CN103281732B - 用于提高无线传感网络信道效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于提高无线传感网络信道效率的方法，包括以下步骤：无线传感器节点接收第一数据；计算第一数据由无线传感器节点进行发送所需的时间；从第一数据的接收时间作为起始点并开始计时，并根据时间计算无线传感器节点发送第一数据所需的等待时间；从第一数据的接收时间开始计时，在等待时间内无线传感器节点将接收到的数据包和第一数据进行累积，以生成累积数据；判断等待时间是否结束；如果等待时间结束，则无线传感器节点发送累积数据。根据本发明实施例的方法，通过计算等待时间并在该等待时间内累积数据包，从而减少了数据包的发送次数，同时缩短了等待时间，提高了通道利用率和数据传输的效率。

Description

用于提高无线传感网络信道效率的方法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，特别涉及一种用于提高无线传感网络信道效率的方法。

背景技术

典型的无线传感网络（WSN）包含一些限制数据传输速度的传感节点，例如，TelosB节点是250kbps，它们选择无线信道来进行数据传输。但是无线通信信道资源是有限的，而且无线传感网中无线信道的利用率不高。例如，无线传感网中实际的数据到达率甚至少于50kbps，这个数字很难满足应用需求，例如，结构监视和实时监视网络。因此，提高信道利用率对于当前的无线传感网是迫切的、重要的。

应用需求和信道利用率不高之间的矛盾激发了很多研究工作。传统协议在时间区域使用退避来缓和可能的冲突。但是不必要的退避是信道利用率低的主要原因。由于无线传感网的退避时间比包传输的时间要多很多，因此在无线传感网尤为突显。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于提高无线传感网络信道效率的方法。

为达到上述目的，本发明的实施例提出一种用于提高无线传感网络信道效率的方法，包括以下步骤：无线传感器节点接收第一数据；计算所述第一数据由所述无线传感器节点进行发送所需的时间；从所述第一数据的接收时间作为起始点并开始计时，并根据所述时间计算所述无线传感器节点发送所述第一数据所需的等待时间；从所述第一数据的接收时间开始计时，在所述等待时间内所述无线传感器节点将接收到的数据包和所述第一数据进行累积，以生成累积数据；判断所述等待时间是否结束；如果所述等待时间结束，则所述无线传感器节点发送所述累积数据。

根据本发明实施例的用于提高无线传感网络信道效率的方法，通过计算等待时间并在该等待时间内累积数据包，从而减少了数据包的发送次数，同时缩短了等待时间，提高了通道利用率和数据传输的效率。

本发明的一个实施例中，所述传感器节点接收到新数据包时，重新计算所述第一数据的等待时间，并对所述第一等待时间进行更新，并在所述更新后的所述第一等待时间内继续累积数据包。

本发明的一个实施例中，还包括：当所述等待时间未结束时，所述无线传感器节点将接收到的数据包与所述累积数据进行累积。

本发明的一个实施例中，所述等待时间由累积数据的累积数量相关。

本发明的一个实施例中，所述累积数据所累积的数据包数量越多，则所述等待时间越短。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的用于提高无线传感网络信道效率的方法的流程图；

图2为根据本发明另一个实施例的在CSMA中不同数量发送者的传输速率示意图；以及

图3为根据本发明再一个实施例的在不同发包间隔对应的丢包率示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为根据本发明一个实施例的用于提高无线传感网络信道效率的方法的流程图。如图1所示，根据本发明实施例的用于提高无线传感网络信道效率的方法包括以下步骤：

步骤101，无线传感器节点接收第一数据。

步骤102，计算第一数据由无线传感器节点进行发送所需的时间。

步骤103，从第一数据的接收时间作为起始点并开始计时，并根据所述时间计算所述无线传感器节点发送所述第一数据所需的等待时间。

在本发明的一个实施例中，所述等待时间由累积数据的累积数量相关。所述累积数据所累积的数据包数量越多，则所述等待时间越短。所述传感器节点接收到新数据包时，重新计算所述第一数据的等待时间，并对第一等待时间进行更新，并在更新后的第一等待时间内继续累积数据包。

步骤104，从第一数据的接收时间开始计时，在等待时间内无线传感器节点将接收到的数据包和第一数据进行累积，以生成累积数据。

在本发明的一个实施例中，使用以下的网络参数，有N个节点竞争一个共同的通信信道。一个包在空中的传输时间为T。假设网络层传递数据包到MAC层的时间间隔为λ。t_i为介质访问控制层（MAC）预期初始退避时间。一个单一拥塞退避导致在预期延时t_c。

本发明计算p(n)为给定批次数据包为n的碰撞的概率，

其中，τ为节点发送数据包的概率，n为节点上累积数据包的个数，λ为数据包发送的时间间隔，N为参与竞争的节点的数目。本发明中假设单数据包在经历退避拥塞的平均数，有

$b\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}k{\left(p\left(n\right)\right)}^k(1-p\left(n\right))=p\left(n\right)/(1-p\left(n\right)),$

其中，k为冲突数据包的数目，p(n)为给定批次数据包n下的碰撞概率。退避拥塞的总延迟为t_c×b(n)。

本发明计算经历n个包的最大延迟时间D(n)为，

D(n)=(n-1)λ+t_i+b(n)t_c+nT，

其中，λ为数据包发送的时间间隔，T为单个数据包发送的时间。通过等待时间来积累数据包。最糟糕的情况下，一个数据包在发送之前需要等待(n-1)×λ秒。本发明降低初始退避和拥塞退避的延时，因为一个单退避延时被多个包分摊也减少了退避拥塞。本发明在执行过程中保证

(n-1)×λ+t_i+t_c×b(n)+nT≤t_i+t_c×b(1)+T，

本发明相对于原来的载波侦听多路访问控制协议不会引入额外的数据包延误。

本发明需要总数为M的数据包完成时间最小化。D(n)是完成n个数据包的时间。因此完成M个数据包的时间是M×D(n)/n。本发明最小化，

在本发明的一个实施例中，如果包进来的速率低于介质访问控制层的处理速度，数据包积累的最优值位于1和N/λ之间，本发明在这个区间选择一个最优的数据包累积量，然后发送累积的数据包。

步骤105，判断等待时间是否结束。

步骤106，如果等待时间结束，则无线传感器节点发送累积数据。当等待时间未结束时，无线传感器节点将接收到的数据包与累积数据进行累积。

在本发明的一个实施例中，每一个无线传感器节点的第一步为分布式引导程序，发送者在节点进行冲突退避时间内把要发送的数据包累积在发送队列中，在冲突退避的时间结束后所累积的数据包的数量当生成初始的n值，即第一数据，用于引导程序。

每一个节点有了初始累积的n个数据包后，开始分布式地为节点增加n，即累积数据包。每一个节点可以根据本地的信息增加n，而不需要考虑全局信息，也不需要考虑其他节点是否增加了它们的n值。这个构成了本发明的分布式协议的基础，本方法中每个无线传感器节点分布式地增加各自的n值，这个过程不降低其他节点的性能。

在本发明的一个实施例中，每个节点记录发送一个数据包所需的时间，即记录开始发送一个数据包到发送数据包结束的时刻为止的时间，其中包括等待时间。通过每个节点累积数据包，因此会减少其他节点冲突的次数，减少其他节点冲突退避的时间，从而提高整体的吞吐率。本发明中，节点的拥塞退避时间减少后，每一个节点将会累积更多的数据包，从而带来更大的收益。

在本发明的一个实施例中，如果累积后数据的发送时间大于单个数据包发送时间的和时，停止增长n，即不再继续累积数据包。当n到达最优值时，协议停止增长n。为此每次累积数据包后，每个无线传感器节点竞争一次信道，而不是占有信道来发送包。在初始化退避和拥塞退避（统称退避）后，节点计算完成发送现有的n个包总共所需要的时间。本发明把计算出来的时间和传统载波侦听多路访问控制协议所需的时间进行比较。如果计算出来的总时间比传统载波侦听多路访问控制协议少的时候，每一个节点持续的累积数据包，当计算出来的总时间比传统载波侦听多路访问控制协议多的时候，节点停止增长n，即不再累积数据包。

在本发明的一个实施例中，节点停止累积数据包后发送已累积的n个数据包。通过这样的办法，有效减少网络中每一个节点竞争信道的次数，从而减少冲突和提高网络吞吐率。

图2为根据本发明另一个实施例的在CSMA中不同数量发送者的传输速率示意图。图3为根据本发明再一个实施例的在不同发包间隔对应的丢包率示意图。如图2和图3所示，通过本发明的方法比传统的方法相比具有传输速率高，丢包率越小（间隔越小，丢包率越大）。

根据本发明实施例的方法，通过计算等待时间并在该等待时间内累积数据包，从而减少了数据包的发送次数，同时缩短了等待时间，提高了通道利用率和数据传输的效率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种用于提高无线传感网络信道效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

无线传感器节点接收第一数据；

计算所述第一数据由所述无线传感器节点进行发送的所需时间；

从所述第一数据的接收时间作为起始点并开始计时，并根据所述所需时间计算所述无线传感器节点发送所述第一数据的所需等待时间；

从所述第一数据的接收时间开始计时，在所述第一数据的所需等待时间内所述无线传感器节点将接收到的数据包和所述第一数据进行累积，以生成累积数据；

判断所述第一数据的所需等待时间是否结束；

如果所述第一数据的所需等待时间结束，则所述无线传感器节点发送所述累积数据。

2.如权利要求1所述的用于提高无线传感网络信道效率的方法，其特征在于，所述传感器节点接收到新数据包时，重新计算所述第一数据的所需等待时间，并对所述第一数据的所需等待时间进行更新，并在所述更新后的所述第一数据的所需等待时间内继续累积数据包。

3.如权利要求1所述的用于提高无线传感网络信道效率的方法，其特征在于，还包括：

当所述第一数据的所需等待时间未结束时，所述无线传感器节点将接收到的数据包与所述累积数据进行累积。

4.如权利要求1所述的用于提高无线传感网络信道效率的方法，其特征在于，所述第一数据的所需等待时间由累积数据的累积数量相关。

5.如权利要求4所述的用于提高无线传感网络信道效率的方法，其特征在于，所述累积数据所累积的数据包数量越多，则所述第一数据的所需等待时间越短。