CN110177351B - 一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法 - Google Patents

一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，首先用篮球网络拓扑构建一个无线传感器网络传输模型，然后分析了网络中传感器节点的能量消耗和数据传输延迟；为网络中每个结点选择一条最小传输延迟的路径，并且通过调节网络中结点的占空比，使得距离Sink远近不同的节点均匀地消耗能量，提高节点能量的利用率，从而进一步降低网络传输延迟，在网络达到指定传输延迟时，能够通过调整节点的占空比来延长网络寿命。

Description

一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法
技术领域
本发明属于计算机技术领域，特别涉及一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法。
背景技术
无线传感器网络(WSNs)已经广泛地应用于火灾监测、生物种群研究、生态环境监测、气象和地理研究。在野外地区或者不宜人工监测的区域布置WSN，网络中的节点会将采集到信息通过中间节点，以多跳的形式传送到数据中心，从而实现长期无人值守的不间断监测，为生态环境的保护和研究提供实时的数据资料。传感器节点往往部署环境恶劣的区域并且采用电池供电,，但是电池所能提供的能量却是十分有限的,，在电池能量用完时更换电池也是不切实际的。如何最大限度地延长整个网络的生存时间一直是研究的热点，低占空比无线传感器网络(LDC-WSN)正是在这种情况下产生的。在低占空比无线传感器网络中,节点拥有睡眠和活动两种状态，并且大部分时间是处于睡眠状态以节省能量。
无线传感器网络中的节点采用低占空比方式工作极大地延长了网络的生存周期，但是同时也带来了新的问题：相邻节点之间进行通信时，只有等到节点处于活动状态时才能接收数据，导致节点之间数据传输的延迟变大,进而影响到数据的及时有效传输。所以对于实时性要求高的无线传感器网络应用,，例如火灾检测系统,需要有效地控制延迟,，使数据中心快速地获取实时数据信息,，极早地做出有效反应，这样可以最大限度地减少人员伤亡和财产损失。这就意味着数据包从源节点发出后,，数据中心也就是sink节点必须在尽可能小的延迟内接收到该数据包。虽然目前已经有一些降低延迟的算法，这些算法大多是能量消耗和传输延迟的折中。其中有些研究是从mac层的角度考虑，减少节点的能量损失，降低传输延迟。也有研究是为低占空比无线传感器网络中的每个结点寻找一条最小传输延迟路径。但是它们都没有从网络全局的角度去考虑网络中结点的能量消耗情况，没有考虑到网络距离数据中心远近不同的节点的耗能情况不同，没有充分利用节点的剩余能量来提高自身的占空比，从而达到降低传输延迟的目的。
发明内容
本发明为了在保证整个网络的寿命的前提下充分利用节点的能量和减少网络的传输，提出了一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，用于高效传输数据。
一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，包括以下步骤：
步骤1：构建无线传感器网络中节点的篮球网络拓扑结构；
每个节点依据距离Sink的跳数处于对应的篮球网络拓扑层中，其中Sink位于第0层；
节点距离Sink的跳数为n，则节点位于第n层篮球网络拓扑层中；
每个节点记录有一张连接表，所述连接表包含三行，依次为父行、对等行以及子行，分别记录父节点，对等节点以及子节点；
其中对等节点是指与自身节点在同一篮球网络拓扑层中；
步骤2：依据构建的篮球网络拓扑结构和节点占空比，为每个节点vn寻找传输数据包到基站的最短传输路径进行数据包传输；
每个节点的占空比初始值均为十分之一；
步骤3：当数据包传输完后，依据网络中的节点能耗，更新每个节点的占空比；
Figure BDA0002075109840000021
其中，σj表示前一次数据包传输时能量消耗值最高的节点vj的占空比，
Figure BDA0002075109840000022
和
Figure BDA0002075109840000023
分别表示在前一次数据包传输过程中节点vi接收和发送的数据包数量，
Figure BDA0002075109840000024
和
Figure BDA0002075109840000025
分别表示在前一次数据包传输过程中能量消耗值最高的节点vj接收和发送的数据包数量，γs和γr分别表示节点发送和接收数据包的功耗，ld，lp和la分别表示节点接收或发送数据包持续时间，前导序列持续时间和确认窗口时间，t表示节点工作周期；
网络中每个节点发送或接收单个数据包的功耗都相同，
Figure BDA0002075109840000026
和
Figure BDA0002075109840000027
Figure BDA00020751098400000213
和
Figure BDA0002075109840000028
的计算过程属于公知内容；
步骤4：利用占空比更新后的节点网络，返回步骤2进行下一次数据包传输。
进一步地，获取每个节点vn传输数据包到Sink的最短传输路径的过程如下：
判断
Figure BDA0002075109840000029
是否成立，若成立，则节点vn的最短传输路径为从节点vn经过父节点vm，再由父节点vm到Sink，否则，节点vn的最短传输路径为从节点vn到一跳邻居节点vn+1，再由一跳邻居节点vn+1到父节点vm，再由父节点vm到Sink；
其中，
Figure BDA00020751098400000210
表示处于第L层的节点vn传送数据包到其父节点vm的延迟，
Figure BDA00020751098400000211
表示处于第L-1层的节点vm传送数据包到Sink的最小传输延迟，
Figure BDA00020751098400000212
表示处于第L层的节点vn传输数据包到一跳邻居节点vn+1的延迟，
Figure BDA0002075109840000031
表示处于第L层的节点vn+1传输数据包到L-1层的延迟。
进一步地，处于第1层的节点将数据包传输至Sink时的延迟为0，且每个节点最多只允许选取同层中一个邻居节点作为中继节点传输数据包。
进一步地，节点传输数据包的延迟计算公式如下：
Figure BDA0002075109840000032
其中，
Figure BDA0002075109840000033
表示节点vm传输数据包到节点vn的延迟，tm和tn分别代表节点vm和节点vn的活动时间，t为一个工作周期。
网络中每个节点的工作周期被分为10个时隙，在默认情况下节点只有1个时隙是工作状态；
进一步地，在前一次数据包传输过程中，节点的最大能量消耗值的确定过程如下：
在一轮数据包传输过程中，节点va计算自身能量消耗Ea，并把Ea添加到数据包中一起发送到下一跳节点vb，当下一跳节点vb收到数据包时会将自身的能量消耗值Eb和包含在数据包中的最大能量消耗值Emax进行比较，如果Eb＞Emax，则Emax＝Eb；将Emax添加到数据包中继续传输到下一跳节点，直到Sink收到数据包；Sink从所接收到的所有数据包中寻找节点最大的能量消耗值Emax。
进一步地，在一轮数据包传输过程中，节点能量消耗计算公式如下：
Figure BDA0002075109840000034
其中，
Figure BDA0002075109840000035
和
Figure BDA0002075109840000036
分别表示节点vi接收和发送的数据包数量；
Figure BDA0002075109840000037
和
Figure BDA0002075109840000038
分别表示节点vi接收和发送数据包的能耗,
Figure BDA0002075109840000039
Figure BDA00020751098400000310
γrld是节点接收一个数据包的能耗,γrlp是节点接收前导序列的能耗，γsla节点发送确认信息的能耗；
Pi oth表示节点处于睡眠状态和低功率监听状态的能耗，
Figure BDA00020751098400000311
Figure BDA00020751098400000312
γoff表示节点处于睡眠状态下的功耗。
每个节点γrld、γrlp、γsla均相同；
在无线传感器网络中，热点地区的传感器节点由于需要帮助其他节点传输大量信息，而远离接收器区域的节点只需要转发少量的数据，所以热点地区的节点消耗的能量远高于边缘区域的节点的能量消耗。通过设计动态占空比调整算法来提高边缘区域的节点的占空比，从而使得这些节点能够充分利用自身的能量来降低数据的传输延迟。如果网络中某个节点的能耗变得比热点地区的能耗还高，同样可以通过上面的方法来降低节点的占空比，降低节点的能量消耗，从而使网络中结点的能量消耗达到平衡的状态，提高网络能源利用率和网络寿命。
有益效果
本发明提供了一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，首先用篮球网络拓扑构建一个无线传感器网络传输模型，然后分析了网络中传感器节点的能量消耗和数据传输延迟。为了在保证整个网络的寿命的前提下充分利用节点的能量和减少网络的传输，提出了一种基于可调占空比的传输延迟最小化方案，用于快速数据收集。这个方案为网络中每个结点选择一条最小传输延迟的路径，并且通过调节网络中结点的占空比,，使得距离Sink远近不同的节点均匀地消耗能量，提高节点能量的利用率，从而进一步降低网络传输延迟，在网络达到指定传输延迟时，能够通过调整节点的占空比来延长网络寿命。
附图说明
图1是本研究提出的一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法的流程图；
图2是实施例1中DMADC，DRA，MTDR和DSAD这4种不同的方法在不同节点数场景中的平均传输延迟对比图；
图3是实施例1中DMADC，DRA，MTDR和DSAD这4种不同的方法在不同距离场景中的平均传输延迟对比图；
图4是实施例1中DMADC，DRA，MTDR和DSAD这4种不同的方法在不同距离场景中的一跳传输延迟对比图；
图5是实施例1中DMADC，DRA，MTDR和DSAD这4种不同的方法在不同节点数场景中的能量消耗对比图；
图6是实施例1中DMADC，DRA，MTDR和DSAD这4种不同的方法在不同距离场景中的能量消耗对比图；
图7是实施例1中DMADC，DRA，MTDR和DSAD这4种不同的方法在不同节点数场景中的能源利用率对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本发明提出一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法。基于可调占空比无线传感器节点的占空比和传输延迟关系，提出一种充分利用边缘区域节点的剩余能量来提高整个网络的传输效率的模型，命名为DMADC(Delay Minimization based onAdjustable Duty Cycle)模型。该模型大致分为三部分，第一阶段，将无线传感器网络建模为篮球网络拓扑模型。第二阶段，根据传感器节点的连接表信息和占空比信息，计算出网络中每个节点的最优数据传输路径。第三阶段，根据每个传感器节点的能量消耗情况来动态调整节点的占空比，以实现网络中最低数据传输延迟。如图1所示，一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，包括以下步骤：
步骤1：构建无线传感器网络中节点的篮球网络拓扑结构；
每个节点依据距离Sink的跳数处于对应的篮球网络拓扑层中，其中Sink位于第0层；
节点距离Sink的跳数为n，则节点位于第n层篮球网络拓扑层中；
每个节点记录有一张连接表，所述连接表包含三行，依次为父行、对等行以及子行，分别记录父节点，对等节点以及子节点；
其中对等节点是指与自身节点在同一篮球网络拓扑层中；
步骤2：依据构建的篮球网络拓扑结构和节点占空比，为每个节点vn寻找传输数据包到基站的最短传输路径进行数据包传输；
每个节点的占空比初始值均为十分之一；
获取每个节点vn传输数据包到Sink的最短传输路径的过程如下：
判断
Figure BDA0002075109840000051
是否成立，若成立，则节点vn的最短传输路径为从节点vn经过父节点vm，再由父节点vm到Sink，否则，节点vn的最短传输路径为从节点vn到一跳邻居节点vn+1，再由一跳邻居节点vn+1到父节点vm，再由父节点vm到Sink；
其中，
Figure BDA0002075109840000052
表示处于第L层的节点vn传送数据包到其父节点vm的延迟，
Figure BDA0002075109840000053
表示处于第L-1层的节点vm传送数据包到Sink的最小传输延迟，
Figure BDA0002075109840000054
表示处于第L层的节点vn传输数据包到一跳邻居节点vn+1的延迟，
Figure BDA0002075109840000055
表示处于第L层的节点vn+1传输数据包到L-1层的延迟。
处于第1层的节点将数据包传输至Sink时的延迟为0，且每个节点最多只允许选取同层中一个邻居节点作为中继节点传输数据包。
节点传输数据包的延迟计算公式如下：
Figure BDA0002075109840000061
其中，
Figure BDA0002075109840000062
表示节点vm传输数据包到节点vn的延迟，tm和tn分别代表节点vm和节点vn的活动时间，t为一个工作周期。
网络中每个节点的工作周期被分为10个时隙，在默认情况下节点只有1个时隙是工作状态；
步骤3：当数据包传输完后，依据网络中的节点能耗，更新每个节点的占空比；
Figure BDA0002075109840000063
其中，σj表示前一次数据包传输时能量消耗值最高的节点vj的占空比，
Figure BDA0002075109840000064
和
Figure BDA0002075109840000065
分别表示在前一次数据包传输过程中节点vi接收和发送的数据包数量，
Figure BDA0002075109840000066
和
Figure BDA0002075109840000067
分别表示在前一次数据包传输过程中能量消耗值最高的节点vj接收和发送的数据包数量，γs和γr分别表示节点发送和接收数据包的功耗，ld，lp和la分别表示节点接收或发送数据包持续时间，前导序列持续时间和确认窗口时间，t表示节点工作周期；
网络中每个节点发送或接收单个数据包的功耗都相同，
Figure BDA0002075109840000068
和
Figure BDA0002075109840000069
Figure BDA00020751098400000610
和
Figure BDA00020751098400000611
的计算过程属于公知内容；
在前一次数据包传输过程中，节点的最大能量消耗值的确定过程如下：
在一轮数据包传输过程中，节点va计算自身能量消耗Ea，并把Ea添加到数据包中一起发送到下一跳节点vb，当下一跳节点vb收到数据包时会将自身的能量消耗值Eb和包含在数据包中的最大能量消耗值Emax进行比较，如果Eb＞Emax，则Emax＝Eb；将Emax添加到数据包中继续传输到下一跳节点，直到Sink收到数据包；Sink从所接收到的所有数据包中寻找节点最大的能量消耗值Emax。
在一轮数据包传输过程中，节点能量消耗计算公式如下：
Figure BDA00020751098400000612
其中，
Figure BDA0002075109840000071
和
Figure BDA0002075109840000072
分别表示节点vi接收和发送的数据包数量；
Figure BDA0002075109840000073
和
Figure BDA0002075109840000074
分别表示节点vi接收和发送数据包的能耗,
Figure BDA0002075109840000075
Figure BDA0002075109840000076
γrld是节点接收一个数据包的能耗,γrlp是节点接收前导序列的能耗，γsla节点发送确认信息的能耗；
Pi oth表示节点处于睡眠状态和低功率监听状态的能耗，
Figure BDA0002075109840000077
Figure BDA0002075109840000078
γoff表示节点处于睡眠状态下的功耗。
每个节点γrld、γrlp、γsla均相同；
步骤4：利用占空比更新后的节点网络，返回步骤2进行下一次数据包传输。
实施例1：
本实例是在omnet++平台上进行模拟实验。Omnet++是一款免费的开源多协议网络仿真软件，可以解决无线通信网络建模问题。本研究的实验模拟在半径为500米的圆形区域。接收节点位于圆形区域的中心(0m，0m)。每个节点的传输范围和初始能量分别为50m和0.5J。在上面的仿真环境中，本研究比较了DRA，MTDR，DSAD和我们提出的方案(DMADC)在不同场景中的性能。
由图2可知，随着网络中节点数量的增加，四种方案的传输延迟减小。因为随着节点数量的增加，可以在源节点和汇聚节点之间选择更理想的路径来传输数据分组。因此，在大量节点的情况下，网络的平均传输延迟变得更低。我们提出的DMADC方案在不同节点数场景下都显示了最佳性能。MTDR方案仅考虑如何在网络中找到具有最小跳数和低延迟的路径。DRA方案考虑当前的传输次数以找到最佳路径。DSAD方案仅考虑邻居节点并查找具有可用时隙的邻居节点以传递分组。这些方案都以固定的占空比发送数据，但是影响低占空比无线传感器网络中的传播延迟的关键因素是节点处于活动状态的时间比，即占空比。
从图3中可以看出，这些方案的端到端延迟随着与接收器的距离的增加而增加。这是因为节点距离接收器越远，它通过的跳越多以将分组发送到接收器，导致等待时间增加。与其他方案相比，所提出的DMADC方案在远离接收器的节点中具有较少的端到端延迟增加，并且可以实现较低的等待时间。图4示出了距离接收器不同距离的一跳传输延迟。MTDR方案和DRA方案的一跳传输延迟随着接收距离的增加而增加。然而，我们提出的DMADC方案中的单跳传输延迟缓慢甚至下降，主要是因为本发明的实例提出的DMADC方案充分利用远离接收器的节点的剩余能量来增加其占空比，从而减少等待延迟。因此，远离接收器的节点的一跳传输延迟不显着高于热点中的节点的一跳传输延迟。
从图5中可以看出，随着网络中节点数量的增加，网络的能耗通常开始增加。由于网络中节点的数量增加，网络中的数据包的数量开始增加，并且节点需要传输的数据量变得更大。因此，传感器节点消耗更多能量来传递这些数据包。本发明的实例提出的DMADC方案的能耗高于其他方案。因为我们基于能量消耗算法(DCAEC)设计了占空比调整以增加边缘区域中节点的占空比，所以这些节点消耗更多的能量来为剩余节点传输数据分组，从而达到减少传输延迟的目的。结果，热点区域中节点的能量消耗保持不变，并且整个网络的寿命不受影响。同时，网络延迟降低，网络能效也越来越高。图6显示了与Sink距离不同的节点的能耗。我们可以看到远离水槽区域的节点的能量消耗通常低于热点区域中节点的能量消耗。其他三种方案中节点的能耗非常低，热点区域的能耗非常高。能量消耗是不平衡的，导致热点区域中的节点能量过早消耗以导致网络死亡。本发明的实例提出的DMADC方案充分考虑了网络中所有节点的能耗。由于在以前的研究方案中远离汇聚节点的能量消耗很小，并且能量利用率不高。因此，我们提出DMADC方案针对该问题进行了优化，并通过增加远离汇聚节点的占空比来实现低延迟和高能量利用。
由图7可以知道，本申请的实例对应的解决方案可以实现相对较高的能效。由于从能量消耗的角度考虑我们的解决方案，可以注意到在先前的方案中，热点中的传感器节点的能量总是首先耗尽，而边缘区域中的节点总是具有大量的剩余能量。因此，本申请的实例对应的解决方案使边缘区域中的节点能够感知其能量消耗并动态调整其占空比以消耗多余的能量以减少传输延迟并实现网络的高能量利用。从这些图中可以看出，本申请的实例对应的方案在不同节点场景中的能耗变化很小，且允许远离接收器的节点充分利用其剩余能量，从而平衡网络能耗。
从以上实验可知，本研究方法综合考虑了节点的能耗情况以及占空比和传输延迟的关系，通过为网络中的节点选择一条最低传输延迟路径并且基于能量消耗情况动态调整节点的占空比进一步降低网络延迟，提高能量利用率和网络寿命。实验表明本申请的实例提出的研究方法比其他方法具有更高的性能。

Claims (5)

1.一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建无线传感器网络中节点的篮球网络拓扑结构；
每个节点依据距离Sink的跳数处于对应的篮球网络拓扑层中，其中Sink位于第0层；
每个节点记录有一张连接表，所述连接表包含三行，依次为父行、对等行以及子行，分别记录父节点，对等节点以及子节点；
步骤2：依据构建的篮球网络拓扑结构和节点占空比，为每个节点vn寻找传输数据包到基站的最短传输路径进行数据包传输；
每个节点的占空比初始值均为十分之一；
步骤3：当数据包传输完后，依据网络中的节点能耗，更新每个节点的占空比；
Figure FDA0002615233560000011
其中，σj表示前一次数据包传输时能量消耗值最高的节点vj的占空比，
Figure FDA0002615233560000012
和
Figure FDA0002615233560000013
分别表示在前一次数据包传输过程中节点vi接收和发送的数据包数量，
Figure FDA0002615233560000014
和
Figure FDA0002615233560000015
分别表示在前一次数据包传输过程中能量消耗值最高的节点vj接收和发送的数据包数量，γs和γr分别表示节点发送和接收数据包的功耗，ld，lp和la分别表示节点接收或发送数据包持续时间，前导序列持续时间和确认窗口时间，t表示节点工作周期；
步骤4：利用占空比更新后的节点网络，返回步骤2进行下一次数据包传输；
节点传输数据包的延迟计算公式如下：
Figure FDA0002615233560000016
其中，
Figure FDA0002615233560000017
表示节点vm传输数据包到节点vn的延迟，tm和tn分别代表节点vm和节点vn的活动时间，t为一个工作周期。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取每个节点vn传输数据包到Sink的最短传输路径的过程如下：
判断
Figure FDA0002615233560000018
是否成立，若成立，则节点vn的最短传输路径为从节点vn经过父节点vm，再由父节点vm到Sink，否则，节点vn的最短传输路径为从节点vn到一跳邻居节点vn+1，再由一跳邻居节点vn+1到父节点vm，再由父节点vm到Sink；
其中，
Figure FDA0002615233560000021
表示处于第L层的节点vn传送数据包到其父节点vm的延迟，
Figure FDA0002615233560000022
表示处于第L-1层的节点vm传送数据包到Sink的最小传输延迟，
Figure FDA0002615233560000023
表示处于第L层的节点vn传输数据包到一跳邻居节点vn+1的延迟，
Figure FDA0002615233560000024
表示处于第L层的节点vn+1传输数据包到L-1层的延迟。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，处于第1层的节点将数据包传输至Sink时的延迟为0，且每个节点最多只允许选取同层中一个邻居节点作为中继节点传输数据包。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，在前一次数据包传输过程中，最大能量消耗值的确定过程如下：
在一轮数据包传输过程中，节点va计算自身能量消耗Ea，并把Ea添加到数据包中一起发送到下一跳节点vb，当下一跳节点vb收到数据包时会将自身的能量消耗值Eb和包含在数据包中的最大能量消耗值Emax进行比较，如果Eb＞Emax，则Emax＝Eb；将Emax添加到数据包中继续传输到下一跳节点，直到Sink收到数据包；Sink从所接收到的所有数据包中寻找最大的能量消耗值Emax。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在一轮数据包传输过程中，节点能量消耗计算公式如下：
Figure FDA0002615233560000025
其中，
Figure FDA0002615233560000026
和
Figure FDA0002615233560000027
分别表示节点vi接收和发送的数据包数量；
Figure FDA0002615233560000028
和
Figure FDA0002615233560000029
分别表示节点vi接收和发送数据包的能耗,
Figure FDA00026152335600000210
Figure FDA00026152335600000211
γrld是节点接收一个数据包的能耗,γrlp是节点接收前导序列的能耗，γsla节点发送确认信息的能耗；
Pi oth表示节点处于睡眠状态和低功率监听状态的能耗，
Figure FDA00026152335600000212
Figure FDA00026152335600000213
γoff表示节点处于睡眠状态下的功耗。
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