CN106412958A

CN106412958A - 一种无线网络中快速建立数据链路的方法

Info

Publication number: CN106412958A
Application number: CN201610916644.4A
Authority: CN
Inventors: 袁亚洲; 朱雨; 刘静仁; 关新平
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Qinhuangdao Longda Lubrication Technology Research And Development Co ltd
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: CN106412958B

Abstract

本发明公开了一种无线网络中快速建立数据链路的方法，不需要确定的网络拓扑结构，利用无线网络节点间的射频覆盖关系，定义源节点的逻辑边界，规定边界节点通过动态的时隙管理方案，按需分配发送时隙，在避免冲突的前提下，实现数据包在尽量短的时间内遍历整个网络，快速建立源节点到整个无线网络的数据链路。该方法在保证网络服务质量的条件下，有效利用频谱资源，减少数据包转发次数，使数据包快速的覆盖全网。

Description

一种无线网络中快速建立数据链路的方法

技术领域

本发明涉及无线网络技术领域，尤其是一种无线网络中快速建立数据链路的方法。

背景技术

泛洪是无线传感器网络中典型的传统的平面协议，其算法简单，在无线传感器网络里被广泛的应用于拓扑形成、路由建立、目标探测或者数据查询等。在泛洪算法中，源节点将数据包以广播的方式进行传播，它所有的邻居节点在接收到该数据包后，会以同样的广播的方式将其传播出去。如此反复，直至数据包传遍整个网络。由于泛洪过程的广播特性，每个节点会多次接收到广播数据包。如果节点每次接收到数据包后都再次将其广播出去，邻居节点之间就会因为相互广播而不断重复下去。这不仅会造成大量的能量浪费，还会造成大量的通信冲突，降低数据传输的成功率。这就是著名的广播风暴问题。泛洪算法通过迭代的广播过程遍历了网络中所有可能的传输路径，包括传输的最短路径,因此泛洪算法在理论上可以提供最好的服务质量。

无线网络为了获取监测区域内的较高的网络覆盖率，通过密集部署传感器节点来实现。但是传感器节点高密度部署带来了覆盖冗余、信道冲突、网络拥塞等问题。在面对某些突发事件时，源节点希望尽快使事件报告数据包覆盖整个网络，快速的建立整个网络的数据链路。基于上述泛洪的思想，针对上述问题，提出了通过在空间上和时间上对传感器节点进行控制，根据覆盖域确定节点的转发次序，并采用动态延时接入策略，在避免冲突的前提下，减少网络中的冗余数据，快速建立源节点到整个网络的数据链路。

发明内容

本发明目的在于提供一种有效利用频谱资源、减少数据包转发次数、使数据包快速的覆盖全网的无线网络中快速建立数据链路的方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法根据节点间的射频覆盖范围，定义源节点的逻辑边界，标定边界节点，确定转发时序；包括以下具体步骤：

步骤1，每个节点广播初始化消息给邻居节点，节点记录接收到的不同的初始化消息，与邻居节点交换覆盖节点集合信息；

步骤2，节点以自身为中心，对边界节点进行标定；

步骤3，更新转发权信息

计算边界节点的优先转发权值P，退避时间所需的时间基准T_ref，发送标定信息以及转发权信息给对应的边界节点，形成绑定关系，使每个节点维护一个节点信息表；

步骤4，源节点有事件报告数据包广播时，在数据包中加入地址信息后转发；

步骤5，节点接收到数据包，查看节点信息表，判断是否是源节点的边界节点：若不是源节点的边界节点不转发数据包；若是，继续判断数据包中的地址信息是否是自身地址，若是直接转发数据包，若不是，计算时隙后重新对其时隙后转发；

步骤6，网络中所有节点都收到数据包，源节点覆盖全网的数据链路建立完成；

步骤7，若有新的节点加入网络或有节点离开网络，返回步骤1。

进一步的，步骤1中包含邻居节点射频覆盖范围内的节点集合S、与邻居节点通信的路径损耗PL。

进一步的，步骤2中，所述边界节点定义为：源节点覆盖范围内的节点集合S与邻居节点覆盖范围内的节点集合N_i构成的并集中存在源节点覆盖不到的节点，即存在节点集合T_i，使得这些特殊的邻居节点被定义为伪边界节点。

如果集合T_i，i∈N^*之间存在包含关系，当时，即在源节点射频覆盖范围之外，节点j已经覆盖了节点i的覆盖范围，节点j被定义为边界节点；否则，T_i直接被定义为边界节点。

进一步的，步骤3中，所述的优先转发权计算公式如下：

其中，i∈N^*,n＝card(B),α+β＝1；card代表计算集合元素的数量，S代表待发送数据的源节点射频覆盖范围内的节点集合，D_i代表边界节点i射频覆盖范围内的节点集合，PL_i代表源节点与边界节点i的通信路径损耗，PL_max代表源节点与边界节点最大的通信路径损耗，代表源节点与边界节点最大的通信路径损耗，即节点i为最远离源节点的边界节点，潜在的表示其更接近网络的边缘，P(i)的值越小，表示优先转发权越高，并且满足0≤P(i)＜1；

所述退避时间所需的时间基准T_ref公式如下：

T_ref＝(T_cca+T_switch)/(P^order(j+1)-P^order(j))

其中，T_cca代表能得到有效的空闲信道扫描结果所花费的最小时间，T_swith代表节点有接收转换到发送所需要的切换时间，P^order代表边界节点的优先转发权集合；

所述节点信息表包含：自身被绑定为边界节点的源节点集合S_addr，对应的优先转发权值P，退避时间所需的时间基准T_ref。

进一步的，步骤5中，

所述的边界节点重新对其时隙所需的时间公式：

其中，T_tx代表帧传输所需时间，P(i)代表边界节点优先转发权，T_cca为能得到有效的空闲信道扫描结果所花费的最小时间。

进一步的，规定边界节点通过动态的时隙管理方案，按需分配发送时隙，引进竞争和固定分配接入协议相结合的接入控制方法，使节点动态的占用现有的时隙资源。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：根据节点间的射频覆盖关系，定义源节点的逻辑边界，只有边界节点对数据包进行转发，逻辑边界内的节点只接收数据包。规定边界节点通过动态的时隙管理方案，按需分配发送时隙，引进竞争和固定分配接入协议相结合的接入控制方法，信道上传输的数据中包含边界节点计算接入时隙所需求的相关参数，在这种控制接入模式中可以保证边界节点动态的占用现有的时隙资源，尽量减少冲突与竞争。

附图说明

图1是本发明方法以源节点为中心对其邻居节点覆盖图。

图2是本发明方法的节点发送数据接入时隙图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明所述方法包括以下步骤：

步骤2，节点以自身为中心，对边界节点进行标定；

如图1所示，选取节点a作为源节点，即产生数据的节点。假设所有节点的通信半径都为R，对应虚线代表其射频覆盖范围，根据上面的定义及相互关系可得，b,c,e为节点a的边界结点。将边界节点与源节点射频范围的某些边界(边沿)点连接所构成的闭合区域称之为逻辑边界，如图1中的实线所示。在集合S中，除边界节点之外的所有节点落到逻辑边界之内。所有边界节点构成的集合定义为B，每个边界节点覆盖范围内的节点构成的集合定义为D_i，i∈N^*。源节点覆盖的节点集合定义为S。

步骤3，更新转发权信息，发送标定信息以及转发权信息给对应的边界节点，形成绑定关系，使每个节点维护一个节点信息表；

更新转发权信息，包括以下步骤：

A、按照公式(1)依次计算边界节点b,c,e的优先转发权值P；

其中i∈N^*,n＝card(B),α+β＝1。card代表计算集合元素的数量，S代表待发送数据的源节点射频覆盖范围内的节点集合，D_i代表边界节点i射频覆盖范围内的节点集合，PL_i代表源节点与边界节点i的通信路径损耗，PL_max代表源节点与边界节点最大的通信路径损耗，即最远离源节点的边界节点，潜在的表示其更接近网络的边缘。P(i)的值越小，表示优先转发权越高，并且满足0≤P(i)＜1。

因为：

且α+β＝1

所以，

所以0≤P(i)＜1。

α,β为计算转发权的权重系数，当取β＜α时，路径损耗因素所占的权重较大，当取α＜β时，外围节点数量因素所占的权重较大，当α＝β时，两种所占权重相同。应用中，可以根据具体需求配置α,β的值。

B、确定T_ref的取值，为便于说明，任意取一个完整的数据传输周期，如图2为保证传输时延最短，由图可知，T_ref的取值越小越好。且需满足如下关系：

P(i+2)×T_ref≥P(i+1)×T_ref+T_cca+T_switch

即，保证节点进行空闲信道评估操作时，优先转发权较高的节点已经处于发送状态，发送信道已被占用。

由上式可得，

T_ref≥(T_cca+T_switch)/(P(i+2)-P(i+1)),i∈N*

将边界节点的优先转发权按照由高到低进行排列，得到集合P^order，计算相邻元素的差值，得到差值最大的相邻元素P^order(i),P^order(i+1)，由上式可得，

T_ref≥(T_cca+T_switch)/(P(i+2)-P(i+1))≥(T_cca+T_switch)/(P^order(j+1)-P^order(j))

其中i,j∈N*

因此，

T_ref≥(T_cca+T_switch)/(P^order(j+1)-P^order(j))

取其最小值，可得，

T_ref＝(T_cca+T_switch)/(P^order(j+1)-P^order(j))

上述的优先转发权值P，退避时间所需的时间基准T_ref作为转发权信息和标定信息发送给边界节点，形成绑定关系。

步骤4，源节点有事件报告数据包广播时，在数据包中加入地址信息后转发，地址是根据边界节点覆盖范围的大小，转发优先权最小的边界节点地址。

步骤5，节点接收到数据包，查看节点信息表，判断是否是源节点的边界节点：

若不是源节点的边界节点不转发数据包；

若是，继续判断数据包中的地址信息是否是自身地址，若是无需额外计算直接转发数据包；若不是，边界节点根据数据包帧长度计算传输所需时间T_tx，并退避延时T_tx之后，重新对齐时隙，为尽量避免冲突，根据式P(i)×T_ref计算自己的接入时隙，随后执行空闲信道评估操作。节点通过空闲信道评估过程可以探测感知信道上是否有存在同频干扰信号，空闲信道评估基于检测到的信号能量值和一个可配置的阀值，执行空闲信道评估后得到的信号状态可以指示信道是否空闲，当无线节点感知到的信号强度小于设定的阈值时，接入该信道，否则，退出竞争进入接收状态，并退避延时T_tx之后，重新对齐时隙，由于之前已经按照相关规则延时了不同的时间，之后节点只需要判断信道是否被占用即可，如果信道空闲直接接入，否则继续退避延时T_tx。这里将能得到有效的空闲信道扫描结果所花费的最小时间定义为T_cca，节点有接收转换到发送所需要的切换时间定义为T_switch。

边界节点重新对其时隙所需的时间公式如下，

步骤6，网络中所有节点都收到数据包，源节点覆盖全网的数据链路建立完成。

本方法中规定边界节点通过动态的时隙管理方案，按需分配发送时隙，转发数据包。引进竞争和固定分配接入协议相结合的接入控制方法，信道上传输的数据中包含边界节点计算接入时隙所需求的相关参数，在这种控制接入模式中可以保证边界节点动态的占用现有的时隙资源，尽量减少冲突与竞争。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种无线网络中快速建立数据链路的方法，其特征在于，根据节点间的射频覆盖范围，定义源节点的逻辑边界，标定边界节点，确定转发时序；包括以下步骤：

步骤2，节点以自身为中心，对边界节点进行标定；

步骤3，更新转发权信息

2.根据权利要求1所述的一种无线网络中快速建立数据链路的方法，其特征在于：步骤1中包含邻居节点射频覆盖范围内的节点集合S、与邻居节点通信的路径损耗PL。

3.根据权利要求1所述的一种无线网络中快速建立数据链路的方法，其特征在于：步骤2中，所述边界节点定义为：源节点覆盖范围内的节点集合S与邻居节点覆盖范围内的节点集合N_i构成的并集中存在源节点覆盖不到的节点，即存在节点集合T_i，使得这些特殊的邻居节点被定义为伪边界节点。

4.根据权利要求3所述的一种无线网络中快速建立数据链路的方法，其特征在于：如果集合T_i，i∈N^*之间存在包含关系，当时，即在源节点射频覆盖范围之外，节点j已经覆盖了节点i的覆盖范围，节点j被定义为边界节点；否则，T_i直接被定义为边界节点。

5.根据权利要求1所述的一种无线网络中快速建立数据链路的方法，其特征在于：步骤3中，所述的优先转发权计算公式如下：

P (i) = α (1 - \frac{c a r d (D_{i} - S \cap D_{i})}{Σ_{i = 1}^{n} c a r d (D_{i} - S \cap D_{i})}) + β (1 - \frac{{PL}_{i}}{{PL}_{\max}})

所述退避时间所需的时间基准T_ref公式如下：

T_ref＝(T_cca+T_switch)/(P^order(j+1)-P^order(j))

6.根据权利要求1所述的一种无线网络中快速建立数据链路的方法，其特征在于：步骤5中，

所述的边界节点重新对其时隙所需的时间公式：

7.根据权利要求1所述的一种无线网络中快速建立数据链路的方法，其特征在于：规定边界节点通过动态的时隙管理方案，按需分配发送时隙，引进竞争和固定分配接入协议相结合的接入控制方法，使节点动态的占用现有的时隙资源。