CN108668383B - 基于构造干扰的无线传感器网络数据分发的拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于构造干扰的无线传感器网络数据分发的拓扑控制方法，属于无线通信技术领域。其特点是：在充分利用构造干扰的条件下，分布式地选择合适并发节点集合进行数据分组并发传输，以此来提高了接收链路质量、减少无线传感器网络中数据分发的能耗和延迟。采用本发明以后，能够在无线传感器网络实现数据分发的低能耗和低延迟，特别适用于需要低延迟和低能耗数据分发的应用，如实时监测系统等。

Description

基于构造干扰的无线传感器网络数据分发的拓扑控制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于构造干扰的无线传感网络数据分发的分布式拓扑控制方式。

背景技术

数据分发是无线传感器网络的基本服务之一，其主要目的是尽可能快且有效的以多跳方式将数据包从源节点转发到其他所有结点。在实际网络应用中，数据分发一般用于通知节点和更新节点系统参数。传统的数据分发协议一般采用基于竞争的MAC协议(CSMA/CA或TDMA)。然而，这些协议经常导致节点之间严重的信道争用，并且解决信道争用会产生显著的开销。另外，确定无干扰的数据分发节点调度是一个NP完全问题，对于大规模节点调度问题时间复杂度高，并且易受突然拓扑变化的影响。

在数据分发中运用构造干扰(Constructive interference，简称CI)能够有效的减少信道的争用，提高信号质量，减少传输延迟和能量消耗。CI来源于硬件对多径信号的容忍，当多个发送机同时传输相同分组时，多个信号可以在公共接收机上建设性叠加，而不会引起相消干扰，从而显著地增强信号强度。无论节点密度和网络大小如何，基于CI的数据分发方式都能实现数据分组快速传输。

虽然CI在数据分发方面有很多优势，但是最近[DisoYin Wang,Yunhao Liu,YuanHe,Xiang Yang Li,and Dapeng Cheng.“Disco:Improving packet delivery viadeliberate synchronized constructive interference”，2015]指出，即在多个信号完美叠加的条件下，多个并发传输的信号也可能破坏性的叠加，从而降低了信号接收性能、增加传输延迟和消耗额外能耗。因此，如何选择合适的并发节点集合对于基于CI的数据分发非常重要。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于构造干扰的无线传感器网络数据分发的拓扑控制方法，在保证网络中所有节点都成功解码数据的前提下，最小化基于CI数据分发时的传输延迟和能量消耗。

本发明公开了一种基于构造干扰的无线传感网络数据分发的拓扑控制方法，网络中所有节点维护两跳的邻居信息，并把两跳邻居节点分成RecSet和unRecSet集合，RecSet表示成功解码的邻居节点集合，unRecSet表示还未成功解码的邻居节点集合；节点接收或者偷听到数据分组或者节点选择信息时，动态地更新其RecSet和unRecSet集合，每个成功解码数据的节点在每个时隙设置一个定时器，当定时器时间到后，节点基于本地unRecSet集合信息，在RecSet中选择并发节点一起传输。

网络中所有已解码节点维持本地的两跳信息RecSet集合和unRecSet集合，已解码节点基于其RecSet和unRecSet进行本地决策，选择并发传输节点集合并发传输，分布式并发传输节点选择步骤如下：

步骤1：时刻t，所有成功解码数据的节点i根据其unRecSet_i集合大小和其到unRecSet_i集合中节点j的链路质量l_ij设置一个定时器，定时器时间设置为：

步骤2：当节点i定时器时间到后，节点i进行并发节点选择，选择出其并发传输节点集合，在RecSet_i中选择最少节点协助自己并发传输，使得在unRecSet_i中最多节点成功解码数据，同时，所有被选择的协同节点广播ACK消息；

步骤3：接收或者偷听到ACK消息的已解码节点j动态更新RecSet_j和unRecSet_j，并且依据unRecSet_j重新设置定时器，当unRecSet_j为空集时，节点j取消定时器，时隙t节点j不再进行并发节点选择；

步骤4：在网络中所有已解码节点都完成一次并发节点选择过程后，整个时隙t的并发传输节点集合为所有已解码节点并发传输节点集合的交集，时隙t的并发传输节点集合中所有节点同时广播数据分组；

步骤5：网络中所有成功解码的节点重新收集两跳邻居信息，更新RecSet_j和unRecSet_j集合，若网络中所有节点成功解码，则操作结束；否则跳到步骤一，进行下一时刻t+1分布式并发节点选择。

有益效果：本发明基于CI的数据分发方式，减少了数据分发中节点的信道争用问题，增强了信号强度，减少了传输延迟；另外，通过unRecSet集合来控制节点的并发选择过程的执行次序，显著地减少了数据分发时选择的并发节点的数量，减少了传输能量消耗；并且分布式方式易于部署、有很强的扩展性，特别适合于需要低延迟和低能耗进行数据分发的无线传感器网络应用，如实时传感器网络监控系统。本发明为本领域的技术进步拓展了空间，实施效果好。

附图说明

图1为本发明的数据分发的并发节点选择流程图；

图2为实施例的一个含有10个节点的网络模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。

实施例：

如图1所示的一种基于CI的无线传感器网络数据分发的拓扑控制方法。

如图2为含有10个节点的网络模型，虚线表示两节点相邻，源节点1需要把数据发送给网络中的所有其他节点。

现固定节点的发射功率3dm，考虑无线电自由空间传播模型，图2中节点之间的数字表示节点之间的实际链路质量。

本实施例基于CI的并发节点选择具体如下操作：

1)时隙t＝0，所有成功解码数据的节点根据其RecSet和unRecSet设置定时器。时隙t＝0，只有源节点1成功解码并设置定时器。节点1的RecSet₁和unRecSet₁分别为{1}和{2，3，4，5，6}，则节点1的定时器时间设置为：

其中C＝1。

2)时隙t＝0，节点1的定时器时间到后，节点1根据本地两跳信息进行并发节点选择过程，其从RecSet₁选择最少并发节点集合使得在unRecSet₁中最多的节点成功解码数据。此时，节点1的concurrent relay set＝{1}，同时，节点1的concurrent relay set内所有节点广播ACK消息。

3)时隙t＝0，接收或者偷听到ACK消息的已解码节点需要动态更新其RecSet和unRecSet。此时，仅节点1成功解码数据，故节点1更新其RecSet₁和unRecSet₁。以节点1的视角，时刻t＝0进行并发数据传输，能使一跳邻居节点2和节点3成功解码数据，故节点1把节点2和3放入RecSet₁集合，即RecSet₁和unRecSet₁分别为{1，2，3}和{4，5，6}。

4)时隙t＝0，在节点1执行完节点并发选择之后，整个时隙的并发节点选择过程结束(没有其他节点定时器设置)。时隙t＝0的并发传输集合为所有已解码节点选择的并发节点的交集，即时隙t＝0的concurrent relay set＝{1}。时隙0的并发传输集合一起传输，使得新节点2和节点3成功解码数据。

5)所有成功解码的节点重新收集两跳邻居信息(即节点1，2，3)，更新其RecSet和unRecSet集合。网络中还有未解码节点，则进行下一时隙t＝1节点并发选择过程。

6)：时隙t＝1，网络中成功解码数据的节点有1，2和3，节点2的RecSet和unRecSet分别为{1，2，3}和{5，6，7，8}；节点3的RecSet和unRecSet分别为{1，2，3}和{4，6，7，8}；节点1的RecSet和unRecSet分别为{1，2，3}和{4，5，6}。已解码节点1，2和3设置定时器，此时，节点2的定时器时间最短，节点3次之，节点1的定时器时间最大。

7)：节点2的定时器时间到后，节点2根据其RecSet和unRecSet选择concurrentrelay set＝{2}。节点2向周围广播ACK信息。

8)：节点1接收到节点2的ACK消息后，动态更新其RecSet₁和unRecSet₁，分别设置为{1，2，3，5，6}和{4}，并基于其unRecSet重新设置定时器。

9)：节点3定时器时间到后，进行并发节点选择concurrent relay set＝{3}。节点3向周围广播ACK消息。

10)：节点1接收到节点3的ACK消息并动态更新其RecSet和unRecSet集合，分别设置为{1，2，3，4，5，6}和{}。此时节点1的unRecSet为空，节点1取消定时器。

11)：整个时隙t＝1的并发传输集合concurrent relay set＝{2，3}。时隙t＝1的并发传输集合一起并发传输数据分组使得新节点4，5，6成功解码数据包。网络中还有节点未成功解码，则进行下一时隙t＝2节点并发选择过程。

12)：时隙t＝2，网络中所有已解码节点(1，2，3，4，5，6)设置定时器。节点1的unRecSet为空，取消定时器。节点6的定时器时间最短。

13)：节点6定时器时间到后，首先开始并发节点选择过程。节点6根据其RecSet＝{1，2，3，4，5，6}和unRecSet＝{7，8，9，10}来选择并发节点集合，为了最大化解码节点数量，节点6选择concurrent relay set＝{4，5，6,}一起并发传输，使得节点7，8，9，10能成功解码数据。节点6通知节点4和5协助其一起并发传输，并广播ACK消息通知周围邻居节点。节点4和节点5接收到节点6的协助请求后，广播ACK消息。

14)：接收到ACK的节点2，3，4和5动态更新其RecSet和unRecSet集合。此时，节点2，3，4和5的unRecSet为空，取消了定时器。

15)：整个时隙t＝2的并发传输集合concurrent relay set＝{4，5，6}。整个时隙t＝2的节点并发传输使得新节点7，8，9和10成功解码数据。这时，网络中的所有节点都成功解码，整个网络模型的数据分发的并发节点选择过程结束。

Claims (1)

1.一种基于构造干扰的无线传感网络数据分发的拓扑控制方法，其特征在于：网络中所有节点维护两跳的邻居信息，并把两跳邻居节点分成RecSet和unRecSet集合，RecSet表示成功解码的邻居节点集合，unRecSet表示还未成功解码的邻居节点集合；节点接收或者偷听到数据分组或者节点选择信息时，动态地更新其RecSet和unRecSet集合，每个成功解码数据的节点在每个时隙设置一个定时器，当定时器时间到后，节点基于本地unRecSet集合信息，在RecSet中选择并发节点一起传输；

网络中所有已解码节点维持本地的两跳信息RecSet集合和unRecSet集合，已解码节点基于其RecSet和unRecSet进行本地决策，选择并发传输节点集合并发传输，分布式并发传输节点选择步骤如下：

步骤1：时刻t，所有成功解码数据的节点i根据其unRecSet_i集合大小和其到unRecSet_i集合中节点j的链路质量l_ij设置一个定时器，定时器时间设置为：

步骤2：当节点i定时器时间到后，节点i进行并发节点选择，选择出其并发传输节点集合，在RecSet_i中选择最少节点协助自己并发传输，使得在unRecSet_i中最多节点成功解码数据，同时，所有被选择的协同节点广播ACK消息；

步骤3：接收或者偷听到ACK消息的已解码节点j动态更新RecSet_j和unRecSet_j，并且依据unRecSet_j重新设置定时器，当unRecSet_j为空集时，节点j取消定时器，时隙t节点j不再进行并发节点选择；

步骤4：在网络中所有已解码节点都完成一次并发节点选择过程后，整个时隙t的并发传输节点集合为所有已解码节点并发传输节点集合的交集，时隙t的并发传输节点集合中所有节点同时广播数据分组；

步骤5：网络中所有成功解码的节点重新收集两跳邻居信息，更新RecSet_j和unRecSet_j集合，若网络中所有节点成功解码，则操作结束；否则跳到步骤一，进行下一时刻t+1分布式并发节点选择。

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