CN107911841A - 一种传感网时延优化的可靠传输方法 - Google Patents
一种传感网时延优化的可靠传输方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种传感网时延优化的可靠传输方法，解决了在无线链路质量较差的情况下，传统自动请求重传方案频繁超时重传导致传输时延大的问题。本发明的特点在于：发送节点发送数据包连续发送多次，接收节点正确接收到数据包后，在滑动窗口中记录数据包在第几次成功接收到，根据滑动窗口内记录的历史数据，得到发送节点在不同的连续发送次数下成功发包的概率，执行动态规划算法得到期望时延最小的最优连续发送次数，并通过发送确认帧告知发送节点，发送节点在下一轮采用该发包次数进行连续发送。本发明减少超时重传次数并降低传输时延，适用于点对点通信模式下，有大量数据包需要传输且对传输时延有一定要求的传感网应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感网时延优化的可靠传输方法，该方法适用于点对点通信模式下数据包传输频繁、对传输时延有要求的传感网应用。
背景技术
无线传感网是将节点部署在特定区域，由传感节点采集感兴趣的信息，经过中继转发给汇聚节点，最终传输给用户。由于传感节点成本低，可以大量部署，特别是对于一些人工勘测成本很高的地方，无线传感网具有组网简便快捷，成本相对较低的优势。
无线信道由于噪声、干扰、多径效应等影响，具有波动性，数据在传输过程中会出现误码导致丢包的问题。为了保证无线通信的可靠性，传统的数据链路层使用了自动请求重传(ARQ)方案。ARQ方案要求发送节点每次发送一个数据包后，等待接收节点的确认帧，超时未收到确认后再重新发送数据，直到数据包成功传输或者达到最大重传次数。当链路质量较差时，采用ARQ方案频繁的超时重传会导致时延增加。针对该问题，朱艺华、徐骥等在《无线传感器网络应用简单Reed-Solomon编码的低能耗和低时延可靠数据收集方案》(参见计算机学报2015年10月第38卷第十期)一文中提出了一种基于简单Reed-Solomon(S-RS)编码的低能耗和低时延可靠数据收集方案，该方案通过优化S-RS码的冗余度，每个编码包携带的码字个数和重传次数这3个参数，通过制定最优编码方案，整合优化网络的能耗、数据收集率和时延性能。公开号为CN103259632B的专利文献提供了一种数据可靠汇聚方法，汇聚节点与多个传感节点进行通信，发送方发送数据前先与接收方建立传输连接，若数据包发生丢失，接收方发送NACK要求发送方重传数据包，当NACK数量达到阈值，双方进入拥塞控制阶段并停止传输，发送方随机退避一段时间后重新建立传输连接，将之前丢失的数据包分割成小数据包进行重传，该方法适用于一对多的传输场景。
发明内容
为了克服现有的传感网传输方式的超时重传次数较多、传输时延较高的不足，本发明提供了一种传感网时延优化的可靠传输方法，发送节点每轮发包时可以连续发送多次，接收节点设置滑动窗口记录数据包在第几次首次成功接收，执行动态规划算法计算得到期望时延最小的最优连续发送次数并发送确认帧告知发送节点，相比于ARQ方案，本发明减少了超时重传次数，从而降低了传输时延。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种传感网时延优化的可靠传输方法，包括发送节点操作和接收节点操作：
发送节点操作的过程如下：
步骤1.1令单个数据包最大重传次数为R，令初始阶段的成功发包个数阈值为Nth，令第i轮发送第j个数据包的连续发送次数为mi,j，第i轮发包结束后第j个数据包的已发送次数为Mi,j，令M0,1＝0，初始化i＝1，j＝1，m1,1＝1，设置当前成功发包个数Nsuc＝0；
步骤1.2假设当前为第i轮发送第j个数据包，发包完毕后，设置长度为Tini的定时器，若在Tini时间内收到接收方的确认帧，则关闭定时器，令Nsuc＝Nsuc+1，从确认帧中得到下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的连续发包数mi+1,j+1，令Mi,j+1＝0；若定时器到期未收到确认帧，令Mi,j＝Mi-1,j+mi,j，进一步判断若Mi,j＝R+1，则放弃发送第j个数据包，在下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包，令mi+1,j+1＝R+1，Mi,j+1＝0；否则，若Mi,j<R+1，下一轮(i+1轮)重传第j个数据包，令当Nsuc＝Nth时，进入步骤1.3，否则继续执行步骤1.2；
步骤1.3假设当前为第i轮发送第j个数据包，发包完毕后，设置长度为Tdym的定时器，若在Tdym时间内收到接收方的确认帧，则关闭定时器，从确认帧中得到下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的连续发包数mi+1,j+1，令Mi,j+1＝0；若定时器到期未收到确认帧，令Mi,j＝Mi-1,j+mi,j，进一步判断若Mi,j＝R+1，则放弃发送第j个数据包，在下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包，令mi+1,j+1＝mi,j+1，Mi,j+1＝0；否则，若Mi,j<R+1，下一轮(i+1轮)重传第j个数据包，令重复步骤1.3直至数据缓存为空；当数据缓存为空时，设置长度为Twait的定时器，若Twait时间内有数据到达，则关闭定时器，执行步骤1.3，否则当定时器到期，执行步骤1.1；
接收节点操作的过程如下：
步骤2.1设置单个数据包最大重传次数R，设置滑动窗口长度为Nini，初始化Nini＝w×Nwin，其中w为正整数，Nwin为滑动窗口长度阈值，初始化一个长度为R+1的数组Csuc和一个长度为R+1的数组P，Csuc用于记录当前窗口内发送节点在第1次、第2次、……，第R+1次发送成功分别出现的频次，P用于记录发送成功情况下连续发送次数分别为1次、2次、……，R+1次的累积分布函数值；
步骤2.2假设当前接收节点收到发送节点第i轮发送的第j个数据包，在第si,j次首次成功接收，则在窗口中记录si,j值，si,j∈{1,2,...,R+1}，在Csuc中更新当前窗口内第si,j次成功接收出现的频次，即Csuc(si,j)＝Csuc(si,j)+1，返回确认帧，确认帧中包含发送节点下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的最优连续发送次数mi+1,j+1，若窗口未填满，令mi+1,j+1＝si,j，继续执行步骤2.2，否则设置一个长度为Twait的定时器，进入步骤2.3；
步骤2.3令X为发送节点发送成功情况下的连续发送次数，PX(X≤x)为X的累积概率分布函数，x∈{1,2,...,R+1}，有其中p(i)为发送节点在第i次发送成功的概率，依次计算x＝1,2,...R+1时对应的累积概率分布函数值并记录在P中，基于数组P执行动态规划算法确定发送节点下一轮期望时延最小的连续发送次数，返回确认帧，若Twait时间内有数据到达，则关闭定时器，执行步骤2.4；否则当定时器到期，执行步骤2.1；
步骤2.4假设当前接收节点收到发送节点第i轮发送的第j个数据包，在第si,j次首次成功接收，设置一个长度为Twait的定时器，判断若Nini>Nwin，窗口前沿向前移动一个字节，si,j的存储长度为一个字节，在窗口内记录si,j值，窗口后沿向前缩进k个字节；否则若Nini＝Nwin，窗口向前滑动一个字节，在窗口内记录si,j值；
步骤2.5更新数组Csuc和P，根据动态规划算法确定发送节点下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的最优连续发送次数mi+1,j+1，返回确认帧，若Twait时间内有数据到达，则关闭定时器，继续执行步骤2.4；否则当定时器到期，执行步骤2.1。
进一步，所述步骤2.3和步骤2.5中，动态规划算法执行过程如下：假设发送节点发送某个数据包已累计发送失败α次，令下一轮连续发送β次的期望时延为Tα,β，其中α∈{0,1,...,R+1}，β∈{1,2,..,R+1-α}，令为已发送失败α次情况下，期望时延最小的最优连续发送次数，为相应的最小期望时延，和计算公式如下：
其中P(β)为步骤2.3中x＝β时对应的累积概率分布函数值，Tpacket为单次发送数据包的传输时延与传播时延之和，Tfeedback为发送确认帧的传输时延与传播时延之和，Ttimeout为发送节点超时重传时间，为发送节点发送某个数据包已累计发送失败α+β次情况下的最小期望时延，根据公式(1)-(4)依次计算得到α＝R,R-1,...,0时的最优连续发送次数和最小期望时延，最后α＝0对应的最优连续发送次数即为接收方建议发送方下一轮采用的连续发送次数。
本发明的有益效果为：由接收节点根据历史收包结果，执行动态规划算法计算得到期望时延最小的最优连续发送次数并发送确认帧告知发送节点，从而调整数据包每轮的连续发送次数，能够减少超时重传次数和传输时延。
附图说明
图1是本发明发送节点流程图；
图2是本发明接收节点流程图；
图3是滑动窗口Nini>Nwin时的操作示意图；
图4是滑动窗口Nini＝Nwin时的操作示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明应用于传感网发送节点与接收节点，一种传感网时延优化的可靠传输方法，包括发送节点操作和接收节点操作：
发送节点操作的过程如下：
步骤1.1令单个数据包最大重传次数为R，令初始阶段的成功发包个数阈值为Nth，令第i轮发送第j个数据包的连续发送次数为mi,j，第i轮发包结束后第j个数据包的已发送次数为Mi,j，令M0,1＝0，初始化i＝1，j＝1，m1,1＝1，设置当前成功发包个数Nsuc＝0；在本实施例中，R＝7，Nth＝50，初始阶段积累的数据是后续执行动态规划算法的基础，Nth设置的值越大，后续动态规划算法确定的最优发包次数越准确，但也要避免Nth过大导致初始阶段持续时间过长；
步骤1.2假设当前为第i轮发送第j个数据包，发包完毕后，设置长度为Tini的定时器，若在Tini时间内收到接收方的确认帧，则关闭定时器，令Nsuc＝Nsuc+1，从确认帧中得到下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的连续发包数mi+1,j+1，令Mi,j+1＝0；若定时器到期未收到确认帧，令Mi,j＝Mi-1,j+mi,j，进一步判断若Mi,j＝R+1，则放弃发送第j个数据包，在下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包，令mi+1,j+1＝R+1，Mi,j+1＝0；否则，若Mi,j<R+1，下一轮(i+1轮)重传第j个数据包，令当Nsuc＝Nth时，进入步骤1.3，否则继续执行步骤1.2；在本实施例中，Tini＝20ms，定时器Tini的长度根据发送确认帧的传输时延与传播时延之和、用户对数据传输的实时性要求自行设定；
步骤1.3假设当前为第i轮发送第j个数据包，发包完毕后，设置长度为Tdym的定时器，若在Tdym时间内收到接收方的确认帧，则关闭定时器，从确认帧中得到下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的连续发包数mi+1,j+1，令Mi,j+1＝0；若定时器到期未收到确认帧，令Mi,j＝Mi-1,j+mi,j，进一步判断若Mi,j＝R+1，则放弃发送第j个数据包，在下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包，令mi+1,j+1＝mi,j+1，Mi,j+1＝0；否则，若Mi,j<R+1，下一轮(i+1轮)重传第j个数据包，令重复步骤1.3直至数据缓存为空；当数据缓存为空时，设置长度为Twait的定时器，若Twait时间内有数据到达，则关闭定时器，执行步骤1.3，否则当定时器到期，执行步骤1.1；在本实施例中，Tdym＝30ms，定时器Tdym的长度根据发送确认帧的传输时延与传播时延之和、接收节点计算最优连续发送次数的时延和用户对数据要求传输的实时性自行决定；
接收节点操作的过程如下：
步骤2.1设置单个数据包最大重传次数R，设置滑动窗口长度为Nini，初始化Nini＝w×Nwin，其中w为正整数，Nwin为滑动窗口长度阈值，初始化一个长度为R+1的数组Csuc和一个长度为R+1的数组P，Csuc用于记录当前窗口内发送节点在第1次、第2次、……，第R+1次发送成功分别出现的频次，P用于记录发送成功情况下连续发送次数分别为1次、2次、……，R+1次的累积分布函数值；在本实施例中，w＝5，Nini＝50，Nwin＝10，Nini取值与步骤1.1中Nth相同，Nwin的取值可以视链路质量的波动情况确定；
步骤2.2假设当前接收节点收到发送节点第i轮发送的第j个数据包，在第si,j次首次成功接收，则在窗口中记录si,j值，si,j∈{1,2,...,R+1}，在Csuc中更新当前窗口内第si,j次成功接收出现的频次，即Csuc(si,j)＝Csuc(si,j)+1，返回确认帧，确认帧中包含发送节点下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的最优连续发送次数mi+1,j+1，若窗口未填满，令mi+1,j+1＝si,j，继续执行步骤2.2，否则设置一个长度为Twait的定时器，进入步骤2.3；定时器Twait的长度根据链路质量波动情况确定，当链路质量波动较小时Twait取值相对较大，当链路质量波动剧烈时Twait取值相对较小；
步骤2.3令X为发送节点发送成功情况下的连续发送次数，PX(X≤x)为X的累积概率分布函数，x∈{1,2,...,R+1}，有其中p(i)为发送节点在第i次发送成功的概率，依次计算x＝1,2,...R+1时对应的累积概率分布函数值并记录在P中，基于数组P执行动态规划算法确定发送节点下一轮期望时延最小的连续发送次数，返回确认帧，若Twait时间内有数据到达，则关闭定时器，执行步骤2.4；否则当定时器到期，执行步骤2.1；
步骤2.4假设当前接收节点收到发送节点第i轮发送的第j个数据包，在第si,j次首次成功接收，设置一个长度为Twait的定时器，判断若Nini>Nwin，如图3所示，窗口前沿向前移动一个字节，si,j的存储长度为一个字节，在窗口内记录si,j值，窗口后沿向前缩进k个字节；否则若Nini＝Nwin，如图4所示，窗口向前滑动一个字节，在窗口内记录si,j值；
步骤2.5更新数组Csuc和P，根据动态规划算法确定发送节点下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的最优连续发送次数mi+1,j+1，返回确认帧，若Twait时间内有数据到达，则关闭定时器，继续执行步骤2.4；否则当定时器到期，执行步骤2.1。
进一步，所述步骤2.3和步骤2.5中，动态规划算法执行过程如下：假设发送节点发送某个数据包已累计发送失败α次，令下一轮连续发送β次的期望时延为Tα,β，其中α∈{0,1,...,R+1}，β∈{1,2,..,R+1-α}，令为已发送失败α次情况下，期望时延最小的最优连续发送次数，为相应的最小期望时延，和计算公式如下：
其中P(β)为步骤2.3中x＝β时对应的累积概率分布函数值，Tpacket为单次发送数据包的传输时延与传播时延之和，Tfeedback为发送确认帧的传输时延与传播时延之和，Ttimeout为发送节点超时重传时间，为发送节点发送某个数据包已累计发送失败α+β次情况下的最小期望时延，根据公式(1)-(4)依次计算得到α＝R,R-1,...,0时的最优连续发送次数和最小期望时延，最后α＝0对应的最优连续发送次数即为接收方建议发送方下一轮采用的连续发送次数。
下面举例说明动态规划算法的具体执行步骤，令R＝3，Tpacket＝16ms，Tfeedback＝5ms，Ttimeout＝20ms，x＝1,2,3,4时对应的累计概率分布函数值分别为P(1)＝0.12，P(2)＝0.32，P(3)＝0.68，P(4)＝0.8，由公式(1)可得首先考虑α＝3的情况，当α＝3时，β＝1，由公式(2)和公式(3)计算可得T3,1＝34.2ms，接着，考虑α＝2的情况，当α＝2时，β＝1,2，由公式(2)计算可得T2,1＝64.30ms，T2,2＝47.20ms，由公式(3)可得然后，当α＝1时，β＝1,2,3，由公式(2)可得T1,1＝75.74ms，T1,2＝70.46ms，T1,3＝57.80ms，由公式(3)可得最后，当α＝0时，β＝1,2,3,4，计算可得T0,1＝85.06ms，T0,2＝79.30ms，T0,3＝68.74ms，T0,4＝72.00ms，由公式(3)可得由公式(4)可得期望时延最小的连续发送次数
Claims (2)
1.一种传感网时延优化的可靠传输方法，其特征在于：包括发送节点操作和接收节点操作：
发送节点操作的过程如下：
步骤1.1令单个数据包最大重传次数为R，令初始阶段的成功发包个数阈值为Nth，令第i轮发送第j个数据包的连续发送次数为mi,j，第i轮发包结束后第j个数据包的已发送次数为Mi,j，令M0,1＝0，初始化i＝1，j＝1，m1,1＝1，设置当前成功发包个数Nsuc＝0；
步骤1.2假设当前为第i轮发送第j个数据包，发包完毕后，设置长度为Tini的定时器，若在Tini时间内收到接收方的确认帧，则关闭定时器，令Nsuc＝Nsuc+1，从确认帧中得到下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的连续发包数mi+1,j+1，令Mi,j+1＝0；若定时器到期未收到确认帧，令Mi,j＝Mi-1,j+mi,j，进一步判断若Mi,j＝R+1，则放弃发送第j个数据包，在下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包，令mi+1,j+1＝R+1，Mi,j+1＝0；否则，若Mi,j<R+1，下一轮(i+1轮)重传第j个数据包，令当Nsuc＝Nth时，进入步骤1.3，否则继续执行步骤1.2；
步骤1.3假设当前为第i轮发送第j个数据包，发包完毕后，设置长度为Tdym的定时器，若在Tdym时间内收到接收方的确认帧，则关闭定时器，从确认帧中得到下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的连续发包数mi+1,j+1，令Mi,j+1＝0；若定时器到期未收到确认帧，令Mi,j＝Mi-1,j+mi,j，进一步判断若Mi,j＝R+1，则放弃发送第j个数据包，在下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包，令mi+1,j+1＝mi,j+1，Mi,j+1＝0；否则，若Mi,j<R+1，下一轮(i+1轮)重传第j个数据包，令重复步骤1.3直至数据缓存为空；当数据缓存为空时，设置长度为Twait的定时器，若Twait时间内有数据到达，则关闭定时器，执行步骤1.3，否则当定时器到期，执行步骤1.1；
接收节点操作的过程如下：
步骤2.1设置单个数据包最大重传次数R，设置滑动窗口长度为Nini，初始化Nini＝w×Nwin，其中w为正整数，Nwin为滑动窗口长度阈值，初始化一个长度为R+1的数组Csuc和一个长度为R+1的数组P，Csuc用于记录当前窗口内发送节点在第1次、第2次、……，第R+1次发送成功分别出现的频次，P用于记录发送成功情况下连续发送次数分别为1次、2次、……，R+1次的累积分布函数值；
步骤2.2假设当前接收节点收到发送节点第i轮发送的第j个数据包，在第si,j次首次成功接收，则在窗口中记录si,j值，si,j∈{1,2,...,R+1}，在Csuc中更新当前窗口内第si,j次成功接收出现的频次，即Csuc(si,j)＝Csuc(si,j)+1，返回确认帧，确认帧中包含发送节点下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的最优连续发送次数mi+1,j+1，若窗口未填满，令mi+1,j+1＝si,j，继续执行步骤2.2，否则设置一个长度为Twait的定时器，进入步骤2.3；
步骤2.3令X为发送节点发送成功情况下的连续发送次数，PX(X≤x)为X的累积概率分布函数，x∈{1,2,...,R+1}，有其中p(i)为发送节点在第i次发送成功的概率，依次计算x＝1,2,...R+1时对应的累积概率分布函数值并记录在P中，基于数组P执行动态规划算法确定发送节点下一轮期望时延最小的连续发送次数，返回确认帧，若Twait时间内有数据到达，则关闭定时器，执行步骤2.4；否则当定时器到期，执行步骤2.1；
步骤2.4假设当前接收节点收到发送节点第i轮发送的第j个数据包，在第si,j次首次成功接收，设置一个长度为Twait的定时器，判断若Nini>Nwin，窗口前沿向前移动一个字节，si,j的存储长度为一个字节，在窗口内记录si,j值，窗口后沿向前缩进k个字节；否则若Nini＝Nwin，窗口向前滑动一个字节，在窗口内记录si,j值；
步骤2.5更新数组Csuc和P，根据动态规划算法确定发送节点下一轮(i+1轮)发送第j+1个数据包的最优连续发送次数mi+1,j+1，返回确认帧，若Twait时间内有数据到达，则关闭定时器，继续执行步骤2.4；否则当定时器到期，执行步骤2.1。
2.如权利要求1所述的一种传感网时延优化的可靠传输方法，其特征在于：所述步骤2.3和步骤2.5中，动态规划算法执行过程如下：假设发送节点发送某个数据包已累计发送失败α次，令下一轮连续发送β次的期望时延为Tα,β，其中α∈{0,1,...,R+1}，β∈{1,2,..,R+1-α}，令为已发送失败α次情况下，期望时延最小的最优连续发送次数，为相应的最小期望时延，和计算公式如下：
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其中P(β)为步骤2.3中x＝β时对应的累积概率分布函数值，Tpacket为单次发送数据包的传输时延与传播时延之和，Tfeedback为发送确认帧的传输时延与传播时延之和，Ttimeout为发送节点超时重传时间，为发送节点发送某个数据包已累计发送失败α+β次情况下的最小期望时延，根据公式(1)-(4)依次计算得到α＝R,R-1,...,0时的最优连续发送次数和最小期望时延，最后α＝0对应的最优连续发送次数即为接收方建议发送方下一轮采用的连续发送次数。
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