CN111182488B - 一种基于时间信道的溯源数据节能传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感器网络领域中的溯源数据节能传输方法。该方法采用以数据包的伪包标识排列和数据包数据字段大小变化为介质的时间信道的编码方式作为传输方法，即节点将要传输的溯源信息转化为数据包的伪包标识排列和数据包大小进行传输，基站根据数据包的伪包标识排列和数据包数据字段大小恢复溯源信息。本发明在原有的带宽的基础上传输了更多的能量，能够高效地传输溯源信息，从而起到了节省能源与带宽的作用，并且不受节点定时休眠与唤醒情况的影响，因此适用范围较广。

Description

一种基于时间信道的溯源数据节能传输方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种基于时间信道的溯源数据节能传输方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是一种由大量具有感知、处理及通讯功能的微型、低功耗无线传感器节点构成的自组织网络。这些节点从所部署区域通过感知获取数据(如湿度、温度、压力等)，并将这些数据通过无线自组网的通信方式传输至基站(BS)，然而WSN所处的环境复杂、且涉及的传感器种类数量众多，所以需要对基站接收的数据可靠性进行评估。而在WSN中，溯源记录了数据的产生及其传输过程，是评估接收到的数据可信度的重要依据。溯源可以被分为：线性溯源和汇聚溯源。线性溯源为数据包由数据源节点产生，其它节点只是将此数据包依次传输至基站(BS)的线性结构，而汇聚溯源为多个数据源节点分别产生一个数据包，并在传输至某个节点后汇聚成一个新数据包传输至下一节点的树型结构。但是溯源自身大小也会随着数据传输路径的增长而快速增长，甚至会远远超过数据自身的大小。而WSN是一种能量、计算能力、传输带宽等资源受限的网络，所以如何高效的传输溯源成了现阶段研究的重点问题。

为了高效传输WSN中溯源，人们相继提出了不同的溯源方法，根据溯源方法各自所具有的特点可以被分为以下几类：简单溯源传输方法、分布式溯源传输方法、分块溯源传输方法、有损压缩溯源传输方法以及无损压缩溯源传输方法。

当这些传统的压缩方法的压缩效率达到极限时，就很难再运用这些传统的方法，节省更多的能量与带宽。所以，此时时间信道中的包间隔时间信道就被运用到了WSN中溯源的传输，这种基于包间隔时间信道的传输方法是将溯源信息嵌入到数据包分组延迟中，而包间隔时间是一个连续的物理变量，易受网络事件的干扰，因此抗干扰性较弱。并且，在WSN中，节点会定时休眠与唤醒，因此在适用性方面有所限制。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种基于时间信道的溯源数据节能传输方法，以实现节省能源与带宽。

为了实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种基于时间信道的溯源数据节能传输方法，包括如下步骤：

1)数据源节点感知、收集数据，构建源节点数据包并从源节点数据包中选择n个待发送数据包；所述源节点数据包包括数据字段、溯源哈希值字段和溯源数据字段；所述数据字段的值为数据源节点感应并收集的数据；所述溯源哈希值字段的值为H(n₁)，H(n₁)＝Hash(n₁)，n₁表示源节点的节点ID,H(n₁)表示源节点上的哈希值，Hash()表示哈希函数；所述溯源数据字段的值为伪包标识；

2)发送n个待发送数据包到下一跳节点N，若下一跳节点N是基站转步骤9)，否则转步骤3)；

3)中间节点利用哈希函数更新数据包的溯源哈希值字段的值H(n_i)，H(n_i)＝Hash(H(n_i-1)+n_i)，其中n_i表示第i个节点的ID，H(n_i-1)表示第i-1个节点的哈希值；

4)判断溯源类型，如果为线性溯源，转步骤5)，如果是汇聚溯源，转步骤8)；

5)判断节点N上获取的随机概率p_i是否大于预先设置的阈值P，如果大于则转步骤6)，否则转步骤2)；

6)使用基于数据包数据字段长度变化编码的方法从溯源哈希值字段相同的数据包中选择数据包并排序；

7)使用基于伪包标识排列的方法添加中间节点数据包的伪包标识；转步骤2)；

8)重新构建中间节点数据包，所述中间节点数据包包括数据字段、溯源哈希值字段、溯源数据字段、汇聚溯源哈希值字段和汇聚溯源数据字段；所述数据字段为即将被合并的数据包的数据字段数据；所述汇聚溯源的哈希值字段依次填入即将被合并的数据包的溯源哈希值；所述汇聚溯源的数据字段依次填入的是即将合并的第一个数据包的溯源数据字段内的伪包标识和数据字段的长度，以及即将被合并的剩余的数据包的溯源数据字段内的伪包标识和数据字段的长度分别与第一个数据包的溯源数据字段内的伪包标识和数据字段的长度的差值；所述溯源哈希值字段和溯源数据字段置为空，用于下一个需要添加的溯源的哈希值以及溯源数据；转步骤2)；

9)根据数据包的溯源哈希值对到达的数据包进行分类，具有相同溯源哈希值的数据包为一类；从同一类中，根据数据包到达顺序，每n个数据包分为一组；

10)判断溯源的类型，如果是线性溯源转步骤11)，否则转步骤12)；

11)使用基于数据包数据值字段的长度以及伪包标识解码方法恢复m位二进制线性溯源信息，转步骤13)；

12)恢复汇聚溯源信息；

13)判断每一类中是否还有分组数据包的溯源信息没有恢复，若是则转步骤10)，否则溯源信息恢复结束。

进一步的，上述步骤1)中数据包的伪包标识确定方法包括如下步骤：

1.1)将溯源信息转化为m位的二进制溯源信息，若不足m位，则在二进制信息的左端加0补足，其中，m为传感器节点的最大ID值所对应的二进制数的位数；

1.2)使用基于数据包数据字段长度变化编码方法选择待发送数据包并排序；

1.3)使用基于伪包标识排列的方法确定待发送数据包的伪包标识。

进一步的，上述步骤11)中恢复m位二进制线性溯源信息，包括如下步骤：

11.1)恢复

位的二进制溯源信息，基站(BS)获取每一组数据包中的每一个数据包数据字段的长度记为L，L＝{l₁,l₂,......,l_n}，分别比较l₁和l₂、l₃和l₄······l_n-1和l_n的大小，如果前一个数据包的数据字段长度大于后一个数据包数据字段的长度，则表示1，否则，表示0；则n个数据包则可以表示

位；

11.2)根据伪包标识排列恢复剩余的

位的二进制溯源信息，具体过程如下：将每一组内n个数据包的溯源数据字段的伪包标识按照数据包顺序依次排列，得到n个数的排列，通过康托展开式计算公式(1)得到十进制的康托值，再将十进制康托值转化为

位的二进制数；

11.3)将

位二进制数添加到

位二进制数后面，即为m位的溯源信息。

进一步的，上述步骤12)中恢复汇聚溯源信息，包括如下步骤：

12.1)确定汇聚溯源字段信息，根据每一组数据包内的每一个数据包汇聚溯源的数据字段的伪包标识、数据包大小以及差值，通过相加的运算得到每一个被合并数据包的溯源数据字段内的伪包标识以及数据包数据字段的长度，并将得到的溯源数据字段的伪包标识、数据字段长度与汇聚溯源的哈希值一一对应，每n个对应相同哈希值的伪包标识和数据字段长度为一组，并在每一组内，使用基于数据包数据值字段的长度以及伪包标识解码方法恢复m位二进制溯源信息；

12.2)恢复溯源数据字段信息，具体过程如下：获取每一组数据包内的每一个数据包的溯源数据字段内的伪包标识以及数据包数据值字段的长度，并使用基于数据包数据值字段的长度以及伪包标识解码方法恢复m位二进制线性溯源信息。

进一步的，上述步骤1.2)中基于数据包数据字段长度变化编码方法，包括如下步骤：

1.2.1)确定待发送数据包的个数n，其中，n为满足

的最小偶数；

1.2.2)从数据包中选择n个待发送数据包，并按照选择的顺序进行排序，方法如下：在m位二进制溯源信息中从左往右按序选取

位二进制数，利用每一位二进制数挑选两个数据字段长度不同的数据包并排序，共挑选

次，选出n个待发送数据包，其中，排序规则如下：若二进制数为“1”，则将数据字段长度大的数据包放在数据字段长度小的数据包前面；若表示“0”，则将数据字段长度小的数据包放在数据字段长度大的数据包前面。

进一步的，上述步骤1.3)中，基于伪包标识排列的方法确定待发送数据包的伪包标识，包括如下步骤：

1.3.1)将m位二进制溯源信息中剩余的

位二进制溯源信息转化为十进制数记为s；

1.3.2)构建集合sid，sid＝{1,2,3,......n}，将s带入康托展开式求出a[i]，根据a[i]在sid中挑选元素记为sid_i’，并根据挑选的顺序对sid_i’进行排列，记为sid’，其中，sid’＝{sid₁’,sid₂’,...sid_n’}，sid_i’表示填入第i个数据包的伪包标识，康托展开式如下：

s＝a[n]*(n-1)！+a[n-1]*(n-2)！+...+a[i]*(i-1)！+a[1]*0！

其中s表示康托值，a[i]+1表示要挑选的元素sid_i’在sid中的未被挑选的元素从左往右数的第几个。

本发明以数据包的伪包标识排列和数据包大小变化为介质传输溯源信息，在原有的带宽的基础上传输了更多的能量，从而起到了节省能源与带宽的作用，并且不受节点定时休眠与唤醒情况的影响，适用范围较广。

附图说明

图1为基于时间信道的溯源数据节能传输方法流程图。

具体实施

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不限于此。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

一种基于时间信道的溯源数据节能传输方法，如图1所示，包括如下步骤：

1)数据源节点感知、收集数据，构建源节点数据包并选择待发送数据包；所述源节点数据包包括数据字段、溯源哈希值字段和溯源数据字段；其中数据字段的值为数据源节点感应并收集的数据，溯源哈希值字段的值为H(n₁)，H(n₁)＝Hash(n₁)，其中，n₁表示源节点的节点ID,H(n₁)表示源节点上的哈希值，Hash()表示哈希函数；所述溯源数据字段的值为伪包标识，每个数据包的伪包标识确定方法包括如下步骤：

1.1)将溯源信息转化为m位的二进制溯源信息，若不足m位，则在二进制信息的左端加0补足，其中，m为传感器节点的最大ID值所对应的二进制数的位数；本发明实施例中，m＝6。

1.2)使用基于数据包数据字段长度变化编码方法选择待发送数据包并排序，其中，基于数据包数据字段长度变化编码方法，包括如下步骤：

1.2.1)确定待发送数据包的个数n，其中，n为满足

的最小偶数，本发明实施例中，n＝4。

1.2.2)从数据包中选择n个待发送数据包，并按照选择的顺序进行排序，方法如下：在m位二进制溯源信息中从左往右按序选取

位二进制数，利用每一位二进制数挑选两个数据字段长度不同的数据包并排序，共挑选

次，选出n个待发送数据包，其中，排序规则如下：若二进制数为“1”，则将数据字段长度大的数据包放在数据字段长度小的数据包前面；若表示“0”，则将数据字段长度小的数据包放在数据字段长度大的数据包前面；

1.3)使用基于伪包标识排列的方法确定待发送数据包的伪包标识，计算方法如下：

1.3.1)将m位二进制溯源信息中剩余的

位二进制溯源信息转化为十进制数记为s；

1.3.2)构建集合sid，sid＝{1,2,3,......n}，将s带入康托展开式求出a[i]，根据a[i]在sid中挑选元素记为sid_i’，并根据挑选的顺序对sid_i’进行排列，记为sid’，其中，sid’＝{sid₁’,sid₂’,...sid_n’}，sid_i’表示填入第i个数据包的伪包标识，康托展开式如下：

s＝a[n]*(n-1)！+a[n-1]*(n-2)！+...+a[i]*(i-1)！+a[1]*0！

其中s表示康托值，a[i]+1表示要挑选的元素sid_i’在sid中的未被挑选的元素从左往右数的第几个；

2)节点依次发送n个待发送数据包到下一跳节点N，若下一跳节点N是基站(BS)，转步骤9)，否则转步骤3)；

3)中间节点利用哈希函数更新数据包的溯源哈希值字段的值H(n_i)，H(n_i)＝Hash(H(n_i-1)+n_i)，其中n_i表示第i个节点的ID，H(n_i-1)表示第i-1个节点的哈希值。

4)判断溯源类型，如果为线性溯源，转步骤5)，其中线性溯源为数据包由数据源节点产生，其它节点只是将此数据包依次传输至基站(BS)的线性结构；如果是汇聚溯源，转步骤8)，其中汇聚溯源为多个数据源节点分别产生一个数据包，并在传输至某个节点后汇聚成一个新数据包传输至下一节点的树型结构；

5)判断节点N上获取的随机概率p_i是否大于预先设置的阈值P，如果大于，则转步骤6)，否则转步骤2)；

6)使用基于数据包数据字段长度变化编码的方法从溯源哈希值字段相同的数据包中选择数据包并排序；

7)使用基于伪包标识排列的方法添加中间节点数据包的伪包标识；转步骤2)；

8)重新构建中间节点数据包，所述中间节点数据包包括数据字段、溯源哈希值字段、溯源数据字段、汇聚溯源哈希值字段和汇聚溯源数据字段；所述数据字段为即将被合并的数据包的数据字段数据；所述汇聚溯源的哈希值字段依次填入即将被合并的数据包的溯源哈希值；所述汇聚溯源的数据字段依次填入的是即将合并的第一个数据包的溯源数据字段内的伪包标识和数据字段的长度，以及即将被合并的剩余的数据包的溯源数据字段内的伪包标识和数据字段的长度分别与第一个数据包的溯源数据字段内的伪包标识和数据字段的长度的差值；所述溯源哈希值字段和溯源数据字段置为空，用于下一个需要添加的溯源的哈希值以及溯源数据；转步骤2)；

9)根据数据包内的溯源的哈希值对到达的数据包进行分类，具有相同溯源哈希值字段的数据包为一类；从同一类中，根据数据包到达顺序，每n个数据包分为一组；

10)判断溯源的类型，如果是线性溯源，则转步骤11)，否则转步骤12)；

11)在每一组数据包中使用基于数据包数据值字段的长度以及伪包标识解码方法恢复m位二进制线性溯源信息，具体过程如下：

11.1)恢复

位的二进制溯源信息，基站(BS)获取每一组数据包中的每一个数据包数据字段的长度记为L，L＝{l₁,l₂,......,l_n}，分别比较l₁和l₂、l₃和l₄······l_n-1和l_n的大小，如果前一个数据包的数据字段长度大于后一个数据包数据字段的长度，则表示1，否则，表示0；则n个数据包则可以表示

位；

11.2)根据伪包标识排列恢复剩余的

位的二进制溯源信息，具体过程如下：将每一组内n个数据包的溯源数据字段的伪包标识按照数据包顺序依次排列，得到n个数的排列，通过康托展开式计算公式得到十进制的康托值，再将十进制康托值转化为

位的二进制数；

11.3)将

位二进制数添加到

位二进制数后面，即为m位的溯源信息；转步骤13)；

12)恢复汇聚溯源信息，具体步骤如下：

12.1)确定汇聚溯源字段信息，根据每一组数据包内的每一个数据包汇聚溯源的数据字段的伪包标识、数据包大小以及差值，通过相加的运算得到每一个被合并数据包的溯源数据字段内的伪包标识以及数据包数据字段的长度，并将得到的溯源数据字段的伪包标识、数据字段长度与汇聚溯源的哈希值一一对应，每n个对应相同哈希值的伪包标识和数据字段长度为一组，并在每一组内，使用基于数据包数据值字段的长度以及伪包标识解码方法恢复m位二进制溯源信息；

12.2)恢复溯源数据字段信息，具体过程如下：获取每一组数据包内的每一个数据包的溯源数据字段内的伪包标识以及数据包数据值字段的长度，并使用基于数据包数据值字段的长度以及伪包标识解码方法恢复m位二进制线性溯源信息；

13)判断每一类中是否还有分组数据包的溯源信息没有恢复，若是则转步骤10)，否则溯源信息恢复结束。

Claims (2)

1.一种基于时间信道的溯源数据节能传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)数据源节点感知、收集数据，构建源节点数据包并从源节点数据包中选择n个待发送数据包；所述源节点数据包包括数据字段、溯源哈希值字段和溯源数据字段；所述数据字段的值为数据源节点感应并收集的数据；所述溯源哈希值字段的值为H(n₁)，H(n₁)＝Hash(n₁)，n₁表示源节点的节点ID,H(n₁)表示源节点上的哈希值，Hash()表示哈希函数；所述溯源数据字段的值为伪包标识；

数据包的伪包标识确定方法包括如下步骤：

1.1)将溯源信息转化为m位的二进制溯源信息，若不足m位，则在二进制信息的左端加0补足，其中，m为传感器节点的最大ID值所对应的二进制数的位数；

1.2)使用基于数据包数据字段长度变化编码方法选择待发送数据包并排序；

所述基于数据包数据字段长度变化编码方法，包括如下步骤：

1.2.1)确定待发送数据包的个数n，其中，n为满足

的最小偶数；

1.2.2)从数据包中选择n个待发送数据包，并按照选择的顺序进行排序，方法如下：在m位二进制溯源信息中从左往右按序选取

位二进制数，利用每一位二进制数挑选两个数据字段长度不同的数据包并排序，共挑选

次，选出n个待发送数据包，其中，排序规则如下：若二进制数为“1”，则将数据字段长度大的数据包放在数据字段长度小的数据包前面；若表示“0”，则将数据字段长度小的数据包放在数据字段长度大的数据包前面；

1.3)使用基于伪包标识排列的方法确定待发送数据包的伪包标识；

所述基于伪包标识排列的方法确定待发送数据包的伪包标识，包括如下步骤：

1.3.1)将m位二进制溯源信息中剩余的

位二进制溯源信息转化为十进制数记为s；

1.3.2)构建集合sid，sid＝{1,2,3,......n}，将s带入康托展开式求出a[i]，根据a[i]在sid中挑选元素记为sid_i’，并根据挑选的顺序对sid_i’进行排列，记为sid’，其中，sid’＝{sid₁’,sid₂’,...sid_n’}，sid_i’表示填入第i个数据包的伪包标识，康托展开式如下：

s＝a[n]*(n-1)！+a[n-1]*(n-2)！+...+a[i]*(i-1)！+a[1]*0！

其中s表示康托值，a[i]+1表示要挑选的元素sid_i’在sid中的未被挑选的元素从左往右数的第几个；

2)发送n个待发送数据包到下一跳节点N，若下一跳节点N是基站转步骤9)，否则转步骤3)；

3)中间节点利用哈希函数更新数据包的溯源哈希值字段的值H(n_i)，H(n_i)＝Hash(H(n_i-1)+n_i)，其中n_i表示第i个节点的ID，H(n_i-1)表示第i-1个节点的哈希值；

4)判断溯源类型，如果为线性溯源，转步骤5)，如果是汇聚溯源，转步骤8)；

5)判断节点N上获取的随机概率p_i是否大于预先设置的阈值P，如果大于则转步骤6)，否则转步骤2)；

6)使用基于数据包数据字段长度变化编码的方法从溯源哈希值字段相同的数据包中选择数据包并排序；

7)使用基于伪包标识排列的方法添加中间节点数据包的伪包标识；转步骤2)；

8)重新构建中间节点数据包，所述中间节点数据包包括数据字段、溯源哈希值字段、溯源数据字段、汇聚溯源哈希值字段和汇聚溯源数据字段；所述数据字段为即将被合并的数据包的数据字段数据；所述汇聚溯源的哈希值字段依次填入即将被合并的数据包的溯源哈希值；所述汇聚溯源的数据字段依次填入的是即将合并的第一个数据包的溯源数据字段内的伪包标识和数据字段的长度，以及即将被合并的剩余的数据包的溯源数据字段内的伪包标识和数据字段的长度分别与第一个数据包的溯源数据字段内的伪包标识和数据字段的长度的差值；所述溯源哈希值字段和溯源数据字段置为空，用于下一个需要添加的溯源的哈希值以及溯源数据；转步骤2)；

9)根据数据包的溯源哈希值对到达的数据包进行分类，具有相同溯源哈希值的数据包为一类；从同一类中，根据数据包到达顺序，每n个数据包分为一组；

10)判断溯源的类型，如果是线性溯源转步骤11)，否则转步骤12)；

11)使用基于数据包数据值字段的长度以及伪包标识解码方法恢复m位二进制线性溯源信息，转步骤13)；

12)恢复汇聚溯源信息；

所述恢复汇聚溯源信息包括如下步骤：

12.1)确定汇聚溯源字段信息，根据每一组数据包内的每一个数据包汇聚溯源的数据字段的伪包标识、数据包大小以及差值，通过相加的运算得到每一个被合并数据包的溯源数据字段内的伪包标识以及数据包数据字段的长度，并将得到的溯源数据字段的伪包标识、数据字段长度与汇聚溯源的哈希值一一对应，每n个对应相同哈希值的伪包标识和数据字段长度为一组，并在每一组内，使用基于数据包数据值字段的长度以及伪包标识解码方法恢复m位二进制溯源信息；

12.2)恢复溯源数据字段信息，具体过程如下：获取每一组数据包内的每一个数据包的溯源数据字段内的伪包标识以及数据包数据值字段的长度，并使用基于数据包数据值字段的长度以及伪包标识解码方法恢复m位二进制线性溯源信息；

13)判断每一类中是否还有分组数据包的溯源信息没有恢复，若是则转步骤10)，否则溯源信息恢复结束。

2.如权利要求1所述的基于时间信道的溯源数据节能传输方法，其特征在于，所述步骤11)中恢复m位二进制线性溯源信息，包括如下步骤：

11.1)恢复

位的二进制溯源信息，基站(BS)获取每一组数据包中的每一个数据包数据字段的长度记为L，L＝{l₁,l₂,......,l_n}，分别比较l₁和l₂、l₃和l₄······l_n-1和l_n的大小，如果前一个数据包的数据字段长度大于后一个数据包数据字段的长度，则表示1，否则，表示0；则n个数据包则可以表示

位；

11.2)根据伪包标识排列恢复剩余的

位的二进制溯源信息，具体过程如下：将每一组内n个数据包的溯源数据字段的伪包标识按照数据包顺序依次排列，得到n个数的排列，通过康托展开式计算公式得到十进制的康托值，再将十进制康托值转化为

位的二进制数；

11.3)将

位二进制数添加到

位二进制数后面，即为m位的溯源信息。

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