CN103517365A - 一种基于无线传感器网络的信息传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的信息传输方法及装置，用于解决现有技术中存在部分中继节点能量消耗过大，导致信息传输准确性差的问题。方法为：源节点确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，n≤m；源节点分别根据每一个中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，在确定的m个中继节点中，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点；源节点将待发送的n个数据包分别通过上述n个中继节点对应的传输路径发往目的节点的方法，在源节点和目的节点之间增加中继节点，多路径传输信息，提高了信息传输的效率，节约了源节点和目的节点的能量。

Description

一种基于无线传感器网络的信息传输方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的信息传输方法及装置。

背景技术

WSN（Wireless Sensor Network,无线传感器网络）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。无线网络中的各个传感器相互协作，以感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，这些监测信息通过大量的传感器节点发送至用户。

WSN节点电源的能量为有限值，且WSN节点的通信能力和处理能力受节点电源能量的影响，即随着WSN某节点电源能量的下降，信息接收端的误码率随之升高，通信状况会变差。为了使接收端获得更加精确的信息，往往需要在被监测区域部署节点密度很大的成千上万个邻居节点，使得每个节点周围都含有大量的邻居节点。在WSN中，由源节点经过多跳发送至目的节点来实现信息的传递。传统的网络中，往往使用单一路径传输数据信息的方法，例如，在一些网络结构中，节点以簇的形式进行分布，如图1所示，在该簇中选择一个节点作为管理节点，该管理节点被成为簇头节点，用于簇内信息的汇总、转发以及对其他簇的信息进行接收。对于上述网络结构，所有信息的传输均以簇头节点为中继节点，在簇头节点之间通过单跳方式实现信息的传输，导致簇头节点负担较重，容易因为能量的大量消耗而失效。在多数网络中，也存在源节点于目的节点之间传输路径单一，仅在源节点大量的邻居节点中，选择一个节点作为中继节点来完成源节点与目的节点之间的信息传输。参阅图2所示，源节点s和目的节点t之间的信息传输路径为s，即源节点s和目的节点t之间的信息传输为多跳传输，而传输路径仅为一条，该传输路径中的中继节点的能量消耗较大，当中继节点的能量消耗殆尽时，会造成信息传输的错误。

综上所述，在无线传感器网络的信息传输过程中，存在部分中继节点能量消耗过大，导致信息传输准确性差的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种无线传感器网络的信息传输方法及装置，用以解决现有技术中存在部分中继节点能量消耗过大，导致信息传输准确性差的问题。

本发明实施例提供的具体技术方案如下：

一种基于无线传感器网络的信息传输方法，包括：

源节点确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，n≤m；

源节点分别根据每一个中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，在确定的m个中继节点中，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点；

源节点将待发送的n个数据包分别通过所述n个中继节点对应的传输路径发往目的节点。

一种基于无线传感器网络的信息传输方法，包括：

目的节点通过m个中继节点中传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点接收源节点按照上述方法发送的n个数据包。

一种基于无线传感器网络的信息传输装置，包括：

统计模块，用于确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，n≤m；

计算模块，用于分别根据每一个中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，在确定的m个中继节点中，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点；

发送模块，用于将待发送的n个数据包分别通过所述n个中继节点对应的传输路径发往目的节点。

一种基于无线传感器网络的信息传输装置，包括：

接收模块，用于通过m个中继节点中传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点接收源节点按照上述方法发送的n个数据包。

本发明实施例中，通过源节点确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，n≤m；源节点分别根据每一个中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，在确定的m个中继节点中，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点；源节点将待发送的n个数据包分别通过n个中继节点对应的传输路径发往目的节点的方法，在源节点和目的节点之间增加中继节点，多路径传输信息，提高了信息传输的效率，节约了源节点和目的节点的能量。

附图说明

图1为现有技术中分簇网络中信息的传输方式示意图；

图2为现有技术中无线传感器网络中信息的传输方式示意图；

图3为本发明实施例中基于无线传感器网络的信息传输装置；

图4为本发明实施例中基于无线传感器网络的信息传输流程图；

图5为本发明实施例中无线传感器网络中三条路径实现信息传输示意图；

图6为本发明实施例中无线传感器网络中n条路径实现信息传输示意图；

图7为本发明实施例中在m个中继节点对应的传输路径中计算最小能量消耗传输路径的流程图。

具体实施方式

为了解决现有技术中存在部分中继节点能量消耗过大，导致信息传输准确性差的问题，本发明实施例中，通过源节点确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，n≤m；源节点分别根据每一个中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，在确定的m个中继节点中，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点；上述每一个中继节点对应的传输路径为由源节点经中继节点至目的节点的路径；源节点将待发送的n个数据包分别通过n个中继节点对应的传输路径发往目的节点的方法，在源节点和目的节点之间增加中继节点，多路径传输信息，提高了信息传输的效率，节约了源节点和目的节点的能量。

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

参阅图3所示，本发明实施例中，基于无线传感器网络的信息传输装置包括统计模块31，计算模块32，发送模块33，接收模块34，其中，

统计模块31，用于确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，n≤m；

计算模块32，用于分别根据每一个中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，在确定的m个中继节点中，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点；

发送模块33，用于将待发送的n个数据包分别通过上述n个中继节点对应的传输路径发往目的节点；

接收模块34，用于目的节点通过m个中继节点中传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点接收源节点按照上述方法发送的n个数据包。

基于上述技术方案，参阅图4所示，本发明实施例中，基于无线传感器网络的信息传输的详细流程如下：

步骤400：源节点确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，n≤m。

参阅图5所示为当中继节点为3个，即由源节点到目的节点的传输路径有3条时信息传输的示意图。若源节点周围的邻居节点有三个，这三个邻居节点即可作为中继节点，源节点利用上述3个中继节点组成的三条传输路径进行信息传输。在现有技术中，上述信息传输是基于网络编码技术：图5中的源节点S经过多跳将信息发送至其中一个节点（1），通过多路径对信息传输至节点（5），由节点（5）经过多跳将信息发送至目的节点t。现仅研究节点（1）与节点（5）之间的信息传输。将节点（1）视为源节点，节点（2）、（3）、（4）视为中继节点，节点（5）视为目的节点，现将节点（1）所携带信息A发送至节点（2）和节点（3），将节点（2）和节点（3）上信息进行模2加运算（即逻辑上的异或运算）后得到的信息B发送至节点（4）。目的节点（5）接收上述信息后，对节点（3）和节点（4）所发送信息进行解码，这样，即使节点（2）、节点（3）或节点（4）对应的传输路径中信息出现严重衰减，目的节点（5）也可以依赖另外两路信息解析出所源节点（1）所发送的信息。

由于在无线传感器网络中，源节点、目的节点或者簇头节点的周围存在大量邻居节点，因此，无线传感器网络中中继节点的数目不限于3个。基于上述3个中继节点传输信息过程，当上述中继节点数目不限于3个，即由源节点进行数据传输时，对应的信息传输路径不仅仅为3条时，源节点确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，2≤n≤m，源节点向m个节点采用广播方式发送数据包。任意一个中继节点接收到的由源节点广播的n个数据包为：

P₁:{x₁(0),…,x₁(N-1)}

P₂:{x₂(0),…,x₂(N-1)}

…

P_n:{x_n(0),…,x_n(N-1)}

其中，N为数据包中所包含的元素数目。

本发明实施例中，在m个中继节点中，每一个中继节点均接收到源节点发送n个数据（即上式中的P_n），每一个中继节点都会采用各自的编码向量分别对接收到的n个数据包进行编码生成相应的信息包后，转发至目的节点。

步骤410：源节点分别根据每一个中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，，在确定的m个中继节点中，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点。

具体为：

采用线性网络编码，中继节点i（1≤i≤m）将接收到的n个信息进行组合，得到下式所示的信息包并发送到下一跳节点：

$P_i^{\′}:\left\{\begin{array}{c}{y}_i\left(0\right)=g_{i,1}{x}_1\left(0\right)+g_{i,2}{x}_2\left(0\right)+...+g_{i,n}{x}_n\left(0\right),\\ .\\ .\\ .,\\ y_i(N-1)=g_{i,1}{x}_1(N-1)+g_{i,2}{x}_2(N-1)+...+g_{i,n}{x}_n(N-1)\end{array}\right\}$

其中，{g_i,1,g_i,2,…,g_i,n}为中继节点i的编码向量，编码向量取自确定的域。经过上述编码过程，由于存在m个中继节点，因此存在m个编码向量，从m个编码向量中任意选取的n个编码向量之间线性无关。这样，可以使得经各中继节点编码后的信息包之间不存在干扰问题。

在各个节点硬件参数以及信息传输信道参数一定的情况下，两个节点之间进行信息传输过程中，节点的能量消耗与节点之间的关系相关，可以写为：

f＝β(S/N)_id²

其中，β为特定传输介质（如空气）下的比例常数；S/N为信号噪声功率比；d为两节点间的距离。

基于上述理论，根据m个的各中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，计算m个中继节点对应的传输路径的能量消耗值；上述每一个中继节点对应的传输路径为由源节点经中继节点至目的节点的路径。可采用如下公式计算m个中继节点对应的传输路径的能量消耗值：

$f=\mathrm{\β}{(S/N)}_{\mathrm{im}}\underset{1\≤k\≤m}{\max }{d}_k^2+\left(\mathrm{\β}{(S/N)}_i\underset{1\≤k\≤m}{\mathrm{\Σ}}{e}_k^2\right)/n$

其中，β为特定传输介质（如空气）下的比例常数；S/N为信号噪声功率比；m为中继节点的个数；n为所传输数据包的个数；d_c为源节点与目的节点之间的距离，为源节点到中继节点k的距离，e_k为中继节点到目的节点的距离。

由此可知，对于单条路径信息传输和三条路径信息传输，其传输单位比特消耗的能量分别为：

$f_1=\mathrm{\β}{(S/N)}_{\mathrm{il}}{d}_c^2$

$f_2=\mathrm{\β}{(S/N)}_{\mathrm{im}}\max \{d_1^2,d_2^2,d_3^2\}+\left(\mathrm{\β}{(S/N)}_{i2}(e_1^2+e_2^2+e_3^2)\right)/2$

本发明实施例的主要目的是寻找信息传输过程中，能量消耗最小的多传输路径，即选择中继节点应满足上述中继节点所对应的传输路径传输单位比特信息，能量消耗最小。对于上述m个中继节点，n个数据包的多路径信息传输示意图参阅图6所示，本发明技术方案中，选择符合上述条件的中继节点的过程如下，参阅图7所示：

a1：将d_k最大的中继节点去除后，计算剩余中继节点对应的传输路径的能量消耗值f1。

a2：将e_k最大的中继节点去除后，计算剩余中继节点对应的传输路径的能量消耗值f2。

有中继节点对应的传输路径的能量消耗值公式可知，该能量消耗值取决于中继节点和源节点之间的距离，与中继节点和目的节点之间的距离。因此，将去除d_k和e_k最大的情况，分别进行计算。

a3：比较f1和f2的大小。

a4：若f1>f2，则从m个中继节点中去除d_k最大的中继节点。

a5：若f1＜f2，则从m个中继节点中去除e_k最大的中继节点。

a6：在m个中继节点中去除能量消耗最大的中继节点，令m＝m－1。

a7：重复执行步骤a1至a6，直至最终确定能量消耗值相对最小的n个中继节点。

步骤420：源节点将待发送的n个数据包分别通过上述n个中继节点对应的传输路径发往目的节点。

目的节点分别通过每一个中继节点接收经相应中继节点的编码向量处理的n个数据包。

令p_e，p_s分别表示目的节点的误码率及多路径方案中中继信道的误符号率，则上述两个参数需满足下式：

$p_e=1-C_m^n{(1-p_s)}^n{p_s}^{m-n}-C_m^{n+1}{(1-p_s)}^{n+1}{p_s}^{m-n-1}-...-C_m^n{(1-p_s)}^m$

假设线性网络编码确定域的大小为2⁸，则中继信道误符号率p_s与误码率p_b的关系为：

1-(1-P_b)⁸＝p_s

上述中继信道误符号率是指中继节点至目的节点之间信道的误符号率。

目的节点分别接收每一个中继节点发送的信息包（即每个中继节点发送的P_i'），并通过差错检测方法判断所有中继节点发送的信息包的误码率，在判定该误码率低于设定门限值时，即判定目的节点可以从接收到所有信息包中正确出n个数据包时，对接收以的所有信息包进行解码，以获得所需的n个数据包。上述差错检验方法没有进行特定的限制，可以使用目前所有的差错纠错方法，使用何种方法对本发明无影响，其应用于协议的链路层，常见的如循环冗余校验。

目的节点接收上述符合误码率低于门限值的信息包后，对其进行解码，获得源节点发送的n个数据包。

经过仿真实验证明，采用本发明技术方案，性能要求越高的无线传感器网络，m（m>3）个中继节点即m条传输路径相较于单条传输路径和三条传输路径，m条传输路径更加节省能量，即传输路径越多，越节省节点能量。

综上所述，本发明实施例中，源节点确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，n≤m；源节点分别根据每一个中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，在确定的m个中继节点中，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点；源节点将待发送的数据包通过上述n个中继节点对应的传输路径发往目的节点的。利用本发明技术方案，在源节点和目的节点之间增加中继节点，多路径传输信息，提高了信息传输的效率，节约了源节点和目的节点的能量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。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。

Claims (16)

1.一种基于无线传感器网络的信息传输方法，其特征在于，包括：

源节点确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，n≤m；

源节点分别根据每一个中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，在确定的m个中继节点中，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点；

源节点将待发送的n个数据包分别通过所述n个中继节点对应的传输路径发往目的节点。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，源节点根据各中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点，包括：

A、根据m个的各中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，计算m个中继节点对应的传输路径的能量消耗值；

B、根据计算结果，在m个中继节点中去除能量消耗最大的中继节点，令m＝m－1；

C、重复执行步骤A和B，直至最终确定能量消耗值相对最小的n个中继节点。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据m个的各中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，计算m个中继节点对应的传输路径的能量消耗值；

采用公式 $f=\mathrm{\β}{(S/N)}_{\mathrm{im}}\underset{1\≤k\≤m}{\max }{d}_k^2+\left(\mathrm{\β}{(S/N)}_i\underset{1\≤k\≤m}{\mathrm{\Σ}}{e}_k^2\right)/n$ 计算m个中继节点对应的传输路径的能量消耗值；其中，β为特定传输介质下的比例常数；S/N为信号噪声功率比；m为中继节点的个数；n为所传输数据包的个数；d_c为源节点与目的节点之间的距离，为源节点到中继节点k的距离，e_k为中继节点到目的节点的距离。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在m个中继节点中去除能量消耗最大的中继节点，包括：

将d_k最大的中继节点去除后，计算剩余中继节点对应的传输路径的能量消耗值f1；

将e_k最大的中继节点去除后，计算剩余中继节点对应的传输路径的能量消耗值f2；

比较f1和f2的大小，若f1>f2，则从m个中继节点中去除d_k最大的中继节点，若f1＜f2，则从m个中继节点中去除e_k最大的中继节点。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，源节点将待发送的数据包通过所述n个中继节点对应的传输路径发往目的节点，包括：

源节点将待发送的n个数据包分别发送至每一个中继节点，由每一个中继节点采用各自的编码向量分别对接收到的n个数据包进行编码生成相应的信息包后，转发至目的节点。

6.一种基于无线传感器网络的信息传输方法，其特征在于，包括：

目的节点通过m个中继节点中传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点接收源节点按照权利要求1发送的n个数据包。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，具体包括：

目的节点分别通过所述n个中继节点中的每一个中继节点接收经相应中继节点的编码向量处理的信息包，并从接收的所有信息包中解码获得所需的n个数据包。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，目的节点从接收的所有信息包中解析获得所需的n个数据包，包括：

目的节点分别接收每一个中继节点发送的信息包，通过差错检测方法判断接收的所有信息包的误码率，并在确定所述误码率低于设定门限值时，对接收到的所有信息包进行解码，以获得源节点发送的n个数据包。

9.一种基于无线传感器网络的信息传输装置，其特征在于，包括：

统计模块，用于确定待发送的数据包数目n，以及可使用的中继节点的数目m，n≤m；

计算模块，用于分别根据每一个中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，选择传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点；

发送模块，用于将待发送的数据包通过所述n个中继节点对应的传输路径发往目的节点。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，计算模块，具体用于：

A、根据m个的各中继节点对应的传输路径的距离及信噪比，计算m个中继节点对应的传输路径的能量消耗值；

B、在m个中继节点中去除能量消耗最大的中继节点，令m＝m－1；

C、重复执行步骤A和B，直至最终确定能量消耗值相对最小的n个中继节点。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，计算模块，具体用于；

采用公式 $f=\mathrm{\β}{(S/N)}_{\mathrm{im}}\underset{1\≤k\≤m}{\max }{d}_k^2+\left(\mathrm{\β}{(S/N)}_i\underset{1\≤k\≤m}{\mathrm{\Σ}}{e}_k^2\right)/n$ 计算m个中继节点对应的传输路径的能量消耗值；其中，β为特定传输介质下的比例常数；S/N为信号噪声功率比；m为中继节点的个数；n为所传输数据包的个数；d_c为源节点与目的节点之间的距离，为源节点到中继节点k的距离，e_k为中继节点到目的节点的距离。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，计算模块，具体用于：

将d_k最大的中继节点去除后，计算剩余中继节点对应的传输路径的能量消耗值f1；

将e_k最大的中继节点去除后，计算剩余中继节点对应的传输路径的能量消耗值f2；

比较f1和f2的大小，若f1>f2，则从m个中继节点中去除dk最大的中继节点，若f1＜f2，则从m个中继节点中去除e_k最大的中继节点。

13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，发送模块，具体用于：

将待发送的n个数据包分别发送至每一个中继节点，由每一个中继节点采用各自的编码向量分别对接收到的n个数据包进行编码生成相应的信息包后，转发至目的节点。

14.一种基于无线传感器网络的信息传输装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于通过m个中继节点中传输路径的能量消耗值相对最小的n个中继节点接收源节点按照权利要求1发送的n个数据包。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，接收模块，具体用于：

分别通过所述n个中继节点中的每一个中继节点接收经相应中继节点的编码向量处理的信息包，并从接收的所有信息包中解码的所需的n个数据包。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，接收模块，进一步用于：分别接收每一个中继节点发送的信息包，通过差错检测方法分别判断接收的所有信息包的误码率，当在确定所述误码率低于设定门限值时，对接收到的所有信息包进行解码，以获得源节点发送的n个数据包。

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