CN103402236A - 基于可塑性干扰的无线传感器网络洪泛机制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可塑性干扰的无线传感器网络洪泛机制。在一个需要洪泛的网络中，首先对网络中的传感节点进行等级划分，在数据包洪泛过程中，数据包从sink节点向一跳邻居广播，所有的接受者收到数据包后立即进行转发，在所有1级节点进行数据转发时，同一2级节点会收到来自不同1级节点的数据包，此时，在2级节点收到第一个到达的数据包时，接收节点启动计时器，计时器设置为某一参考门限值，在此参考值到达之前，接收节点接收来自不同1级节点的数据包，如果计时器数值超过此参考值，计时器自动关闭，并且接收节点不再接收新到达的数据包，根据可塑性干扰这一物理现象，这样可保证所有的2级节点能够正常的解析数据包并进行转发，以此类推，可触发更多地数据包进行接收和转发，直至实现全网洪泛。

Description

基于可塑性干扰的无线传感器网络洪泛机制

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，具体涉及到网络洪泛的干扰领域。

背景技术

无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的使用价值，已经引起许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是21世纪产生巨大影响力的技术之一。无线传感器网络的应用越来越广泛，规模越来越大，它在给了人类认识世界的巨大能力的同时也存在很多问题。

网络洪泛是无线传感器网络的基本服务之一，它可以应用于时间同步、远程重编程、路由树形成等机制。在无线传感器网络洪泛过程中，数据包同时发送所造成的干扰导致数据包丢失，严重影响了网络的可靠性。随着网络规模的不断扩大，数据包的丢失率也逐渐升高，所以为提高无线传感器网络的可靠性和可扩展性，必须解决网络洪泛过程中的干扰问题。

最初，人们的思维是尽量避免干扰，后来人们想着能否让干扰共存，而现在的研究思路则是利用干扰，即，可塑性干扰（constructive interference）。

可塑性干扰是在2008年由P.Dutta发现的一种物理现象，本质上利用的是物理层对多径效应的容忍度。其物理原理是当多个发送者同时发送一个相同的包到共同的接收者，如果多个发送者的发送间隔小于一个参考门限（该参考门限受限于物理层的设计），那么多个发送者的作用比单独一个发送者要好。基于IEEE802.15.4的无线传感器接收节点中，多个发送者的发送间隔小于0.5us时，收包率较高。图1说明了在IEEE802.15.4无线电的物理层可塑性干扰与有害干扰的区别。

现有技术中，解决网络洪泛过程中的干扰问题有两方面技术方案：

“避免干扰”的网络洪泛机制：基于CSMA/CA协议的洪泛机制采用的是”避免干扰”的思想，节点在发送数据之前先监听媒体的状态，等媒体中无数据传输时，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有数据传输，才送出数据，若在数据发送过程发生碰撞，则节点等待一个随机时间后重新发送。采用这种冲突避免的方法实现起来比较简单，但发生碰撞后所等待的随机事件，严重影响了网络洪泛的效率。这种基于CSMA/CA协议的洪泛算法中每个节点都要维护邻居状态信息列表，因此，对于节点能量有限的无线传感器网络来说，这样大的资源开销将会影响节点寿命，并且随着无线传感器网络规模的不断扩大，可扩展性不好也是其面临的主要问题。

“容忍干扰”的网络洪泛机制：捕获效应和MIM（Message in Message）机制将网络洪泛带到了“容忍干扰”的层面。捕获效应是指节点在接收数据时，能从发送来的数据中提取出强度较大的信号，即，在信噪比足够大的情况下，接收端是可以解析出有效信号的。但此时的有效信号应在接收干扰信号前同步码的期间到达，否则，无法正确解析出有效信号。具有MIM机制的接收机即使有效信号在干扰信号前同步码接收完之后到达，依旧可以通过提高信噪比使接收端正确解析出有效信号。捕获效应在传输重叠时存在着可扩展性差的问题，易导致数据包的损失，并且不适用于大规模、高密度的无线传感器网络，因此，不能满足目前传感器网络的发展需求。并且，为了使效信号的强度达到一定值，对节点能量有限的无线传感器网络来说也是一种挑战。

发明内容

发明目的：本发明在现有无线传感器网络洪泛算法的基础上，引入可塑性干扰，通过控制节点接收数据包的时间差，解决干扰带来的网络可靠性差的问题。并采用层次性分级结构，避免节点接收已接收过的数据包，降低网络的无用能耗，从而节省了节点的资源，延长网络的生存时间。

技术方案：本方案主要采用如下核心方法：

1、将整个无线传感器网络的节点进行层次分级模型的划分，

2、将可塑性干扰这种物理现象运用到无线传感器网络的洪泛过程中，

3、在传感节点中设置计时器以控制数据包接收时间差，

一种基于可塑性干扰的无线传感器网络洪泛机制，A、对需要洪泛的网络，先对网络中的传感节点进行等级划分；B、在数据包洪泛过程中，按照A划分的层次结构，数据包从sink节点向一跳邻居广播，所有的接受者收到数据包后立即进行转发；C、在所有节点安装计时器，通过启动接收节点中的计时器来控制数据包的接受时间差，接受或拒绝数据包，形成可塑性干扰；D、以此类推，可触发更多地数据包进行接收和转发，直至实现全网洪泛。

洪泛的网络定义了洪泛级别，洪泛级别用来表示节点到sink节点的跳数距离，每个节点都有一个洪泛级别：sink节点的级别是0；与sink节点相邻的节点，即sink节点一跳范围内的节点属于级别1；与级别i节点相邻的节点，也就是到sink节点的跳数为(i+1)的节点属于级别(i+1)；以此类推每个节点的级别；节点收到数据分组时，检查发送该分组的节点级别是否低于自己的级别，如果是，就接收该分组处理后转发，否则丢弃该分组，

可塑性干扰的方法为：在所有1级节点进行数据转发时，同一2级节点会收到来自不同1级节点的数据包，此时，在2级节点收到第一个到达的数据包时，接收节点启动计时器。计时器设置为某一参考门限值，在此参考值到达之前，接收节点接收来自不同1级节点的数据包，如果计时器数值超过此参考值，计时器自动关闭，并且接收节点不再接收新到达的数据包。

有益效果：

1、节点不用维护邻居的状态信息，不用加强有效信号的强度，极大程度上节约了资源。

2、采用层次型分级结构可以避免同层间数据包的重复处理，节约节点能量，延长网络生存时间。

3、基于可塑性干扰的物理原理，使得多个发送者的作用比单独一个发送者要好，此条件下的干扰不仅没有影响接收节点对数据包的解析效果，而且加强了有效信号的强度，进一步提高了网络的可扩展性。

4、本发明采用给节点设置计时器的方式控制数据包的接收时间差，简单省时，对于能量有限的传感器节点来说，大大降低了其能量消耗。

附图说明

图1在IEEE802.15.4无线电设备中同时传输相同的数据包

图2无线传感器网络的体系结构

图3接收节点计时器的工作过程

具体实施方式

1.层次分级模型

本发明采用的无线传感器网络的体系结构如图2所示。

本体系结构中用户可以对布设区域内的传感器网络和传感器节点进行配置和数据采集操作。用户的数据采集命令由sink节点通过洪泛的方式发送至传感器网络内的所有节点。

本方案的洪泛机制在无线传感器网络中采用层次型分级结构实现数据在全网范围内的广播，为此定义了洪泛级别的概念，洪泛级别用来表示节点到sink节点的跳数距离。每个节点都有一个洪泛级别：

sink节点的级别是0；

与sink节点相邻的节点，即sink节点一跳范围内的节点属于级别1；

与级别i节点相邻的节点，也就是到sink节点的跳数为(i+1)的节点属于级别(i+1)；

以此类推每个节点的级别。

节点收到数据分组时，检查发送该分组的节点级别是否低于自己的级别。如果是，就接收该分组处理后转发，否则丢弃该分组。

这样，sink点的数据以最小跳数传播到整个网络内的所有节点，并且全网内数据分组的总个数达到最少，等于网络内所有节点的个数之和，没有任何冗余数据包传输。

2.基于可塑性干扰的无线传感器网络洪泛

由可塑性干扰这一物理现象可知，当多个发送者在某一时间间隔内向同一节点发送相同数据时，多个发送者的发送效果比一个发送者的效果要好。因此，在无线传感器网络中，当用户对布设区域内的传感器节点发送数据采集命令时，由sink节点向网络中的所有节点广播命令分组，此时每个节点接收到的数据包是一样的，所以可以通过控制节点接收数据包的时间差，实现可塑性干扰。

3.节点计时器的工作过程

本发明在过程2中是通过控制接收节点接收数据包的时间差来实现可塑性干扰的。图3说明了节点计时器启动与关闭的具体过程。

本发明实现过程的具体实施步骤

1、在一个需要洪泛的网络中，首先对网络中的传感节点进行等级划分，具体划分方法如上所述，此方法可使全网内数据分组的总个数达到最少，没有任何冗余数据包的传输。

2、在数据包洪泛过程中，按照上述的层次结构，数据包从sink节点向一跳邻居广播，所有的接受者收到数据包后立即进行转发。

3、在所有1级节点进行数据转发时，同一2级节点会收到来自不同1级节点的数据包，此时，在2级节点收到第一个到达的数据包时，接收节点启动计时器。计时器设置为某一参考门限值，在此参考值到达之前，接收节点接收来自不同1级节点的数据包，如果计时器数值超过此参考值，计时器自动关闭，并且接收节点不再接收新到达的数据包。根据可塑性干扰这一物理现象，这样可保证所有的2级节点能够正常的解析数据包并进行转发。

4、以此类推，可触发更多地数据包进行接收和转发，直至实现全网洪泛。

本行业的技术人员应了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于可塑性干扰的无线传感器网络洪泛机制，其特征在于，

A、对需要洪泛的网络，先对网络中的传感节点进行等级划分；

B、在数据包洪泛过程中，按照A划分的层次结构，数据包从sink节点向一跳邻居广播，所有的接受者收到数据包后立即进行转发；

C、在所有节点安装计时器，通过启动接收节点中的计时器来控制数据包的接受时间差，接受或拒绝数据包，形成可塑性干扰；

D、以此类推，可触发更多地数据包进行接收和转发，直至实现全网洪泛。

2.根据权利要求1所述的基于可塑性干扰的无线传感器网络洪泛机制，其特征在于，洪泛的网络定义了洪泛级别，洪泛级别用来表示节点到sink节点的跳数距离，每个节点都有一个洪泛级别：

sink节点的级别是0；

与sink节点相邻的节点，即sink节点一跳范围内的节点属于级别1；

与级别i节点相邻的节点，也就是到sink节点的跳数为(i+1)的节点属于级别(i+1)；

以此类推每个节点的级别；

节点收到数据分组时，检查发送该分组的节点级别是否低于自己的级别，如果是，就接收该分组处理后转发，否则丢弃该分组

3.根据权利要求1所述的基于可塑性干扰的无线传感器网络洪泛机制，其特征在于，可塑性干扰的方法为：在所有1级节点进行数据转发时，同一2级节点会收到来自不同1级节点的数据包，此时，在2级节点收到第一个到达的数据包时，接收节点启动计时器。计时器设置为某一参考门限值，在此参考值到达之前，接收节点接收来自不同1级节点的数据包，如果计时器数值超过此参考值，计时器自动关闭，并且接收节点不再接收新到达的数据包。

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