CN106162793B - 一种采用不均等网络编码冗余水平的无线传感器网络数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用不均等网络编码冗余水平的无线传感器网络数据传输方法，在能量消耗紧张的近基站区域采用较低的网络编码冗余水平，在有能量剩余的远基站区域，采用较高的网络编码冗余水平，以保证高的数据传送可靠性。由于数据发送到基站的端到端可靠性是路由路径上每一个节点可靠性的乘积，因而该方法可以在保证可靠性满足应用程序要求的同时，有效的延长整个网络寿命，提高能量利用效率。本发明的方法在保证网络寿命与以往方法相等的情况时，网络端到端的可靠性可以提高至少14.1％。而在保证网络端到端可靠性与以往方法相等的情况下，本发明方法能够提高网络寿命20％以上。

Description

一种采用不均等网络编码冗余水平的无线传感器网络数据传 输方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络数据收集可靠性及节能领域，尤其涉及一种采用不均等网络编码冗余水平的无线传感器网络数据传输方法。
背景技术
在无线传感器网络中，数据包通过多跳传输的方式从一个传感器节点传输到基站。由于无线信道的损耗特性可能会导致数据包在传输过程中丢失。为了确保网络传递数据时较高的可靠性，研究人员已经提出了相当多的可靠性保障机制与方法。这些可靠性保障机制可以分为如下3类：
(1)数据重传机制。当在预定时间内发送节点无法探测到接收者成功接收数据包时，便会将数据包重新发送。发送方可能多次超时重传同一数据包，直到重传数据包的次数达到设定的上限或者发送方接收到接收方的确认消息后，进入到下一个数据包的发送。这类机制的优点是数据传送所消耗的能量较小，因而网络的寿命较高。但是,它的缺点是数据收集的延迟较大，特别是在多跳传输的无线网络中，不论是采用端到端的确认机制还是每一跳的确认机制，数据包的发送都需要较大的延迟，因而限制了它在某些对延迟敏感的应用程序上的应用。
(2)冗余重传机制。在这类机制中，发送方不需要接收方返回任何确认信息，而是通过可靠性理论来计算数据包应该被传送的次数。这类机制的优点是延迟较小，但存在的不足对节点的能量消耗较大，因而在能量受限制的网络中影响了其应用。
(3)基于网络编码的冗余方法。当链接不可靠时，这类方法采用了基于网络编码的方法来提高冗余水平以提高可靠性。这种方法能够在系统付出一定能量消耗的情况下保障网络的可靠性，同时由于不需要重传，因而具有较少的延迟。基本上可以取得在网络延迟，能量消耗之间的折中优化，是一种较好的方法。
虽然上面方法对提高网络性能具有很好的作用。但是，据我们所知，目前还没有能够将网络寿命，延迟以及可靠性三个性能都同时进行优化的研究。
重传机制虽然具有较好的能量效率，但是其延迟非常大。而基于冗余编码网络编码技术与前向纠错技术虽然具有较低的延迟，但是其能量效率不高。因而，网络性能的几个重要指标如：数据传送的可靠性、能量效率、网络延迟在以往的研究中是一种权衡优化关系，很难同时得到优化。
发明内容
本发明提供了一种采用不均等网络编码冗余水平的无线传感器网络数据传输方法，其目的在于克服现有技术中采用编码冗余水平引起的节点能量浪费的问题。
一种采用不均等网络编码冗余水平的无线传感器网络数据传输方法，在能量消耗紧张的近基站区域采用较低的网络编码冗余水平传输数据，而在有较多能量剩余的远基站区域采用较高的网络编码冗余水平传输数据。
所述近基站区域为到达基站的距离不超过两跳的节点所在的区域，所述远基站区域为到达基站的距离为大于等于三跳的节点所在的区域。
能量消耗紧张的近基站区域的能量消耗比其余区域的能量消耗高出至少一倍以上，导致该区域能量耗尽、网络死亡时，其余区域节点还有较多剩余能量；在网络死亡时，较多能剩余的远基站区域的节点仍旧存在超过80％的没有充分利用的能量。
所述较低的网络编码冗余水平是指：在满足应用可靠性要求的情况下，节点以初始冗余水平为基础，逐步降低其冗余水平值；
所述较高的网络编码冗余水平是指：在满足此时运行于传感器网络中应用可靠性要求以及冗余水平最大阈值的情况下，节点以初始冗余水平为基础，逐步提高其冗余水平值。
所述应用可靠性要求是指运行于无线传感器网络中的应用程序的可靠性要求；
所述节点的初始冗余水平是根据应用的端到端可靠性要求以及在均等冗余水平数据收集方法下的可靠性及能量计算公式计算获得：
其中，m为节点的初始冗余水平，为应用程序中所需的端到端的最小可靠性，为无线传感器网络的最大跳数，pc为无线传感器网络中的链路损失率。
首先计算出网络中各节点的冗余水平的初始值，随后降低距离基站两跳之内节点的冗余水平值以延长网络寿命，提高距离基站三跳之外节点的冗余水平值以提高网络的可靠性。
对于不同的网络应用，对于端到端的可靠性具有不同的要求，比如有的只要求端到端可靠性最低为50％，而有的则要求端到端可靠性要维持在90％以上。
所述逐步提高远基站区域中节点的冗余水平和逐步降低近基站区域中节点的冗余水平的具体过程如下：
所述逐步提高远基站区域中节点的冗余水平的具体过程如下：
(1)寻找第三环后能量消耗最小的区域所在的环，设为第i环，提高该环上节点的冗余水平；
定义距离基站跳数相同的节点均位于同一个环，距离基站1跳的节点位于第一环；
(2)判断第三环外的区域中所有节点是否仍旧存在超过10％的能量未被利用，若是，则返回步骤(1)，若不是，则停止提高节点的冗余水平；
各环上的节点能量消耗依据如下公式计算获得：
式中，z满足关系式：x+zr≤R，x＝l-hr(x<r)，
其中，r表示节点的发射半径；l表示节点距离基站的距离；R为平面网络的网络半径，h表示节点到达基站的跳数，令距离基站为l远的节点的冗余水平表示为mΓ，可靠性表示为pΓ；表示距离基站为l的节点承担的发送数据量；表示距离基站为l的节点接收的数据量；表示接收一个数据节点要消耗的能量；表示发送一个数据节点所要消耗的能量；λ表示网络中每个节点在一轮中产生数据包的概率；
距离基站跳数为i的节点的可靠性为pi： mi表示距离基站跳数为i的节点的冗余水平；
距离基站相同跳数的节点可靠性相同；
每次提高节点冗余水平时，是对节点的冗余水平进行加1操作；
因为提高第二环以内区域节点的冗余水平都会增加近基站区域的能量消耗，因而节点冗余水平的提高最小从第三环开始。
所述逐步降低近基站区域中节点的冗余水平的具体过程如下：
(3)降低近基站区域每个环上所有节点的冗余水平，并计算无线传感器网络中每个环对应区域的节点可靠性；
每次降低节点冗余水平时，是对节点的冗余水平进行减1操作；
(4)判断无线传感器网络的可靠性是否满足应用的需求，即下式是否成立，若成立，则返回步骤(3)，若不成立，则以满足下式对应的节点冗余水平作为最小冗余水平：
p1×p2×...pi×…×pn≥pe
其中，p1,p2,...pi,…,pn为无线传感器网络中各环对应区域的可靠性，n表示无线传感器网络的总环数；pe表示应用可靠性最小阈值。
有益效果
本发明提供了一种采用不等网络编码冗余水平的无线传感器网络数据传输方法，该方法通过在能量消耗紧张的近基站区域采用较低的网络编码冗余水平，虽然可靠性较低，但可以降低节点的数据传送量，从而保证较高的网络寿命；而在远Sink有能量剩余的区域采用较高的网络编码冗余水平，以保证高的数据传送可靠性。由于数据发送到基站的端到端(end to end)可靠性是路由路径上每一个节点可靠性的乘积。因而本发明的方法在保证网络寿命与以往方法相等的情况时，网络端到端的可靠性可以提高14.1％以上。而在保证网络端到端可靠性与以往方法相等的情况下，而本发明方法能够提高网络寿命20％以上。
附图说明
图1是本发明优选实施例的无线传感器平面网络的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的不均等冗余水平数据传输方法的流程示意图；
图3是本发明优选实施例的采用均等冗余水平数据传输方法时的能量消耗三维图；
图4是本发明优选实施例的采用不均等冗余水平数据传输方法时的能量消耗三维图；
图5是本发明优选实施例的在可靠性相同时，两种机制能量消耗的对比示意图；
图6是本发明优选实施例的在可靠性和链路损失率均相同时，两种机制网络寿命的对比示意图；
图7是本发明优选实施例的在相同网络寿命下可靠性提高的比例示意图；
图8是本发明优选实施例的在相同网络寿命下两种机制的延迟对比示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的平面无线传感器网络的结构示意图；而本实施例中所称的无线传感器网络，是指基站位于中心的平面网络，每一传感器节点具有唯一的编号。传感器节点一旦部署，所有节点均不移动并具有相同的初始能量和通信范围。在每一轮中，每个节点均产生一个数据包。由于无线信道的损耗特性，节点产生的数据包可能会丢失。因而，在数据收集时要尽量使得基站收集到的信息量最多、延迟最小、网络寿命最大。
参见图2，本发明的不均等冗余水平数据传输方法，至少包括以下步骤：
将无线传感器网络中的节点按照距离基站远近分为若干环(到达基站相同跳数的节点位于同一环)，对于每一环的节点，按照均等冗余水平数据采集机制的冗余水平值的计算方法，根据应用程序端到端可靠性需求，计算出此时各环节点冗余水平值mi且设定为初始值。
在不均等冗余水平数据传输方法中，在满足mi<40和各环节点的能量消耗均低于中心环(第一环)节点的能量消耗的情况下，尽可能提高第三环以后节点的冗余水平，以提高网络的可靠性；在满足端到端可靠性满足应用程序的基本要求的情况下，尽可能降低前两环节点的冗余水平，以降低其能量消耗，尽可能提高网络寿命。因而在网络中采用该种方法，在可靠性、网络寿命、延迟等方面均可以同时得到优化。
故采用不均等冗余水平数据传输方法具有以下优点：
(1)充分利用网络中的剩余能量，使整个网络的能量利用率高达85％以上；
(2)同时显著优化网络寿命、可靠性和延迟性能。较之均等冗余水平数据采集机制，在可靠性相同时，可以提高网络寿命25％-45％；在保证网络寿命相同时，网络可靠性可提高5％-25％。这些均是以往研究很难实现的。
在本实施例中，节点在发送数据之前，首先要确定其冗余水平，因为节点的冗余水平与节点发送数据的可靠性有关，而且，冗余数据包的数量也影响节点发送数据包时消耗的能量以及下一跳接收数据包时消耗的能量。因为对于平面网络，中心环(第一环)的能量消耗最大，随着距离基站的距离的增加，能量消耗显著减少，通过观察能量消耗图以及公式计算证明，本发明中的方法采用降低前两环节点的冗余水平，提高第三环以后节点冗余水平的方法来提高网络寿命和能量使用效率，均衡网络中各节点的能量消耗，提高可靠性以及减少延迟。对于各节点冗余水平的计算，包括以下步骤：
(1)试探能否提高剩作能量高的远基站区域节点的冗余水平,以提高网络的可靠性。
定义距离基站跳数相同的节点均位于同一个环。因为提高第二环以内区域节点的冗余水平都会增加近基站区域的能量消耗，因而节点冗余水平的提高最小从第三环开始。找出第三环后能量消耗最小的区域(设为第i环)，提高该区域节点的冗余水平，此时距离基站由近到远各区域节点的冗余水平依次为m1,m2,...mi,…mn；依据下式可以计算出相应各区域节点的可靠性依次为p1,p2,...pi,…,pn.
然后,计算出此时各区域节点的能量消耗
r表示节点的发射半径；l表示节点距离基站的距离。令那么距离基站为l远的节点的冗余水平可以表示为mΓ，可靠性可以表示为pΓ。表示距离基站为l的节点承担的发送数据量；表示距离基站为l的节点接收的数据量；表示接收一个数据节点要消耗的能量；表示发送一个数据节点所要消耗的能量；λ表示网络中每个节点在一轮中产生数据包的概率。
如果提高了第i|i＞2环区域节点的冗余水平后,第三环以外区域节点的能耗依旧较少，与中心节点的能耗差距依旧较大，则可以继续提高第三环以外区域节点的冗余水平值。
(2)试探能否降低第j|j≤2个区域的冗余水平.
降低第j|j≤2环区域节点的冗余水平后,依据式(1)重新计算出每个区域的可靠性.并检查此时网络的可靠性要求是否满足应用的需要,即是否满足下式.
p1×p2×...pi×…×pn≥pe (2)
如果式(2)成立,则成功将中心区域节点的冗余水平下降。否则不降低j|j≤2环区域节点的冗余水平。
返回到第(1)步重新试探。
(3)直到节点的冗余水平在步骤(1)无法提高，而且步骤(2)无法降低时，算法结束。
此时得到的各环节点的冗余水平即为所求的最佳值。
采用均等冗余水平数据采集方法时的能量消耗三维图和采用不均等冗余水平数据采集方法时的能量消耗三维图分别如图3和图4所示，图4中链路损失率为0.5，可靠性大于70％，对比图3和图4可以看出，本发明所述的方法能耗低且平均。
图5为将本发明的不均等冗余水平数据传输方法应用在图1所示样例的网络半径为400m，有着1000个传感器节点的平面圆形网络中，在保证可靠性相同，在不同链路损失率(分别为0.3和0.5)的情况下，网络能量消耗的对比图。由图中，本发明方法可以显著减少中心节点的能量消耗，均衡整个网络的能量消耗，提高网络的能源利用效率。
图6为可靠性(大于70％)和链路损失率(0.5)均相同的情况下，对于每个节点初始能量为50000000NJ时的网络寿命对比条形图。可以看出本发明方法可以在相同条件下显著提高网络寿命。
图7为可靠性(大于70％)以及发射半径(50m)相同的情况下，对于不同半径的平面圆形网络，保证网络寿命相同时，采用本发明方法可以提高的可靠性比例的折线图。由图中，在不同规模的网络中，可靠性均有不同程度的提高，网络规模越大，可靠性性能的优化程度越明显。
图8为在相同网络寿命情况下，不同可靠性和不同链路损失率下的延迟对比图。由图中，虽然本发明方法在延迟性能方面大概有5％的增长，但是这相对于可靠性、网络寿命以及能量利用率这些性能的显著优化程度来说是微不足道的，所以，本发明的不均等冗余水平数据传输方法是一个较好的数据传输方法。
图3-图8所示的数据示意图均有力的说明了本发明所述方法的有效性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种采用不均等网络编码冗余水平的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于，在能量消耗紧张的近基站区域采用较低的网络编码冗余水平传输数据，而在有较多能量剩余的远基站区域采用较高的网络编码冗余水平传输数据；
所述近基站区域为到达基站的距离不超过两跳的节点所在的区域，所述远基站区域为到达基站的距离为大于等于三跳的节点所在的区域；
所述较低的网络编码冗余水平是指：在满足应用可靠性要求的情况下，节点以初始冗余水平为基础，逐步降低其冗余水平值；
所述较高的网络编码冗余水平是指：在满足此时运行于传感器网络中应用可靠性要求以及冗余水平最大阈值的情况下，节点以初始冗余水平为基础，逐步提高其冗余水平值；
所述节点的初始冗余水平是根据应用的端到端可靠性要求以及在均等冗余水平数据收集方法下的可靠性及能量计算公式计算获得：
其中，m为节点的初始冗余水平，为应用程序中所需的端到端的最小可靠性，h为无线传感器网络的最大跳数，pc为无线传感器网络中的链路损失率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述逐步提高远基站区域中节点的冗余水平和逐步降低近基站区域中节点的冗余水平的具体过程如下：
所述逐步提高远基站区域中节点的冗余水平的具体过程如下：
(1)寻找第三环后能量消耗最小的区域所在的环，设为第i环，提高该环上节点的冗余水平；
定义距离基站跳数相同的节点均位于同一个环，距离基站1跳的节点位于第一环；
(2)判断第三环外的区域中所有节点是否仍旧存在超过10％的能量未被利用，若是，则返回步骤(1)，若不是，则停止提高节点的冗余水平；
各环上的节点能量消耗依据如下公式计算获得：
式中，z满足关系式：x+zr≤R，x＝l-hr(x＜r)，
其中，r表示节点的发射半径；l表示节点距离基站的距离；R为平面网络的网络半径，h表示节点到达基站的跳数，令距离基站为l远的节点的冗余水平表示为mΓ，可靠性表示为pΓ；表示距离基站为l的节点承担的发送数据量；表示距离基站为l的节点接收的数据量；表示接收一个数据节点要消耗的能量；表示发送一个数据节点所要消耗的能量；λ表示网络中每个节点在一轮中产生数据包的概率；
距离基站跳数为i的节点的可靠性为pi：mi表示距离基站跳数为i的节点的冗余水平；
每次提高节点冗余水平时，是对节点的冗余水平进行加1操作；
所述逐步降低近基站区域中节点的冗余水平的具体过程如下：
(3)降低近基站区域每个环上所有节点的冗余水平，并计算无线传感器网络中每个环对应区域的节点可靠性；
每次降低节点冗余水平时，是对节点的冗余水平进行减1操作；
(4)判断无线传感器网络的可靠性是否满足应用的需求，即下式是否成立，若成立，则返回步骤(3)，若不成立，则以满足下式对应的节点冗余水平作为最小冗余水平：
p1×p2×...pi×L×pn≥pe
其中，p1,p2,...pi,L,pn为无线传感器网络中各环对应区域的可靠性，n表示无线传感器网络的总环数；pe表示应用可靠性最小阈值。
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