CN103401804A

CN103401804A - 无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统及方法

Info

Publication number: CN103401804A
Application number: CN2013102225679A
Authority: CN
Inventors: 李志刚; 陈卫卫; 胡谷雨; 胥光辉; 刘鹏; 唐艳琴; 施蕾
Original assignee: PLA University of Science and Technology
Current assignee: PLA University of Science and Technology
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: CN103401804B

Abstract

本发明公开一种无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统，包括：缓存阈值计算模块：用于负责计算更新节点的缓存阈值；数据接收与缓存监控模块：用于负责对缓存容量和数据接收模块进行监控；数据转发启动模块，用于启动数据转发模块；链路速率统计模块，用于在数据转发结束以后统计上一次数据转发过程的链路速率；链路稳定性预测模块，用于对下一次进行数据转发时链路速率进行预测。此控制系统可实现传感器节点数据的自适应聚合，减少数据频繁传输所带来的能耗和丢包问题。本发明还公开一种基于前述无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统的控制方法。

Description

无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统及方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络中节点数据存储和转发领域，特别涉及一种节点缓存阈值的设定更新和基于该缓存阈值的数据缓存转发控制系统及方法。

背景技术

无线传感器网络集信息获取、处理和传输为一体，为人类研究物理世界、获取物理世界的信息，提供了一种全新和有效的方式，在环境监测、灾害预报等领域将发挥重要的作用。随着物联网技术的提出和发展，无线传感器网络作为物联网的一项支撑技术，获得了更大的关注。数据的获取是无线传感器网络研究与应用的主要目的之一，数据的传输则是无线传感器网络应用的基础，而能量问题则是目前无线传感器网络应用中最大的一个瓶颈。

传感器节点在收到或者采集到数据以后，一般来说，有三种操作可以选择。第一个选择是转发，即将数据转发给下一跳节点；第二个选择是本地缓存处理，即利用本地的存储能力进行一定时间的存储，在必要的时候还进行一些对数据的处理工作，比如进行数据的重新编码等；第三种选择是丢包，即当节点本地不具备数据缓存和转发能力，即将数据丢弃的一种消极处理方式。第三种选择是设计网络协议和节点本地处理程序所尽量避免的。当无线传感器网络面向的应用实时性要求不高的时候，在延迟可以容忍的情况下，减少数据丢包是提高传感器网络可用性的主要关注点。避免数据丢包主要是增大数据转发的能力，而当数据转发的能力不足的情况下，则要利用本地的存储能力进行辅助。不过在数据转发和缓存之间存在以下需要权衡的问题：

1）数据转发频率高，造成能量消耗过大。如果节点产生或收到数据不做缓存（或者做较短时间的缓存），就立刻将数据转发出去，这样会造成数据转发频率过高。试验证明，传感器网络的数据发送和接收耗费了节点大部分的能量，而节点在进行发送和接收之前的准备工作，比如状态切换等工作、信道感知、冲突检测等，也大量地消耗了能量。在一次数据转发过程（或称之为会话）中，在满足其他条件的情况下，尽可能多的传输数据，以便减少能量的开销；

2）节点缓存数据过多，造成缓存溢出可能性增大。如果节点产生或收到数据以后，在对传输能力和未来到达的数据没有做出合适的预测和计算之前进行过多的数据存储，则可能造成在下一次数据进行传输之前，因为缓存内的数据过多而造成缓存溢出，新产生或者新收到的数据就会丢包。

因此，传感器节点能够自动、自适应地确定数据缓存和转发的时机是十分有必要的，本发明正是基于该考虑而产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统及方法，其可实现传感器节点数据的自适应聚合，减少数据频繁传输所带来的丢包问题。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统，所述的节点包括：

数据接收模块，在接收其它节点传输过来的数据或者自身传感器部件感知到的数据以后，将数据存放到节点缓存；所述控制系统包括：

数据接收与缓存监控模块，在数据接收模块接收其它节点传输过来的数据或者自身传感器部件感知到的数据以后启动，首先统计本次数据接收速率，预测下一次数据接收速率，并将该预测值转发给缓存阈值计算模块；所述数据接收与缓存监控模块还检测缓存内的数据量是否达到或超过缓存阈值，如果缓存数据量超过缓存阈值则启动数据转发启动模块；

数据转发启动模块，用于启动节点的信道检测模块，该信道检测模块检测传输信道是否空闲，并将空闲状态返回数据转发启动模块，若信道忙，等待时间常数后重新启动信道检测模块，直至信道空闲；若信道空闲则启动数据转发模块和链路速率统计模块，所述数据转发模块将节点缓存内的数据依次传送给下一跳节点，并在数据转发结束后发送停止链路速率统计信令给链路速率统计模块；

链路速率统计模块，收到数据转发启动模块的信令以后，开始统计本次数据转发的状态，在收到停止统计信令以后，结束统计，并计算本次数据转发的链路速率值，并将该值发给链路稳定性预测模块；

链路稳定性预测模块，用新收到的链路速率值计算和预测下一次数据转发的数据速率，发给缓存阈值计算模块；

缓存阈值计算模块，重新计算并更新缓存阈值。

上述数据接收与缓存监控模块中设定有统计历史数据接收速率的滑动窗口，设定接收速率的滑动窗口的预测函数，计算预测下一个工作周期内数据接收速率，并发送给缓存阈值计算模块；所述链路稳定性预测模块中设定统计历史数据转发速率的滑动窗口，设定转发速率的滑动窗口的预测函数，计算预测下一次数据转发速率；所述缓存阈值计算模块通过计算比较前述预测得到的数据接收速率和数据转发速率关系，对定义的缓存阈值进行更新。

上述数据转发启动模块在信道忙时启动信道检测模块的等待时间常数是自行定义的时间段或一个工作周期。

一种无线传感器网络节点数据缓存转发控制方法，包括如下步骤：

（1）节点的数据接收模块在接收其它节点传输过来的数据或者自身传感器部件感知到的数据以后，首先将数据存放到节点缓存，并启动该系统的数据接收与缓存监控模块；

（2）数据接收与缓存监控模块启动以后，首先统计本次数据接收速率，并预测下一次数据接收速率，并将该预测值转发给缓存阈值计算模块；同时，数据接收与缓存监控模块检测缓存内的数据量是否达到或超过缓存阈值，如果缓存数据量超过缓存阈值，则启动数据转发启动模块，转步骤（3），如果未超过，则继续等待数据，返回步骤（1）；

（3）数据转发启动模块启动以后，该数据转发启动模块启动节点的信道检测模块，所述信道检测模块检测传输信道是否空闲，并将空闲状态返回数据转发启动模块，若信道忙则等待时间常数后，重新启动信道检测模块进行检测，直至信道空闲，进入步骤（4）；若信道空闲则直接进入步骤（4）；

（4）数据转发启动模块启动数据转发模块和链路速率统计模块，所述数据转发模块进行数据转发，将节点缓存内的数据依次传送给下一跳节点，并在数据转发结束后发送停止链路速率统计信令给链路速率统计模块；

（5）链路速率统计模块收到数据转发启动模块的信令以后，开始统计本次数据转发的状态，在收到停止统计信令以后，结束统计，并计算本次数据转发的链路速率值，并将该值发给链路稳定性预测模块；

（6）链路稳定性预测模块用新收到的链路速率值计算和预测下一次数据转发的数据速率，发给缓存阈值计算模块；

（7）缓存阈值计算模块重新计算并向数据接收与缓存监控模块更新缓存阈值。

上述步骤（3）中，所述时间常数是自行定义的时间段或一个工作周期。

上述步骤（7）中，更新缓存阈值的方法是：

（a）在每个传感器节点上缓存阈值计算模块中定义一个缓存阈值；

（b）在数据接收与缓存监控模块中设定统计历史数据接收速率的滑动窗口，设定接收速率的滑动窗口的预测函数，计算预测下一个工作周期内数据接收速率；

（c）在链路稳定性预测模块中设定统计历史数据转发速率的滑动窗口，设定转发速率的滑动窗口的预测函数，计算预测下一次数据转发速率；

（d）通过计算比较预测得到的数据接收速率和数据转发速率关系，对缓存阈值进行更新。

采用上述方案后，本发明通过在传感器节点设定缓存阈值，用于数据缓存和转发的时机选择，可以解决以下几个问题：

1）传感器节点可以实现基于滑动窗口的数据接收速度和数据转发速率进行预测，通过这两个值的预测实现对缓存阈值的更新；

2）根据缓存阈值的大小，节点可以自动选择数据缓存和转发的时机，实现节点数据的自适应聚合；

3）当缓存中的数据达到缓存阈值时，节点启动数据转发，实现聚合数据的按需传输。

通过本发明可以实现减少传感器网络节点的节点缓存溢出；以及减少数据频繁传输所带来的丢包问题；同时该发明在节点数据缓存和传输中间能够根据缓存阈值的大小做出合理的折中，继而实现节点能量的有效利用，减少节约能量不合理的消耗，并能对传感器网络所采集到的数据做到尽可能多的收集和保存。

附图说明

图1是本发明控制系统的整体架构图；

其中，单横线箭头表示控制流或信令方向，双横线箭头表示数据流方向；

图2是本发明控制系统中各个模块信令传递的过程图；

图3是本发明控制方法的流程图；

图4是本发明中节点缓存阈值的设定及更新过程示意图。

具体实施方式

有关本发明的特征和实际操作，兹配合附图对本发明详细说明如下。

首先参考图1，为本发明所公开的无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统的组成以及与节点其它模块的关系，该控制系统主要包括以下五个模块：缓存阈值计算模块：用于负责计算更新节点的缓存阈值；数据接收与缓存监控模块：用于负责对缓存容量和数据接收模块进行监控；数据转发启动模块，用于启动数据转发模块；链路速率统计模块，用于在数据转发结束以后统计上一次数据转发过程的链路速率；链路稳定性预测模块，用于对下一次进行数据转发时链路速率进行预测。

本发明需要和传感器节点的以下三个模块进行信令的交互：数据接收模块，该控制系统需要对数据接收模块进行监控；信道检测模块，用于检测传输信道是否空闲；数据转发模块，该控制系统通过数据转发启动模块来控制数据转发模块进行数据转发的时机。

如图3所示，本发明还提供一种基于前述无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统的控制方法，包括如下步骤：

（3）数据转发启动模块启动以后，该数据转发启动模块启动节点的信道检测模块，所述信道检测模块检测传输信道是否空闲，并将空闲状态返回数据转发启动模块，若信道忙则等待一个时间T（T大于0秒）或者一个工作周期时间，重新启动信道检测模块进行检测，直至信道空闲，进入步骤（4）；若信道空闲则直接进入步骤（4）；

（6）链路稳定性预测模块用新收到的链路速率值更新滑动窗口WL，并计算和预测下一次数据转发的数据速率，发给缓存阈值计算模块；

（7）缓存阈值计算模块重新计算并更新缓存阈值。

在下一次数据接收或转发时，重新执行以上步骤。

图2给出了控制系统各个模块之间的信令传递过程：数据接收模块发送给数据接收与缓存监控模块的启动信令是StartDataAndCacheMonitor；数据接收与缓存监控模块向数据转发启动模块发送的信令是CacheOverThreshhold，向缓存阈值计算模块发送的信令为DataRateValue；数据转发启动模块向信道检测模块发送的信令是LinkDetect；信道检测模块向数据转发启动模块返回的信令是LinkIdle，LinkIdle=1表示信道空闲，LinkIdle=0表示信道忙；数据转发启动模块向数据转发模块发送的信令为StartTrans，数据转发启动模块向链路速率统计模块发送的信令为StartStat；数据转发模块向链路速率统计模块发送的信令为EndStat；链路速率统计模块向链路稳定性预测模块发送的信令为LastLinkRate；链路稳定性预测模块向缓存阈值计算模块发送的信令为LinkStabilityValue；缓存阈值计算模块向数据接收与缓存监控模块发送的信令为CacheThreshhold。

如图4所示，表明缓存阈值是由缓存阈值计算模块计算得到并传给数据接收与缓存监控模块的。在数据接收与缓存监控模块上设置滑动窗口WD，在链路稳定性预测模块上设置滑动窗口WL。当数据接收模块利用StartDataAndCacheMonitor信令启动数据接收与缓存监控模块以后，利用滑动窗口WD的预测函数f_d(WD)计算预测下一个周期的数据接收速率DataRateValue，并将DataRateValue传送给缓存阈值计算模块。

链路稳定性预测模块在收到链路速率统计模块转发的链路数据转发速率LastLinkRate以后，利用滑动窗口WL的预测函数f_l(WL)计算预测下一次数据转发速率LinkStabilityValue，并将LinkStabilityValue传送给阈值计算模块。

缓存阈值计算模块利用最新的DataRateValue和LinkStabilityValue，利用缓存阈值计算公式f_t(DataRateValue，LinkStabilityValue)，计算得到新的缓存阈值以后，更新原有缓存阈值变量。

通过上面的具体实施方式的描述，本发明的内容已经非常详细，本领域的技术人员都能根据所述内容重现所述控制系统及方法。当然，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的思想和方法范围内，对本发明进行各种改动和变型。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以下将给出本发明的一个具体实施例，对本发明的技术方案有更清楚的了解。

在网络初始化时，数据接收与缓存监控模块和缓存阈值计算模块都将缓存阈值CacheThreshhold设定为M/2，M为节点缓存的最大值（M的值为大于0的整数值），缓存阈值的取值范围为0到M之间的任何正整数。数据接收与缓存监控模块将WD的规模设为m（m为大于1的整数），链路稳定性预测模块将WL的规模设为n（n为大于1的整数）。WD包括wd[1],wd[2],…,wd[m]。wd[i]（1≤i≤m）代表一个在时间跨度为T（T>0，表示一个工作周期）的时间段内传感器节点产生或收到的数据速度。WD窗口中，每个wd所代表的时间段是不相交的。wd[i]（1≤i≤m）的初始值都设为0.5，即最高数据速度DMax（DMax为大于0的实数，在网络初始化时进行配置，在运行过程中DMax可以设置为WD中的最大值）的一半。wl[j](1≤j≤n，n为大于1的整数)的值代表一次数据传输完成以后所统计的链路数据传输速率的历史值。此时，wl[1],wl[2],…,wl[n]的值分别为LMin（LMin为大于0的实数，在网络初始化时进行配置，在运行过程中LMin可以设置为WL中的最小值）。

当数据接收模块利用StartDataAndCacheMonitor信令启动数据接收与缓存监控模块以后，统计接收数据速率D，并令wd[1]=wd[2],wd[2]=wd[3],以此类推，wd[m-1]=wd[m],而wd[m]=D。令f _d(WD)=，其中α[i]表示系数值，满足α[1]<α[2]<…<α[m]，且α[1]+α[2]+…+α[m]=1。数据接收与缓存监控模块令DataRateValue=f _d(WD)，并将DataRateValue传送给缓存阈值计算模块。

数据接收模块将数据存放到缓存中，数据接收与缓存监控模块查看缓存内的数据量是否超过缓存阈值。如果没有超过，则继续等待下一个数据周期的数据；如果超过（或等于）缓存阈值，则执行所述控制方法中步骤（3）至步骤（7）的内容。其中，在数据转发模块向链路速率统计模块发送信令EndStat以后，链路速率统计模块统计此次数据转发的链路数据转发速率LastLinkRate，并传给链路稳定性预测模块。链路稳定性预测模块令wl[1]=wl[2]，wl[2]=wl[3]，以此类推，wl[n-1]=wl[n],而wl[n]=LastLinkRate。令f _l(WL)= ，其中β[j]表示系数值，满足β[1]<β[2]<…<β[m]，且β[1]+β[2]+…+β[n]=1。链路稳定性预测模块令LinkStabilityValue=f _l(WL)，然后传输给缓存阈值计算模块。

缓存阈值计算模块利用公式

f _t(DataRateValue，LinkStabilityValue)=

计算新的缓存阈值Θ，其中，Lf=LinkStabilityValue，Df=DataRateValue，LMin表示链路传输数据的最小速率，DMax表示数据接收的最大速率。在计算得到新的缓存阈值以后，更新原有缓存阈值变量，令CacheThreshhold=f _t(DataRateValue，LinkStabilityValue)，并传输给数据接收与缓存监控模块。

Claims

1.一种无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统，所述的节点包括：

数据接收模块，在接收其它节点传输过来的数据或者自身传感器部件感知到的数据以后，将数据存放到节点缓存；其特征在于所述控制系统包括：

缓存阈值计算模块，重新计算并更新缓存阈值。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统，其特征在于：所述数据接收与缓存监控模块中设定有统计历史数据接收速率的滑动窗口，设定接收速率的滑动窗口的预测函数，计算预测下一个工作周期内数据接收速率，并发送给缓存阈值计算模块；所述链路稳定性预测模块中设定统计历史数据转发速率的滑动窗口，设定转发速率的滑动窗口的预测函数，计算预测下一次数据转发速率；所述缓存阈值计算模块通过计算比较前述预测得到的数据接收速率和数据转发速率关系，对定义的缓存阈值进行更新。

3.如权利要求1或2所述的无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统，其特征在于：所述数据转发启动模块在信道忙时启动信道检测模块的等待时间常数是自行定义的时间段或一个工作周期。

4.一种基于如权利要求1所述的无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

5.如权利要求4所述的无线传感器网络节点数据缓存转发控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中，所述时间常数是自行定义的时间段或一个工作周期。

6.如权利要求4或5所述的无线传感器网络节点数据缓存转发控制方法，其特征在于：所述步骤（7）中，更新缓存阈值的方法是：