CN101594643A - 一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该方法在采用采集时间T段内碰撞丢包率P_col与控制帧阈值C_T之间的比较，来决定是否发送控制帧请求S给无线传感器网络中的目的节点。采用Matlab软件编写出的碰撞-控制帧能量模型Φ(公式如上所示)的对相关量的解析，可以获得均衡点，该均衡点可以作为衡量应用本发明的方法下的能耗节约。由于本发明申请中未考虑空闲和休眠两部分所消耗的能量，故数据传输所消耗的总能量E(公式如上所示)。

Description

一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法

技术领域

本发明涉及一种调节控制帧发送的方法，更特别地说，是指一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该方法应用于无线传感器网络领域中的数据传输。

背景技术

随着无线传感器网络应用的发展，应用开始呈现多样化、综合化，网络中不再只有一种单一的业务，而是多种业务的综合，并且在现在的无线传感器网络中负载呈现时空上的动态变化，如何满足多业务、负载动态变化的应用要求成为目前关注的一个重要方面。同时，由于无线传感器网络一般由大量的传感器节点组成，传感器节点采用电池供电，因此能耗一直是无线传感器网络研究中的重点问题。介质访问控制协议(MAC，Medium Access Control)负责节点对信道的使用，控制着节点的无线通信，而无线通信的能耗最高，因此MAC协议一直是研究中的重点问题。

从MAC层的角度看浪费能量的原因主要有空闲侦听、控制开销、碰撞以及串音。目前大多数MAC协议主要关注于减少节点在空闲侦听、串音、冲突上的能耗，而往往忽略了控制开销的增加。在多模式MAC中，有的通过在发送者和接收者之间调节控制帧交换的方法来平衡冲突与控制帧之间的能量开销。但是这种方法并不能对变化的流量进行自适应调节，而是必须在采用该方法前进行大量的离线实验来决定控制帧的发送。另外，多模式MAC中只单纯的考虑了流量对控制开销的作用。随着无线传感器应用的综合性，网络中不再只是一种业务流量，而是多种业务流量的结合，各种应用对丢包率的要求可能不同，对多种应用的业务流量都采用同样的控制帧策略会损失很多能量。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该方法采用在一个时间段内碰撞丢包率与控制帧阈值之间的大小比较，来决定是否发送控制帧。通过对碰撞-控制帧能量模型的建模，获得了均衡点，该均衡点能够衡量应用本发明的方法的能耗节约。

本发明的一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该流量是指在无线传感器网络中某节点发送和接收数据的总和，所述的发送和接收数据的种类包括有控制帧发送请求S和控制帧接收请求R、应用层数据包CBR，其特征在于包括有下列步骤：

第一步：在采集时间T内记录下发量D_data、收量S_data、控制帧发量D_control、控制帧收量S_control和丢包数D_drop；则在无线传感器网络中节点流量为D_total＝D_data+D_control+S_data+S_control；

第二步：判断在采集时间T内的碰撞丢包率P_col＝D_drop/D_total；

第三步：计算发量平均 $R=\frac{D_{\mathrm{data}}}{T},$ 收量平均率 $\mathrm{\λ}=\frac{S_{\mathrm{data}}}{T};$

第四步：计算控制帧发量平均 $R^{\′}=\frac{D_{\mathrm{control}}}{T},$ 控制帧收量平均 ${\mathrm{\λ}}^{\′}=\frac{S_{\mathrm{control}}}{T};$

第五步：根据应用层数据包CBR的业务类型标志位F来判断所述无线传感器节点当前待发送数据的业务类型，并获得当前业务类型的丢包率值Q_i，i∈{a，b，c}；

所述业务类型中的数据采集a的丢包率值为10％，数据查询b的丢包率值为5％，数据跟踪c的丢包率值为1％；

第六步：根据碰撞-控制帧能量模型 $\mathrm{\Φ}=\frac{2(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}^{\′})L_0}{\mathrm{\λ}(L+L_0)(R+R^{\′})-2\mathrm{\λ}\×L-2{\mathrm{\λ}}^{\′}\×L_0}$ 获得当前业务类型的均衡点值；λ表示收量平均，λ′表示控制帧收量平均，L₀表示控制帧的包长，L表示应用数据包CBR的长度，R表示发量平均，R′表示控制帧发量平均；

第七步：根据控制帧阈值关系C_T＝min[Φ，Q_i]获得当前业务类型的控制帧阈值；

第八步：比较碰撞丢包率P_col与控制帧阈值C_T之间的大小，若P_col≤C_T，则直接发送应用层数据包CBR；若P_col＞C_T，则发送控制帧发送请求S给无线传感器网络中的目的节点；当目的节点接收到该控制帧发送请求S后，回发一个控制帧接收请求R给当前节点，此时当前节点向目的节点发送应用层数据包CBR。

所述的基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，其数据传输所消耗的总能量E＝E_reception+E_control+E_data+E_collision。

本发明的一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法的优点：

1.能量有效。该方法不需要与邻居节点交换信息，可以有效的减少控制帧的发送，从而节约能量。

2.该方法针对多业务无线传感器网络，保证不同传输业务的服务质量。

3.动态适应性。能够适应网络流量负载的动态变化以及环境变化，进行自我调整，以在保证各个传输业务的服务质量情况下尽可能的减少能耗。

具体实施方式

流量是指网络上传输的数据量，也可以称为网络流量。在无线传感器网络中节点流量是指一段时间某节点发送和接收的数据的总和。在本发明中，该发送和接收的数据的种类包括有控制帧发送请求S和控制帧接收请求R、应用层数据包CBR(以Byte为单位)。

在本发明中，业务类型是指数据采集a和数据查询b、数据跟踪c。

在本发明中，在无线传感器网络运行期间，每个无线传感器节点可能处于六种状态：空闲、成功传输应用数据、成功传输控制帧、碰撞、休眠、接收。由于碰撞和控制帧之间的制约关系发生在数据传输中，而在空闲和休眠状态并不发生，因此空闲和休眠对于本专利申请所研究的碰撞与控制帧之间的均衡没有影响，故未考虑空闲和休眠两部分所消耗的能量。

本发明的一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，包括有下列步骤：

第一步：在采集时间T内记录下应用层数据包的发送数量D_data(简称为发量D_data)、应用层数据包的接收数量S_data(简称为收量S_data)、控制帧的发送数量D_control(简称为控制帧发量D_control)、控制帧的接收数量S_control(简称为控制帧收量S_control)和丢包数D_drop；则在无线传感器网络中节点流量为D_total＝D_data+D_control+S_data+S_control；

在本发明中，丢包数D_drop是指在数据发送过程中，碰撞丢掉的应用数据包和控制帧的总和。

第二步：判断在采集时间T内的碰撞丢包率P_col＝D_drop/D_total；

第三步：计算在采集时间T内发量D_data的平均发送速率 $R=\frac{D_{\mathrm{data}}}{T}$ (简称为发量平均 $R=\frac{D_{\mathrm{data}}}{T}$ )，收量S_data的平均到达速率 $\mathrm{\λ}=\frac{S_{\mathrm{data}}}{T}$ (简称为收量平均率 $\mathrm{\λ}=\frac{S_{\mathrm{data}}}{T}$ )；

第四步：计算在采集时间T内控制帧发量D_control的平均发送速率 $R^{\′}=\frac{D_{\mathrm{control}}}{T}$ (简称为控制帧发量平均 $R^{\′}=\frac{D_{\mathrm{control}}}{T}$ )，控制帧收量S_control的平均到达速率 ${\mathrm{\λ}}^{\′}=\frac{S_{\mathrm{control}}}{T}$ (简称为控制帧收量平均 ${\mathrm{\λ}}^{\′}=\frac{S_{\mathrm{control}}}{T}$ )；

第五步：根据应用层数据包CBR的业务类型标志位F来判断所述无线传感器节点当前待发送数据的业务类型，并获得当前业务类型的丢包率值Q_i，i∈{a，b，c}；

在本发明中，业务类型中的数据采集a的丢包率值为10％，数据查询b的丢包率值为5％，数据跟踪c的丢包率值为1％。

第六步：根据碰撞-控制帧能量模型获得当前业务类型的均衡点值在本发明中，碰撞-控制帧能量模型 $\mathrm{\Φ}=\frac{2(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}^{\′})L_0}{\mathrm{\λ}(L+L_0)(R+R^{\′})-2\mathrm{\λ}\×L-2{\mathrm{\λ}}^{\′}\×L_0},$ λ表示收量平均，λ′表示控制帧收量平均，L₀表示控制帧的包长，L表示应用数据包CBR的长度，R表示发量平均，R′表示控制帧发量平均。

第七步：根据控制帧阈值关系获得当前业务类型的控制帧阈值

在本发明中，控制帧阈值关系为C_T＝min[Φ，Q_i]，

第八步：比较碰撞丢包率P_col与控制帧阈值C_T之间的大小，若P_col≤C_T，则直接发送应用层数据包CBR；若P_col＞C_T，则发送控制帧发送请求S给无线传感器网络中的目的节点；当目的节点接收到该控制帧发送请求S后，回发一个控制帧接收请求R给当前节点，此时当前节点向目的节点发送应用层数据包CBR。

在本发明的第六步骤中，发明人采用Matlab软件编写碰撞-控制帧能量模型，在该碰撞-控制帧能量模型中参考碰撞丢包率记为P′_col，发送一个字节所消耗的能量记为E_t，接收一个字节所消耗的能量记为E_r，则数据传输所消耗的总能量为下式：

E＝E_reception+E_control+E_data+E_collision    (1)

E_reception表示接收消耗的能量，E_control表示成功传输控制帧的能量，E_data表示成功传输应用数据的能量，E_collision分表示碰撞的能量。

在自适应使用控制帧的情况下，发送数据包和控制帧的数量分别表示为R×T和R′×T。在这些控制帧中，R′(1-P_col)T是成功传输的控制帧数量。因此成功传输控制帧所消耗的能量为E_control＝R′(1-P_col)T×L₀×E_t，E_t表示发送一个字节所消耗的能量。

在采集时间T内，在保证R′≤R条件下，在使用控制帧发送的数据中成功发送数据的数量为(1-P_col)R′×T，因为控制帧以R′的平均速率进行自适应发送，没有采用控制帧而直接发送数据中成功发送的数量为[R-R′(1-P_col)](1-P_col)T，因此可以得出成功发送应用数据所消耗的能量为：

E_data＝[R-R′(1-P_col)](1-P_col)T×L×E_t+(1-P_col)R′×T×L×E_t。在传输过程中发生碰撞的应用层数据包和控制帧的数量分别为[R-R′(1-P_col)]P_col×T和R′×T×P_col。因此我们得到冲突碰撞损耗的能量为：

E_collision＝[R-R′(1-P_col)]P_col×T×L×E_t+P_col×R′×T×L₀×E_t。

由于发生在接收节点的碰撞已经在发送节点处进行计算，所以接收应用数据所消耗的能量为λ(1-P_col)T×L×E_r，接收控制帧所消耗的能量为λ′(1-P_col)T×L₀×E_r，所以接收所消耗的能量为E_reception＝λ(1-P_col)T×L×E_r+λ′(1-P_col)T×L₀×E_r。在实际的无线传感器节点中，接收功率和发射功率由厂家决定，接收功率与发射功率有一定的关系，可以表示为E_r＝k×E_t，在实际传感器节点中，k取值为1或0.5。当k＝1时，E_r＝E_t，则有E_reception＝λ(1-P_col)T×L×E_t+λ′(1-P_col)T×L₀×E_t。因此本发明采用自适应发送控制帧所消耗的总能量如下式：

E＝E_reception+E_control+E_data+E_collision

＝T×E_t[λ(1-P_col)L+λ′(1-P_col)L₀+R′×L₀+R×L]   (2)

对于一般的控制帧机制，在采集时间T内，每个数据包发送之前都需要进行控制帧握手以建立连接，因此控制帧的发送速率一般大于应用层数据发送率，即R′≥R，控制帧的接收速率与应用数据的接收速率相等，即λ′＝λ。这里为了获取平衡点，发明人对R′＝R和λ′＝λ代入式(2)中得：

E′＝E_reception+E_control+E_data+E_collision

＝T×E_t[λ(1-P′_col)L+λ(1-P′_col)L₀+R×L₀+R×L](3)

利用式(3)减去式(2)获得两种情况下所节省的能量：

ΔE＝E′-E

＝T×E_t[λ(1-P′_col)L+λ(1-P′_col)L₀-λ(1-P_col)L+λ′(1-P_col)L₀+(R-R′)L₀](4)

假设d和d′分别代表采集时间T内自适应控制帧机制下的碰撞丢包数和正常控制帧机制下的碰撞丢包数，显然d′≤d。为了获得平衡点，假定在两种机制下碰撞丢包数相等，因此根据碰撞丢包率的定义有 $P_{\mathrm{col}}=\frac{d}{(R+R^{\′})T}$ 和 $P_{\mathrm{col}}^{\′}=\frac{d}{2\mathrm{RT}}$ 将两式代入(4)中，可得自适应控制帧机制与正常控制帧相比若节省能量，即ΔE≥0，可得：

$P_{\mathrm{col}}\≤\frac{2(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}^{\′})L_0}{\mathrm{\λ}(L+L_0)(R+R^{\′})-2\mathrm{\λ}\×L-2{\mathrm{\λ}}^{\′}\×L_0}---\left(5\right)$

由公式(5)可得到均衡点Φ

$\mathrm{\Φ}=\frac{2(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}^{\′})L_0}{\mathrm{\λ}(L+L_0)(R+R^{\′})-2\mathrm{\λ}\×L-2{\mathrm{\λ}}^{\′}\×L_0}---\left(6\right)$

由以上可知，获得了碰撞-控制帧之间均衡关系模型的一个均衡点。

本发明的一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该方法采用在一个采集时间T段内碰撞丢包率P_col与控制帧阈值C_T之间的比较，来决定是否发送控制帧请求S给无线传感器网络中的目的节点。采用Matlab软件编写出的碰撞-控制帧能量模型 $\mathrm{\Φ}=\frac{2(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}^{\′})L_0}{\mathrm{\λ}(L+L_0)(R+R^{\′})-2\mathrm{\λ}\×L-2{\mathrm{\λ}}^{\′}\×L_0}$ 的对相关量的解析，可以获得均衡点，该均衡点可以作为衡量应用本发明的方法下的能耗节约。由于本发明专利申请中未考虑空闲和休眠两部分所消耗的能量，故数据传输所消耗的总能量E＝E_reception+E_control+E_data+E_collision。

Claims (3)

1、一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该流量是指在无线传感器网络中某节点发送和接收数据的总和，所述的发送和接收数据的种类包括有控制帧发送请求S和控制帧接收请求R、应用层数据包CBR，其特征在于包括有下列步骤：

第一步：在采集时间T内记录下发量D_data、收量S_data、控制帧发量D_control、控制帧收量S_control和丢包数D_drop；则在无线传感器网络中节点流量为D_total＝D_data+D_control+S_data+S_control；

第二步：判断在采集时间T内的碰撞丢包率P_col＝D_drop/D_total；

第三步：计算发量平均 $R=\frac{D_{\mathrm{data}}}{T},$ 收量平均率 $\mathrm{\λ}=\frac{S_{\mathrm{data}}}{T};$

第四步：计算控制帧发量平均 $R^{\′}=\frac{D_{\mathrm{control}}}{T},$ 控制帧收量平均 ${\mathrm{\λ}}^{\′}=\frac{S_{\mathrm{control}}}{T};$

第五步：根据应用层数据包CBR的业务类型标志位F来判断所述无线传感器节点当前待发送数据的业务类型，并获得当前业务类型的丢包率值Q_i，i∈{a，b，c}；

所述业务类型中的数据采集a的丢包率值为10％，数据查询b的丢包率值为5％，数据跟踪c的丢包率值为1％；

第六步：根据碰撞-控制帧能量模型 $\mathrm{\Φ}=\frac{2(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}^{\′})L_0}{\mathrm{\λ}(L+L_0)(R+R^{\′})-2\mathrm{\λ}\×L-2{\mathrm{\λ}}^{\′}\×L_0}$ 获得当前业务类型的均衡点值；λ表示收量平均，λ′表示控制帧收量平均，L₀表示控制帧的包长，L表示应用数据包CBR的长度，R表示发量平均，R′表示控制帧发量平均；

第七步：根据控制帧阈值关系C_T＝min[Φ，Q_i]获得当前业务类型的控制帧阈值；

第八步：比较碰撞丢包率P_col与控制帧阈值C_T之间的大小，若P_col≤C_T，则直接发送应用层数据包CBR；若P_col＞C_T，则发送控制帧发送请求S给无线传感器网络中的目的节点；当目的节点接收到该控制帧发送请求S后，回发一个控制帧接收请求R给当前节点，此时当前节点向目的节点发送应用层数据包CBR。

2、根据权利要求1所述的基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，其特征在于：所述碰撞-控制帧能量模型采用Matlab软件编写。

3、根据权利要求1所述的基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，其特征在于：数据传输所消耗的总能量E＝E_reception+E_control+E_data+E_collision。