CN104735722B - 一种高效节能的传感器网络数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器网络技术领域，具体涉及一种高效节能的传感器网络数据传输方法EET(Energy Efficient Transmission)。EET是一种高效节能的传感器网络数据传输方法，采用数据分段的方式，分解等待时间来减少传输延时，消除时钟不完全同步的影响；用计时代替原始数据的逐个传输，减少数据传输量，降低网络能耗；利用传感器节点的多频特性，多个工作频段同时传输不同的数据，提高数据传输效率。EET能耗低、延迟小、成本低、易实施，在能量有限的传感器网络中具有很强的实用性。

Description

一种高效节能的传感器网络数据传输方法
技术领域
本发明涉及传感器网络技术领域，具体涉及一种高效节能的传感器网络数据传输方法。
背景技术
传感器网络中的传感器节点一般采用电池供电，由于工作环境恶劣、复杂，电池耗尽后很难更换，能量十分有限，能量有效性是衡量传感器网络数据传输协议性能优劣的重要的标准之一。现有的数据传输协议采用了各种算法，来节省传感器节点的能量，使网络在有限的能量条件下尽可能工作更长的时间，延长网络寿命。传感器网络主要在感知、处理和通信这三方面消耗能量，而且通信消耗的能量所占比例最大。因此，减少通讯量是降低节点能量消耗最有效的方式。
传统的数据传输技术把要发送的数据作为二进制字符串来发送，称为EbT(Energybased Transmissions)。Zhu和Sivakumar提出了传感器网络数据传输协议CtS(Communication through Silence)及其优化方法Multiplexing、Cascading、Fast-forwarding等，不是把数据作为二进制字符串按位发送，而是采用计时的方式来表示信息。节点先发送一个开始信号，然后计时等待到与要发送的数据相同的时间后，再发送一个结束信号。这样只用两个信号就可以发送任意长度的数据，极大节省网络能量。
Chen Jinniu等人提出ALEB(Adaptive Latency-Energy Balance)，采用乘-除法调整等待的时间，消减了节点间时钟不能完全同步的影响，减少了数据传输的延时。Chen等人提出VarBaTaC(Variable-Base Tacit Communication)，结合CtS和传统的数据传输方式，减少了CtS的传输延时。
传统的EbT数据传输协议没有改变信息按位传输的本质，它必须保证全部数据的传输，难以进一步减少通讯量。CtS虽然极大减少了数据传输量，节省了能量，却带来了较长的延时。此外，CtS要求传感器节点间的时钟完全同步，在实际部署的传感器网络中，这种同步要求一般难以满足。ALEB和VarBaTaC算法都是通过调整计时的开始信号和结束信号之间的等待时间，来减少延时，没有改变顺序等待与数据长度相应时间的传输规则，难以进一步提高性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决传感器网络能量有限，数据传输消耗大量能量的问题，提供一种基于数据分段、计时和多频传输的传感器网络数据传输方法EET(EnergyEfficient Transmission)，该方法能够减少传感器网络数据传输量，降低网络能耗，具有高效节能的特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案，一种高效节能的传感器网络数据传输方法的发送方法，包括如下步骤：
(1)设定计时的单位时间间隔，设定等待时间t；
(2)将要传输的二进制字符串转换成十进制数据；
(3)将十进制数据按位进行划分，分成仅有个位数的小数据；
(4)从高位至低位依次发送小数据，发送时，发送端的传感器节点先发送一个开始信号，并开始计时，计时的单位时间间隔数目等于要发送的小数据的数值，计时结束再发送一个结束信号，表示该小数据传送完毕，接下来立刻发送下一个小数据，直到全部小数据发送完毕；
(5)该数据传送完毕后，等待时间t，再重复步骤(2)-(4)继续传送下一个数据。
一种对应上述传感器网络数据传输方法的接收方法，包括如下步骤：
(1)采用与发送端相同的计时的单位时间间隔和等待时间t；
(2)接收端的传感器节点收到开始信号开始计时，收到结束信号结束计时，接收数据即为计时时长所包含单位时间间隔的数量；
(3)接收端的传感器节点收到结束信号后，立刻收到开始信号，表明数据尚未接收完整，其不对收到的数据进行处理；接收方的传感器节点收到结束信号，等待时间t后，才有新的开始信号到来或者没有其它信号到来，表明数据接收完整，其根据小数据接收顺序，从高位到低位，排列组合等待时间t之前接收到的、尚未处理的数据。
本发明的高效节能的传感器网络数据传输方法采用多频段传输。
频段的选择方法为：将传感器节点可以使用的频段ID进行编号；同一数据采用相同的频段，不同的数据可以采用不同的频段；频段循环使用，先空闲的频段先使用，如果两个以上频段同时空闲，按照频段ID顺序，依次使用。
本发明的高效节能的传感器网络数据传输方法EET是一种基于数据分段、计时和多频传输的传感器网络数据传输方法，具有高效节能的特点。它把要传输的数据分段成小数据，用计时代替原始数据的逐个传输，并利用传感器节点的多个工作频段，实现并行传输，减少数据传输的能耗，提高数据传输的效率，适用于无线传感器网络，简单方便、实用性强。
EET是一种高效节能的传感器网络数据传输方法，采用数据分段的方式，分解等待时间来减少传输延时，消除时钟不完全同步的影响；用计时代替原始数据的逐个传输，减少数据传输量，降低网络能耗；利用传感器节点的多频特性，多个工作频段同时传输不同的数据，提高数据传输效率。EET能耗低、延迟小、成本低、易实施，在能量有限的传感器网络中具有很强的实用性。
附图说明
图1为EET单个数据分段传输举例；
图2为EET多个数据分段分频传输举例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容作进一步的阐述。
首先，EET把传统数据传输机制中要发送的二进制字符串转换成十进制的数据。例如，传输一个含有k个数据的二进制数nk-1……ni……n1,n0(其中，i＝1,2……k-1,ni＝0,1)，把该二进制数转化成一个十进制整数N：
N＝2k-1nk-1+2k-2nk-2+……+2n1+n0
然后，把十进制数N按位进行划分，分成多个仅有个位数的小数据，并设定计时的单位时间的时间间隔，发送时，用计时时长表示要发送的小数据，即时长内所包含的单位时间间隔数目等于要发送的小数据的数值。也就是说，表示数字“0”的时长内含有0个单位时间间隔，表示数字“1”的时长内含有1个单位时间间隔，表示数字“2”的时长内含有2个单位时间间隔，以此类推，从而限制了每个小数据的开始信号和结束信号之间的时间间隔上限为9。这种限制不仅可以减少传输延时，还可以消除时钟不完全同步的影响。时钟偏移并不影响计时的准确性，仅时钟漂移会对不同节点的计时带来影响，而节点的时钟漂移率一般很小，只有经历较长的时间，其影响才会体现出来，时间间隔上限为9带来的时钟漂移很小，与计时的时间相比完全可以忽略，不会影响计时的精度。
接下来，依照从高位到低位的顺序依次发送信息，对于每一个要传送的小数据，发送端的传感器节点先发送一个开始信号，计时等待与要发送的小数据对应数量的时间间隔后，再发送一个结束信号。接收端的传感器节点收到开始信号后进行计时，收到结束信号后停止计时，计时的单位时间数目就是要接收的数据值。
为了判断一个数据是否发送完成，并区别发送的是一个单独的数据还是一个数据的不同位，设置一个等待时间t。当传感器节点发送的是同一个数据的不同位时，发送完高位数据的结束信号后，立刻发送低位数据的开始信号，直到发送完成。当传感器节点发送新数据时，在发送完上个数据的结束信号后，等待时间t，再发送新数据的开始信号。这样，就可以区别出不同的数据，便于接收方的传感器节点排列组合数据。
接收端传感器节点收到开始信号开始计时，收到结束信号结束计时，接收数据即为计时时长所包含单位时间间隔的数量。接收方的传感器节点收到结束信号后，立刻收到开始信号，表明数据尚未接收完整，其继续接收数据。接收方的传感器节点收到结束信号，等待时间t后，才有新的开始信号到来或者没有其它信号到来，其根据数据接收顺序，排列组合等待时间t之前接收到的、尚未处理的数据。
以传输十进制数据97为例，采用EET，把97分为9和7先后发送。在发送端，传感器节点先发送一个开始信号，计时等待9个单位时间后，发送一个结束信息号，紧接着，再发送一个开始信号，计时等待7个单位时间后，发送一个结束信息号，如图1所示。在接收端的传感器节点收到开始信号后开始计时，直到收到结束信号停止计时，得到的单位时间数目就是要接收的数据值，数据接收完毕后，对收到的数据进行组合。在上述通信过程中，仅进行了4次数据传输，节省了能量。
如果采用EbT，要把整个二进制数据按位依次发送，数据传输量大，能耗高。如果采用CtS，整数N就是传输这个数据时，开始信号和结束信号之间的时间间隔，传输延时随N的增大而增大。由于对于N没有上限的限制，当N增大时，会带来较长的延时，影响网络性能。
现有的传感器节点硬件，如MICAz和Telos所使用的CC2420无线收发器都已经支持多种工作频段。EET充分利用传感器节点具备多个工作频段的特性，让传感器节点使用不同频段并行传输数据，减少冲突和竞争，提高网络的吞吐率。频段分配规则为：同一个数据采用相同的频段，不同的数据可以采用不同的频段。频段循环使用，先空闲的频段先使用，如果两个或两个以上频段同时空闲，按照频段ID顺序，依次使用。
以传输一组十进制数据(7,13,19,38,15,6,8,41)为例，如图2所示。假设可以使用的频段有4个，先把要发送的数据按位划分成小数据，然后，用频段F1到F4依次发送(7)，(1,3)，(1,9)，(3,8)，最先发送完的频段F2在等待时间t后，发送(1,5)，而后空闲的频段F1在等待时间t后，发送(6)，接下来空闲的频段F3在等待时间t后，发送(8)，下一个空闲的频段F4在等待时间t后，发送(4,1)，依次类推，直到全部数据传输完毕。
F1和F2在发送完数据后，都进入空闲状态。如果在这时有其它数据要发送，按照频段ID顺序，先使用F1，再使用F2，按照这种规律逐个使用空闲频段，直到数据发送完成。接收方采用相同的多个工作频段，同时接收数据。
现有的基于CtS的优化算法，接收节点不能直接通过接收的信息确定哪个结束信号对应哪个开始信号，只能根据接收到的信号的先后顺序，按照约定的规则匹配开始信号和结束信号，导致了不管如何进行优化，也只能并行传输满足某些长度规则的数据，而不是全部数据。EET利用了传感器节点的多频特性，对不同数据的顺序和长度都没有限制，可以并行传输全部数据，提高了网络的工作效率。

Claims (3)

1.一种高效节能的传感器网络数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
在发送端：
(1)设定计时的单位时间间隔，设定等待时间t；
(2)将要传输的二进制字符串转换成十进制数据；
(3)将十进制数据按位进行划分，分成仅有个位数的小数据；
(4)从高位至低位依次发送小数据，发送时，发送端的传感器节点先发送一个开始信号，并开始计时，计时的单位时间间隔数目等于要发送的小数据的数值，计时结束再发送一个结束信号，表示该小数据传送完毕，接下来立刻发送下一个小数据，直到全部小数据发送完毕；
(5)该数据传送完毕后，等待时间t，再重复步骤(2)-(4)继续传送下一个数据；
在接收端：
(1)采用与发送端相同的计时的单位时间间隔和等待时间t；
(2)接收端的传感器节点收到开始信号开始计时，收到结束信号结束计时，接收数据即为计时时长所包含单位时间间隔的数量；
(3)接收端的传感器节点收到结束信号后，立刻收到开始信号，表明数据尚未接收完整，其不对收到的数据进行处理；接收方的传感器节点收到结束信号，等待时间t后，才有新的开始信号到来或者没有其它信号到来，表明数据接收完整，其根据小数据接收顺序，从高位到低位，排列组合等待时间t之前接收到的、尚未处理的数据。
2.根据权利要求1所述的高效节能的传感器网络数据传输方法，其特征在于：所述的传输方法采用多频段传输。
3.根据权利要求2所述的高效节能的传感器网络数据传输方法，其特征在于，频段的选择方法为：将传感器节点可以使用的频段ID进行编号；同一数据采用相同的频段，不同的数据可以采用不同的频段；频段循环使用，先空闲的频段先使用，如果两个以上频段同时空闲，按照频段ID顺序，依次使用。
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