CN101789852B - 一种无线传感网络中动态控制数据包长度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网络中动态控制数据包长度的方法，包含如下步骤：源节点的请求模块向其动态控制数据包长度模块请求发送数据包到目标节点；源节点的动态控制数据包长度模块的链路评估模块评估链路质量以获最优数据包长度；若所请求发送的数据包的长度均小于等于最优的数据包长度，则该数据包被先经聚合处理再添加标识、或被直接添加标识后发送至源节点的发送模块，否则，该数据包先经分割处理再被添加标识后发送至源节点的发送模块；该数据包被依次发送至目标节点的接收模块、动态控制数据包长度模块，接着被分割处理或聚合处理以进行还原，后再发送给目标节点的接受模块；最后通过目标节点的聚集应答模块向源节点发送应答数据包。

Description

一种无线传感网络中动态控制数据包长度的方法

技术领域

本发明涉及数据包长度控制技术，尤其是在无线传感网络中控制数据包长度的技术。

背景技术

近年来，随着信息技术的进步，一种信息的获取技术——无线传感网络技术，得到了迅速的发展。从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，近些年无线技术的进步，人们将其运用在传感器网络中，形成了无线传感器网络。

无线传感网络是新一代的传感器网络，具有广泛的应用前途。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有巨大的运用空间，在家用，保健，交通等新兴领域也展示出非凡的应用价值。

无线传感网络存在自身的特点：节点资源有限，数量大，分布广，系统动态性强。往往通过电池来供电，因此低功耗成为无线传感网络设计的一个重要的特性。在无线传感网络中，节点间的无线通信是最消耗能量的操作，对数据包长度进行控制能够有效的提高无线通信的能量利用效率，从而大幅度的提高整个无线传感网络的能量利用效率。

目前，在无线传感网络中控制数据包长度的方法根据对链路质量的评估得到最优的包长度，用此包长度发送数据包，然而由于这些方法没有进行包长度的动态控制，同时没有达到精确的链路评估，存在大量消耗节点无线通信的能量的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种减少节点无线通信的能量消耗的无线传感网络中动态控制数据包长度的方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

本发明采用动态控制数据包长度的方法来实现能量的高效利用。其具体步骤如下：

1)源节点的请求模块向该源节点的动态控制数据包长度模块请求发送数据包到目标节点；

2)源节点的动态控制数据包长度模块收到该请求后，由该动态控制数据包长度模块中的链路评估模块评估源节点到目标节点的链路质量以获得最优的数据包长度；

3)若步骤1)所请求发送的数据包的长度均小于等于所述最优的数据包长度，则源节点的动态控制数据包长度模块中的数据包聚合模块将所请求发送的数据包先经聚合处理再添加标识、或直接添加标识后发送至源节点的发送模块，否则，该动态控制数据包长度模块中的数据包分割模块将所请求发送的数据包先经分割处理再添加标识后发送至源节点的发送模块；

4)源节点的发送模块将所接收到的数据包发送至目标节点的接收模块；

5)目标节点的接收模块将接收到的数据包发送给该目标节点的动态控制数据包长度模块；

6)由目标节点的动态控制数据包长度模块中的数据包分割模块或数据包聚合模块对应地将动态控制数据包长度模块接收到的数据包进行分割处理或聚合处理以对所述数据包进行还原，后再发送给目标节点的接受模块；目标节点的接受模块收到该数据包后，通过目标节点的聚集应答模块向源节点发送一个应答数据包以表示数据包已收到。

进一步地，本发明所述步骤2)的链路评估模块评估源节点到目标节点的链路质量以获得最优的数据包长度是按以下步骤进行：

a)链路评估模块获取源节点到目标节点的链路的收包率；

b)根据所述链路的收包率得到最优的数据包长度。

进一步地，本发明的步骤b)所述的根据所述链路的收包率得到最优的数据包长度是按以下步骤得到：

i)根据下式(1)得到使得链路效率最高时的有效数据长度；

$e_i\left(l\right)=\frac{l\×p\left(l\right)}{l+H+O}---\left(1\right)$

式中，e_i(l)表示数据包中有效数据的长度为l时链路的效率，即传输的有效数据的长度与实际传输的数据长度的比值；p(l)表示数据包长度为l时从源节点到目标节点链路的收包率；O表示数据包中由动态控制数据包长度模块增加的数据的长度；H表示数据包中除了有效数据和动态控制数据包长度模块增加的数据以外其他的数据的长度；

ii)再进一步根据下式(2)得到使链路效率最高的最优数据包长度L

L＝l+H+O                    (2)。

进一步地，本发明的步骤6)中所述的向源节点发送一个应答数据包是按以下方式进行：

当所述步骤3)中是使用源节点的数据包聚合模块对数据包进行处理时，如果从源节点到目标节点的传输模式为可靠传输或固定次数重传的不可靠传输，则向源节点发送数据链路层应答数据包；如果传输模式为不可靠传输时，则向源节点发送聚集应答数据包；

当所述步骤3)中是使用源节点的数据包分割模块对数据包进行处理时，则向源节点发送聚集应答数据包。使用聚集应答机制以降低应答开销。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：首先可以减少数据包重发的能量消耗，因为本发明在发送数据包之前对当前的链路状态进行了精确的评估，以当前最优的数据包长度发送数据，有效地减少了重发的能量消耗；其次可以降低发送应答数据包的能量消耗，因为本发明使用聚集应答方式，减少了应答的次数。

附图说明

图1是本发明动态控制数据包长度(简称DPLC)的通讯流程图。

具体实施方式

如图1所示，使用动态控制数据包长度模块的节点间无线通讯具体实施方式如下：

1)源节点的请求模块向该源节点的动态控制数据包长度模块请求发送数据包到目标节点。这一请求中包含所请求发送的数据和目标节点ID等其他必要信息。

2)源节点的动态控制数据包长度模块收到该请求后，由该动态控制数据包长度模块中的链路评估模块评估源节点到目标节点的链路质量以获得最优的数据包长度。这里的链路质量被多方面的因素影响：障碍物的阻隔，由于通信距离不同带来无线信号不同的衰减，其他人为或自然因素等。特别的，现有技术基于直接从节点硬件中相应模块读取该模块对链路质量的评估结果，这是不精确的，更为严重的是当存在隐藏节点时，这种方式的评估结果将严重失真。而本发明的链路评估模块则是使用数据包实际收包率来获得最优的数据包长度，得到精确的链路评估结果。具体的，在本发明中，设数据包中有效数据的长度为l，由动态控制数据包长度模块增加的数据的长度为O，其他数据的长度为H，链路收包率为p(l)。则l是可以优化的，O和H是固定值。链路效率被定义为传输的有效数据的长度与实际传输的数据长度的比值，则影响链路效率的变量只有数据包中有效数据的长度，所以链路效率记为e_i(l)，以上各参数的关系式为：

$e_i\left(l\right)=\frac{l\×p\left(l\right)}{l+H+O}---\left(1\right)$

根据式(1)，可以得到使得链路效率最高时的有效数据长度l，

L＝l+H+O    (2)

再进一步根据上式(2)得到最优的数据包长度L。

3)若步骤1)所请求发送的数据包的长度均小于等于步骤2)所述最优的数据包长度，则源节点的动态控制数据包长度模块中的数据包聚合模块将所请求发送的数据包直接或经聚合处理后发送至源节点的发送模块，否则，该动态控制数据包长度模块中的数据包分割模块将所请求发送的数据包经分割处理后发送至源节点的发送模块。这里经过数据包聚合模块或数据包分割模块的数据包被增加了一个标识，用于目标节点动态控制数据包长度模块还原原始的数据包。经过处理的数据包具体格式如下：

3.1)经过包聚合模块处理的数据包格式。在对原始数据包进行聚合后，添加2个字节的标识数据。其中第一个字节的最高位是1，表示这是一个经过包聚合模块处理的数据包。次高位表示是否请求应答，当需要目标节点应答时为1，不需要时为0。第一个字节剩下的6位表示这是由多少个原始数据包聚合而成。第二个字节在多跳网络时用于存放上一跳的链路评估结果。

3.2)经过包分割处理的数据包格式。在对原始数据包进行分割后，同样添加2个字节的标识数据。第一个字节的最高位是0，表示这是一个经过包分割模块处理的数据包。次高位表示这是否是一个被分割原始数据包的第一个包，1代表是，0代表不是。第一个字节的后6位和第2个字节，一共14位，代表分割后的数据包在原始数据包中的偏移量。

4)源节点的发送模块将所接收到的数据包发送至目标节点的接收模块。

5)目标节点的接收模块将接收到的数据包发送给该目标节点的动态控制数据包长度模块，步骤3)中增加的标识在这里被使用，根据标识选择数据包分割模块或数据包聚合模块对数据包进行还原处理。

6)由目标节点的动态控制数据包长度模块中的数据包分割模块或数据包聚合模块对应地将动态控制数据包长度模块接收到的数据包进行分割处理或聚合处理以对所述数据包进行还原，后再发送给目标节点的接受模块。这里还原数据包具体进行的操作如下：

6.1)若收到的数据包是经过聚合处理的，目标节点的包分割模块将数据包进行分割，并去掉步骤3)中增加的标识，得到原始的数据包；

6.2)若收到的数据包是经过分割处理的，目标节点的包聚合模块将收到的数据包缓存起来，当收到一个原始数据包经过分割后的所有数据包后，该包聚合模块聚合这些数据包，并去掉步骤3)中增加的标识，得到原始的数据包。

7)目标节点的接受模块收到该数据包后，向源节点发送一个应答数据包，表示数据包已收到。本发明为了进一步降低应答操作带来的能量消耗，使用聚集应答机制。当使用包聚合模块处理数据包且传输模式为可靠传输或固定次数重传的不可靠传输时，使用数据链路层应答，当传输模式为不可靠传输时，使用聚集应答机制；当使用包分割模块处理数据包时，使用聚集应答机制以降低应答开销。由此可知使用聚集应答机制的情况有两种，具体说明如下：

7.1)当使用包聚合模块处理数据包且传输模式为不可靠传输时，使用聚集应答机制。如步骤3.1)所述，源节点包聚合处理模块给数据包添加了2个字节的标识，其中有一位代表是否请求应答，即请求应答位。当目标节点收到该位被设置为1时，就发送应答给源节点，此应答包含了自前一次应答以来所有数据包是否收到的信息。源节点在收到应答之前对每一个数据包设置请求应答位为1。

7.2)当使用包分割模块处理数据包时，也使用聚集应答机制。与步骤7.1)所述不同，这种情况下目标节点主动发送聚集应答给源节点。当目标节点收到一个原始包经分割处理后的所有数据包后，主动发送应答给源节点。

Claims (2)

1.一种无线传感网络中动态控制数据包长度的方法，其特征是包含如下步骤：

1）源节点的请求模块向该源节点的动态控制数据包长度模块请求发送数据包到目标节点；

2）源节点的动态控制数据包长度模块收到该请求后，按以下方法由该动态控制数据包长度模块中的链路评估模块评估源节点到目标节点的链路质量以获得最优的数据包长度：

a)链路评估模块获取源节点到目标节点的链路的收包率；

b）按以下步骤根据所述链路的收包率得到最优的数据包长度：

i）根据下式（1）得到使得链路效率最高时的有效数据长度；

$e_i\left(l\right)=\frac{l\×p\left(l\right)}{l+H+O}---\left(1\right)$

式中，e_i(l)表示数据包中有效数据的长度为l时链路的效率，即传输的有效数据的长度与实际传输的数据长度的比值；p(l)表示数据包长度为l时从源节点到目标节点链路的收包率；O表示数据包中由动态控制数据包长度模块增加的数据的长度；H表示数据包中除了有效数据和动态控制数据包长度模块增加的数据以外其他的数据的长度；

ii)再进一步根据下式（2）得到使链路效率最高的最优数据包长度L

L=l+H+O    （2）

3）若步骤1）所请求发送的数据包的长度均小于等于所述最优的数据包长度，则源节点的动态控制数据包长度模块中的数据包聚合模块将所请求发送的数据包先经聚合处理再添加标识、或直接添加标识后发送至源节点的发送模块，否则，该动态控制数据包长度模块中的数据包分割模块将所请求发送的数据包先经分割处理再添加标识后发送至源节点的发送模块；

4）源节点的发送模块将所接收到的数据包发送至目标节点的接收模块；

5）目标节点的接收模块将接收到的数据包发送给该目标节点的动态控制数据包长度模块；

6）由目标节点的动态控制数据包长度模块中的数据包分割模块或数据包聚合模块对应地将动态控制数据包长度模块接收到的数据包进行分割处理或聚合处理以对所述数据包进行还原，后再发送给目标节点的接受模块；目标节点的接受模块收到该数据包后，通过目标节点的聚集应答模块向源节点发送一个应答数据包以表示数据包已收到。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感网络中动态控制数据包长度的方法，其特征是：步骤6）中所述的向源节点发送一个应答数据包是按以下方式进行：

当所述步骤3）中是使用源节点的数据包聚合模块对数据包进行处理时，如果从源节点到目标节点的传输模式为可靠传输或固定次数重传的不可靠传输，则向源节点发送数据链路层应答数据包；如果传输模式为不可靠传输时，则向源节点发送聚集应答数据包；

当所述步骤3）中是使用源节点的数据包分割模块对数据包进行处理时，则向源节点发送聚集应答数据包。

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