CN103391603B

CN103391603B - 无线传感器网络中大数据信息低功耗传输的方法

Info

Publication number: CN103391603B
Application number: CN201310278138.3A
Authority: CN
Inventors: 周晓明; 赵荣臻; 张燕
Original assignee: Suzhou BeeLinker Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Lan Pu Intelligent Technology Co., Ltd.
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2033-07-04
Also published as: CN103391603A

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络中大数据信息低功耗传输的方法，所述方法采用降低大数据传输时过多的控制信息的方法降低系统功耗，本方法通过无线传输的丢包的数量自适应地调节一次性传输数据包的数量，进而降低数据丢失重传的几率。本发明针对无线传感器网络中的大数据量信息传输的应用，采用减少传输中控制信息数量的方法来降低功耗。其优点在于：第一，该方法可以实现块传输机制，减少控制包ACK的数量。第二，该方法可以根据ACK中重传字段信息计算上次连续传输数据的丢包率，然后系统自适应的调整下次连续传输的数据个数，从而达到降低数据重传的几率的目的。

Description

无线传感器网络中大数据信息低功耗传输的方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络的数据传输领域，具体涉及一种无线传感器网络中大数据信息低功耗传输的方法。

背景技术

近年来，随着无线通信和电子学的发展，无线传感器网络（Wireless SeniorNetworks，简称WSN）成为研究和应用热点的新型网络，它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。但是节点的工作环境很复杂，故一般采用电池供电，这就导致节点的能量非常有限，所以如何降低系统功耗并延长网络的生存时间一直是无线传感器网络的研究重点之一。

无线传感器网络节点的能量一般都损耗在射频通信模块，具体体现在四个方面：空闲侦听、冲突（碰撞）、串音（overhearing）和控制包开销。下面接详细介绍射频通信模块能量损耗的四个方面：

1.空闲侦听。无线传感器网络中的节点使用无线信道收发数据，而且数据的突发性很强，所以节点要始终侦听信道，保持数据接收状态。而数据接收的时间相对于节点侦听信道的时间是少之又少，所以当信道中没有数据传输时，空闲侦听就消耗了没有必要的能量。

2.冲突（碰撞）。无线传感器网络中的节点有可能共用一个信道传输数据，当多个节点向信道中发送数据，接收节点就会因为无线信号的重叠接收到无用的信号。接收节点只好丢弃，然后重传这个数据包，因此造成了额外的能量浪费。

3.串音（overhearing）。无线传感器网络中节点侦听信道时，可能会接收到不是发给自己的数据信息，这样节点接收该数据之后，经过检查不是发送给自己的，必须丢弃，这样节点也浪费了不必要的能量。

4.控制包开销。无线传感器网络应用中，可能为了解决某问题，在数据传递时加入一些控制信息，比如节点间建立连接时的控制包交换或者数据发送和接收的握手信号等等。这些信息的传递也会造成不必要的能量损耗。

鉴于以上的功耗的来源分析，目前也有很多的低功耗研究成果得到了应用的推广，如周期性的侦听和睡眠机制可以降低空闲侦听的能量损耗；CSMA-CA机制可以降低数据碰撞的可能性；RTS/CTS握手信号可以减小串扰带来的能量损耗等等。但是就目前的应用情况来看，无线传感器网络中传输的信息一般比较小，比如温湿度、压力、光强等等，而对于大数据量信息传输的应用还是相对较少。对于大数据量信息传输的网络，其中控制信息也必将增多，如ACK信息，如何控制控制包的开销是大数据量信息传递网络要考虑的因素之一。

发明内容

本发明目的在于提供一种无线传感器网络中大数据信息低功耗传输的方法，其解决了传输中过多控制包带来额外功耗的问题，进一步降低无线传感器网络的功耗。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种无线传感器网络中大数据信息低功耗传输的方法，所述方法采用降低大数据传输时过多的控制信息的方法降低系统功耗，本方法通过无线传输的丢包的数量自适应地调节一次性传输数据包的数量，进而降低数据丢失重传的几率。

对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案。

作为优化，本方法在大数据信息传输时实现块应答机制，在保证数据传输质量的前提下，减少了数据传输中控制信息带来的能量损耗，所述块应答机制是指发送端每发送N个数据包，接收端响应一个ACK信息，而不是每发送一个数据包就请求接收端响应一个ACK信息。

更进一步，本方法根据无线传感器网络的链路质量，可以自适应在发送端的调节连续发送的数据数量，即多次连续传输N个数据包都没有丢包现象，则继续增加N的值，使得连续传输的数据个数更多，进一步减少ACK的数量。

该方法可以减小数据传输丢包重传的几率。当数据传输无误时，自适应ACK机制会增大一次连续传输数据包的数量，而出现丢包严重的时候，自适应ACK机制会减小一次连续传输数据包的数量，从而降低了连续数据包中误包的几率，也意味着降低了数据重传的几率，起到了降低功耗的目的。

进一步，该方法在实现过程中需要向传统的协议数据包和控制包中加入新的控制字段，具体步骤如下：

Ⅰ、首先在数据传输之前，先传输RTS控制包给接收节点，其中RTS字段中要加入本次连续传输的数据包的个数的信息，告诉接收端本次传输数据的个数，并在收到最后一个数据的时候回复ACK信息给发送端；

Ⅱ、在数据传输阶段，数据帧中应该增加数据序号的字段，标明本次连续传输的数据包的顺序。当接收端接收到一个数据帧，就会记录下其序号，表示此数据接收成功。当接收端接收到本次连续传输的最后一个数据时，接收端记录序号并发送ACK信息给发送端；

Ⅲ、ACK信息中需要增加接收端接收到的信息情况，即标明哪些序号的数据包在传输中丢失，需要发送端重传；

Ⅳ、发送端接收到ACK信息之后，解析出哪些数据包在传输的过程中丢失，然后重传这些丢失的数据包。发送端根据丢包的数量判断无线链路的传输质量，适当地调整连续发送数据包的个数，降低丢包重传的几率。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明所描述的无线传感器网络中大数据信息低功耗传输的方法，针对无线传感器网络中的大数据量信息传输的应用，采用减少传输中控制信息数量的方法来降低功耗。其优点在于：第一，该方法可以实现块传输机制，减少控制包ACK的数量。第二，该方法可以根据ACK中重传字段信息计算上次连续传输数据的丢包率，然后系统自适应的调整下次连续传输的数据个数，从而达到降低数据重传的几率的目的。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例中传输过程中无丢包情况下自适应ACK机制；

图2是本发明实施例中传输过程中丢包情况下自适应ACK机制；

图3是本发明实施例中MAC层发送数据的流程图；

图4是本发明实施例中MAC层接收到数据帧的流程图；

图5是本发明实施例中MAC层接收到ACK帧的流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例：

本实施例描述了一种无线传感器网络中大数据信息低功耗传输的方法，所述方法采用降低大数据传输时过多的控制信息的方法降低系统功耗，本方法通过无线传输的丢包的数量自适应地调节一次性传输数据包的数量，进而降低数据丢失重传的几率。

对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案。

该方法通过自适应的调节ACK响应次数，减少控制包数量的方法降低系统的功耗。在具体实施阶段，首先要在MAC层的命令包和数据包中加入新的字段，具体设计如下命令包和数据包定义。

1.MAC层控制帧字段定义如下：

union sMacFrameCtrl_t

{

struct

{

uint16_t frameType:3;/*帧类型*/

uint16_t security:1;/*安全使能位*/

uint16_t framePending:1;/*数据待传位*/

uint16_t baMode:1;/*块应答模式标志位*/

uint16_t ackRequest:1;/*确认请求，即是否要求ACK*/

uint16_t version:4;/*版本信息*/

uint16_t reserved :6; /*保留位*/

}bits;

uint16_tu16Val;

};

2.MAC层A CK帧结构

struct sMacAck_t

{

/* header */

union sMacFrameCtrl_t frameCtrl;/*MAC层控制帧字段*/

uint16_t panId;/*网络号*/

SeqNum_t seqNum;/*序列号，防止重复接收*/

uint16_t reTrans;/*重传，标明接收失败的数据块序号*/

};

3.MAC层数据帧结构

struct sMacMpdu_t

{

/* header */

union sMacFrameCtrl_t frameCtrl;/*MAC层控制帧字段*/

uint16_t panId;/*网络号*/

struct saddr_t macDstAddr;/*MAC层目的地址*/

struct saddr_t macSrcAddr;/*源地址，即本节点MAC地址*/

SeqNum_t seqNum;/*序列号，防止重复接收*/

uint16_t dataNum;/*数据块序号，标明数据块顺序*/

/* payload */

};

由以上的数据包的定义中可以看出，在MAC层数据包的包头中加入了块应答模式标志位“baMode”，此位表示所传输的数据包为连续的数据包，接收方不需要对每个数据包应答，而是采用块应答模式。ACK包中也加入了重传位“reTrains”，此字段标明传输中丢失的数据，告知发送方重传丢失的数据。数据包中则加入标明数据顺序的序号字段“dataNum”，标明连续传输的数据的顺序。

图1中所示是数据传输中无丢包情况下的自适应ACK机制。在设计中，设定自适应ACK机制中最大连续传输数据包的个数MAX_DATA_NUM。连续传输数据包的个数N从1开始，如果连续传输TRANS_TIMES（传输次数，有误包则清零，可配置）次都没有丢包现象，则连续传输数据包的个数翻倍递增，直到MAX_DATA_NUM。

图2所示的是自适应ACK机制下数据传输时有丢包的情况。假如在一次连续传输N个数据时，丢包较少，则自适应ACK机制在下次连续传输数据时不改变N的值，继续一次连续传输N个数据包之后请求接收端ACK响应。如果在一次连续传输N个数据时，丢包较为严重，需要发送端重传的数据比较多，则自适应ACK机制就会在下次传输数据时把N的值减半，最差的情况就是每发送一个数据包就请求接收端响应一个ACK。

图3所示的是自适应ACK机制下数据发送的流程图。数据经过上层的处理之后存放在MAC层的发送链表中，然后MAC层从MAC层发送链表中获取数据进行发送，每个数据都有自己的发送时间，到达发送时间才能发送该数据。如果该数据多次发送都失败，则把目的地址加入黑名单，表明目的不可达。当发送数据成功之后，保存序列号防止重复接收。然后判断该数据帧是否需要接收端回复ACK信息（ACK请求信息只存在于连续传输的最后一个数据包中），如果不需要接收端回复ACK，则继续下一个数据的传输；如果最后一个数据传输成功，则接收端在接收到此数据包之后，立刻回复ACK信息给发送端，此时发送端等待接收ACK信息，接收到该信息之后经过解析，重发丢失的数据包（重发的数据包信息在ACK信息中的reTrans字段中给出），并自适应调节下一次传输数据时N的值。如果发送端没有接收到ACK信息，则发送端会重发最后一个数据包，重新进行ACK请求。

图4所示的是自适应ACK机制下接收到数据包信息的处理流程图。接收到的数据一般有两种情况，一种是有ACK请求的数据包，另一种是不需要ACK请求的数据包。接收端接收到数据成功之后，记录其序号（dataNum），并判断是否需要响应ACK，如果不需要就判断是否重复接收，然后更新本地数据序列号信息表（seqNum），防止重复接收，最后继续接收任务。如果接收到数据需要ACK响应，则接收端发送ACK信息，该信息中reTrans字段中加入数据传输中丢失的数据包信息，以便发送端重发丢失的数据包。

图5所示的是自适应ACK机制下接收到ACK信息的处理流程图。发送端接收到ACK信息之后，首先判断是否要重发数据，如果没有数据需要重发，则直接更新下次连续传输数据包个数N的值；如果有数据重发，则重发丢失数据后，再对N的值进行更新，并开始下一次的数据传输任务。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无线传感器网络中大数据信息低功耗传输的方法，其特征在于，所述方法在协议数据包和控制包中加入新的控制字段，在MAC层数据包的包头中加入块应答模式标志位，在ACK包中加入重传位，在数据包中加入标明连续传输数据的顺序的序号字段；具体步骤如下：

Ⅰ、在数据传输之前，先传输RTS控制包给接收节点，其中RTS字段中加入本次连续传输的数据包的个数的信息，并在收到最后一个数据的时候回复ACK信息给发送端；

Ⅱ、在数据传输阶段，在数据帧中标明本次连续传输的数据包的顺序，当接收端接收到一个数据帧，记录其序号，表示此数据接收成功，当接收端接收到本次连续传输的最后一个数据时，接收端记录序号并发送ACK信息给发送端；数据经过上层处理后存放在MAC层的发送链表中，如果该数据多次发送都失败，则把目的地址加入黑名单，表明目的不可达；当发送数据成功之后，保存序列号防止重复接收，然后判断该数据帧是否需要接收端回复ACK信息，如果不需要接收端回复ACK，则继续下一个数据的传输；如果最后一个数据传输成功，则接收端在接收到此数据包后，立刻回复ACK信息给发送端；

Ⅲ、ACK信息中增加接收端接收到的信息情况，即标明哪些序号的数据包在传输中丢失，需要发送端重传；

Ⅳ、发送端接收到ACK信息之后，解析出哪些数据包在传输的过程中丢失，然后重传这些丢失的数据包，发送端根据丢包的数量判断无线链路的传输质量，适当地调整连续发送数据包的个数，降低丢包重传的几率；

设定最大连续传输数据包的个数MAX_DATA_NUM，连续传输数据包的个数N从1开始，如果连续传输TRANS_TIMES次都没有丢包现象，则连续传输数据包的个数翻倍递增，直到MAX_DATA_NUM；所述TRANS_TIMES为传输次数，有误包则清零；

如果数据传输时有丢包现象，假如在一次连续传输N个数据时，丢包较少，则在下次连续传输数据时不改变N的值，继续一次连续传输N个数据包之后请求接收端ACK响应；如果在一次连续传输N个数据时，丢包较为严重，发送端重传的数据比较多，则在下次传输数据时把N的值减半。