CN111163426A - 一种适用于高丢包率无线传感器网络的自适应占空比的机会路由方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高丢包率无线传感器网络的自适应占空比的机会路由方法。这个方法的主要特征在于：为了使数据成功发送到接收方，发送方通过一次广播，将数据包同时发送给n个接收方。只要任何一个接收方收到数据，则数据发送成功，从而提高了传输成功率。为了使发送方能够尽快等到n个处于唤醒状态的接收方，发送方在需要发送数据的时候，会先监听处于唤醒状态的接收方的个数。如果处于唤醒状态的接收方的个数大于等于阈值n，发送方就立刻广播数据给n个接收方。否者，发送方让处于唤醒状态的节点继续保持唤醒，并等待其他处于睡眠状态的节点唤醒，直到醒来的节点数量大于等于阈值n后，发送方再广播数据给n个接收方。此外，本发明还通过适当增大有剩余能量的节点的占空比，缩短了发送方等待n个处于唤醒状态的接收方所需的时间，从而减小了路由的时延。
Description
技术领域
本发明涉及高丢包率的无线传感器网络中保障接收率的路由方法，尤其涉及一种自适应调整占空比的机会路由方法。
背景技术
无线传感器网络是由若干具有数据采集、简单的数据处理和数据传输功能的传感器节点通过自组织和多跳的方式组成的网络。随着无线传感器网络技术的迅速发展，无线传感器网络被广泛应用于环境监测、农业监测、工业监测、森林火灾监测等。现今，无线传感器网络更是悄然走入我们的生活，智能家居就是其中的代表。大量的运用需求刺激着技术的进一步发展，无线传感器网络技术仍有大量的改进空间。
无线传输的可靠性远不如有线传输，传感器节点的丢包率比较大，可靠性较低。对于那些没能传输成功的数据包，发送方需要一直重传直到数据包被成功接收或者是重传次数达到上限。重传带来了大量的能量消耗和时延，对无线传感器网络来说是非常不利的。为了提高可靠性，机会路由是一个可行的方法。在机会路由中，发送方节点仍是发送一次(通过广播)，但接受方由原本的一个变为n个。只有在所有接收方都没有接收到数据包的时候才能认为这一跳传输失败，否者都是成功的。
传感器节点由电池供电，电量有限。此外，传感器节点一般布置在人迹罕至的地方，例如火山口，因而频繁地更换电池显然是不可取的。于是，能量消耗成为无线传感器网络中的一个重要议题。为了尽可能地减小传感器节点的能量消耗，延长无线传感器网络的使用寿命，占空比控制是一种十分有效的措施。在占空比控制中，传感器节点周期性地处于唤醒和睡眠状态。当传感器节点处于唤醒状态的时候，可以进行监听、数据采集处理以及数据传输等相关工作；而当传感器节点处于睡眠状态的时候，无论外界发生任何变化，节点都不会有任何回应。研究表明，传感器节点处于睡眠状态时消耗的能量要远远小于唤醒时的能量消耗(1％甚至是1‰)。我们把一个时钟周期内，传感器节点处于唤醒状态的时长和整个时钟周期的时长的比值称为占空比，占空比越小，传感器节点消耗的能量越小，使用寿命越长。
无线传感器网络中另外一个重点研究问题就是节点的时延。节点的时延代表了传感器节点发送的数据包被控制端成功接收所需要的时间，这直接决定了控制端对无线网络中的情况的了解速度以及反馈速度。在没有占空比控制的路由方式下，传感器节点的时延主要来自于传感器节点传输数据包。在加入了占空比控制的路由方式下，传感器节点的时延还包括发送方等待接收方醒来的时间。尤其在机会路由中，一个发送方需要等待多个接收方醒来，造成了更大的时延。
发明内容
本发明旨在提供一种适用于高丢包率无线传感器网络的自适应占空比的机会路由方法，同时兼顾无线传感器网络中传感器节点的可靠性、能耗和时延，为无线传感器网络提供一种综合优化的路由策略。
为了达到上述的目的，本发明采用以下的技术方案：
一种适用于高丢包率无线传感器网络的自适应占空比的机会路由方法，发送方节点一次性将数据包发送给n个接收方节点以增加接收率；且通过适当增大有剩余能量的节点的占空比，缩短了发送方等待n个处于唤醒状态的接收方所需的时间，从而减小了路由的时延。
当发送方在需要发送数据的时候，会先监听处于唤醒状态的接收方的个数。如果处于唤醒状态的接收方的个数大于等于阈值n，发送方就立刻广播数据给n个接收方。否者，发送方让处于唤醒状态的节点继续保持唤醒，并等待其他处于睡眠状态的节点唤醒，直到醒来的节点数量大于等于阈值n后，发送方再广播数据给n个接收方。
本发明方法通过下述方法确定接收方个数的阈值n：设所述传感器网络中发送方与单个接收方之间的接收率为p，当且仅当n个接收方都接收失败，才能认为这一跳数据传输是失败的，否者，都是成功的。所述的机会路由方法下，发送方与多个接收方之间的接收率为P＝1-(1-p)n。我们假设P大于等于Q的时候，可以认为单跳传输是可靠的，其中Q是人为设定的单跳传输可靠性的阈值。那么，候选节点个数的阈值n为：
设距离控制端x米的节点在一轮数据传输中因为传输数据消耗的能量为
因为保持监听消耗的能量为
与控制端一跳距离的节点因为传输数据消耗的能量为
那么，节点占空比增大的倍数可以表示为：
特别的，因为与控制端一跳距离的节点可以直接将数据发送到控制端，而不需要像其他节点那样等待一段时间，所以不需要监听，也就没有因此而消耗的能量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明根据无线传感器网络中的广播特性，在占空比控制的网络中，加入了机会路由机制，增加了节点的可靠性。我们用p表示单个接收方时的可靠性，n表示接收方节点的个数，机会路由下的可靠性为：P＝1-(1-p)n。即，在n个接收方都接收失败的情况下，这一跳传输才失败，否者都是成功的。在此基础上，通过适当增大有剩余能量的节点的占空比，使得这些节点在较早的时间唤醒的概率变大，从而减小了发送方节点的等待时间，从而达到了减小时延的目的。
附图说明
图1为本发明应用中使用机会路由和调整占空比的过程的示意图。
图2为本发明应用中选择多个接收方时传感器节点的接收率的示意图。
图3为本发明应用中不同接收率阈值时需要的接收方节点个数的示意图。
图4为本发明应用的传感器网络中节点在第一轮数据传输过程中消耗的能量示意图。
图5为本发明应用的传感器网络中各节点在不同轮次中的占空比的示意图。
图6为本发明应用的传感器网络中各节点在不同轮次中单跳时延的示意图。
图7为本发明应用的传感器网络中各节点在不同轮次中端到端时延的示意图。
图8为本发明应用的传感器网络中各节点因保持监听而消耗的能量的示意图。
图9为本发明应用的传感器网络中各节点消耗的总能量的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
在实施例中，所述无线传感器网络是一个圆形网络，控制端部署在这个圆形网络的圆心处，传感器节点在网络中以密度ρ均匀分布。发送方节点的转发集合中有N个节点，这些节点都有可能成为该节点的接收方节点；发送方节点时刻监听转发集合中节点的状态，一旦有n个节点醒来，就会进行数据传输。
如图1所示，当发送方在需要发送数据的时候，会先监听处于唤醒状态的接收方的个数。如果处于唤醒状态的接收方的个数大于等于阈值n，发送方就立刻广播数据给n个接收方。否者，发送方让处于唤醒状态的节点继续保持唤醒，并等待其他处于睡眠状态的节点唤醒，直到醒来的节点数量大于等于阈值n后，发送方再广播数据给n个接收方。
设发送方与单个接收方之间的接收率为p，接收方节点个数阈值为n。当且仅当n个接收方都接收失败，才能认为这一跳数据传输是失败的，否者，都是成功的。于是，发送方与多个接收方之间的接收率可以表示为P＝1-(1-p)n，它与p和n的关系如图2所示。接收方节点个数越多，发送方与单个接收方之间的接收率p值越小，使用该发明方法后接收率提高的比率越大；发送方与单个接收方之间的接收率p值相同的时候，接收方节点个数越多，使用该发明方法后接收率提高的比率越大。
我们假设P大于等于Q的时候，可以认为单跳传输是可靠的，其中Q是人为设定的单跳传输可靠性的阈值。那么，接收方节点个数的阈值n为
接收方节点个数的阈值n与p和Q的关系如图3所示，发送方与单个接收方之间的接收率p越小，单挑传输的可靠性阈值Q越大，需要的接收方节点个数越多。在本实施例中，发送方与单个接收方之间的接收率为0.64，可靠性的阈值设为0.95，得到的接收方节点个数阈值为3。即，通过3个接收方节点，可以将发送方的接收率从0.64提升到0.95，提升率为48.96％。
在本实施例中，距离控制端不同距离的节点由于数据传输消耗的能量如图4所示。从中可以看出，距离控制端越近的节点消耗的能量越多，这是因为它们需要转发网络中的所有数据。在初始占空比为1/20的时候，节点由于保持监听而消耗的能量见图4。距控制端一跳的节点可以直接与控制端通信，所以它只需要按照初始的占空比，唤醒一段时间后进入睡眠状态。而其他节点需要花费一段时间等待接收方节点醒来，因此消耗了更多的能量。将上述两部分能量消耗相加，就是这一轮数据传输过程中节点消耗的总能量，如图4所示。
从图4中可以看出，与控制端一跳距离的节点消耗的能量最多，其他节点相较来说有大量的能量剩余。在本发明方法中，通过利用这一部分剩余能量，增加节点保持监听的时间，从而减小发送方节点等待接收方节点醒来的时间，达到减小时延的目的。设距离控制端x米的节点在一轮数据传输中因为传输数据消耗的能量为
因为保持监听消耗的能量为
与控制端一跳距离的节点因为传输数据消耗的能量为
那么，节点占空比增大的倍数可以表示为
在本实施例中，每一轮次中传感器节点占空比如图5所示，从中可以看出，除了与控制端一跳距离的节点以外，其他节点的占空比逐轮提高。
在相应的占空比下，传感器节点单跳的时延如图6所示。随着占空比的增大，传感器节点单跳的时延也逐渐减小。将单跳的时延累加起来，得到节点端到端的时延，如图7所示。从图7中可以看出，当传输进行到第五轮的时候，距离控制端最远的节点的端到端时延相较第一轮下降了58.61％。
在相应占空比下，传感器节点由于监听消耗的能量如图8所示。将它们分别与节点由于传输数据消耗的能量相加，得到在不同轮次中传感器节点消耗的总能量，如图9所示。从中看出，本发明方法为了减小节点的时延，增大了那些与控制端距离大于一跳的节点的占空比，导致节点消耗的能量增大。但是，通过合理控制，使得这些节点消耗的能量始终小于等于距离控制端一跳距离的节点，从而保证了网络的使用寿命不变。
综合上述对传感器节点的接收率和时延的分析，我们发现通过在占空比控制机制下增加机会路由机制之后，传感器节点的接收率提高了48.96％；而在此基础上，通过适当调整占空比，传感器节点的时延下降了58.61％。由于与控制端直接通信的传感器节点的能量消耗始终不变，且大于其他传感器节点消耗的能量，所以，整个无线传感器网络的使用寿命没有受到不好的影响。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明根据无线传感器网络中的广播特性，在占空比控制机制下增加了机会路由，达到了增大节点接收率的目的。研究表明，当发送方节点与单个接收方节点之间的接收率在0.1到0.9之间，候选结点个数为2时，使用机会路由之后单跳的接收率增加率的范围为10％到90％；候选节点个数为3的时候，使用机会路由之后单跳的接收率增加率的范围为11％到171％；候选节点个数为4的时候，使用机会路由之后单跳的接收率增加率的范围为11.1％到243.9％。随着候选节点个数的继续增加，接收率增加的倍数也会随之增加。在此基础上，通过适当调整那些不能与控制端直接通信的节点的占空比，减小发送方等待的时间，从而减小时延。在本实施例中，当传感器网络中节点的初始占空比为1/20的时候，通过调整占空比，距离控制端最远的节点的时延下降了58.61％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种适用于高丢包率无线传感器网络的自适应占空比的机会路由方法，其特征在于：发送方节点一次性将数据包发送给n个接收方节点以增加接收率；且通过适当增大有剩余能量的节点的占空比，缩短了发送方等待n个处于唤醒状态的接收方所需的时间，从而减小了路由的时延。
2.根据权利要求1，发送方节点选择n个接收方节点的方法是：在本发明方法中，当发送方在需要发送数据的时候，会先监听处于唤醒状态的接收方的个数。如果处于唤醒状态的接收方的个数大于等于阈值n，发送方就立刻广播数据给n个接收方。否者，发送方让处于唤醒状态的节点继续保持唤醒，并等待其他处于睡眠状态的节点唤醒，直到醒来的节点数量大于等于阈值n后，发送方再广播数据给n个接收方。
3.根据权利要求2，阈值n的计算方法是：设所述传感器网络中发送方与单个接收方之间的接收率为p，当且仅当n个接收方都接收失败，才能认为这一跳数据传输是失败的，否者，都是成功的。所述的机会路由方法下，发送方与多个接收方之间的接收率为P＝1-(1-p)n。我们假设P大于等于Q的时候，则认为单跳传输是可靠的，其中Q是人为设定的单跳传输可靠性的阈值，那么，候选节点个数的阈值n为：
4.根据权利要求1，增大节点占空比的方法是：设距离控制端x米的节点在一轮数据传输中因为传输数据消耗的能量为
因为保持监听消耗的能量为
与控制端一跳距离的节点因为传输数据消耗的能量为
那么，节点占空比增大的倍数可以表示为：
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