CN102368859A - 一种适用于无线传感器网络的信道自适应多速率调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无线传感器网络的信道自适应的多速率调整方法，其特征在于所述的调整方法为混合多速率调整策略，包括快信道调整策略和慢信道策略。通过对发送情况进行统计，处于快变信道策略模式时，若连续若干数据包均以相同速率发送成功，则切换为慢变信道策略模式；处于慢变信道策略模式时，若连续出现数据传输失败，并无法通过降低传输速率解决传输失败时，则切换到快信道策略模式。当处于快信道策略状态时，收发双方通过握手交换判决最佳传输速率；当处于慢信道策略状态时，发送方通过历史传输统计信息选择最佳传输速率。所提供的方法克服了已有多速率调整方法无法自适应信道变化的缺点，同时解决了无线传感器网络采用传统多速率调整方法时功耗敏感的问题。

Description

一种适用于无线传感器网络的信道自适应多速率调整方法

技术领域

本发明涉及了一种适用于无线传感器网络的信道自适应多速率调整方法，属于随机布设的无线传感器节点的数据传输领域。

背景技术

无线传感器网络在国防军事、环境监测、智能家居等领域具有广泛应用，其物理层和媒体接入层通常采用无线个域网技术，需要其通信网络满足低功耗、低成本、低复杂度等要求。无线传感器节点而又工作在复杂多变的无线环境中，由于多径效应、多普勒频移等因素的影响，数据在传输时刻具有不确定性。若采用固定的传输速率，网络性能将产生大的起伏，这既不利于系统达到最大的网络吞吐量，又不能很好地保证服务质量。根据信道状况采用自适应多速率的传输方式有助于提高网络吞吐量和节省传输功耗，在免许可频段还能够提高网络间的共存性。

然而，遗憾的是已有报道的多速率调整方法往往无法根据信道的变化自适应其策略。ARF(Auto Rate Fallback)算法和RBAR(Receiver-Based Auto Rate)算法是两个较为经典的多速率调整算法。ARF方法假设信道在一定时间内保持不变，利用信道的历史信息来判断当前的传输速率。在信道变化较慢时，具有良好的性能，但当信道变化快速时，该方法无法及时更新信道情况，从而降低多速率传输性能。RBAR算法每次发送数据前，必须进行一次速率判决请求和确认的交换握手过程，接收端根据速率判决请求帧的信号强度决定后续数据包的传输速率，并通过速率判决确认帧将传输速率传给发送端。该方法通过握手协议来确认当前信道情况，因而估计结果比较精确，但会带来额外的开销，而且无法充分利用历史信息来辅助速率判决。ARF算法更适用于变化慢的信道环境，而RBAR算法更适合变化快的信道环境。在无线传感器网络中，由于随机布设的原因，无法事先确定设备间信道的时变特性，需要多速率调整算法能够自适应信道变化。

发明内容

缘此，本发明的目的在于提供一种适用于无线传感器网络的信道自适应的多速率调整方法，解决原有多速率调整方法无法自适应信道变化情况的缺点。本发明的特征在于为混合多速率调整方法，是将快信道调整策略和慢信道策略结合在一起，通过信道的统计信息自适应的选择最佳的多速率调整方法。发明提供的适用于无线传感器网络的信道自适应的多速率调整方法，主要技术方案包括：

1)初始多速率调整策略选择

无线传感器网络节点初始传输时，采用快信道多速率调整方法，以快速适应未知的无线信道状况。

2)数据帧发送流程

完成多速率策略的选择后，发送方根据相应的多速率调整策略判决最佳的传输速率，然后将该速率作为当前传输速率发送数据帧。如果在规定的时间间隔内接收到应答帧，则发送方更新多速率调整策略及下次传输速率，并等待下一数据帧的到来；如果在规定的时间间隔内没有接收到应答帧，则发送方更新多速率调整策略及下次传输速率，并根据更新后的传输速率重新发送该数据帧。

3)多速率调整策略自适应选择

当工作在快速变化信道环境时，节点进入快信道调整策略状态，通过握手方式选择最佳的传输速率；当工作在慢变化环境时，节点进入慢信道策略状态，通过统计历史传输成功信息选择最佳的传输速率。信道自适应多速率调整算法通过对信道的发送情况进行统计，当处于快变信道策略模式时，若连续SlowThresh个数据包均以相同速率发送并成功，则认为信道为慢变状态，切换为慢变信道策略模式，避免握手交换带来的功耗开销；当处于慢变信道策略模式时，若连续出现数据传输失败，并无法通过降低传输速率解决传输失败时，认为信道处于快变状态，因而切换为快变信道策略模式，提高传输成功率，降低传输失败带来的功耗开销。

4)快信道多速率调整策略

当处于快信道策略状态时，收发双方通过握手交互判决最佳传输速率。在发送数据帧前，首先由发送方发出速率判决请求帧。接收方在接收到该请求帧时，通过接收时信道测量值评估当前信道的质量，并判决最佳传输速率。最后，接收方通过速率判决确认帧将最佳速率信息反馈到接收端，完成最佳速率的握手判决。

5)慢信道多速率调整策略

处于慢信道策略状态时，发送方根据历史信道统计信息判决最佳的传输速率。若连续SlowSuccThresh次以相同速率发送成功，则发送方将提高一个速率等级进行发送。如果提高该传输速率等级后的首次发送失败，则发送方将恢复原有的速率等级发送；否则，保持该速率等级不变。若在同一速率等级下，发送方有连续SlowFailThresh次发送失败，则降低一个速率等级进行发送。

综上所述，①本发明通过对发送情况进行统计，处于快变信道策略模式时，若连续若干数据包均以相同速率发送成功，则切换为慢变信道策略模式；处于慢变信道策略模式时，若连续出现数据传输失败，并无法通过降低传输速率解决传输失败时，则切换到快信道策略模式。当处于快信道策略状态时，收发双方通过握手交换判决最佳传输速率；当处于慢信道策略状态时，发送方通过历史传输统计信息选择最佳传输速率。

②通过信道的历史统计信息，自适应的选择最佳的多速率调整策略：

a)发送方根据最佳多速率调整策略判决最佳的传输速率，然后以该速率发送数据帧；如果在规定的时间间隔内接收到应答帧，则发送方更新多速率调整策略及下次传输速率，并等待新数据帧的到来；否则，发送方更新多速率调整策略及下次传输速率，并根据更新后的传输速率重新发送该数据帧：

b)当处于快变信道策略模式时，统计信道的历史信息，若连续SlowThresh个数据包均以相同速率发送并成功，则切换为慢变信道策略模式；

c)当处于慢变信道策略模式时，若数据帧以当前速率传输失败，并且连续降低FastThresh个传输速率等级仍无法正确传输时，则切换为快变信道策略模式；

d)当处于快变信道策略模式时，收发双方通过握手交互判决最佳传输速率。首先由发送方发出速率判决请求帧，请求接收方进行速率判决；接收方在接收到该请求帧时，通过接收时信道测量值(LQI等)评估当前信道的质量，并判决最佳传输速率。最后，接收方通过速率判决确认帧将最佳速率信息反馈到接收端，完成最佳速率的握手判决；在握手过程中收发双方均采用最低传输速率等级0；

e)当处于慢变信道策略模式时，发送方根据历史信道统计信息判决最佳的传输速率；

f)若连续SlowSuccThresh次以相同速率发送成功，则发送方将提高一个速率等级进行发送；如果提高该传输速率等级后的首次发送失败，则发送方将恢复原有的速率等级发送；否则，保持该速率等级不变；若在同一速率等级下，发送方有连续SlowFailThresh次发送失败，则降低一个速率等级进行发送。

由此可见，本发明具有以下的优点：

1)当无线传感器网络节点工作在快速变化信道中时，收发双方通过握手方式交互最佳传输速率，从而快速跟踪快变信道的变化特性，降低传输失败带来的功耗开销；

2)当无线传感器网络节点工作在慢变化信道时，发送方通过统计历史传输成功信息判决最佳传输速率，避免握手交换带来的功耗开销和传输延迟。

3)该方法在各种无线信道条件下具有鲁棒性，解决了无线传感器网络采用传统多速率调整方法时功耗敏感的问题，有效的延长了无线传感器网络的生存周期。

附图说明

图1速率握手交换时，发送方发送的速率判决请求帧格式；

图2速率握手交换时，接收方发送的速率判决确认帧格式；

图3数据帧发送流程；

图4多速率调整策略选择流程图；

图5快信道多速率策略流程图；

图6慢信道多速率策略流程图。

具体实施方法

下面，通过结合附图的描述，进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明绝非仅局限于该实施例。本方法针对无线传感器网络中节点的n级多速率(R₀～R_n-1)进行调整，其中最低速率等级为0，最高速率等级为n-1。

1.初始多速率调整策略选择

无线传感器网络节点初始化传输时，采用快信道多速率调整策略，以快速适应未知的无线信道状况。

2.数据帧发送流程(图3)

1)发送方等待数据帧；

2)更新当前的多速率策略，CurrStatus＝NextStatus；

3)按照所选择的多速率策略，判决更新当前传输速率CurrRate；

4)以选择的传输速率等级CurrRate发送数据帧，并等待应答帧；

5)如果在规定时间内接收到应答帧，转至步骤6)；如果未接收到应答帧，则转至步骤2)重新发送；

6)当前数据帧发送完成，等待下一个新数据帧。

3.多速率调整策略自适应选择

该步骤是通过对信道的发送情况进行统计，当处于快变信道策略模式时，若连续SlowThresh个数据包均以相同速率发送并成功，则切换为慢变信道策略模式；当处于慢变信道策略模式时，若连续出现数据传输失败，并无法通过降低传输速率解决传输失败时，则切换到快信道策略模式。具体步骤(图4)如下：

1)数据帧发送(参见2，数据帧发送流程)后，如果在规定的时间内接收到应答帧，转至步骤2)；否则转至步骤7)；

2)判断当前多速率策略。如果当前正处于慢信道策略模式SlowVar，则转至步骤9)；若当前处于快信道策略模式FastVar，则转至步骤3)

3)判断当前速率CurrRate。如果当前速率等于历史速率StoreRate，则转至步骤4)；否则转至步骤6)；

4)成功发送计数器FastSuccCount自增；

5)判断成功发送计数器FastSuccCount是否达到门限。如果FastSuccCount达到门限值LowThresh，则重置该计数器，转至步骤9)；如果FastSuccCount未达到门限值，则转至步骤10)；

6)重置计数器FastSuccCount，并更新历史速率StoreRate＝CurrRate，转至步骤10)；

7)判断当前多速率策略。如果当前处于快信道策略模式FastVar，则转至步骤10)。若当前处于慢信道策略模式SlowVar，则转至步骤8)；

8)判断速率降级计数器ChangeCount(参见5，慢信道多速率调整策略)。如果该计数器达到门限FastThresh，则转至步骤10)。否则，则转至步骤9)；

9)更新下次多速率策略NextStatus为慢信道策略。转至步骤11)；

10)更新下次多速率策略NextStatus为快信道策略。转至步骤11)。

11)多速率策略自适应调度完成。

4.快信道多速率调整策略

当处于快信道策略状态时，收发双方通过握手交互判决最佳传输速率。定义速率判决请求帧和速率判决确认帧分别如图1和图2所示，其MAC帧长度均为13字节。具体步骤(图5)如下：

1)发送方等待数据帧；

2)数据包到达时，发送速率判决请求帧，选择最低传输速率等级0进行通信；

3)接收方以速率等级0接收速率判决请求帧；

4)接收方通过接收信号强度等信息获取信道的评估质量值M；

5)通过信道质量值M判决最佳传输速率等级R，判决规则如下：

M＜Thresh₀             R＝0，

Thresh₀＜M＜Thresh₁    R＝1，

......

M＞Thresh_n-1           R＝n-1；

6)接收方以速率等级0发送速率判决确认帧，其判决的最佳传输速率等级为R；

7)发送方接收速率判决确认帧；

8)更新当前传输速率等级为R，快信道多速率策略完成；

5.慢信道多速率调整策略

处于慢信道策略状态时，发送方根据历史信道统计信息判决最佳的传输速率。具体步骤(图6)如下：

1)发送方等待数据帧；

2)数据包到达时，更新当前传输速率等级CurrRate＝NextRate；

3)以当前传输速率等级发送数据帧，并等待应答帧ACK；

4)如果在规定时间内接收到应答帧，则转至步骤5)。如果未接收到应答帧，则转至步骤9)；

5)重置发送失败计数器FailCount，成功发送计数器LowSuccCount自增。转至步骤6)；

6)判断成功发送计数器LowSuccCount。如果LowSuccCount未达到门限SlowSuccThresh，则保持原有速率等级，转至步骤14)；如果LowSuccCount达到门限SlowSuccThresh，则转至步骤7)；

7)提升速率等级NextRate＝min(n-1，CurrRate+1)；此处NextRate＝min(n-1，currRate+1)的含义是指将“n-1”与CurrRate中较小的一项赋值给NextRate。该表达用于提升速率等级，因为最高速率等级为n-1，而CurrRate可能超过n-1，以免此种情况产生；

8)更新计数器及标志符。重置成功发送计数器LowSuccCount，重置速率降级计数器ChangeCount，置位速率升级标志符ChangeFlag。转至步骤14)；

9)更新计数器。重置成功发送计数器LowSuccCount，同时发送失败计数器FailCount自增；

10)判断速率升级标志符ChangeFlag。如果ChangeFlag为1，则转至步骤12)。如果ChangeFlag为0，则转至步骤11)；

11)判断发送失败计数器FailCount。如果失败次数未达到门限值SlowFailThresh，则保持原有速率等级，转至步骤14)；否则，速率降级计数器ChangeCount自增，并转至步骤12)；

12)降低一个速率等级NextRate＝max(0，CurrRate-1)；此处NextRate＝max(0，currRate-1)的含义是指将0与CurrRate-1中较大一项赋值给NextRate。该表达用于降低速率等级，因为最低速率等级为0，而CurrRate-1可能出现负值，以免此情况产生；

13)更新计数器及标志符。重置FailCount及ChangeFlag；

14)速率NextRate更新完成，为下一次数据帧传输提供最佳速率。慢信道速率策略完成。

Claims (7)

1.一种适用于无线传感器网络的信道自适应多速率调整方法，其特征在于所述的多速率调整方法为混合多速率调整方法，是将快信道调整策略和慢信道策略结合在一起，通过信道的统计信息自适应的选择最佳的多速率调整策略。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、初始多速率方法的选择，

B、数据帧发送流程，

C、多速率调整方法自适应选择，

D、快信道多速率调整方法，

E、慢信道多速率调整方法；

其中，A)初始多速率调整方法选择

无线传感器网络节点初始传输时，采用快信道多速率调整策略，以快速适应未知的无线信道状况；

B)数据帧发送流程

完成多速率方法的选择后，发送方根据相应的多速率调整方法判决最佳的传输速率，然后将该速率作为当前传输速率发送数据帧；如果在规定的时间间隔内接收到应答帧，则发送方更新多速率调整方法和下次传输速率，并等待下一数据帧的到来；如果在规定的时间间隔内没有接收到应答帧，则发送方更新多速率方法策略及下次传输速率，并根据更新后的传输速率重新发送该数据帧；

C)多速率调整策略自适应选择

当工作在快速变化信道环境时，节点进入快信道调整策略状态，通过握手方式选择最佳的传输速率；当工作在慢变化环境时，节点进入慢信道策略状态，通过统计历史传输成功信息选择最佳的传输速率；信道自适应多速率调整方法是通过对信道的发送情况进行统计，当处于快变信道策略模式时，若连续SlowThresh个数据包均以相同速率发送并成功，则认为信道为慢变状态，切换为慢变信道策略模式，避免握手交换带来的功耗开销；当处于慢变信道策略模式时，若连续出现数据传输失败，并无法通过降低传输速率解决传输失败时，认为信道处于快变状态，因而切换为快变信道策略模式，以提高传输成功率，降低传输失败带来的功耗开销；

D)快信道多速率调整方法

当处于快信道策略状态时，收发双方通过握手交互判决最佳传输速率；在发送数据帧前，首先由发送方发出速率判决请求帧。接收方在接收到该请求帧时，通过接收时信道测量值评估当前信道的质量，并判决最佳传输速率；最后，接收方通过速率判决确认帧将最佳速率信息反馈到接收端，完成最佳速率的握手判决；

E)慢信道多速率调整方法

处于慢信道策略状态时，发送方根据历史信道统计信息判决最佳的传输速率；若连续SlowSuccThresh次以相同速率发送成功，则发送方将提高一个速率等级进行发送；如果提高该传输速率等级后的首次发送失败，则发送方将恢复原有的速率等级发送；否则，保持该速率等级不变；若在同一速率等级下，发送方有连续SlowFailThresh次发送失败，则降低一个速率等级进行发送。

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于通过对发送情况进行统计，处于快变信道策略模式时，若连续若干数据包均以相同速率发送成功，则切换为慢变信道策略模式；处于慢变信道策略模式时，若连续出现数据传输失败，并无法通过降低传输速率解决传输失败时，则切换到快信道策略模式；当处于快信道策略状态时，收发双方通过握手交换判决最佳传输速率；当处于慢信道策略状态时，发送方通过历史传输统计信息选择最佳传输速率。

4.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的数据帧发送流程为：

1)发送方等待数据帧；

2)更新当前的多速率策略，CurrStatus＝NextStatus；

3)按照所选择的多速率策略，判决更新当前传输速率CurrRate；

4)以选择的传输速率等级CurrRate发送数据帧，并等待应答帧；

5)如果在规定时间内接收到应答帧，转至步骤6)；如果未接收到应答帧，则转至步骤2)重新发送；

6)当前数据帧发送完成，等待新数据帧。

5.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的多速率调整方法自适应选择的具体步骤是：

1)数据帧发送后，如果在规定的时间内接收到应答帧，转至步骤2)；否则转至步骤7)；

2)判断当前多速率策略。如果当前正处于慢信道策略模式SlowVar，则转至步骤9)；若当前处于快信道策略模式FastVar，则转至步骤3)；

3)判断当前速率CurrRate。如果当前速率等于历史速率StoreRate，则转至步骤4)；否则转至步骤6)；

4)成功发送计数器FastSuccCount自增；

5)判断成功发送计数器FastSuccCount是否达到门限，如果FastSuccCount达到门限值LowThresh，则重置该计数器，转至步骤9)；如果FastSuccCount未达到门限值，则转至步骤10)；

6)重置计数器FastSuccCount，并更新历史速率StoreRate＝CurrRate，转至步骤10)；

7)判断当前多速率策略。如果当前处于快信道策略模式FastVar，则转至步骤10)；若当前处于慢信道策略模式SlowVar，则转至步骤8)；

8)判断速率降级计数器ChangeCount；如果该计数器达到门限FastThresh，则转至步骤10)；否则，则转至步骤9)；

9)更新下次多速率策略NextStatus为慢信道策略；转至步骤11)；

10)更新下次多速率策略NextStatus为快信道策略；转至步骤11)；

11)多速率策略自适应调度完成。

6.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的快信道多速率调整方法的具体步骤是：

1)发送方等待数据帧；

2)数据包到达时，发送速率判决请求帧，选择最低传输速率等级0进行通信；

3)接收方以速率等级0接收速率判决请求帧；

4)接收方通过接收信号强度等信息获取信道的评估质量值M；

5)通过信道质量值M判决最佳传输速率等级R，判决方式是：

M＜Thresh₀    R＝0，

Thresh₀＜M＜Thresh₁    R＝1，

......

M＞Thresh_n-1    R＝n-1；

6)接收方以速率等级0发送速率判决确认帧，其判决的最佳传输速率等级为R；

7)发送方接收速率判决确认帧；

8)更新当前传输速率等级为R，快信道多速率策略完成。

7.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的慢信道多速率调整方法具体步骤是：

1)发送方等待数据帧；

2)数据包到达时，更新当前传输速率等级CurrRate＝NextRate；

3)以当前传输速率等级发送数据帧，并等待应答帧ACK；

4)如果在规定时间内接收到应答帧，则转至步骤5)；如果未接收到应答帧，则转至步骤9)；

5)重置发送失败计数器FailCount，成功发送计数器LowSuccCount自增；转至步骤6)；

6)判断成功发送计数器LowSuccCount。如果LowSuccCount未达到门限SlowSuccThresh，则保持原有速率等级，转至步骤14)；如果LowSuccCount达到门限SlowSuccThresh，则转至步骤7)；

7)提升速率等级NextRate＝min(n-1，CurrRate+1)；

8)更新计数器及标志符；重置成功发送计数器LowSuccCount，重置速率降级计数器ChangeCount，置位速率升级标志符ChangeFlag；转至步骤14)；

9)更新计数器；重置成功发送计数器LowSuccCount，同时发送失败计数器FailCount自增；

10)判断速率升级标志符ChangeFlag。如果ChangeFlag为1，则转至步骤12)；如果ChangeFlag为0，则转至步骤11)；

11)判断发送失败计数器FailCount；如果失败次数未达到门限值SlowFailThresh，则保持原有速率等级，转至步骤14)；否则，速率降级计数器ChangeCount自增，并转至步骤12)；

12)降低一个速率等级NextRate＝max(0，CurrRate-1)；

13)更新计数器及标志符。重置FailCount及ChangeFlag；

14)速率NextRate更新完成，为下一次数据帧传输提供最佳速率，慢信道多速率方法完成。

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