CN103906088A - 移动无线传感器网络中链路质量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移动无线传感器网络中链路质量的测量方法，所述方法包括以下步骤：S1、基于移动基站及无线传感器网络，建立有向图；S2、根据数据包标记的方法，计算所述有向图的路径丢包率；S3、根据所述有向图的路径丢包率，计算所述有向图的链路丢包率。本发明通过利用移动基站接收到的数据包的信息，进而测量传送路径的链路质量，从而达到高效、低能耗的进行链路质量测量的目的。

Description

移动无线传感器网络中链路质量的测量方法

技术领域

本发明涉及无线自组织网络与传感器网络领域，特别涉及一种移动无线传感器网络中链路质量的测量方法。

背景技术

近年来，无线传感器领域的科技进展已经使得无线传感器网络在规模化应用方面取得了重大突破。国内外的研究人员已经利用无线传感器网络在火山爆发监测、物种迁移、森林大火预防等领域取得了诸多进展；然而，这些系统通常需要在有限的能量供应下持久的运行较长的时间，于是能量成为了无线传感器网络性能的一个重大瓶颈，为了解决这一问题，业内人士提出了一种有效的方案，即给护林员配备一台移动终端以避免数据包多跳传输带来的能量消耗，大幅度提升网络性能。

在无线传感器网络中，网络管理的基础架构也是最重要的功能之一，网络管理的基础架构就是对网络中各条链路的运行状况进行实时监控。若是发生严重丢包，网络管理系统可以迅速定位出是哪条链路故障而发生丢包，从而可以辅助网络管理人员对网络状况进行修复。网络链路质量的测量结果，不仅可以定位较差的链路，还能为诊断工具提供有效信息，挖掘网络错误的根本原因。

然而，基于移动终端的网络架构给无线传感器网络的链路测量带来了新的挑战。主要表现在：

1）在静态网络中，数据的传输通常是基于一棵相对稳定的路由树，用于传输数据的链路相对较少。而在基于移动基站的网络中，路由树需要根据基站的位置做出实时的更新，大量的链路都参与了路由树的建立。目前已有的针对静态网络的链路质量测量方案，或者假设路由树的结构始终保持不变，或者假设路由树的结构在短时间内保持稳定。这样的假设，在移动传感器网络中是不成立的。因为路由树的结构会频繁变化，而由于基站的移动性，也很难找到一个合适的时间段，使得期间网络结构保持固定。

2）部分已有的测量技术是采用主动向网络中注入探测包的方法来主动收集链路状况；这样不仅会加重节点的负担，增加不必要的能耗，而且会造成网络拥塞，使得原本丢包率就很高的链路其质量变得更差，导致测量的结果也不准确。由此可见，目前的链路质量测量方案，在移动基站存在的情况下会失效。

因此，现有技术确有改善的必要。

发明内容

（一）解决的技术问题

本发明解决的技术问题是提供一种移动无线传感器网络中链路质量的测量方法，不用向移动无线传感器网络主动注入数据包，且能够适应任意的网络拓扑结构，可以实时的进行链路质量的监控和测量。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提出了一种移动无线传感器网络中链路质量的测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1、基于移动基站及无线传感器网络，建立有向图；

S2、根据数据包标记的方法，计算所述有向图的路径丢包率；

S3、根据所述有向图的路径丢包率，计算所述有向图的链路丢包率。

优选地，步骤S1还包括：当所述移动基站在所述无线传感器网络中移动时，基于无线传感器网络，重新建立有向图。

优选地，步骤S2中所述数据包标记的方法为：

S21、对所述有向图中传感器节点发出的包括序列号域的数据包增加通过节点ID域和跳数域；其中，所述序列号域用于标识数据包的编号，所述通过节点ID域用于记录所述数据包通过节点的ID，所述跳数域用于记录所述数据包的跳跃总数；

S22、当传感器节点A接收到传感器节点B发送的当前数据包时，判断所述当前数据包的所述通过节点ID域是否被标记过；若是，则所述传感器节点A直接将所述当前数据包转发；若否，则跳转步骤S23；

S23、判断所述传感器节点A是否接收过所述传感器节点B发送的数据包；

若否，则将所述当前数据包的所述通过节点ID域设置为所述传感器节点A的ID；

若是，则跳转步骤S24；

S24、判断所述传感器节点A接收到的所述传感器节点B发送的上一数据包，是否满足所述上一数据包的所述序列号域等于所述当前数据包的所述序列号域与1的差值；

若满足，则将所述当前数据包的所述跳数域增加1；

若不满足，则将所述当前数据包的所述通过节点ID域设置为所述传感器节点A的ID。

优选地，步骤S2中所述计算所述有向图的路径丢包率之前还包括：

当所述移动基站接收到预设数目数据包后，利用所述预设数目数据包的所述通过节点ID域确定所述预设数目数据包的传送路径；

记录所述传送路径在丢包前所述移动基站接收到的前一个数据包所述序列号域d1，和记录丢包后所述移动基站接收到的后一个数据包所述序列号域d2，则所述传送路径的数据包丢失量为d2-d1-1。

优选地，步骤S2中所述计算所述有向图的路径丢包率为：所述传送路径的数据包丢失量，与所述传送路径的数据包丢失量与所述预设数目数据包和的比值。

优选地，步骤S3具体包括：

S31、根据所述路径与所述路径中每条链路的关系，设置路由矩阵；

S32、根据所述路由矩阵和所述路径丢包率，并根据以下公式计算链路丢包率；

所述公式为：R_m×nx_n×1＝b_m×1；

b_m×1＝(b₁,b₂,...,b_m)^T；

b_i＝-log(1-p_i)；

x_n×1＝(x₁,x₂,…，x_n)^T；

$\mathrm{\αi}=1-2^{-x_i};$

其中，R_m×n为路由矩阵，p_i为路径丢包率，αi为链路丢包率，x_n×1、b_m×1、b_i、b_m、x_n、x_i均为中间变量。

（三）有益效果

本发明通过提供一种移动无线传感器网络中链路质量的测量方法，通过利用移动基站接收到的数据包的信息，进而测量传送路径的链路质量，从而达到高效、低能耗的进行链路质量测量的目的。

附图说明

图1是本发明提出的方法流程图；

图2是移动基站与传感器建立的路由树示意图；

图3是链路变化后，移动基站与传感器建立的路由树示意图；

图4是移动基站移动后与传感器建立的路由树示意图。

具体实施方式

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、完整地描述。

本发明提出了一种移动无线传感器网络中链路质量的测量方法，该方法对网络的动态性具有良好的适应能力，适用于任意的网络拓扑结构；不向网络主动注入数据包，从而不产生额外的网络流量，也不对系统的正常运行和链路质量测量结果产生干扰，能够胜任在大规模无线传感器网络的部署和运行中长期提供链路质量的监控测量；结果准确性高，能够实时地进行链路质量监控。该方法的核心内容在于对基于移动基站的无线传感网的结构进行建模，可以分析出在移动基站存在的情况下，网络链路质量彼此之间的相互影响情况，进而来实施具体的链路测量。该方法流程图如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1、基于移动基站及无线传感器网络，建立有向图；

S2、根据数据包标记的方法，计算所述有向图的路径丢包率；

S3、根据所述有向图的路径丢包率，计算所述有向图的链路丢包率。

步骤S1具体包括：基于移动基站的无线传感器网络可以用一幅有向图G=(V,E)来表示。其中V代表网络中的节点集合，包括静态的传感器节点和移动的基站节点两类。静态的传感器节点被部署在目标区域，周期性的采集环境数据，并且一旦被部署之后就无法移动。静态节点可以在低功耗的模式下运行，它们时钟不一定是同步的，因而它们的采样周期可以不一致。另一方面，移动的节点被移动的用户所携带，它们的作用是与周围的静态节点交互，收集静态节点所采集到的数据。移动节点的路径既可以是预先设定好的，也可以是在数据收集的过程中根据收集的结果动态调整得到。由于移动节点始终在运动，能与移动节点进行通信的静态节点的集合也一直在变化。

有向图G的边集合E代表网络中所有传感器节点的链路。由于传感网的链路可能是不对称的，即节点A能够发送数据包至B节点，但节点B无法发送数据包至A节点，因而集合E中的边都是有向边。链路既可能存在于一对静态节点之间，也可能存在于静态节点和动态节点之间。

如图2-4所示为例介绍网络的基本模型。图2展示了一个由8个静态节点和1个动态节点所组成的无线传感器网络。移动基站正沿着虚线箭头轨迹运动，当前的位置是u。为了收集网络中的数据，一棵以S_u为根节点的路由树T_u被建立起来。T_u由8条不同的链路组成。然而，由于无线信号易受干扰等原因，一段时间之后，节点E至节点G的链路失效，节点E转而选择节点H为其转发数据。同样的，节点B至节点C的链路同样失效，节点B转而选择节点A为其转发数据。原来的路由树T_u的结构也因此改变，形成了图3中的新路由树T_u’。一段时间之后，如图4所示，移动基站从位置u移动到了位置v，导致节点D和G再也不能直接与基站通信。因而，路由树T_u’也失效，位置v处的路由树T_v被建立。通过观察三棵不同的路由树，可以有以下发现：(a)路由树之间会共享一些共同的链路，比如链路(C,D)和(F,G)；(b)由于外部环境和节点移动性等因素，原有的链路会失效，如链路(E,G)和(G,H)。

步骤S1还包括：当所述移动基站在所述无线传感器网络中移动时，基于无线传感器网络，重新建立有向图。

步骤S2中所述数据包标记的方法为：

S21、对于有向图中每一个传感器节点都有一个序列号域（sequencenumber），对所述有向图中传感器节点发出的包括序列号域的数据包增加通过节点ID域（pass node ID）和跳数域（hop count）；其中，所述序列号域用于标识数据包的编号，所述通过节点ID域用于记录在传送路径中所述数据包通过的节点的ID，所述跳数域用于记录所述数据包在传送路径中的跳跃总次数；

S22、当传感器节点A接收到传感器节点B发送的当前数据包时，判断所述当前数据包的所述通过节点ID域是否被标记过；若是，则所述传感器节点A直接将所述当前数据包转发；若否，则跳转步骤S23；

S23、判断所述传感器节点A是否接收过所述传感器节点B发送的数据包；

若否，则将所述当前数据包的所述通过节点ID域设置为所述传感器节点A的ID；

若是，则跳转步骤S24；

S24、判断所述传感器节点A接收到的所述传感器节点B发送的上一数据包，是否满足所述上一数据包的所述序列号域等于所述当前数据包的所述序列号域与1的差值；

若满足，则将所述当前数据包的所述跳数域增加1；

若不满足，则将所述当前数据包的所述通过节点ID域设置为所述传感器节点A的ID。

步骤S2中所述计算所述有向图的路径丢包率之前还包括：

当所述移动基站接收到预设数目数据包后，利用所述预设数目数据包的所述通过节点ID域确定所述预设数目数据包的传送路径；

记录所述传送路径在丢包前所述移动基站接收到的前一个数据包所述序列号域d1，和记录丢包后所述移动基站接收到的后一个数据包所述序列号域d2，则所述传送路径的数据包丢失量为d2-d1-1。

步骤S2中所述计算所述有向图的路径丢包率为：所述传送路径的数据包丢失量，与所述传送路径的数据包丢失量与所述预设数目数据包和的比值。

步骤S3具体包括：

S31、根据所述路径与所述路径中每条链路的关系，设置路由矩阵；

S32、根据所述路由矩阵和所述路径丢包率，并根据公式计算链路丢包率；

根据以上移动无线传感器网络模型，可以为移动传感器网络的链路质量测量建立代数模型。假设网络中任意一条边e_i都存在一定的丢包率α_i，即对于在这条链路上的传输的每一个数据包都有α_i的概率丢失。由于需要研究的问题是在一段时间之内链路质量的平均表现，所以认为α_i会在较短的一段时间内保持不变。定义网络中的一条路径为列向量r_i∈{0,1}ⁿ。其中，若r_i的第j个分量r_ij等于0，则代表链路e_j存在路径r_i中，否则链路e_j不属于路径r_i的一部分。类似于链路丢包率，路径丢包率p_i被定义为沿着路径r_i传输的数据包中，丢失的那部分占总数的比例。假设不同的链路上数据包的丢失是独立的事件，路径丢包率p_i和链路丢包率α_i的关系可以表示为：

$1-p_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{(1-{\mathrm{\α}}_j)}^{r_{\mathrm{ij}}}$

在公式的两端都取对数形式，可以得到：

$-\log (1-p_i)=-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}\log (1-{\mathrm{\α}}_j)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}{x}_j$

其中,x_j＝-log(1-α_j)即链路e_j数据包传送成功率的对数形式。所以，网络中路径丢包率和链路丢包率的关系可以用一个线性系统来描述：

R_m×nx_n×1＝b_m×1，

测量无线传感器网络中的链路质量，即等价于求解方程中向量x_n×1的值。其中，x_n×1＝(x₁,x₂,...，x_n)^T，b_m×1＝(b₁,b₂,...，b_m)^T，b_i＝-log(1-p_i)，

R_m×n＝[r₁ r₂ r₃ … r_m]^T是网络的路由矩阵。

其中，R_m×n为路由矩阵，p_i为路径丢包率，α_i为链路丢包率，x_n×1、b_m×1、b_i、b_m、x_n、x_i均为中间变量。

当收集到足够数量的路径丢包率之后，求解方程R_m×nx_n×1＝b_m×1即可得到α_i，进而得到无线传感器网络中所有的链路丢包率。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种移动无线传感器网络中链路质量的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、基于移动基站及无线传感器网络，建立有向图；

S2、根据数据包标记的方法，计算所述有向图的路径丢包率；

S3、根据所述有向图的路径丢包率，计算所述有向图的链路丢包率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1还包括：当所述移动基站在所述无线传感器网络中移动时，基于无线传感器网络，重新建立有向图。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述数据包标记的方法为：

S21、对所述有向图中传感器节点发出的包括序列号域的数据包增加通过节点ID域和跳数域；其中，所述序列号域用于标识数据包的编号，所述通过节点ID域用于记录所述数据包通过节点的ID，所述跳数域用于记录所述数据包的跳跃总数；

S22、当传感器节点A接收到传感器节点B发送的当前数据包时，判断所述当前数据包的所述通过节点ID域是否被标记过；若是，则所述传感器节点A直接将所述当前数据包转发；若否，则跳转步骤S23；

S23、判断所述传感器节点A是否接收过所述传感器节点B发送的数据包；

若否，则将所述当前数据包的所述通过节点ID域设置为所述传感器节点A的ID；

若是，则跳转步骤S24；

S24、判断所述传感器节点A接收到的所述传感器节点B发送的上一数据包，是否满足所述上一数据包的所述序列号域等于所述当前数据包的所述序列号域与1的差值；

若满足，则将所述当前数据包的所述跳数域增加1；

若不满足，则将所述当前数据包的所述通过节点ID域设置为所述传感器节点A的ID。

4.根据权利要求1~3任一所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述计算所述有向图的路径丢包率之前还包括：

当所述移动基站接收到预设数目数据包后，利用所述预设数目数据包的所述通过节点ID域确定所述预设数目数据包的传送路径；

记录所述传送路径在丢包前所述移动基站接收到的前一个数据包所述序列号域d1，和记录丢包后所述移动基站接收到的后一个数据包所述序列号域d2，则所述传送路径的数据包丢失量为d2-d1-1。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述计算所述有向图的路径丢包率为：所述传送路径的数据包丢失量，与所述传送路径的数据包丢失量与所述预设数目数据包和的比值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

S31、根据所述路径与所述路径中每条链路的关系，设置路由矩阵；

S32、根据所述路由矩阵和所述路径丢包率，并根据以下公式计算链路丢包率；

所述公式为：R_m×nx_n×1＝b_m×1；

b_m×1＝(b₁，b₂，...，b_m)^T；

b_i＝-log(1-p_i)；

x_n×1＝(x₁，x₂,…，x_n)^T；

$\mathrm{\αi}=1-2^{-x_i};$

其中，R_m×n为路由矩阵，p_i为路径丢包率，αi为链路丢包率，x_n×1、b_m×1、b_i、b_m、x_n、x_i均为中间变量。

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