CN109391675B - 一种应用于wsn的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法 - Google Patents

一种应用于wsn的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，汇聚节点在下发信息前，首先发送对信息抽象后的信息系脉冲Abs；其次，根据汇聚节点到传感节点的路径长度和路由节点能力，以及网络状态，选择“健壮”的节点作为核心节点用来缓存信息；再次，当节点发现数据包丢失时，及时发送丢包请求NACK，向上游核心节点请求丢包；如果上游核心节点多次收到下游节点对同一个数据包的丢包请求，则启动重路由策略克服路径拥堵或者路由空洞问题；最后，传感节点接收到完整的对应于Ads的数据信息后，传感节点反馈状态信息Adv到汇聚节点。本发明解决了无线自组织网络中从汇聚节点向传感节点发送数据包的可靠传输问题。

Description

一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)的传输技术领域，涉及一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法。
背景技术
随着WSN应用的普及与推广，在特定的应用中对数据传输的可靠性提出极高的要求。一种高可靠性的数据传输方法对于无线传感器网络和其应用来说意义重大，不仅能够拓展其应用领域，而且可以提高感知的准确性和可靠性以及感知效率。
然而，现有的数据传输方法提供的可靠性无法满足需求。尽管从多源传感器节点利用数据的重复性和数据融合方法可以提高可靠性，但是容易造成数据传输拥塞，造成网络瘫痪或者大量丢包。并且对于单源传感器网络不适用，从汇聚节点到传感器节点的数据传输就属于单源的端到端传输。对于多分组可靠传输协议(RMST)，是一种从源节点到汇聚节点的可靠传输协议，该协议利用网络内的节点对所传数据进行缓存，采用定向扩散，提供端到端的可靠传输，然而这种方法额外增加了大量的处理和存储，大量消耗了网络中节点的能量和缓存。对于慢充快取传输协议(PSFQ)，尽管采取了中继节点缓存信息，实现丢包之后快速向上一级中继缓存节点请求重传，然而对于单个包的信息丢失和全部信息数据包的丢失没有给出解决办法。对于一种下行数据包恢复协议(GARUDA)，利用汇聚节点资源丰富、传感节点资源受限的特点，汇聚节点在发送数据前，发送脉冲信息告知其他节点即将发送数据，但是该脉冲信息仅仅是一种提醒，未告知其他节点是什么类型信息和信息的大小。其次，该协议也是采用核心节点缓存数据，实现双相丢包恢复。但是在选择核心节点时采用的原则是中继节点到汇聚节点跳数是三的倍数的节点被选作核心节点，未考虑该节点的能力和能量的多少，容易造成该节点能量最先消耗殆尽而失去作用，且在核心节点选择过程中未考虑网络的状态，容易导致核心节点选择过多或过少问题。
发明内容
为实现从汇聚节点到传感节点的可靠数据传输的目的，本发明提供一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，实现了数据下行的可靠传输。
本发明所采用的技术方案是：
一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，具体按照以下步骤进行：
S301：汇聚节点首先发送轻量级的对即将发送信息进行概要描述的信息脉冲Abs，网络中其他节点对Abs进行中继传播，直至传播到传感节点；汇聚节点发送的信息脉冲Ads占用时间很短，占用网络资源很少，不会给网络带来压力和给中继节点带来资源浪费。目的是为了解决单个数据包或者一条指令消息的所有数据包在传输过程中丢失，且接收节点无法察觉是否丢失的问题；
S302：发送Abs之后，汇聚节点首先根据节点的上报频率确定网络的拥塞程度；其次根据网络状态来调整自己向传感节点发送指令数据包的数据速率，最后发送与Abs对应的信息的数据包；
S303：汇聚节点向传感节点发送数据包，数据包在通过中间节点中继的过程中，由于网络或者环境因素导致组成一条信息的数据包中某个有序数据包丢包，或者所有数据包丢包。如图3中中继节点B发现数据包丢包；
S304：中继节点发现数据包丢失后，即刻反向发送NACK，向数据包发来方向的中继节点 A请求重发该丢失的数据包；
S305：A接收到NACK后，根据NACK的请求内容，从自己缓存中查找被请求重传的数据包，然后发送该数据包Rep；
S306：当中继节点A发送完NACK请求的数据包Rep之后，再次收到对同一数据包的NACK，请求发送同一个数据包；则节点A判断发送数据包Rep的路径受阻，于是选择另一个通过中继节点C可以到达中继节点的B的路径，再次发送数据包Rep；
S307：数据包成功到达传感节点之后，则传感节点向汇聚节点反馈接到数据包的Adv报告信息。
进一步的，所述步骤S302中，网络拥塞程度的判断方法由下式(1)给出，
Figure GSB0000176872120000021
式中，R为传感节点向汇聚节点发送数据的速率；V信道最大吞吐量的理论值；Smax是汇聚节点的最大缓存。
进一步的，所述步骤S302中，汇聚节点根据网络状态来调整向传感节点发送数据包的数据速率，该数据速率是通过数据包发送的时间间隔来调整的，发送时间间隔由下式(2)给出
Figure DEST_PATH_465645DEST_PATH_IMAGE003
（2）
式中，n是汇聚节点在构建无线传感器网络之后获知的从具体的传感节点到汇聚节点的跳数， Tmin和Tmax是汇聚节点根据网络部署和节点处理能力得出的两个相邻节点之间传输一个数据包所需要的最小和最大时间。
进一步的，所述步骤S303中，中继节点根据收到的信息脉冲Abs提供的信息判断后续接收到的数据包是否丢包。判断方法是，Abs提供了信息的大小，如果接收到的数据包的序号和信息大小与Abs提供的信息不符，则判断为丢包。
进一步的，所述步骤S304中，中继节点A是汇聚节点到指定传感节点之间路径上的一个中继节点，根据一定的选择算法选择出来作为具有缓存功能的中继节点。为了节约能量，延长网络的生命期，其缓存功能是暂时的。
进一步的，所述步骤S304中，选择具有缓存功能的节点的具体算法可以采用每间隔3跳选择一个具有缓存功能的中继节点；同时也可以采用能量优先的策略。
进一步的，所述步骤S304中，缓存节点所缓存的信息是根据信息脉冲Abs提供的信息进行缓存的，所缓存的数据根据数据的生命期是否递减为0而进行丢弃。
进一步的，所述步骤S304中，NACK是无线传感器网络中请求数据重传的一种请求数据包，其格式是通用的格式。
进一步的，所述步骤S305中，中继节点A根据NACK所提供的请求信息，查找缓存中相对应的数据包，然后发送该数据包的Rep，即复制该数据并发送。
进一步的，所述步骤S306中，中继节点A多次收到对同一数据包的请求重发的NACK，则节点A判断该路径存在路由空洞或者网络环境差，于是节点A启动右手法则采用新的路径发送该数据包。右手法则是一种解决路由空洞的法则，也是提高数据可靠性的一种路由法则。
进一步的，所述步骤S307中，数据包的报告信息Adv是对接收信息成功后的一种状态报告信息，目的是向汇聚节点报告成功接收了某一条信息。
进一步的，所述步骤S304，305，306中，该请求重发策略遇到复杂网络环境无法成功实现时，即在下述Ttransmission时间内，汇聚节点没有收到所发信息的状态报告时，汇聚节点根据需求决定是重发该信息还是放弃发送该信息。
Ttransmission＝Tpropogation+n×Tmax \*MERGEFORMAT (3)
式中，Tpropogation是汇聚节点到传感节点之间的自由空间传输时间。
本发明在WSN中根据网络状态、节点能力，实现从汇聚节点到传感节点的高可靠性数据传输，具有以下有益效果：
1)汇聚节点发送的信息脉冲Ads具有结构简单、负荷小、发送快、占用资源少等特点，通过发送Ads可以提前告知节点后续所发信息的类型和大小，能够便于中节点核对所接受的信息是否完整。利用该策略可以避免独立信息包丢失和一个信息块的所有信息报丢失而无法及时发现的问题，从而提高了数据下行的可靠性、时效性；
2)本发明可以针对具体的网络环境、网络状态、中继节点的能力，合适地选择核心节点，从而在保证数据下行传输的可靠性的同时，还提高了网络的健壮性和延长网络的生命期；
3)通过采用本发明中的方法，可以降低信息下行的丢包率，提高丢包后的恢复能力和时效性；
4)通过采用本发明中的方法，可以克服网络局部的拥塞问题以及网络的路由空洞问题；
5)通过采用本发明中的方法，可以提高WSN网络在不同环境中的鲁棒性和可扩展性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的无线传感器网络应用场景示意图；
图2信息脉冲Abs的帧格式示意图；
图3是本发明从汇聚节点到传感节点数据下行的可靠传输示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的WSN常用场景示意图，图中深颜色的节点是场景中的汇聚节点，其他浅颜色的节点都是WSN中的普通节点具有中继能力和传感能力，要实现具体应用，节点间实现组网，汇聚节点负责数据收集和网络管理，同时下发指令性数据，下行的数据需要有高可靠性才能使传感节点成功接收到指令信息完成相应任务。
本发明实施例提供了一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，汇聚节点在下发信息前，首先发送对信息抽象后的信息系脉冲Abs；其次，根据汇聚节点到传感节点的路径长度和路由节点能力，以及网络状态，选择“健壮”的节点作为核心节点用来缓存信息；再次，当节点发现数据包丢失时，及时发送丢包请求NACK，向上游核心节点请求丢包；如果上游核心节点多次收到下游节点对同一个数据包的丢包请求，则启动重路由策略克服路径拥堵或者路由空洞问题；最后，传感节点接收到完整的对应于Ads的数据信息后，传感节点反馈状态信息Adv到汇聚节点；具体包括如下步骤：
S301：汇聚节点首先发送轻量级的对即将发送信息进行概要描述的信息脉冲Abs，网络中其他节点对Abs进行中继传播，直至传播到传感节点。
S302：发送Abs之后，汇聚节点首先根据节点的上报频率确定网络的拥塞程度；其次根据网络状态来调整自己向传感节点发送指令数据包的数据速率，最后发送与Abs对应的信息的数据包；网络拥塞程度的判断方法由下式(1)给出，
Figure GSB0000176872120000051
式中，R为传感节点向汇聚节点发送数据的速率；V信道最大吞吐量的理论值；Smax是汇聚节点的最大缓存。
其中，汇聚节点根据网络状态来调整向传感节点发送数据包的数据速率，该数据速率是通过数据包发送的时间间隔来调整的，时间间隔由下式(2)给出
Figure 88741DEST_PATH_465645DEST_PATH_IMAGE003
（2）
式中，n是汇聚节点在构建无线传感器网络之后获知的从具体的传感节点到汇聚节点的跳数，Tmin和Tmax是汇聚节点根据网络部署和节点处理能力得出的两个相邻节点之间传输一个数据包所需要的最小和最大时间。
S303：汇聚节点向传感节点发送数据包，数据包在通过中间节点中继的过程中，由于网络或者环境因素导致组成一条信息的数据包中某个有序数据包丢包，或者所有数据包丢包。如图3中中继节点B发现数据包丢包。其中，中继节点根据收到的信息脉冲Abs提供的信息判断后续接收到的数据包是否丢包。判断方法是，Abs提供了信息的大小，如果接收到的数据包的序号和信息大小与Abs提供的信息不符，则判断为丢包。
S304：中继节点发现数据包丢失后，即刻反向发送NACK，向数据包发来方向的中继节点 A请求重发该丢失的数据包。其中，选择具有缓存功能的节点的具体算法可以采用每间隔3 跳选择一个具有缓存功能的中继节点，同时也可以采用能量优先的策略。缓存节点所缓存的信息是根据信息脉冲Abs提供的信息进行缓存的，所缓存的数据根据数据的生命期是否递减为0而进行丢弃。NACK是无线传感器网络中请求数据重传的一种请求数据包，其格式是通用的格式。
S305：A接收到NACK后，根据NACK的请求内容，从自己缓存中查找被请求重传的数据包，然后发送该数据包Rep。其中，中继节点A根据NACK所提供的请求信息，查找缓存中相对应的数据包，然后发送该数据包的Rep，即复制该数据并发送。
S306：当中继节点A发送完NACK请求的数据包Rep之后，再次收到对同一数据包的NACK，请求发送同一个数据包；则节点A判断发送数据包Rep的路径受阻，于是选择另一个通过中继节点C可以到达中继节点的B的路径，再次发送数据包Rep。其中，中继节点A多次收到对同一数据包的请求重发的NACK，则节点A判断该路径存在路由空洞或者网络环境差，于是节点A启动右手法则采用新的路径发送该数据包。右手法则是一种解决路由空洞的法则，也是提高数据可靠性的一种路由法则。
S307：数据包成功到达传感节点之后，则传感节点向汇聚节点反馈接到数据包的Adv报告信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
S301：汇聚节点首先发送轻量级的对即将发送信息进行概要描述的信息脉冲Abs，网络中其他节点对Abs进行中继传播，直至传播到传感节点；
S302：发送Abs之后，汇聚节点首先根据传感节点的上报频率确定网络的拥塞程度；网络拥塞程度的判断方法由下式(1)给出，
Figure 865719DEST_PATH_IMAGE001
Figure 472281DEST_PATH_IMAGE002
式中，R为传感节点向汇聚节点发送数据的速率；V为信道最大吞吐量的理论值；S max 是汇聚节点的最大缓存；
其次根据网络状态来调整自己向传感节点发送指令数据包的数据速率，最后发送与Abs对应的信息的数据包；汇聚节点根据网络状态来调整向传感节点发送数据包的数据速率，该数据速率是通过数据包发送的时间间隔来调整的，发送时间间隔由下式(2)给出
Figure 465645DEST_PATH_IMAGE003
（2）
式中，n是汇聚节点在构建无线传感器网络之后获知的从具体的传感节点到汇聚节点的跳数，T min 和T max 是汇聚节点根据网络部署和节点处理能力得出的两个相邻节点之间传输一个数据包所需要的最小和最大时间；
S303：汇聚节点向传感节点发送数据包，数据包在通过中间节点中继的过程中，由于网络或者环境因素导致组成一条信息的数据包中某个有序数据包丢包，或者所有数据包丢包；中继节点根据收到的信息脉冲Abs提供的信息判断后续接收到的数据包是否丢包；判断方法为：Abs提供了信息的大小，如果接收到的数据包的序号和信息大小与Abs提供的信息不符，则判断为丢包；
S304：中继节点发现数据包丢失后，即刻反向发送NACK，向数据包发来方向的中继节点A请求重发该丢失的数据包；
S305：A接收到NACK后，根据NACK的请求内容，从自己缓存中查找被请求重传的数据包，然后发送该数据包Rep；
S306：当中继节点A发送完NACK请求的数据包Rep之后，再次收到对同一数据包的NACK，请求发送同一个数据包；则节点A判断发送数据包Rep的路径受阻，于是选择另一个通过中继节点C可以到达中继节点的B的路径，再次发送数据包Rep；
S307：数据包成功到达传感节点之后，则传感节点向汇聚节点反馈接到数据包的Adv报告信息。
2.根据权利要求1所述的一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S304中，中继节点A是汇聚节点到指定传感节点之间路径上的一个中继节点，根据一定的选择算法选择出来作为具有缓存功能的中继节点；选择具有缓存功能的节点的具体算法采用每间隔3跳选择一个具有缓存功能的中继节点或采用能量优先的策略；缓存节点所缓存的信息是根据信息脉冲Abs提供的信息进行缓存的，所缓存的数据根据数据的生命期是否递减为0而进行丢弃。
3.根据权利要求1所述的一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S304中，NACK是无线传感器网络中请求数据重传的一种请求数据包，其格式是通用的格式。
4.根据权利要求1所述的一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S305中，中继节点A根据NACK所提供的请求信息，查找缓存中相对应的数据包，然后发送该数据包的Rep，即复制该数据包并发送。
5.根据权利要求1所述的一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S306中，中继节点A多次收到对同一数据包的请求重发的NACK，则节点A判断该路径存在路由空洞或者网络环境差，于是节点A启动右手法则采用新的路径发送该数据包。
6.根据权利要求1所述的一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S307中，数据包的报告信息Adv是对接收信息成功后的一种状态报告信息，目的是向汇聚节点报告成功接收了某一条信息。
7.根据权利要求1所述的一种应用于WSN的从汇聚节点到传感节点的可靠传输方法，其特征在于，所述步骤S304，S305，S306中，请求重发策略遇到复杂网络环境无法成功实现时，即在下述T transmission 时间内，汇聚节点没有收到所发信息的报告信息时，汇聚节点根据需求决定是重发该信息还是放弃发送该信息；
Figure 219974DEST_PATH_IMAGE004
（3）
式中，T propogation 是汇聚节点到传感节点之间的自由空间传输时间。
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