CN103747480B - 数据包传输方法及通信节点 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数据包传输方法及通信节点，能够减少数据包的冲突，提高无线信道的利用率。所述方法包括：接收至少一个发送节点按各自对应的第一发送概率发送的数据包；根据数据包发送状态，确定第二发送概率；向所述至少一个发送节点发送通知消息，所述通知消息包含所述第二发送概率；接收所述发送节点根据所述第二发送概率发送的数据包。本发明实施例根据数据包发送状态重新确定的发送概率，发送节点根据新的发送概率发送数据包，从而减少数据包的冲突，提高无线信道利用率。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种数据包传输方法及通信节点。
背景技术
随着通信、传感器制造、嵌入式计算的日益成熟，大规模无线传感器网络技术迅速发展并被广泛应用。典型的无线传感器网络由大量微型传感器节点组成，它们能够在恶劣及危险环境中迅速展开，并通过无线自组成网，不受现有有线网络基础设施的限制。感知数据通过无线通信以多跳中继方式汇集到数据处理中心。
目前已经有大量研究工作致力于如何提高无线传感器网络的性能以及降低能量消耗。其中一个重要的指标就是如何提高无线传感器节点对于无线信道的利用率。
但在实际网络中，由于发送节点造成无线信道的利用率较低。
发明内容
本发明实施例提供一种数据包传输方法及通信节点，能够减少数据包的冲突，提高无线信道的利用率。
本发明实施例采用如下技术方案：
一种数据包传输方法，包括：
接收至少一个发送节点按各自对应的第一发送概率发送的数据包；
根据数据包发送状态，确定第二发送概率；
向所述至少一个发送节点发送通知消息，所述通知消息包含所述第二发送概率；
接收所述发送节点根据所述第二发送概率发送的数据包。
可选的，所述根据所述数据包发送状态，确定第二发送概率包括：
当发送节点近期发送的数据包冲突较重时，将所述第一发送概率调小，作为第二发送概率；当发送节点近期发送的数据包冲突较轻时，将第所述一发送概率增大作为第二发送概率；
相应地，所述向所述至少一个发送节点发送通知消息包括：
向所述至少一个发送节点发送包含第二概率的通知消息。
可选的，所述根据所述数据包发送状态，确定第二发送概率包括：
如果至少一个发送节点中多个发送节点发送数据包，且发送冲突，则重新确定发送概率，将重新确定的发送概率作为所述第二发送概率；
相应地，所述向所述至少一个发送节点发送通知消息包括：
向所述至少一个发送节点中发送数据包的多个发送节点发送通知消息。
可选的，所述通知消息还包含状态标识，所述状态标识用于标识数据包发送成功或者数据包发送失败。
可选的，还包括：
根据所述发送节点的数量，利用当前发送节点发送数据包的状态，不断调整发送概率直至确定最优的发送概率。
一种通信节点，包括：
接收单元，用于接收至少一个发送节点按各自对应的第一发送概率发送的数据包；
第一确定单元，用于根据数据包发送状态，确定第二发送概率；
发送单元，用于向所述至少一个发送节点发送通知消息，所述通知消息包含所述第二发送概率；
所述接收单元还用于接收所述发送节点根据所述第二发送概率发送的数据包。
可选的，所述第一确定单元具体用于，当发送节点近期发送的数据包冲突较重时，将所述第一发送概率调小，作为第二发送概率；当发送节点近期发送的数据包冲突较轻时，将第所述一发送概率增大作为第二发送概率；
相应地，所述发送单元具体用于，向所述至少一个发送节点发送包含第二概率的通知消息。
可选的，所述第一确定单元具体用于，当至少一个发送节点中多个发送节点发送数据包，且发送冲突时，重新确定发送概率，将重新确定的发送概率作为所述第二发送概率；
相应地，所述发送单元具体用于，向所述至少一个发送节点中发送数据包的多个发送节点发送通知消息。
可选的，所述通知消息还包含状态标识，所述状态标识用于标识数据包发送成功或者数据包发送失败。
可选的，还包括：
第二确定单元，用于根据所述发送节点的数量，利用当前发送节点发送数据包的状态，不断调整发送概率直至确定最优的发送概率。
基于上述方案，本发明实施例的数据包传输方法及通信节点，接收发送节点按发送概率发送的数据包，根据数据包发送状态，重新确定发送概率，向发送节点发送重新确定的发送概率，接收发送节点根据重新确定的发送概率发送的数据包。这样根据数据包发送状态重新确定的发送概率，发送节点根据新的发送概率发送数据包，从而减少数据包的冲突，提高无线信道利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种数据包传输方法的流程图；
图2为本发明实施例2提供的一种调整发送概率的示意图；
图3a为本发明实施例2提供的接收节点实现数据包传输方法的流程图；
图3b为本发明实施例2提供的发送节点实现数据包传输方法的流程图；
图4为本发明实施例2提供的发送概率的确定方法示意图；
图5为本发明实施例3提供的一种通信节点的结构图；
图6为本发明实施例3提供的另一种通信节点的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出一种新型的无线传感器网络的信道访问机制。该机制有效的解决了大规模无线传感器网络中由于冲突导致的信道利用率低的问题，并且提升了数据的吞吐率和整个网络的性能。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种数据包传输方法，本实施例的方法可以由具有收发功能的节点执行，该方法包括：
11、接收至少一个发送节点按各自对应的第一发送概率发送的数据包；
12、根据数据包发送状态，确定第二发送概率；
13、向所述至少一个发送节点发送通知消息，所述通知消息包含所述第二发送概率；
14、接收所述发送节点根据所述第二发送概率发送的数据包。
可选的，所述根据所述数据包发送状态，确定第二发送概率包括：
当发送节点近期发送的数据包冲突较重时，将所述第一发送概率调小，作为第二发送概率；当发送节点近期发送的数据包冲突较轻时，将第所述一发送概率增大作为第二发送概率。即当有很多冲突时，说明概率过大，则相应的将发送概率调小；如果出现很多空白时隙，则说明发送概率过小，则将发送概率调大。接收节点维持一个滑动窗口记录最近一段时间发送节点的发送状态。以发送状态作为输入，第二发送概率作为输出，计算第二发送概率。
相应地，所述向所述至少一个发送节点发送通知消息包括：
向所述至少一个发送节点发送包含第二概率的通知消息。
可选的，所述根据所述数据包发送状态，确定第二发送概率包括：
如果至少一个发送节点中多个发送节点发送数据包，且发送冲突，则重新确定发送概率，将重新确定的发送概率作为所述第二发送概率；
相应地，所述向所述至少一个发送节点发送通知消息包括：
向所述至少一个发送节点中发送数据包的多个发送节点发送通知消息。
可选的，所述通知消息还包含状态标识，所述状态标识用于标识数据包发送成功或者数据包发送失败。
可选的，该方法还包括：
根据所述发送节点的数量，利用当前发送节点发送数据包的状态，不断调整发送概率直至确定最优的发送概率。
本实施例的方法，接收发送节点按发送概率发送的数据包，根据数据包发送状态，重新确定发送概率，向发送节点发送重新确定的发送概率，接收发送节点根据重新确定的发送概率发送的数据包。这样根据数据包发送状态重新确定的发送概率，发送节点根据新的发送概率发送数据包，从而减少数据包的冲突，提高无线信道利用率。
实施例2
本实施例提供一种数据包传输方法，本实施例的方法可以由具有收发功能的节点执行，该方法包括：
（1）协议运行初始化。
由于协议分布式运行在每一个通信节点，因此每个通信节点会运行该初始化。初始化过程对于初始发送概率p进行初值设定，p的初始值设为0.5，上下限分别为1和0，同时初始化其他协议参数。
（2）发送节点发送数据包。
接收节点可以接收来自发送节点的数据包，数据包以单播的形式发送给接收节点；当有多个发送节点同时向一个接收节点发送数据包时，在接收节点可能出现数据包的冲突。
本实施例容忍冲突，冲突容忍需要无线传感器网络物理层的支持。本实施例中研究的协议为802.15.4，在这个协议中，要实现冲突的容忍，需要满足两个条件。首先，所有发送节点发出的数据包到达接收节点的时间差必须小于一个阈值，在本发明中，我们指出这个阈值为160us。当时间差大于这个阈值之后，冲突容忍就无法实现。第二个条件是，同时发出的数据包的个数需要根据当前网络情况满足一定的条件，我们称之为发送节点的度数，比如在802.15.4协议中，一般度数需要小于3。
为了满足以上两个条件，本所示采用了ACK触发的机制来解决以上的时间和度数要求。首先，发送节点的发包是由接收节点发出的ACK触发（第一次的发送除外），当所有潜在发送节点收到发送节点发出的ACK之后，都得知此时接收节点准备好下一次接收，从而准备发包，因此，通过ACK的触发，可以实现一种粗略的同步，从而满足第一个时间差的条件。当收到ACK之后，所有发送节点又能从ACK包中获取发送概率p，并且用这个概率p发包，而不是确定性的发包。假设发送节点个数为N，那么以概率p发送，实际的发包者个数为Np，因此就实现了调整发送节点度数的目的。
（3）接收节点返回携带p的ACK（确认字符）通知包。
当只有一个发送节点发包并且发送成功时，接收返回ACK，并且此时的p值。当有多个发送节点发送数据包并且发送冲突之后，接收节点通过判断冲突的情况，重新计算新的p，然后将p通过ACK包广播给潜在的发送节点。本实施例中，这个携带新p值的ACK既可以作为数据发送失败的通知包，又可将新的p值广播给发送节点。
图2为本实施例提供的调整发送概率（p）的示意图。
（4）发送节点重新发送数据包。
在接收节点发出竞争通知之后，其周围的所有节点都会收到此通知。对于所有潜在的发送节点，在收到接收节点发送的ACK包之后，会先从ACK中将新的p值提取出来，并且调整自己的发送概率为新的p。当p和发送节点的个数N满足一定的关系时，在接收节点有很大的概率可以成功接收到其中一个发送节点发出的数据包，从而实现通过容忍冲突的信道访问机制。
（5）协议运行终止。
当发送节点陆续发送成功之后，发送节点的个数会逐渐减少，此时p需要进行再次调整，因为当p值太小的时候，会出现很多空白时隙。所以接收节点会不断重新计算p。当最后所有发送节点都成功发送数据包之后，接收节点在等待连续出现k个空白时隙之后，确定所有发送节点已经发完数据包，从而停止接收数据包。
本实施例具体实现时，接收节点可以通过图3a所示步骤实现本实施例的方法；接收节点可以通过图3b所示步骤实现本实施例的方法。
图4为本实施例提供的一种发送冲突示意图，与传统的信道访问机制不同，本实施例提供一种新型的通过容忍冲突而实现信道利用率提升的机制。本实施例没有避免冲突，相反容忍冲突的发生。这样做的能够消除由于避免冲突所带来的额外代价，从而提升了信道利用率。在以上步骤中，有两个方面的设计需要给出解释。
本实施例提供一种最优发送概率动态调整算法如下：
本算法能够根据当前发送节点发送数据包的状态，确定适合于当前发送者个数的最优发送概率p，其运行过程如下：
（1）初始化，确定当前冲突时隙个数n，滑动窗口大小W，发送概率上界值pu和下界值pl，其中初始值为pu=1，pl=0;
（2）根据当前冲突时隙的个数n和滑动窗口大小W，计算冲突概率Pc=n/W；
（3）通过冲突概率Pc判断当前概率是否合适。具体细节是，如果 ,则发送概率p为当前最优，否则不是最优，跳入第三步；
（4）如果则将p的当前值赋予pl，且p值更新为(pl+pu)/2；
（5）如果则将p的当前值赋予pu，且p值更新为(pl+pu)/2；返回p值并结束算法。
本实施例中p和发送节点个数N满足一定的关系，因此p的计算不仅和当前网络状况有关，而且和发送这个个数N有直接关系。在本发明中，我们通过分析网络状况和p的关系，得出以下结论：
首先，对于一个时隙来讲，存在三种概率，即成功概率Ps，冲突概率Pc，
Pi＝(1-p)N
Pc＝1-Pi-Ps
空白概率Pi。这三种概率和发送概率p满足以下关系：
其中C(k)为冲突容忍的概率，可以通过实验获得。通过分析以上三个概率和p的关系，本发明指出在特定的N的条件下，最优p值（即满足信道利用率最好）需要满足以下条件：
其中，为最优p值时的冲突概率，通过实验发现，和N大小无关，而且在N趋向于无穷大时，收敛到一个常数，ε为一个误差范围。因此，
通过计算状态下发包冲突的概率Pc并且和进行比较，即可验证当前p是否合适，从而进行相应的调节。
对于p的调节，接收节点维护了一个滑动窗口，此窗口记录了近一段时间时隙的状态，比如冲突、成功或者空白。通过这些时隙的个数可以得到冲突概率Pc的大小。对于p的调整采用二分调整，初始p有一个上限和下限值，分别为pu和pl，当p过大时，p重新赋值为当前值和pl的中值；当p太小时，p被重新赋值为当前值和pu的中值。
本实施例的方法，接收发送节点按发送概率发送的数据包，根据数据包发送状态，重新确定发送概率，向发送节点发送重新确定的发送概率，接收发送节点根据重新确定的发送概率发送的数据包。这样根据数据包发送状态重新确定的发送概率，发送节点根据新的发送概率发送数据包，从而减少数据包的冲突，提高无线信道利用率。
实施例3
如图5所示，本实施例提供一种通信节点，包括：
接收单元61，用于接收至少一个发送节点按各自对应的第一发送概率发送的数据包；
第一确定单元62，用于根据数据包发送状态，确定第二发送概率；
发送单元63，用于向所述至少一个发送节点发送通知消息，所述通知消息包含所述第二发送概率；
接收单元61还用于接收所述发送节点根据所述第二发送概率发送的数据包。
可选的，第一确定单元62具体用于，当发送节点近期发送的数据包冲突较重时，将所述第一发送概率调小，作为第二发送概率；当发送节点近期发送的数据包冲突较轻时，将第所述一发送概率增大作为第二发送概率；
相应地，发送单元63具体用于，向所述至少一个发送节点发送包含第二概率的通知消息。
可选的，第一确定单元62具体用于，当至少一个发送节点中多个发送节点发送数据包，且发送冲突时，重新确定发送概率，将重新确定的发送概率作为所述第二发送概率；
相应地，发送单元63具体用于，向所述至少一个发送节点中发送数据包的多个发送节点发送通知消息。
可选的，所述通知消息还包含状态标识，所述状态标识用于标识数据包发送成功或者数据包发送失败。
可选的，如图6所示，还包括：
第二确定单元64，用于根据所述发送节点的数量，利用当前发送节点发送数据包的状态，不断调整发送概率直至确定最优的发送概率。
本实施例的通信节点可以实现上述方法实施例，本实施例的通信节点中各个组成单元的功能仅为简要描述，详细实现过程请参阅上述方法实施例。
本实施例的通信节点，接收发送节点按发送概率发送的数据包，根据数据包发送状态，重新确定发送概率，向发送节点发送重新确定的发送概率，接收发送节点根据重新确定的发送概率发送的数据包。这样根据数据包发送状态重新确定的发送概率，发送节点根据新的发送概率发送数据包，从而减少数据包的冲突，提高无线信道利用率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
本领域普通技术人员将会理解，本发明的各个方面、或各个方面的可能实现方式可以被具体实施为系统、方法或者计算机程序产品。因此，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件等等)，或者组合软件和硬件方面的实施例的形式，在这里都统称为“电路”、“模块”或者“系统”。此外，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用计算机程序产品的形式，计算机程序产品是指存储在计算机可读介质中的计算机可读程序代码。
计算机可读程序代码可以完全在用户的计算机上执行、部分在用户的计算机上执行、作为单独的软件包、部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上，或者完全在远程计算机或者服务器上执行。也应该注意，在某些替代实施方案中，在流程图中各步骤、或框图中各块所注明的功能可能不按图中注明的顺序发生。例如，依赖于所涉及的功能，接连示出的两个步骤、或两个块实际上可能被大致同时执行，或者这些块有时候可能被以相反顺序执行。
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 (8)
1.一种数据包传输方法，其特征在于，包括：
接收至少一个发送节点按各自对应的第一发送概率发送的数据包；
根据数据包发送状态，确定第二发送概率；
向所述至少一个发送节点发送通知消息，所述通知消息包含所述第二发送概率；
接收所述发送节点根据所述第二发送概率发送的数据包，
其中，还包括：
根据所述发送节点的数量，利用当前发送节点发送数据包的状态，不断调整发送概率直至确定最优的发送概率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述数据包发送状态，确定第二发送概率包括：
当发送节点近期发送的数据包冲突较重时，将所述第一发送概率调小，作为第二发送概率；当发送节点近期发送的数据包冲突较轻时，将第所述一发送概率增大作为第二发送概率；
相应地，所述向所述至少一个发送节点发送通知消息包括：
向所述至少一个发送节点发送包含第二概率的通知消息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述数据包发送状态，确定第二发送概率包括：
如果至少一个发送节点中多个发送节点发送数据包，且发送冲突，则重新确定发送概率，将重新确定的发送概率作为所述第二发送概率；
相应地，所述向所述至少一个发送节点发送通知消息包括：
向所述至少一个发送节点中发送数据包的多个发送节点发送通知消息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通知消息还包含状态标识，所述状态标识用于标识数据包发送成功或者数据包发送失败。
5.一种通信节点，其特征在于，包括：
接收单元，用于接收至少一个发送节点按各自对应的第一发送概率发送的数据包；
第一确定单元，用于根据数据包发送状态，确定第二发送概率；
发送单元，用于向所述至少一个发送节点发送通知消息，所述通知消息包含所述第二发送概率；
所述接收单元还用于接收所述发送节点根据所述第二发送概率发送的数据包，
其中，还包括：
第二确定单元，用于根据所述发送节点的数量，利用当前发送节点发送数据包的状态，不断调整发送概率直至确定最优的发送概率。
6.根据权利要求5所述的通信节点，其特征在于，所述第一确定单元具体用于，当发送节点近期发送的数据包冲突较重时，将所述第一发送概率调小，作为第二发送概率；当发送节点近期发送的数据包冲突较轻时，将第所述一发送概率增大作为第二发送概率；
相应地，所述发送单元具体用于，向所述至少一个发送节点发送包含第二概率的通知消息。
7.根据权利要求5所述的通信节点，其特征在于，所述第一确定单元具体用于，当至少一个发送节点中多个发送节点发送数据包，且发送冲突时，重新确定发送概率，将重新确定的发送概率作为所述第二发送概率；
相应地，所述发送单元具体用于，向所述至少一个发送节点中发送数据包的多个发送节点发送通知消息。
8.根据权利要求5所述的通信节点，其特征在于，所述通知消息还包含状态标识，所述状态标识用于标识数据包发送成功或者数据包发送失败。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |