周期为10，传输速率为2000比特/秒时实施例的对于根节点的不同数据等级堆栈里的数据增长趋势示意图。 

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提在进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

本实施例的无线传感器网络环境参数如下：传输半径30米，节点个数为200个，场景大小为200米×200米，仿真时间为1000秒。 

如图1所示，本实施例包括以下步骤： 

第一步，分别给无线传感器网络中的每个节点编号并设置每个节点相应的初始传输等级信息、初始节点状态信息、初始传输开始时间、以及初始传输结束时间。 

所述的初始传输等级信息，是-1。 

所述的初始节点状态信息，是-1。 

所述的初始传输开始时间，是0。 

所述的初始传输结束时间，是0。 

第二步，节点以时间T为周期，在周期T内工作时间为t，睡眠时间设置为(T-t)。每个节点在工作时间内按照时间t1周期性地产生数据，并且按照数据优先级分级算法将生成的数据依次分配到不同的优先级数据包中。 

所述的优先级数据包，包括：0，1，...，k个等级，其中0等级的数据具有最高的重要性，其他依次次之。 

本实施例中场景设置为200米×200米的正方形区域，200个节点按照随机位置坐标信息 分布在场景平面上，其实选定sink节点的位置坐标位于场景中心，坐标矢量是(100，100)。 

本实施例中的节点工作周期优选地为50秒，工作时间为10秒，睡眠时间设置为40秒，每个节点生成数据的周期为5秒。 

第三步，传感器节点(Sensor节点)节点根据自己的工作状态(包括空闲状态、有待发数据状态、Tx状态、Rx状态)决定对信道的操作。 

所述的Tx状态，其表示传感器节点当前处于发送数据阶段； 

所述的Rx状态，其表示传感器节点当前处于接收数据状态； 

所述的空闲状态，在节点工作时间内，反复查找优先级数据等级包，查看高优先级的数据包是否有数据，若0级没有数据，则往下查找1级、2级等等，直到查找到数据为止； 

对待需要传输的数据，节点在其传输半径范围内查看其他节点的状态，得到信道的当前状态； 

所述的传感器节点传输半径是指：根据生成的节点拓扑，设置传感器节点可以传输的半径范围，在半径范围内，如果存在除节点本身之外的其他传感器节点，则这个节点可以和其他的节点进行数据传输，并且所有的传输过程通过同一个信道进行。同时其他节点在进行数据传输的时候，其传输过程会对sensor节点的传输造成干扰。 

本实例中传感器节点的传输半径大小优选地设置为30米。 

节点侦听范围内信道可能的状态包括信道空闲状态、有高优先级数据传输状态、有同优先级数据传输状态、有低优先级数据传输状态： 

信道空闲状态，其表示信道没有被其他节点占用。当前节点经过一个很短的随机事件再次核查信道，如果信道仍然空闲，则进行数据传输：首先设置当前节点和下一跳节点的传输状态标记、传输等级标记、传输开始时间以及传输结束时间，然后经过预计的传输时间以后进行对应节点的数据结算。否则返回到第三步； 

其中：当前传输节点的传输状态标记为1，下一跳节点的传输状态标记为2，当前节点和下一跳节点的开始时间标记为当前时间t1，结束时间标记为当前时间加上数据传输的时间。 

有高优先级数据传输状态，传感器节点传输半径范围内其他节点处于传输或者接收数据的状态，并且传输或者接收的数据的优先级等级标记高于当前要传输的数据，则返回第三步； 

有同优先级数据传输状态，传感器节点传输半径范围内其他节点处于传输或者接收数据的状态，并且传输或者接收的数据的优先级等级标记和当前要传输的数据优先等级相同，则返回第三步； 

有低优先级数据传输状态，传感器节点传输半径范围内其他节点处于传输或者接受数据的状态，并且传输或者接收的数据的优先级等级标记全部低于当前要传输的数据，则进入到 第四步。 

第四步，在传感器节点传输半径范围内，对于信道被数据优先级等级标记较低的节点占用情况，当前节点进行核查确认。核查之后信道还是这个情况，就进行冲突处理。 

其中，所述的传感器节点的传输半径是指：根据生成的节点拓扑，设置传感器节点可以传输的半径范围，在半径范围内，如果存在除这个节点本身之外的其他传感器节点，则这个节点可以和其他的节点进行数据传输，并且所有的传输过程通过同一个信道进行。 

如图2所示，所述冲突处理过程，包括以下步骤： 

步骤(1)：若当前节点的状态为Tx状态，表示当前节点是传输节点。则等待传输的节点首先通过信令信道发送RFC(request for the channel)给当前节点。当前正在传输数据的节点通过自己的信令交互信道收到RFC之后，将正在传输的数据包发送完毕，随即通过自己的信令信道发送SAF(stop after the frame)给它的下一跳。下一跳节点通过自己的信令交互信道接收到SAF之后，首先完成数据传输信道上正在接收的当前数据包，之后通过信令信道发送NOTIFICATION应答给当前节点。当前节点接收到来自下一跳的NOTIFICATION应答，随即通过信令信道发送另一个NOTIFICATION应答给等待传输数据的打断节点，如图2所示； 

步骤(2)：若当前节点的状态为Rx状态，表示当前节点是接收节点。则等待传输的节点通过信令信道发送RFC(request for the channel)给当前节点。当前节点收到这个信令之后立即通过信令信道将其转发给它的上一跳节点，上一跳节点收到此信令之后立即发送SAF给当前的接收节点，待当前数据包发送完成之后，上一跳节点通过信令信道发送NOTIFICATION应答给当前的接收节点。当前接收数据的节点完成当前数据包在数据传输信道的传输之后，随即通过信令信道发送NOTIFICATION应答给等待传输数据的打断节点，如图3所示； 

步骤(3)当前节点和它的下一跳(或者上一跳)节点进行数据和状态结算工作，然后让出信道给等待传输的节点。 

步骤(4)等待传输的节点收到正在占用信道的节点通过信令信道发送的NOTIFICATION应答之后，进行正常的数据传输。 

所述的数据和状态的结算工作包括以下步骤： 

步骤(31)将当前节点和它的下一跳(或者上一跳)节点的状态更改为0； 

步骤(32)计算当前节点的已发送数据数量，然后在当前节点和它的下一跳(或者上一跳)节点相应的优先级数据堆栈中加减相应的数据数量； 

步骤(33)将当前节点和它的下一跳(或者上一跳)节点的接受和发送时间更改为当前时间。 

第五步，当前周期结束后，经过40秒的睡眠时间，返回第二步，开始新的工作周期。 

如图6所示，在仿真实例中处于优先等级高的数据，以非常短的时延就到达了sink节点，且0优先级和1优先级的数据所用的时延和其他三个优先级的数据所用的时延相比有明显的优势。 

如图7所示，在仿真实例中，经过相同跳数到达sink节点但是处于不同优先等级的数据，也是优先等级越高的数据，到达sink节点所需要的时间越短。 

如图8所示，sink节点上按照不同的优先等级划分的数据堆栈中，不同优先等级的数据堆栈里面接收到的数据随着时间的增长趋势也不相同。其中，处于高优先等级的数据堆栈，里面的数据增长速率明显大于较低优先等级的数据堆栈里面的数据增长趋势，而且等级越高，随着时间的增长，数据的增长速率越快，表明高优先等级的数据到达sink节点所需的时间越短。 

由上述图6、图7、图8可知：本实施例方法能够使得经过优先等级划分后，处于高优先等级的数据，以更短的时延，更快地到达sink节点，而且优先等级越高，数据越重要，则到达sink节点所需的时间越短。 

Claims (9)

1.一种智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法，其特征在于，

包括以下步骤：

第一步，分别给无线传感器网络中的每个节点编号并设置每个节点相应的初始传输等级信息、初始节点状态信息、初始传输开始时间、以及初始传输结束时间；

第二步，节点以时间T为周期，在周期T内工作时间为t，睡眠时间设置为(T-t)，其中，每个节点在工作时间t内按照时间t1周期性地产生数据，并且按照数据分级算法将生成的数据依次分配到不同的优先级数据包中；

第三步，传感器节点根据自己的状态决定对信道的操作，其中，传感器节点的状态包括如下状态：

有待发数据状态；

Tx状态，其表示传感器节点当前处于发送数据阶段；

Rx状态，其表示传感器节点当前处于接收数据状态；

空闲状态，其表示在节点工作时间t内，反复查找优先级数据等级包，查看高优先级的数据包是否有数据，若最高优先级的数据包中没有数据，则往下依次查找次优先级的数据包中是否有数据，直到查找到数据为止；

其中，对待需要传输的数据，节点在其传输半径范围内查看其他节点的状态，得到信道的当前状态，并进行下一步工作；

第四步，对于信道被数据优先等级标记较低的节点占用情况，当前节点进行核查确认；核查之后信道还是这个情况，就进行冲突处理；

第五步，当前周期结束后，经过睡眠时间(T-t)，返回第二步，开始新的工作周期。

2.根据权利要求1所述的智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法，其特征在于，第一步中所述的初始传输等级信息，是：默认设置初始等待传输的数据来自最高优先级的堆栈。

3.根据权利要求1所述的智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法，其特征在于，第一步中所述的初始传输开始时间，是：当前工作时间。

4.根据权利要求1所述的智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法，其特征在于，第一步中所述的初始传输结束时间，是：当前工作时间。

5.根据权利要求1所述的智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法，其特征在于，第二步所述的优先级数据包，包括：0，1，...，k个等级，其中0等级的数据具有最高的重要性，其他 依次次之。

6.根据权利要求1所述的智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法，其特征在于，第三步所述的信道的当前状态包括信道空闲状态、有高优先级数据传输状态、有同优先级数据传输状态、有低优先级数据传输状态：

信道空闲状态，其表示信道没有被其他节点占用。当前节点经过一个很短的随机事件再次核查信道，如果信道仍然空闲，则进行数据传输；

有高优先级数据传输状态，传感器节点的传输半径范围内其他节点处于传输或者接收数据的状态，并且传输或者接收的数据的等级标记高于当前要传输的数据，则等待高优先等级的节点传输，同时查找自己的优先等级堆栈，看是否存在更高等级的数据需要进行传输；

有同优先级数据传输状态，传感器节点的传输半径范围内其他节点处于传输或者接收数据的状态，并且传输或者接收的数据的等级标记和当前要传输的数据优先等级相同，则等待同优先等级的节点传输，同时查找自己的优先等级堆栈，看是否存在更高等级的数据需要进行传输；

有低优先级数据传输状态，传感器节点的传输半径范围内其他节点处于传输或者接受数据的状态，并且传输或者接收的数据的等级标记全部低于当前要传输的数据，则进入到冲突管理流程。

7.根据权利要求6所述的智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法，其特征在于，所述的传感器节点的传输半径是指：根据生成的节点拓扑，设置传感器节点可以传输的半径范围，在半径范围内，如果存在除这个节点本身之外的其他传感器节点，则这个节点可以和其他的节点进行数据传输，并且所有的传输过程通过同一个信道进行。

8.根据权利要求1所述的智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法，其特征在于，第四步中所述冲突处理过程，包括以下步骤：

步骤(1)：若当前节点的状态为Tx状态，表示当前节点是传输节点；则等待传输的节点首先通过信令信道发送RFC给当前节点；当前正在传输数据的节点通过自己的信令交互信道收到RFC之后，将正在传输的数据包发送完毕，随即通过自己的信令信道发送SAF给它的下一跳；下一跳节点通过自己的信令交互信道接收到SAF之后，首先完成数据传输信道上正在接收的当前数据包，之后通过信令信道发送NOTIFICATION应答给当前节点；当前节点接收到来自下一跳的NOTIFICATION应答，随即通过信令信道发送另一个NOTIFICATION应答给等待传输数据的打断节点； 

步骤(2)：若当前节点的状态为RX状态，表示当前节点是接收节点。则等待传输的节点通过信令信道发送RFC给当前节点。当前节点收到这个信令之后立即通过信令信道将其转发给它的上一跳节点，上一跳节点收到此信令之后立即发送SAF给当前的接收节点，待当前数据包发送完成之后，上一跳节点通过信令信道发送NOTIFICATION应答给当前的接收节点；当前接收数据的节点完成当前数据包在数据传输信道的传输之后，随即通过信令信道发送NOTIFICATION应答给等待传输数据的打断节点；

步骤(3)当前节点和它的下一跳或者上一跳节点进行数据和状态结算工作，然后让出信道给等待传输的节点；

步骤(4)等待传输的节点收到正在占用信道的节点通过信令信道发送的NOTIFICATION应答之后，进行正常的数据传输。

9.根据权利要求8所述的智能电网中基于数据优先分级的认知传输方法，其特征在于，所述的数据和状态结算工作包括以下步骤：

步骤(31)将当前节点和它的下一跳或者上一跳节点的状态更改为0；

步骤(32)计算当前节点的已发送数据数量，然后在当前节点和它的下一跳(或者上一跳)节点相应的优先级数据堆栈中加减相应的数据数量；

步骤(33)将当前节点和它的下一跳或者上一跳节点的接受和发送时间更改为当前时间。 

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