CN115811742B - 一种提升CoAP协议非确认模式可靠性的高能效传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提升CoAP协议非确认模式可靠性的高能效传输方法，包括：建立发送端与接收端之间无线链路的两状态马尔可夫信道模型，并确定模型参数；根据信道的状态以及数据包交付率的要求动态设置系统型随机线性网络编码的码率；发送端对需要发送的基于CoAP协议的非确认数据包按上述码率设置进行编码发送，并不断更新信道状态参数，动态调整码率；接收端对接收到的数据包进行解码。本发明在基于IETF6TiSCH标准的工业物联网中，利用系统型随机线性网络编码作为前向纠错技术来增强CoAP协议的非确认传输模式，通过动态选取合适的码率，在保证数据传输可靠性的同时，有效提高数据传输效率，减少设备完成通信任务的时间及总传输数据量，降低传输时延与设备能耗。

Description

一种提升CoAP协议非确认模式可靠性的高能效传输方法

技术领域

本发明涉及工业物联网技术领域，具体为一种提升CoAP协议非确认模式可靠性的高能效传输方法。

背景技术

万物互联是智能时代的发展趋势，随着物联网的概念不断发展，越来越多的领域都开始关注物联网这一新兴技术。物联网可以被广泛应用于智慧城市、工业控制、智慧医疗以及环境监测等领域，其中工业物联网是较为重要的发展方向之一。2013年成立的IETF6TiSCH标准组为结合低功耗无线通信技术和IPv6技术，制定了一套完备的工业物联网协议栈，使得处于工业物联网中的设备可以融入到基于IP的互联网中，推动了物联网、大数据等新一代信息技术与传统制造业的深度融合。

IETF 6TiSCH标准组为工业物联网中的资源受限节点确立的物联网协议栈使其能够与远端服务器之间进行通信。该协议栈自顶向下为：应用层受限应用协议CoAP、传输层用户数据报协议UDP、网络层协议IPv6、链路层协议和物理层协议IEEE802.15.4。资源受限网络中设备的计算能力、存储空间和能量均受限，而CoAP协议是一种专门为受限、低功耗和有损网络设计的Web应用层传输协议。由于工业物联网设备大多是依赖电池供电，需要支持长达10年甚至20年的生命周期，因此在复杂无线工业环境下如何保障通信的可靠性和低能耗是工业物联网发展过程中的一大难题。

从应用层的角度来看，CoAP协议提供了基于两种操作模式的轻量级会话管理和控制：1)确认模式，该模式利用重传机制提供可靠性，在最大重传次数的限制下，发送端会根据来自接收端的反馈信号决定是否重传数据包，具有较低的丢包率，但会相应地增加传输延迟和设备能耗；2)非确认模式，该模式不提供可靠的数据包交付，发送端并不关心接收端是否准确接收到了数据包，因此丢包率较高，但传输时延和电池使用量均较低。现有技术中，发送端在数据传输时一般只会基于一种模式，因此无法使数据包交付率与时延、能耗性能均满足需求。有已公布的发明专利(发明名称：基于UCB的动态CoAP模式选择方法及设备，申请号：202111375458.1)和已发表的学术论文(R.Herrero,“Dynamic CoAP mode controlin real time wireless IoT networks,”IEEE Internet ofThings Journal,vol.6,no.1,pp.801-807,2018)等研究了动态的CoAP模式的选择控制方法，可以根据数据传输过程中的情况及传输要求，选择后续数据包的传输模式，从而实现设备工作寿命的延长，同时实现传输延迟和丢包率之间的权衡，提高整体通信性能。

虽然上述技术能够在无线环境良好时获得较优的性能，但由于CoAP确认模式默认的重传次数为3次或4次，在无线环境恶劣、信道情况很差的时候，即使一直保持采用确认模式进行传输，所获得的数据交付率也可能无法满足应用的可靠性要求。并且在传输往返时间较大时，设备会花费大量时间等待反馈信号，从而额外消耗大量能量。若将最大重传次数增加，虽然能够提高可靠性，但会进一步增大数据包的交付时延与设备能耗，这将无法满足不断发展的工业物联网的性能需求。本发明在基于IETF 6TiSCH标准的工业物联网中，通过在CoAP协议非确认传输模式中引入基于代的系统型随机线性网络编码作为前向纠错技术，并动态地为每一代选择适当的码率来发送数量合适的编码冗余包，从而在利用非确认模式不需要重传以及低能量消耗的优点的同时满足应用的可靠性要求，以此解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升CoAP协议非确认模式可靠性的高能效传输方法，通过引入自适应码率的前向纠错编码技术来增强CoAP非确认传输模式，使得在无线环境恶劣、信道情况很差时保证工业物联网设备的通信可靠性，提高数据成功交付率，通过动态选取合适的码率，减少设备完成通信任务的时间及总传输数据量，从而显著降低设备能耗、延长工作寿命。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提升CoAP协议非确认模式可靠性的高能效传输方法，包括以下步骤：

S1：建立发送端与接收端之间无线链路的两状态马尔可夫信道模型，并确定模型参数；

S2：根据信道的状态以及数据包交付率的要求动态设置系统型随机线性网络编码的码率；

S3：发送端对需要发送的基于CoAP协议的非确认数据包按上述码率设置进行编码发送，并不断更新信道状态参数，动态调整码率；

S4：接收端对接收到的数据包进行解码。

优选的，所述步骤S1中，考虑工业物联网中的上行传输场景，发送端为工业物联网设备，接收端为无线接入点(能够为设备提供随机接入功能的节点，如无线路由器或基站)。

优选的，所述步骤S1中，无线链路两状态马尔可夫信道模型及各相关参数的建立方法如下：

将工业物联网设备所处无线环境中的突发噪声对于数据传输的整体影响建模为两状态马尔可夫信道模型。建立该信道模型的参数包括：信道状态集合S、状态丢包率集合ε以及状态转移概率矩阵P，其中，S＝{S_G,S_B}，S_G为理想状态，S_B为非理想状态；ε＝{ε_G,ε_B}，ε_G为理想状态对应的丢包率，ε_B为非理想状态对应的丢包率，设定ε_G＝0、ε_B＝1；状态转移概率矩阵其中q(s)代表信道由理想状态(非理想状态)转移到非理想状态(理想状态)的概率，1-q(1-s)代表信道由理想状态(非理想状态)维持在理想状态(非理想状态)的概率。该两状态马尔可夫信道模型的稳态概率分别为：理想状态的稳态概率非理想状态的稳态概率/>则通过该信道成功传输的概率为P₀＝π_G(1-ε_G)+π_B(1-ε_B)。

优选的，所述步骤S1中，估计各状态转移概率的步骤具体为：根据双向转发检测或历史反馈信息来统计信道各状态转移的数量，由理想状态转移到非理想状态的数量为J_GB、由非理想状态转移到理想状态的数量为J_BG、由理想状态保持在理想状态的数量为J_GG以及由非理想状态保持在非理想状态的数量为J_BB；接着根据统计估算法或最大似然估计法得到状态转移概率的估计，q的估计值为s的估计值为/>

优选的，所述步骤S2中，根据信道的状态以及数据包交付率的要求设置网络编码码率的具体步骤如下：

T1、发送端将待发送的基于CoAP协议的非确认数据包所组成的集合O分为m代，即O＝{O₁,O₂,...,O_m}，每代包含ω个原始数据包，即其中j＝1,2,...,m，ω根据发送端的缓存大小与计算能力以及应用对数据传输的时延要求来选取；

T2、为尽可能提高数据传输能效，发送端根据应用可靠性要求以及信道情况动态设置码率r，码率r表示在一代中原始数据包占总发送数据包的比例。在第1代中设置码率r₁＝P₀。在第i代中，若判断条件/>条件成立则设置第i代的码率r_i＝P₀，条件不成立则设置r_i＝1；若/>设置第i代的码率r_i＝P₀。其中i＝2,3,...,m，/>为码率估量参数，r₁,r₂,...,r_i-1为第1,2,...,i-1代的码率值，ρ为历史码率值对/>的影响因子，P^loss为应用层丢包率限制；

T3、在第j代中，发送端根据公式y^j＝G^j·x^j对ω个原始数据包O_j进行系统型随机线性编码，生成个编码后的数据包C_j，其中j＝1,2,...,m， 为冗余包的个数，G^j为第j代编码的/>维系数矩阵。

优选的，所述步骤S2中，在编码发送过程中，码率估量参数设置为维系数矩阵G^j为

其中，用·来表示随机在有限域中选取的系数。

优选的，所述步骤S3中，第j代数据包编码完成后，发送端将编码得到的数据包C_j发送给接收端，其中前ω个为原始数据包，后l个为编码数据包，j＝1,2,...,m。

优选的，所述步骤S4中，接收端对接收到的数据包通过高斯消去法求解线性方程组进行解码。接收端接收到q个编码数据包，即若q≥ω，通过求解成功恢复所有ω个原始数据包，其中/>为接收到的编码数据包附带的编码系数构成的矩阵；否则，接收到的编码包无用并被丢弃，仅成功接收到的原始数据包被接收端恢复。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的一种提升CoAP协议非确认模式可靠性的高能效传输方法，通过利用基于代的系统型随机线性网络编码作为前向纠错技术来增强CoAP协议的非确认传输模式，避免了无线环境恶劣、信道情况很差时采用确认模式产生的大量的重传开销和等待反馈的时间开销，通过动态地为每一代选取合适的码率，在保证数据传输可靠性的同时，有效提高数据传输效率，减少设备完成通信任务的时间及总传输数据量，从而显著降低传输时延与设备能耗。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明采取的两状态马尔可夫信道模型的示意图；

图3为本发明估计各状态转移概率的流程示意图。

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。

基于IETF 6TiSCH标准的工业物联网环境中，考虑上行传输场景，发送端为配备有无线收发功能的工业物联网设备，接收端为无线接入点(能够为设备提供随机接入功能的节点，如无线路由器或基站)，发送端与接收端之间通过点对点链路进行无线通信。基于该场景，本发明提出了一种提升CoAP协议非确认模式可靠性的高能效传输方法，具体步骤如图1所示，下面对各步骤进行详细说明。

S1：建立发送端与接收端之间无线链路的两状态马尔可夫信道模型，并确定模型参数；

将工业物联网设备所处无线环境中的突发噪声对于数据传输的整体影响建模为两状态马尔可夫信道模型，如图2所示，建立该信道模型的参数包括：信道状态集合S、状态丢包率集合ε以及状态转移概率矩阵P，其中，S＝{S_G,S_B}，S_G为理想状态，S_B为非理想状态；ε＝{ε_G,ε_B}，ε_G为理想状态对应的丢包率，ε_B为非理想状态对应的丢包率，设定ε_G＝0、ε_B＝1；状态转移概率矩阵其中q(s)代表信道由理想状态(非理想状态)转移到非理想状态(理想状态)的概率，1-q(1-s)代表信道由理想状态(非理想状态)维持在理想状态(非理想状态)的概率。该两状态马尔可夫信道模型的稳态概率分别为：理想状态的稳态概率/>非理想状态的稳态概率/>则通过该信道成功传输的概率为P₀＝π_G(1-ε_G)+π_B(1-ε_B)。

估计各状态转移概率的步骤如图3所示，具体为：根据双向转发检测或历史反馈信息来统计信道各状态转移的数量，由理想状态转移到非理想状态的数量为J_GB、由非理想状态转移到理想状态的数量为J_BG、由理想状态保持在理想状态的数量为J_GG以及由非理想状态保持在非理想状态的数量为J_BB；接着根据统计估算法或最大似然估计法得到状态转移概率的估计，q的估计值为s的估计值为/>

S2：根据信道的状态以及数据包交付率的要求动态设置系统型随机线性网络编码的码率；具体步骤如下：

T1、发送端将待发送的基于CoAP协议的非确认数据包所组成的集合O分为m代，即O＝{O₁,O₂,...,O_m}，每代包含ω个原始数据包，即其中j＝1,2,...,m，ω根据发送端的缓存大小与计算能力以及应用对数据传输的时延要求来选取；

T2、为尽可能提高数据传输能效，发送端根据应用可靠性要求以及信道情况动态设置码率r，码率r表示在一代中原始数据包占总发送数据包的比例。在第1代中设置码率r₁＝P₀。在第i代中，若判断条件/>条件成立则设置第i代的码率r_i＝P₀，条件不成立则设置r_i＝1；若/>设置第i代的码率r_i＝P₀。其中i＝2,3,...,m，码率估量参数/>r₁,r₂,...,r_i-1为第1,2,...,i-1代的码率值，ρ为历史码率值对/>的影响因子，P^loss为应用层丢包率限制；

T3、在第j代中，发送端根据公式y^j＝G^j·x^j对ω个原始数据包O_j进行系统型随机线性编码，生成个编码后的数据包C_j，其中j＝1,2,...,m，

为冗余包的个数，第j代编码的维系数矩阵G^j为

其中，用·来表示随机在有限域中选取的系数。

S3：发送端对需要发送的基于CoAP协议的非确认数据包按上述码率设置进行编码发送，并不断更新信道状态参数，动态调整码率；

第j代数据包编码完成后，发送端将编码得到的数据包C_j发送给接收端，其中前ω个为原始数据包，后l个为编码数据包，j＝1,2,...,m。发送端根据步骤S1、S2继续对后续代的原始数据包进行编码及发送。

S4：接收端对接收到的数据包通过高斯消去法求解线性方程组进行解码。

接收端接收到q个编码数据包，即若q≥ω，通过求解成功恢复所有ω个原始数据包，其中/>为接收到的编码数据包附带的编码系数构成的矩阵；否则，接收到的编码包无用并被丢弃，仅成功接收到的原始数据包被接收端恢复。

综上所述，本发明在基于IETF 6TiSCH标准的工业物联网环境下，通过在CoAP协议非确认模式中利用基于代的系统型随机线性网络编码作为前向纠错技术，避免了无线环境恶劣、信道情况很差时采用确认模式产生的大量的重传开销和等待反馈的时间开销，通过动态地为每一代选取合适的码率，在保证数据传输可靠性的同时，有效提高数据传输效率，减少设备完成通信任务的时间及总传输数据量，从而显著降低传输时延与设备功耗。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种提升CoAP协议非确认模式可靠性的高能效传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立发送端与接收端之间无线链路的两状态马尔可夫信道模型，并确定模型参数；

S2：根据信道的状态以及数据包交付率的要求动态设置系统型随机线性网络编码的码率；

S3：发送端对需要发送的基于CoAP协议的非确认数据包按上述码率设置进行编码发送，并不断更新信道状态参数，动态调整码率；

S4：接收端对接收到的数据包进行解码；

所述步骤S1中，无线链路两状态马尔可夫信道模型的建立方法及各参数如下：

将工业物联网设备所处无线环境中的突发噪声对于数据传输的整体影响建模为两状态马尔可夫信道模型，建立该信道模型的参数包括：信道状态集合S、状态丢包率集合ε以及状态转移概率矩阵P，其中，S＝{S_G,S_B}，S_G为理想状态，S_B为非理想状态；ε＝{ε_G,ε_B}，ε_G为理想状态对应的丢包率，ε_B为非理想状态对应的丢包率，设定ε_G＝0、ε_B＝1；状态转移概率矩阵其中q(s)代表信道由理想状态(非理想状态)转移到非理想状态(理想状态)的概率，1-q(1-s)代表信道由理想状态(非理想状态)维持在理想状态(非理想状态)的概率；该两状态马尔可夫信道模型的稳态概率分别为：理想状态的稳态概率非理想状态的稳态概率/>则通过该信道成功传输的概率为P₀＝π_G(1-ε_G)+π_B(1-ε_B)；

所述步骤S1中，估计各状态转移概率的步骤具体为：根据双向转发检测或历史反馈信息来统计信道各状态转移的数量，由理想状态转移到非理想状态的数量为J_GB、由非理想状态转移到理想状态的数量为J_BG、由理想状态保持在理想状态的数量为J_GG以及由非理想状态保持在非理想状态的数量为J_BB；接着根据统计估算法或最大似然估计法得到状态转移概率的估计，q的估计值为s的估计值为/>

所述步骤S2中，根据信道状态以及数据包交付率要求设置网络编码码率的具体步骤如下：

T1、发送端将待发送的基于CoAP协议的非确认数据包所组成的集合O分为m代，即O＝{O₁,O₂,...,O_m}，每代包含ω个原始数据包，即其中j＝1,2,...,m，ω根据发送端的缓存大小与计算能力以及应用对数据传输的时延要求来选取；

T2、为尽可能提高数据传输能效，发送端根据应用可靠性要求以及信道情况动态设置码率r，码率r表示在一代中原始数据包占总发送数据包的比例，在第1代中设置码率r₁＝P₀，在第i代中，若判断条件/>条件成立则设置第i代的码率r_i＝P₀，条件不成立则设置r_i＝1；若/>设置第i代的码率r_i＝P₀，其中i＝2,3,...,m，码率估量参数/>r₁,r₂,...,r_i-1为第1,2,...,i-1代的码率值，ρ为历史码率值对/>的影响因子，P^loss为应用层丢包率限制；

T3、在第j代中，发送端根据公式y^j＝G^j·x^j对ω个原始数据包O_j进行系统型随机线性编码，生成个编码后的数据包C_j，其中j＝1,2,...,m， 为冗余包的个数，G^j为第j代编码的/>维系数矩阵；

所述步骤S2中，网络编码的码率估量参数设置为维系数矩阵G^j为

其中，用·来表示随机在有限域中选取的系数；

所述步骤S3中，第j代数据包编码完成后，发送端将编码得到的数据包C_j发送给接收端，其中前ω个为原始数据包，后l个为编码数据包，j＝1,2,...,m，发送端根据步骤S1、S2继续对后续代的原始数据包进行编码及发送；

所述步骤S4中，接收端对接收到的数据包通过高斯消去法求解线性方程组进行解码，接收端接收到q个编码数据包，即若q≥ω，通过求解成功恢复所有ω个原始数据包，其中/>为接收到的编码数据包附带的编码系数构成的矩阵；否则，接收到的编码包无用并被丢弃，仅成功接收到的原始数据包被接收端恢复。

2.根据权利要求1所述的一种提升CoAP协议非确认模式可靠性的高能效传输方法，其特征在于，所述步骤S1中，发送端为工业物联网设备，接收端为无线接入点。