CN101662798A

CN101662798A - 无线传感器网络低功耗邀请重传方法及其装置

Info

Publication number: CN101662798A
Application number: CN200910093049A
Authority: CN
Inventors: 万亚东; 王沁; 张晓彤; 许娜
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power Research Institute Co Ltd; University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2029-09-22
Also published as: CN101662798B

Abstract

本发明公开了一种数据重传的方法及其装置。当正常发送时段和固定重传时段都结束后，协调器将根据数据帧的接收情况，产生邀请重传帧；邀请重传帧包含描述数据帧接收情况的比特图，以及协调器制定的设备节点重传数据帧的时隙分配；若设备节点从来没有收到过确认帧，在接收到邀请重传帧后，将首先检查比特图，确定自己发送的数据帧是否已被协调器接收到，如果仍然是没有，设备节点依据协调器分配给自己的邀请重传时隙，重新传送数据帧。本发明还公开了邀请重传帧的基本帧格式、比特图的表示方法，以及网络装置。本发明采用邀请重传方式，重传失败的数据帧，节省了设备节点的能量开销，提高了系统的重传效率。

Description

无线传感器网络低功耗邀请重传方法及其装置

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及数据的重传方法以及在重传过程中降低系统的功耗的方法。

背景技术

传感器技术、微电子技术、网络和无线通信等技术的进步，推动了具有现代意义的无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。

在无线传感器网络的应用中，用户对监测数据的可靠性和传输时间的要求越来越高，当数据接收方接收不到数据或接收到的数据不正确时，需要数据的发送方对出错的数据进行重传。

无线传感器网络中的数据确认机制(ACK)如图1所示，其基本过程是：发送方在发送完数据帧后，转入接收等待状态，等待由数据帧的接收方回复的确认帧。等待确认帧的过程需要持续一段时间。在此其间，若发送方接收到确认帧，表明数据帧传输成功，通信过程结束。若发送方在规定的等待时间段内没有收到确认帧，则认为数据帧传输失败，发送方将重新传送数据帧，而后照例等待确认帧。此过程不断重复，直至发送方接收到来自接收方的确认帧为止。在无线传感器网络的应用中，星型拓扑结构是最常见的一种。协调器和设备节点往往具有的不同物理特性，它们对各种帧的传送能力也不尽相同，因而上下行信道的传输可靠性存在差异。一旦设备节点接收不到协调器发来的确认帧，

很难判断到底是数据帧传输失败，还是确认帧传输失败。以往的重传技术

对这两种情况并不加以区分，一律重新传输数据帧。从重传的目的来看，如果只是确认帧传输失败，而数据帧的传输没有出错，协调器也收到了设备节点发送的数据帧，那么，数据重传就是没有必要的，完全可以取消。本发明正是为了解决这一问题而产生的。

2003-4-16公开的专利：CN1411244，题目：《在高速媒体接入控制层实现数据重传的方法》，发明人：池振涛。该发明公开了一种在高速媒体接入控制层(MAC-HS)实现PDU数据重传的方法。是在MAC-HS层中建立重传PDU数据队列，用于存放在物理层(PHY)采用混合自动重传请求(HARQ)仍未能传输成功的TTI数据块所对应的PDU数据；在MAC-HS层中增加PDU数据重传调度，与PHY层重传调度一起对重传PDU数据和PHY层存放的传输不成功但未超过HARQ最大重传次数的TTI数据块实现调度。PHY传输失败且超过HARQ最大重传次数的TTI数据块所对应的PDU数据包，返回并存入MAC-HS层的重传PDU数据队列；MAC-HS层优先调度重传PDU数据队列中的PDU数据，在PHY层按照新的信道状况调制编码发送。减小了数据重传的时间延迟，增强了对信道状况的适应性能，提高了重传的可靠性，从而提高了系统的数据传输速度和吞吐能力。

2006-7-12公开的专利：CN1801687，题目：《一种基于非应答机制的数据帧重传方法和系统》，发明人：刘珏君；卢建民；张道中。该发明提供一种基于非应答机制的数据帧重传方法和系统，其方法和系统的核心均为：无线接入终端确定出现基于非应答机制的被误帧，无线接入终端将该被误帧所在载波链路中已正确接收的数据帧的标识信息传输至网络侧，网络侧根据其接收的标识信息确定需要进行数据重传的数据帧，并进行数据帧重传。本发明大大简化了无线接入终端检测被误帧的处理过程，简化了无线接入终端与网络侧传输的消息内容，使NAK控制消息的长度减小；从而实现了提高无线接入终端对被误帧的响应速度、提高数据帧重传效率、提高多载波D0系统中有效数据传输效率的目的。

2007-9-26公开的专利：CN101043296，题目：《请求重传数据的方法、数据重传方法和数据传输系统》，发明人：郑平方；刘容科；戚达平。该发明涉及数据重传技术，公开请求重传数据的方法，包括：接收发送机发送来的数据报，获取该数据报的净荷和报头；若所述数据报的净荷中包含有错误字节，且报头正确，则对所述错误字节的位置进行标记，从该数据报的报头中获取该数据报中编码符号的ESI及所属源模块的SBN，并将该数据报的净荷分为至少两个分段；根据已标记的错误字节的位置在所述至少两个分段中获取错误字节所在的分段；生成文件修复请求消息，所述消息中携带有所述错误字节所在分段的标记信息、以及所述ESI和SBN；向所述发送机发送所述文件修复请求消息。本发明还公开数据重传方法、发送机、接收机和数据传输系统。本发明实施例可以降低数据重传所占用的网络资源。

2009-2-18公开的专利：CN101369879，题目：《一种请求数据重传的方法及装置》，发明人：邵飞。该发明公开了一种请求数据重传的方法，首先，接收由发送端发送的PDU和/或PDU分段；然后，根据数据接收状况，向所述发送端返回状态PDU，所述状态PDU包括一个或多个接收数据的信息，所述信息中包括长度至少为两位的扩展字段E，用于标识数据的信息组合。本发明还公开了一种数据接收端，包括数据接收单元、检测单元和状态PDU生成单元。本发明通过一个携带多个数据的信息状态PDU，重传多个数据，节省了状态PDU的开销，提高了系统的重传效率。

本发明采用邀请重传机制，只有数据帧传输失败的设备节点才需要重新传送数据帧。本发明克服了依靠协调器发送的确认帧判断数据帧发送是否成功的弊端，避免了由于确认帧本身传输失败而引起的不必要的数据帧重传。本发明提出的邀请重传方法实现简单，可靠性强，能有效降低设备能量消耗，并提高信道和时隙的利用率，非常适合无线传感器网络中的数据传输。

发明内容

本发明的目的是设计一种新型的数据重传方法及其装置，避免由于数据确认信息失败而导致的重传，提高数据重传的效率，节约设备的能量消耗，提高信道和时隙的利用率。

为达到上述目的，在本发明中，由协调器来判断是否需要数据重传。众所周知，协调器是数据帧的接收方，接收方对传输是否成功的判断才是最直接最准确的。

本发明设计的重传方法包括以下步骤：首先，在无线传感器网络中建立星型拓扑结构，协调器负责配置各个设备节点的接收和发送状态；在正常发送时段，各个设备节点向协调器发送数据帧，之后等待接收确认帧；正常发送时段结束后，没有收到确认帧的设备节点将在固定重传时段重新传送数据帧，并等待确认帧；固定重传时段结束，协调器根据数据帧的接收情况，产生邀请重传帧；邀请重传帧包含描述数据帧接收情况的比特图，以及协调器制定的设备节点重传数据帧的时隙分配，邀请重传帧以广播帧形式被发送；设备节点在接收到来自协调器的邀请重传帧后，首先检查比特图，确定自己发送的数据帧是否已被协调器接收到，如果没有，设备节点查找协调器分配给自己的邀请重传时隙；被邀请重传的设备节点在协调器规定的重传时隙中重新传送数据帧。如果设备节点在邀请重传时间段内仍然没有收到确认帧，它将在下一个通信周期的竞争时段重新发送数据帧。

本发明提供了一种新的帧类型，邀请重传帧。邀请重传帧主要包括数据帧接收情况比特图和邀请重传时隙分配。邀请重传时隙分配由若干组重传时隙构成。重传时隙主要包括4个字段：设备节点地址、重传开始时隙、重传时隙长度和重传频道。其中设备节点地址、重传开始时隙和重传时隙长度在某些具体应用中可以省略。如果某个设备节点在接收到的广播邀请重传帧中发现自己发送的数据帧没有被协调器接收到，表明这个设备节点已被协调器邀请重传，它需要在协调器指定的时隙重传数据帧。在重传过程中，协调器给各个设备节点分配了严格的重传时隙，避免数据冲突，以保证传输的可靠性。

本发明定义了实现协调器与设备之间邀请重传的交互原语。与邀请重传相关的原语由上层产生。设备MAC层管理实体(MLME，MAC Sublayer ManagementEntity)提供了MLME-SAP管理服务访问点。本发明定义的与邀请重传相关的4条原语分别是：(1)邀请重传请求原语(MLME-RETRY.request)，用于协调器高层通知协调器MAC子层发送邀请重传帧；邀请重传帧发送确认原语(MLME-RETRY.confirm)，用于协调器MAC子层通知协调器高层邀请重传帧已经被发送；邀请重传帧接收原语(MLME-RETRY.receive)，用于设备MAC子层通知设备高层接收到协调器发送的邀请重传帧；是否重传告知原语(MLME-RETRY.indication)，用于设备高层通知设备MAC子层是否重新发送数据帧。

本发明设计了支持邀请重传协议的物理装置。邀请重传协议单元位于装置的处理器模块中。

上述发明的优点在于：提高了判断是否需要数据重传的准确性，避免了由于确认信息传输失败而导致的不必要的数据重传。假设协调器与设备节点之间上下行信道的误码率相同，本发明判断数据重传的准确性将提高一倍。提高判断是否需要重传的准确性带来的一个直接好处就是减少的数据重传的次数。数据重传的次数减少了，节点的能量消耗也就降低了。

附图说明

图1是数据确认传输的基本过程示意图；

图2是具有星型拓扑结构的无线传感器网络示意图；

图3是邀请重传方法在协调器端的流程图；

图4是邀请重传方法在设备端的流程图；

图5是邀请重传方法的基本过程示意图；

图6是邀请重传帧中的数据接收情况比特图；

图7是邀请重传帧的基本格式；

图8是邀请重传过程的消息流程图；

图9是本发明设计的装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实例，对本发明的实现进行详细描述。

图1是数据确认传输的基本过程。发送方发出数据帧，接收方在接收到数据之后，给发送方回复一个确认帧。在无线传感器网络中，发送确认帧的过程可以在接收数据帧的时隙中完成，而无需再次申请时隙。

本发明的描述实例是基于图2所示的星型拓扑结构，这是整个无线传感器网络的一个局部抽象。位于图2中央的是协调器，其周围有4个设备节点。它们的编号分别是1、2、3、4。协调器与其周围可以和它直接进行通信的若干个个设备节点构成了一个簇(簇中设备节点的编号是唯一的)。簇内数据通信，即指协调器与其设备节点之间的通信。

图3是邀请重传方法在协调器端的流程图。图4是邀请重传方法在设备端的流程图。图5是通信过程的一个实例。一个通信周期可以分为簇内通信时间段和簇间通信时间段。簇内通信时间段分为竞争通信时间段和非竞争通信时间段。非竞争时间段又分为正常传输时间段和重传时间段。其中，重传时间段分为固定重传时间段和邀请重传时间段。

在簇内数据通信算法中，定义basic-slot(基本时隙)为一个基本通信单位，每个basic-slot完成一次数据发送和ACK(确认帧)接收。每个簇内节点将数据发送到簇头(协调器)的时间被定义为node-slot，node-slot包括m个basic-slot，即每个节点有m次传输机会，m的大小由系统根据网络环境确定。m次传输机会可以是连续的，也可以是不连续的。时隙的调度以basic-slot为单位。

对于一个设备节点，如果第一次数据传输失败了，它还可以进行i次固定重传，如果第j次(i＜＝j＜＝m)数据传输也失败之后，节点还可以进行邀请重传。该设备节点将在簇内第一个重传时隙被唤醒，侦听簇头发出的REQ(邀请重传帧)广播信息，这个广播帧中包含了簇头是否收到每个节点发送的数据帧的信息(图6是数据接收情况比特图，它是对数据帧被接收情况的表示)，以及簇头为传输失败的设备节点分配的重传时隙和频道。图7是邀请重传帧的格式。

若一个节点在正常传输时间段和固定重传时间段都没有收到ACK帧，那么，如果该节点接收到REQ广播帧，进过解析发现簇头事实上已经收到了该节点的数据，可以断定是ACK在传输过程中出错了，节点将进入休眠，不再重传数据；否则，节点设备必须按照邀请重传帧中分配的时隙和频道进行数据重传。如果传输仍然收不到ACK确认，这个数据将在下一个通信周期的CAP(竞争传输)时间段进行重传。直至收到ACK确认，传输过程完成。

造成网络丢包的主要原因有传输干扰，节点失效，软件延迟等，我们在工业现场统计了协调器收到的节点数据帧情况，在20天的统计结果中，丢包率最差为95.5％，主要是传输干扰造成的。网络中的1次突发干扰较多，可以通过ARQ重传解决，2次以上(包括2次)突发干扰较少，3次重传可以克服绝大部分的传输失效。由统计数据可知，在丢包率＜25％的情况下，3次重传可以解决大部分丢包，丢包率越小，连续丢包中3次以上的情况也越少。

本发明定义了实现协调器与设备之间邀请重传的交互原语。图8展示了邀请重传过程的消息流程。当协调器的MAC子层收到设备的数据帧时，将调用MLME-DATA.receive原语通知上层，其中参数为设备的数据信息。上层在接收到该原语后，通过调用MAC子层的MLME-DATA.response原语告知对数据信息的接收结果。MAC子层在收到接收结果后，判断是否向设备发送确认帧。固定重传时间段结束后，协调器上层调用MLME-RETRY.request原语通知MAC子层发送邀请重传帧，其中参数为比特图和协调器制定的重传时隙安排。MAC子层根据MLME-RETRY.request原语中的参数组织并发送邀请重传帧。MAC子层还需调用MLME-RETRY.confirm通知上层，邀请重传帧已经被发送。设备的MAC子层接收到邀请重传帧，将调用MLME-RETRY.receive原语通知上层。设备上层判断本设备是否需要重新发送数据帧，并调用MLME-RETRY.indication原语。MLME-RETRY.indication原语通知设备的MAC子层是否重发数据帧。本发明设计了支持邀请重传协议的物理装置。如图9所示，装置的组成包括：处理器模块、传感模块、存储模块和能量模块。其中，邀请重传协议单元位于装置的处理器模块中。协调器和设备节点的邀请重传协议单元的内容有所不同。协调器中的邀请重传协议单元偏重于对时隙的分配，设备节点中的邀请重传协议单元偏重于对是否需要重新传送数据帧的判断。

Claims

1、一种无线传感器网络低功耗邀请重传方法，其特征在于包含如下步骤：首先，在无线传感器网络中建立星型拓扑结构，协调器(簇头)负责配置各个设备节点的接收和发送状态；在正常发送时段，各个设备节点向协调器发送数据帧，之后等待接收确认帧；正常发送时段结束后，没有收到确认帧的设备节点将在固定重传时段重新传送数据帧，并等待确认帧；固定重传时段结束，协调器根据数据帧的接收情况，产生邀请重传帧；邀请重传帧包含描述数据帧接收情况的比特图，以及协调器制定的设备节点重传数据帧的时隙分配，邀请重传帧以广播帧形式被发送；设备节点在接收到来自协调器的邀请重传帧后，首先检查比特图，确定自己发送的数据帧是否已被协调器接收到，如果没有，设备节点查找协调器分配给自己的邀请重传时隙；被邀请重传的设备节点在协调器规定的重传时隙中重新传送数据帧。如果设备节点在邀请重传时间段内仍然没有收到确认帧，它将在下一个通信周期的竞争时段重新发送数据帧。

2、如权利要求1所述的数据重传方法，其特征在于，协调器与设备节点的通信时间被划分为正常通信时间段、固定重传时间段和邀请重传时间段。

3、如权利要求1所述的数据重传方法，其特征在于，设备节点可以根据协调器发出的邀请重传帧，在协调器规定的时隙中重传数据帧。

4、如权利要求1所述的数据重传方法，其特征在于，邀请重传帧的结构中包含一个比特图，其中，用有序排列的比特位来标志协调器是否接收到某个设备节点发送的数据帧。

5、如权利要求1所述的数据重传方法，其特征在于，邀请重传帧的结构中包含协调器对设备节点何时开始重传数据帧的时间安排。

6、如权利要求1所述的数据重传方法，其特征在于，本发明定义了实现协调器与设备之间邀请重传的交互原语。

7、一种无线传感器网络低功耗邀请重传装置，其特征在于包括：处理器模块、存储模块、传感模块和射频模块，其中邀请重传协议单元被包含在处理器模块之中。