CN105680917A - 一种协作通信中自适应发送功率控制的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协作通信中自适应发送功率控制的数据传输方法，利用网络远离基站节点的剩余能量，提高远基站节点发送数据的发送功率，从而提高数据传输的可靠性，而对近基站区域的节点采用与以往方法相同的发送功率。从而保证了本发明的网络寿命不低于以往方法的情况下提高了数据传输到基站的端到端数据传输的可靠性。本发明方法巧妙的利用了常规方法无线传感器网络中远离基站节点剩余的大量能量，只提高有能量剩余节点的发送功率，从而提高了这些节点的数据传输的可靠性，由于端到端数据传输的可靠性是路由路径上各中继节点可靠性的乘积，因而本发明方法在能够提高数据传输可靠性的前提下，保证了网络寿命不低于以往方法。

Description

一种协作通信中自适应发送功率控制的数据传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是一种协作通信中无线传感器节点数据传输方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，可以广泛的运用到工业监测、农业、民用、环境监测、战场、海洋、火灾等各种特殊环境与应用中，被认为是未来的重要物联网络的关键基础技术之一。无线传感器网络研究中存在的2个关键问题如下：

(1)如何保障数据传输的可靠。无线传感器网络由于是无线传输，无线网络特有的特点是受环境干扰与节点之间的干扰，再加上天生的其传输误码率、错误率，其传输链路远差于有线网络，其数据传输的无线传感器网络的包丢失率高达10％到30％是很普遍的。误码率也比有线网络高出几个数量级，这样大大降低了端到端传输时的成功率；

(2)无线传感器网络的网络寿命的问题。无线传感器网络节点一般构造简单，成本低廉，可以大规模的部署，其节点通常配备电池作为其能源的，所以如何有效的利用能量延长网络寿命是无线传感器网络的重要研究课题之一。一般来说，数据传输是节点最主要的能量消耗。因而提高网络寿命的主要途径有二个，一是减少节点的数据传送，二是如何合理利用网络的能量。

目前网络编码技术是目前较好的一种提高无线传感器数据传输可靠性的重要技术之一。网络编码技术的主要关键点如下：(1)网络编码技术采用了冗余技术。源数据节点将数据包在应用层进行数据进行编码，由于网络编码中采用了冗余技术，因而网络编码后的数据量大于没有编码的源数据包。这样采用冗余编码后，即使网络有一定的丢包率，接收方如果接收到多个编码的数据包，则就可以以较高的概率获得原数据，从而提高数据传输的可靠性。但是，采用网络编码方法其实是通过付出更多的能量消耗而提高了数据传送的可靠性。

随后有研究人员提出了网络编码与协作通信相结合的方法。这种方法的关键点主要有2点:(a)数据包在发送时需要编码,而中继节点在发送给下一个中继节点前需要采用随机网络编码技术进行解码与重新编码。(b)在数据传送到基站的每一跳，并不只选择一个中继节点，而是选择多个中继节点形成一个簇，组成协作通信结构进行协作通信。这种方法具有较好的性能。

不管采用上述的任何一种方法,无线传感器网络节点的可靠性与节点的发送功率之间都存在紧密的关系。也就是说：如何提高节点的发送功率，那么接收方就能够以更高的概率接收到发送方发送的数据包，因而采用提高节点发送功率来提高网络数据传输可靠性的一种有效方法。但是,提高节点的发送功率就会使节点的能量消耗增大,从而影响网络的寿命。

在以往的方法中，整个网络都是采用相同的节点发送功率。这样，由于近基站节点承担了远基站区域节点的数据转发工作，从而其承担的数据量远高于远基站区域节点的数据量。这样，导致近基站区域节点提前死亡，由于网络寿命一般定义为网络中第一个节点死亡的时间。因而，在以往的方法中基站附近的节点能量不足，而远基站区域剩余大量能量，有研究指出，当网络死亡时，网络剩余的能量高达90％。

发明内容

本发明提供一种无线传感器节点传输方法，在不降低网络寿命的情况下大幅度的提高网络传输的可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种协作通信中自适应发送功率控制的数据传输方法，当源节点产生一个数据包要发往基站时，它首先将数据包以较小的发送半径r_b将自己的源数据包广播给簇内的m个源簇节点，然后再通过选择多个中继簇中继转发到基站，每个中继簇也选择m个节点，这样，m个源簇节点，每个源簇节点将数据经过编码后向中间簇的m个节点都发送数据，中间簇的节点接收到m个数据包后，经过解码，对数据进行恢复后，重新进行编码后，继续向前采用与前面类似的方式进行传输，直到传到基站为止；在数据传输到基站的过程中，依据节点能量的充裕程度，对距离基站不同距离处的节点采用不同的发送功率，对于距离基站近的节点采用较小的发送功率，而对离基站远的节点采用较大的发送功率。

依据节点距离基站的距离不同而采用不同的发送功率的具体做法是：首先，计算节点的数据负载和能量消耗，然后，依据节点的能量消耗情况计算远基站区域节点剩余的能量，依据节点的剩余能量情况确定节点能采用的发送功率。

距离基站l处节点的最大发送功率E_l要满足下式：

其中，表示在以往采用固定节点发送功率方法中距离基站最近的节点的能量消耗，E_R表示接收每比特数据的能量消耗，表示为：Rb表示数据传送数率，P_Cr和P_Ct分别表示节点接收与发送数据时的电路能量消耗，和分别表示数据包长度、源数据包长度、状态消息包的长度，表示簇接收上一个中继簇的接收数据包数量，接收簇内源数据包数量表示为接收簇内状态消息数据包数量为r_b表示簇半径，d_l表示簇间之间的距离，k表示数据发送链路的路径损失指数，取值为2-4。

从距离基站最近的节点开始，随着远离基站，由于其节点的剩余也随之增长，因而节点所采用的发送功率也随之增长，直到达到上限后就保持最大发送功率不变。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种自适应发送功率控制提高数据传输可靠性的无线传感器节点传输方法，该方法利用远离基站的节点的未被消耗的能量，使得距离基站较远的节点采用较高的发送功率，提高数据传输的可靠性，同时保证了网络寿命；由于节点提高了发送功率后，数据包传输的可靠性可提高。由于数据传输的可靠性是源节点数据发送到基站所经历的路由路径上所有节点的数据传送可靠性之积，因而当远基站节点的可靠性提高后，整个端到端的可靠性都可以提高。本发明方法的设计与常规思路中，提高数据传送可靠性需要消耗更多能量，从而会降低网络寿命的研究方法截然不同。在原有的方法中，由于无线传感器网络近基站区域的能量紧张，而远基站区域有大量能量剩余。另一方面，如果节点在发送数据时，采用更大的发送功率，则可提高数据传送的可靠性。因而在本发明中，对能量有剩余区域的节点采用大的发送功率以提高网络传送可靠性，而对能量紧张的区域仍然采用与以往方法相同的数据发送功率，从而能够在提高网络可靠性的基础上而不影响网络寿命。巧妙的利用了常规网络中大量未被消耗能量的节点，来承担提高数据传送功率所带来的能量消耗，提高了数据传输的可靠性。

附图说明

图1为本发明方法实施例示意图。

图2为本发明实施例与以往的方法下能量消耗情况示意图。

图3为本发明实施例(理论上)与以往的方法下距离基站不同距离处节点的发送功率示意图。

图4为本发明实施例(实际)与以往的方法下距离基站不同距离处节点的发送功率示意图。

图5为本发明实施例与以往的方法下距离基站不同距离处节点的丢包率示意图。

图6为本发明实施例与以往的方法下能量利用率示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种协作通信中自适应发送功率控制的数据传输方法，如图1所示，当源节点产生一个数据包要发往基站时，它首先将数据包编码后以较小的发送半径r_b将自己的数据包发送给簇内的m个节点。由于此时通信半径小，因而数据包的误码率可以忽略不计。这样，就相当于有m个源节点。策略然后选择多个中间簇，将数据通过中间簇发往基站。每个中间簇也选择m个节点。这样，m源节点，每个源节点向中间簇的m个节点都发送数据，中间簇的节点接收到m个数据包后，经过解码，校码后，继续向前采用同样的方式进行传输，直到传到基站为止。在节点的发送中，如果节点的发送功率大，则节点发送数据包的可靠性高，但是消耗能量大。由于远基站区域剩余了大量的能量，因而在本发明中，依据节点距离基站的距离不同而采用不同的发送功率，从而可以充分利用节点的剩余能量提高数据包传送的可靠性，而又不降低网络的寿命。

依据节点距离基站的距离不同而采用不同的发送功率的具体做法是：首先,计算节点的数据负载和能量消耗,然后,依据节点的能量消耗情况计算远基站区域节点剩余的能量,依据节点的剩余能量情况确定节点可以采用的发送功率。距离基站l处节点的发送功率E_l要满足下式：

其中，表示在以往采用固定节点发送功率方法中距离基站最近的节点的能量消耗，E_R表示接收每比特数据的能量消耗，可以表示为下式：

$E_R=\frac{P_{Cr}}{R_b}$

Rb表示数据传送数率，P_Cr和P_Ct分别表示节点接收与发送数据时的电路能量消耗，和分别表示数据包长度、源数据包长度、状态消息包的长度，与分别表示簇发送到下一个中继簇的数据包数量与接收上一个中继簇的接收数据包数量，接收与发送簇内源数据包数量分别表示为：发送与接收簇内状态消息数据包数量分别为r_b表示簇半径，d_l表示簇间之间的距离，k表示数据发送链路的路径损失指数，取值为2-4。

图3给出了本发明方法(理论上)不同距离处的节点在不降低网络寿命的前提下可以采用的最大发送功率。图4给出了本发明方法(实际)距离基站不同距离处节点的发送功率，距离基站最近的节点的发送功率与以往采用固定节点发送功率方法相同，而随着远离基站，由于其节点的剩余也随之增长，因而节点所采用的发送功率也随之增长，直到达到上限后就保持最大发送功率不变。通过实验得知，在远基站区域采用比上限大的发送功率提高网络性能非常有限，因而采用图4所示的设置就可以了。

图2所示为不同方法下的能量消耗情况，与以往的方法比较，本发明方法在远基站区域提高节点的发送功率，从而远基站区域，本发明的方法能量消耗高于以往的方法。而近基站区域与以往方法相同。这说明，本发明方法充分利用了远基站区域的剩余能量，提高节点的发送功率，从而可提高数据传送的可靠性，而没有降低网络寿命。

图5所示为不同方法下距离基站不同距离处节点的丢包率，从图中可以看出，以往的方法在距离基站较远的区域，丢包率明显增大。而本发明方法不管距离基站多远，均保持较低的丢包率。

图6所示为不同方法下的能量利用率，从图中可以看出，本发明方法的能量利用率比以往的方法明显提高。

Claims (4)

1.一种协作通信中自适应发送功率控制的数据传输方法，其特征在于，当源节点产生一个数据包要发往基站时，它首先将数据包以较小的发送半径r_b将自己的源数据包广播给簇内的m个源簇节点，然后再通过选择多个中继簇中继转发到基站，每个中继簇也选择m个节点，这样，m个源簇节点，每个源簇节点将数据经过编码后向中间簇的m个节点都发送数据，中间簇的节点接收到m个数据包后，经过解码，对数据进行恢复后，重新进行编码后，继续向前采用与前面类似的方式进行传输，直到传到基站为止；在数据传输到基站的过程中，依据节点能量的充裕程度，对距离基站不同距离处的节点采用不同的发送功率，对于距离基站近的节点采用较小的发送功率，而对离基站远的节点采用较大的发送功率。

2.根据权利要求1所述的协作通信中自适应发送功率控制的数据传输方法，其特征在于，依据节点距离基站的距离不同而采用不同的发送功率的具体做法是：首先，计算节点的数据负载和能量消耗，然后，依据节点的能量消耗情况计算远基站区域节点剩余的能量，依据节点的剩余能量情况确定节点能采用的发送功率。

3.根据权利要求2所述的协作通信中自适应发送功率控制的数据传输方法，其特征在于，距离基站l处节点的最大发送功率E_l要满足下式：

其中，表示在以往采用固定节点发送功率方法中距离基站最近的节点的能量消耗，E_R表示接收每比特数据的能量消耗，表示为：Rb表示数据传送数率，P_Cr和P_Ct分别表示节点接收与发送数据时的电路能量消耗，和分别表示数据包长度、源数据包长度、状态消息包的长度，表示簇接收上一个中继簇的接收数据包数量，接收簇内源数据包数量表示为接收簇内状态消息数据包数量为r_b表示簇半径，d_l表示簇间之间的距离，k表示数据发送链路的路径损失指数，取值为2-4。

4.根据权利要求2所述的协作通信中自适应发送功率控制的数据传输方法，其特征在于，从距离基站最近的节点开始，随着远离基站，由于其节点的剩余也随之增长，因而节点所采用的发送功率也随之增长，直到达到上限后就保持最大发送功率不变。