CN104159265B - 一种面向低速无线自组网的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线自组网领域，涉及一种面向低速无线自组网的数据传输方法。针对现有技术在无线自组网数据传输方面存在的不足，本发明通过采用全局链路状态进行路径方向规划，尽量找到一条较优源路由线路，以避免传输空洞等问题，提高了传输效率；在此基础上，本发明在全局源路径上的逐段传递数据时，进一步引入了源路由的方法进行局部路径发现和数据传递，有效降低了等待时间，提高了路径发现效率，进一步提高了数据传输效率。

Description

一种面向低速无线自组网的数据传输方法

技术领域

本发明属于无线自组网领域，具体涉及一种面向低速无线自组网的数据传输方法。

背景技术

无线自组网络通常是指有大量静止或移动的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的网络，主要用于协作感知、采集、处理和传输覆盖地理区域内被感知对象的信息，是物联网的重要技术之一。在无线自组网中，节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的多跳转发。因此，无线自组网能否组网成功与各通信节点之间的信号覆盖范围有关，即节点与节点之间的信号传输距离极大地影响无线自组网络的组网能力。通常，无线电波在空气中的传输速率c、频率f和波长λ关系可描述为公式(1)。

λ＝c/f (1)

当无线的电波的频率越高，其波长越短，其绕射能力越弱。同时，无线电波信号在空气中传输的损耗可按公式(2)计算。

Los＝32.44+20lgd+20lgf (2)

式(2)中Los是传输损耗，单位是dB，d是传输距离，单位是Km，f是工作频率，单位是MHz。因此，传输的损耗与频率成正比，即无线电波的频率越高，传输损耗越大，那么传输频率越高，传输距离越短。因此，对于有些节点之间部署距离较远，或者中间存在障碍物的应用，例如大型建筑物内部的无线网络互联，通常会选用较低的频率来提高信号的传输距离和绕射能力，也就是选用较低的数据传输速率。本专利中所述的低速无线自组网通常是指节点之间传输速率低于9600pbs，甚至更低的无线网络。

同时，在无线自组网中，为了实现数据的传递往往需要多跳转发，而多跳转发的前提是在转发时需要寻找合适的路由。目前，无线自组网的路由协议主要可分为基于逻辑拓扑结构的路由协议和基于地理位置的路由协议，其中基于逻辑拓扑结构的路由协议主要包括AODV、DSR、TORA、DSDV、OLSR等，这些协议往往都是通过主动或者按需的方式探测路由线路并在每个节点保存相应的路由表信息，这种路由协议在大规模网络环境应用下会造成控制包广播风暴的问题，严重影响数据传输效率和可靠性，尤其对于低速网络显得力不从心；而基于地理位置的路由协议，例如GPSR、LAR、DREAM等，它们根据位置信息向比自己更靠近目的节点的邻居转发消息，即通过贪婪算法实现数据转发，提高了数据传输效率，但网络中的节点需要根据GPS等装置获取自己的地理位置信息，并通过互相发送信标消息获取邻居节点的位置。也就是说，基于地理位置的路由协议中的节点不需要维护和更新路由表信息，但是为了准确获取邻居节点的位置信息，必须周期性地通过广播方式与邻居节点交换信标信号，这同样会占用大量的网络带宽，从而降低整个网络的性能，因此也不适合带宽受限低速无线传感网络。所以，如何实现一种能够在低速无线网络环境下的数据传输机制便成了对于那些需要较好穿透力的无线网络应用领域亟待解决的问题。相比较而言，基于地理位置的路由协议所需要的带宽较小，然而，由于基于地理位置的路由协议往往采用贪婪算法获取下一跳，就不可避免会出现路由空洞的问题。虽然，目前不少学者们提出了很多地理位置路由协议来解决无线传感器网络中的路由空洞问题，然而他们往往都是采用局部最优方法来解决，路有效率不高。

因此，针对低速无线自组网，如何提供一种高效的数据传输方法使其能否成功应用的关键。

发明内容

针对无线自组网在数据传输方面存在的不足，尤其是低速无线自组网数据传输效率不高的技术问题，本发明提出了一种基于位置的源路由传输方法，最大程度地减少传输延时，提高传输效率。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种面向低速无线自组网的数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)传感器节点编址，即对各路由节点和汇集节点以及终端节点进行传感器节点编址；

(2)建立节点拓扑关系，设定无线自组网中节点之间无线信号最乐观的通信半径为D_Optimistic；

(3)全局规划源路径，根据需要传输数据的汇集节点和目标节点信息，以及拓扑位示图，依据最短距离准则规划一条从汇集节点到目标节点的全局源路径Path＝N₁N₂……N_{n- 1}N_n，N_i表示源路径上第i个路由节点，而N₁为汇集节点，N_n为目标节点，N_iN_i+1表示全局源路径上的一段路径，整个全局源路径包含n-1段路径；

(4)以汇集节点为源节点，数据在全局源路径上逐段传递，即局部路径发现和数据传递，为此将逐段传输中的信宿节点称为目的节点，以区别全局路径上的信宿节点——目标节点；

(5)判断当前节点是否为目标节点，如果不是目标节点则转步骤(4)，如果是目标节点转步骤(6)；

(6)目标节点向汇集节点回传数据。

进一步的，上述步骤(1)中，传感器节点编址的方法包括如下步骤：

(1.1)根据传感器节点的部署密度，对路由节点和汇集节点部署区域进行规律化的二维网格划分，确保每个网格尽量包含一个路由节点或汇集节点，且只能包含一个路由节点或汇集节点；

(1.2)根据传感器节点所在的网格位置对每个传感器节点进行编址，编址后节点的位置信息为(x，y，n)，x表示传感器节点位于网格的列数，y表示传感器节点位于网格的行数，n表示该网格中的终端节点序号，其中汇集节点和路由节点的n值为0，终端节点的n值大于等于1。

进一步的，上述步骤(2)中，拓扑关系用拓扑位示图来表示，即每个网格用两个二进制位描述其状态，其中00表示该网格不存在节点，01表示该网格存在节点但信号不通，10表示该网格存在节点且信号一般，11表示该网格存在节点且信号较好，在系统初始化时，如果网格中不存在节点则表示为00，如果存在节点则表示为11，即初始为信号较好状态，以后根据实际的通信情况反馈进行更新。

进一步的，上述步骤(4)中，数据在全局源路径上逐段传递包括如下步骤：

(4.1)发送侦测帧，且侦测帧＝{源节点地址，侦测命令码，候选节点地址列表，整个网路的拓扑位示图}。

(4.2)应答侦测回应帧，即收到侦测帧的节点，如果发现自己在该帧的候选节点地址列表中，则根据自己在该列表中的位置进行延时(IFS+k*ΔT)后向源节点发送侦测回应帧，且侦测回应帧＝{源节点地址，侦测回应命令码，应答节点地址，源节点发送包的RSSI}。其中k为该节点在该列表中的位置，IFS为帧间间隔，而ΔT帧发送所需时间；

(4.3)决策下一跳节点，即源节点收到所有候选节点的侦测回应帧后，或等待时间到后，如果收到了目的节点的侦测回应帧，则下一跳节点为目的节点，否则对源节点与所有回应节点之间的通信质量进行评估，在此基础上选取其中具有最好评估质量的节点作为下一跳节点。

(4.4)数据传输，即源节点在决定好下一跳节点后，则向该节点发送数据帧，且数据帧＝{源节点地址，数据命令码，下一跳节点地址，目的节点地址、数据，校验码}；

(4.5)应答数据回应帧，在下一跳节点收到数据帧后，且经过校验正确，则向源节点发送数据回应帧。且数据回应帧＝{源节点地址，数据回应码，应答节点地址}；

(4.6)保存父节点信息，即在下一跳节点发送完应答数据回应帧后将源节点作为父节点信息保存，便于后续传递数据；同时如果该节点不是目的节点则以该节点为源节点，将其所收到的数据继续往目的节点方向传递；

(4.7)当源节点发送数据帧后，在规定的时间内没有收到下一跳节点的数据回应帧，则该源节点将重发三次数据帧，如果仍然接收不到下一跳节点的数据回应帧，则认为数据发送失败，则其向其上一跳节点回复数据传输失败的NCK帧，且NCK帧＝{源节点地址，数据传输失败命令码，目的节点地址，该节点更新后的网路的拓扑位示图}；

(4.8)对于收到数据传输失败的NCK帧的节点，首先将自己的网路的拓扑位示图与该帧中的网路的拓扑位示图进行融合，然后向其上一跳节点回复数据传输失败的NCK帧，直至汇集节点。

(4.9)汇集节点收到NCK帧后，返回到步骤(3)，重新规划路径进行数据传输。

进一步的，上述步骤(4.1)中的源节点发送侦测帧由候选节点接收，其中候选节点根据目的节点与源节点之间的位置关系确定，即以目的节点与源节点的连线为中心线，以无线信号最乐观的通信距离D_Optimistic为半径，以一定角度形成的扇形球面范围内的节点都为候选节点，而候选节点的排列顺序按节点编址的大小排列，如果目的节点在候选节点中，则目的节点排在第一个，其他按节点编址的大小排列。

进一步的，上述步骤(4.3)中以通信质量作为下一跳节点的决策依据，通信质量评估公式可描述为公式(3)

LQ_k为第k个候选节点与源节点之间的链路质量，LQ_Thrshold为链路质量阈值，D_max为节点N_i-1到节点N_i的距离，D_k为回应节点到目的节点之间的通信距离。节点之间直接通信的通信链路质量LQ可用公式(4)计算，其中RSSI_sent为源节点发送包的RSSI，而RSSI_receive为返回数据包的RSSI，RSSI为接收的信号强度指示。

本发明的有益效果包括以下几点：

(1)首先是采用全局链路状态进行路径方向规划，可以尽量找到一条较优源路由线路，同时也可以有效避免传输空洞等问题，提高了传输效率；

(2)在局部优化过程中也引人了源路由的方法，有效降低了等待时间，提高了路径发现效率；

(3)引入了基于RSSI和传输距离等相关因素来对传输线路进行选择，可以实现在确保传输质量的前提下实现路径优化；

(4)引入基于位置的ID编码方案，有效地将位置信息融入到ID编码中，为基于位置的数据传输提供了基础。

附图说明

图1为本发明的部署实例示意图；

图2为本发明的基于位置的源路由数据传输方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示为本发明的部署实例示意图，本发明所属的无线自组网中包括一个汇集节点、若干路由节点和若干终端节点，终端节点只与指定的一个路由节点或汇集节点通信。数据的传递主要是在汇集节点和路由节点之间传递，只有到了与目标终端节点绑定的目标路由节点才能在路由节点和终端节点之间传递。本发明应用的无线自组网络是一种查询驱动网络，即由汇集节点发起数据查询请求来采集指定节点的状态数据。

图2为本发明的基于位置的源路由数据传输方法流程，包括如下步骤：

(1)传感器节点编址，如图2步骤(a1)，为了实现本专利所发明的基于位置的源路由传输方法，首先对各路由节点和汇集节点，以及终端节点进行传感器节点编址，将每个节点的位置分布与其ID关联，例如图1中的汇集节点编址为(0,0,0)。而编址的过程可进一步分为以下两个步骤：

(1.1)根据传感器节点的部署密度，主要是充当路由节点的传感器节点的部署密度，对路由节点和汇集节点部署区域进行规律化的二维网格划分，确保每个网格尽量包含一个路由节点或汇集节点，且只能包含一个路由节点或汇集节点。

(1.2)根据传感器节点所在的网格位置对每个传感器节点进行编址，编址后节点的位置信息为(x，y，n)，其中x表示传感器节点位于网格的列数，y表示传感器节点位于网格的行数，n表示该网格中的终端节点序号，汇集节点和路由节点的n值为0，终端节点的n值大于等于1。编址后的位置信息可以根据网格规模确定字节数，一般x、y和n可以分别用1字节来表示。

(2)节点拓扑关系建立，如图2步骤(a2)。在汇集节点中，对于每个网格中是否存在路由节点或汇集节点采用拓扑位示图来表示，即每个网格用两个二进制位描述其状态，其中00表示该网格不存在节点，01表示该网格存在节点但信号不通，10表示该网格存在节点且信号一般，11表示该网格存在节点且信号较好。在系统初始化时，如果网格中不存在节点则表示为00，如果存在节点则表示为11，即初始为信号较好状态，以后根据实际的通信情况反馈进行更新。同时设置无线自组网中节点之间无线信号最乐观的通信半径为D_Optimistic，例如在图1所示的部署实例中，D_Optimistic设置为3，实际实施中D_Optimistic可以根据网格密度和点对点的信号穿透距离来设定。

(3)全局规划源路径，如图2的步骤(a3)。根据需要传输数据的汇集节点和目标节点信息，以及拓扑位示图，依据最短路径准则，规划一条从汇集节点到目标节点的源路径Path＝N₁N₂……N_n-1N_n，N_i表示源路径上第i个路由节点，而N₁为汇集节点，N_n为目标节点。在图1所示的部署实例中，Path＝N_(0,0,0)N_(4,5,0)N_(7,5,0)便是一条所规划的全局源路径。

(4)基于全局源路径的汇集节点向目标路由节点的数据传递数据，如图2的步骤(a4)～(a6)以及(a8)。在此过程中，数据在指定的全局源路径上的节点之间传递，直至到达目标节点或失败。如果失败，则返回步骤(3)重新规划一条全局源路径。在此传递过程中，每个节点都保存其上一跳节点，也称为其父节点，以便信息回传。

对于步骤(4)中的数据在指定的全局源路径上的节点之间传递，即在源路径Path＝N₁N₂……N_n-1N_n上传递，在此不妨将N_i-1N_i之间的数据传递中发出数据的节点表示为源节点，而接收数据的节点为目的节点，即目的节点为N_i，例如在图1所示的实施例中，全局源路径Path＝N_(0,0,0)N_(4,5,0)N_(7,5,0)便，数据在N_(0,0,0)N_(4,5,0)之间传递时，N_(0,0,0)为源节点，N_(4,5,0)为目的节点，这样N_i-1N_i之间的数据传递可进一步描述如下：

(4.1)发送侦测帧，如图2的步骤(a4)，即局部路径发现，且侦测帧＝{源节点地址，侦测命令码，候选节点地址列表，整个网路的拓扑位示图}。其中候选节点根据目的节点与源节点之间的位置关系确定，即在以目的节点与源节点的连线为中心线，半径为D_Optimistic的α角度的扇形球面范围内的节点都为候选节点，而排列顺序则可以按节点编址的大小排列，如果目的节点在候选节点中，则目的节点排在第一个，其他按节点编址的大小排列(α一般小于90度)。例如图1中，由于D_Optimistic设置为3，α为90度，则N_(0,0,0)作为源节点时的候选节点包括N_(1,0,0)、N_(0,1,0)、N_(1,1,0)、N_(2,1,0)、N_(1,2,0)和N_(0,2,0)；

(4.2)应答侦测回应帧，即收到侦测帧的节点，如果发现自己在该帧的候选节点地址列表中，则根据自己在该列表中的位置进行延时(IFS+k*ΔT)后向源节点发送侦测回应帧，且侦测回应帧＝{源节点地址，侦测回应命令码，应答节点地址，源节点发送包的RSSI}。其中k为该节点在该列表中的位置，IFS(InterFrame Space)为帧间间隔，对于低速网络可以设置为0.5秒，而ΔT帧发送所需时间，例如对于低速网络可设置为0.5～1秒；RSSI为Received Signal Strength Indication，即接收的信号强度指示。

(4.3)决策下一跳节点，即源节点收到所有候选节点的侦测回应帧后，或等待时间到后，如果收到了目的节点的侦测回应帧，则下一跳节点为目的节点，否则对源节点与所有回应节点之间的通信质量进行评估，评估模型如公式(3)所示。

其中LQ_k为按公式(4)计算出来的第k个候选节点与源节点之间的链路质量，LQ_Thrshold为链路质量阈值，D_max为节点N_i-1到节点N_i的距离，而D_k为回应节点到目的节点之间的通信距离。

在此基础上选取其中具有最好评估质量的节点作为下一跳节点。

而节点之间直接通信的通信链路质量可用公式(4)计算，其中RSSI_sent为源节点发送包的RSSI，而RSSI_receive为返回数据包的RSSI。

(4.4)数据传输，如图2的步骤(a5)，即源节点在决定好下一跳节点后，则向该节点发送数据帧，且数据帧＝{源节点地址，数据命令码，下一跳节点地址，目的节点地址、数据，校验码}；

(4.5)应答数据回应帧，在下一跳节点收到数据帧后，且经过校验正确，则向源节点发送数据回应帧。且数据回应帧＝{源节点地址，数据回应码，应答节点地址}；

(4.6)保存父节点信息，即在下一跳节点发送完应答数据回应帧后将源节点作为父节点信息保存，便于后续传递数据；同时如果该节点不是目的节点则以该节点为源节点，将其所收到的数据继续往目的节点方向传递；

(4.7)当源节点发送数据帧后，在规定的时间内没有收到下一跳节点的数据回应帧，则该源节点将重发三次数据帧，如果仍然接收不到下一跳节点的数据回应帧，则认为数据发送失败，则其向其上一跳节点回复数据传输失败的NCK帧，如图2的步骤(a8)，且NCK帧＝{源节点地址，数据传输失败命令码，目的节点地址，该节点更新后的网路的拓扑位示图}；

(4.8)对于收到数据传输失败的NCK帧的节点，首先将自己的网路的拓扑位示图与该帧中的网路的拓扑位示图进行融合，然后向其上一跳节点回复数据传输失败的NCK帧，直至汇集节点。

(4.9)汇集节点收到NCK帧后，返回到步骤(3)，重新规划路径进行数据传输，即回到如图2的步骤(a3)。

(5)当汇集节点所发出的数据到达目标节点后，例如在图1中的部署实例中，如果汇集节点的数据已经到达了目标路由节点N_(7,5,0)，则该节点将需要返回的数据向该节点的父节点传递，每个收到数据的节点都向其父节点传递，通过逐级向父节点传递，直至汇集节点，例如在图1中的部署实例中的N_(0,0,0)，如图2的步骤(a7)。

Claims (5)

1.一种面向低速无线自组网的数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)传感器节点编址，即对各路由节点和汇集节点以及终端节点进行传感器节点编址；

(2)建立节点拓扑关系，设定无线自组网中节点之间无线信号最乐观的通信半径为D_Optimistic；

(3)全局规划源路径，根据需要传输数据的汇集节点和目标节点信息，以及拓扑位示图，依据最短距离准则规划一条从汇集节点到目标节点的全局源路径Path＝N₁N₂……N_{n- 1}N_n，N_i表示源路径上第i个路由节点，而N₁为汇集节点，N_n为目标节点，N_iN_i+1表示全局源路径上的一段路径，整个全局源路径包含n-1段路径；

(4)以汇集节点为源节点，数据在全局源路径上逐段传递，即局部路径发现和数据传递，为此将逐段传输中的信宿节点称为目的节点，以区别全局路径上的信宿节点——目标节点；

(5)判断当前节点是否为目标节点，如果不是目标节点则转步骤(4)，如果是目标节点转步骤(6)；

(6)目标节点向汇集节点回传数据；

所述步骤(4)中，数据在全局源路径上逐段传递包括如下步骤：

(4.1)发送侦测帧，且侦测帧＝{源节点地址，侦测命令码，候选节点地址列表，整个网路的拓扑位示图}；

(4.2)应答侦测回应帧，即收到侦测帧的节点，如果发现自己在该帧的候选节点地址列表中，则根据自己在该列表中的位置进行延时(IFS+k*ΔT)后向源节点发送侦测回应帧，且侦测回应帧＝{源节点地址，侦测回应命令码，应答节点地址，源节点发送包的RSSI}；其中k为该节点在该列表中的位置，IFS为帧间间隔，而ΔT帧发送所需时间；

(4.3)决策下一跳节点，即源节点收到所有候选节点的侦测回应帧后，或等待时间到后，如果收到了目的节点的侦测回应帧，则下一跳节点为目的节点，否则对源节点与所有回应节点之间的通信质量进行评估，在此基础上选取其中具有最好评估质量的节点作为下一跳节点；

(4.4)数据传输，即源节点在决定好下一跳节点后，则向该节点发送数据帧，且数据帧＝{源节点地址，数据命令码，下一跳节点地址，目的节点地址、数据，校验码}；

(4.5)应答数据回应帧，在下一跳节点收到数据帧后，且经过校验正确，则向源节点发送数据回应帧，且数据回应帧＝{源节点地址，数据回应码，应答节点地址}；

(4.6)保存父节点信息，即在下一跳节点发送完应答数据回应帧后将源节点作为父节点信息保存，便于后续传递数据；同时如果该节点不是目的节点则以该节点为源节点，将其所收到的数据继续往目的节点方向传递；

(4.7)当源节点发送数据帧后，在规定的时间内没有收到下一跳节点的数据回应帧，则该源节点将重发三次数据帧，如果仍然接收不到下一跳节点的数据回应帧，则认为数据发送失败，则其向其上一跳节点回复数据传输失败的NCK帧，且NCK帧＝{源节点地址，数据传输失败命令码，目的节点地址，该节点更新后的网路的拓扑位示图}；

(4.8)对于收到数据传输失败的NCK帧的节点，首先将自己的网路的拓扑位示图与该帧中的网路的拓扑位示图进行融合，然后向其上一跳节点回复数据传输失败的NCK帧，直至汇集节点；

(4.9)汇集节点收到NCK帧后，返回到步骤(3)，重新规划路径进行数据传输。

2.如权利要求1所述的面向低速无线自组网的数据传输方法，其特征在于：所述步骤(1)中，传感器节点编址的方法包括如下步骤：

(1.1)根据传感器节点的部署密度，对路由节点和汇集节点部署区域进行规律化的二维网格划分，确保每个网格尽量包含一个路由节点或汇集节点，且只能包含一个路由节点或汇集节点；

(1.2)根据传感器节点所在的网格位置对每个传感器节点进行编址，编址后节点的位置信息为(x，y，n)，x表示传感器节点位于网格的列数，y表示传感器节点位于网格的行数，n表示该网格中的终端节点序号，其中汇集节点和路由节点的n值为0，终端节点的n值大于等于1。

3.如权利要求1所述的面向低速无线自组网的数据传输方法，其特征在于：所述步骤(2)中，拓扑关系用拓扑位示图来表示，即每个网格用两个二进制位描述其状态，其中00表示该网格不存在节点，01表示该网格存在节点但信号不通，10表示该网格存在节点且信号一般，11表示该网格存在节点且信号较好，在系统初始化时，如果网格中不存在节点则表示为00，如果存在节点则表示为11，即初始为信号较好状态，以后根据实际的通信情况反馈进行更新。

4.如权利要求1所述的面向低速无线自组网的数据传输方法，其特征在于：所述步骤(4.1)中源节点发送侦测帧由候选节点接收，其中候选节点根据目的节点与源节点之间的位置关系确定，即以目的节点与源节点的连线为中心线，以无线信号最乐观的通信距离D_Optimistic为半径，以一定角度形成的扇形球面范围内的节点都为候选节点，而候选节点的排列顺序按节点编址的大小排列，如果目的节点在候选节点中，则目的节点排在第一个，其他按节点编址的大小排列。

5.如权利要求1所述的面向低速无线自组网的数据传输方法，其特征在于：所述步骤(4.3)中以通信质量作为下一跳节点的决策依据，通信质量评估公式为

$\begin{array}{ccc}{\mathrm{EQ}}_i=\frac{\log D_{max}}{\log D_i}*{\mathrm{LQ}}_i& and& {\mathrm{LQ}}_i>{\mathrm{LQ}}_{Threshold}\end{array}$

LQ_k为第k个候选节点与源节点之间的链路质量，LQ_Thrshold为链路质量阈值，D_max为节点N_i-1到节点N_i的距离，D_k为回应节点到目的节点之间的通信距离；节点之间直接通信的通信链路质量LQ可用下面公式计算，其中RSSI_sent为源节点发送包的RSSI，而RSSI_receive为返回数据包的RSSI，RSSI为接收的信号强度指示

$LQ=\frac{{\mathrm{RSSI}}_M}{\sqrt[2]{{({\mathrm{RSSI}}_{sent}-{\mathrm{RSSI}}_M)}^2+{({\mathrm{RSSI}}_{reveive}-{\mathrm{RSSI}}_M)}^2}}$

RSSI_M＝(RSSI_sent+RSSI_reveive)/2。