專利名稱：基于時空多樣性的低輪值無線傳感器可靠傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線自組織網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，涉及一種基于時空多樣性的低輪值無線傳感器可靠傳輸算法，用于網(wǎng)絡(luò)在較低的能量開銷下，實現(xiàn)低時延的可靠傳輸。
背景技術(shù)：
近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事及民用的各個方面都得到了廣泛而深入的應(yīng)用。但是，在諸如軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、建筑物保護(hù)等應(yīng)用領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常需要連續(xù)工作幾個月甚至幾年的時間，同時還要保證能夠?qū)⒈O(jiān)測的數(shù)據(jù)及時可靠地傳回數(shù)據(jù)收集節(jié)
點。然而，由于傳感器節(jié)點的體積、成本、功耗等因素的限制，使得節(jié)點之間的通信非常不可靠。此外，無線傳感器節(jié)點通常僅僅依靠電池供電。相對于網(wǎng)絡(luò)的工作時間來說，節(jié)點的電池容量顯得非常有限。而且，在上述的應(yīng)用領(lǐng)域中，通常很難甚至不可能經(jīng)常為節(jié)點更換電池。目前有效延長網(wǎng)絡(luò)生存時間和減少節(jié)點能量消耗的方法是采用低輪值(low-duty-cycle)工作模式。在低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，處于睡眠狀態(tài)的節(jié)點可以關(guān)閉其無線電模塊。低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能受到兩個因素的影響。一是數(shù)據(jù)遞交時延，二是不可靠鏈路。為了降低時延并且提高可靠性，高效的方法是對原始消息進(jìn)行編碼，并將編碼塊通過多條路徑同時傳輸，但是這種方法缺少對低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特性的考慮，導(dǎo)致在低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中消息遞交時延較大。低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以顯著減少能量消耗，但是網(wǎng)絡(luò)的性能尤其是數(shù)據(jù)的傳輸時延卻不是很理想，之前的研究工作通過高效的調(diào)度算法來解決這一問題，但是需要復(fù)雜的調(diào)度和精確的時鐘同步。在低輪值無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)遞交功能上，部分研究者分別提出收集樹協(xié)議、動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)機制，有效控制時延算法等，但是這些方法都沒有綜合考慮時延、能量和遞交率。有鑒于此，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)生存時間以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延和可靠性，設(shè)計一種數(shù)據(jù)傳輸機制來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生存時間、數(shù)據(jù)遞交時延和遞交可靠性之間的有效平衡是一項非?；A(chǔ)而且很有必要的工作。本發(fā)明提供了一種新型的基于時空多樣性編碼的低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸算法，可以有效地發(fā)掘低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，從而在編碼、復(fù)雜度、空間和時間效率上取得較好的平衡，更重要的是提供的編碼機制可以對鏈路具有較好的魯棒性，在節(jié)約能量的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于時空多樣性的低輪值無線傳感器可靠傳輸方法。I)發(fā)掘并利用低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的時空相關(guān)性。由于節(jié)點的輪值周期各不相同，所以可以選擇多個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點以加速數(shù)據(jù)傳輸。2)結(jié)合編碼機制以獲得較高的能量效率和較低的傳輸時延。編碼機制不需要對每個編碼塊都進(jìn)行確認(rèn)，而且冗余的引入可以達(dá)到類似于預(yù)先重傳的效果，從而提高可靠性。
技術(shù)方案本發(fā)明的基于時空多樣性的低輪值無線傳感器可靠傳輸方法利用低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的時空相關(guān)性，結(jié)合編碼機制以獲得較高的能量效率和較低的傳輸時延，其具體步驟為I)建立數(shù)據(jù)傳輸機制模型，分別為建立網(wǎng)絡(luò)模型和定義數(shù)據(jù)傳輸問題機制首先建立一個簡單的低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點間同步，時鐘同步使用洪泛時鐘同步協(xié)議FTSP來實現(xiàn)，采用糾刪碼在源節(jié)點對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，接著定義數(shù)據(jù)傳輸問題機制，數(shù)據(jù)傳輸機制算法就是求得編碼塊在多條路徑上的分配方案，使得在滿足平均遞交率EDR不小于I-ε的條件下，達(dá)到最小的平均遞交時延，其中ε為自定義的遞交率因子；2)設(shè)計基于時空多樣性的編碼塊分配算法，分別為建立最優(yōu)算法模型和設(shè)計近優(yōu)求解算法首先建立最優(yōu)算法模型，在滿足遞交率不小于I- ε的條件下來最小化遞交時延，最優(yōu)分配問題可以描述為
權(quán)利要求
1. 一種基于時空多樣性的低輪值無線傳感器可靠傳輸方法，其特征在于，利用低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的時空相關(guān)性，結(jié)合編碼機制以獲得較高的能量效率和較低的傳輸時延，其具體步驟為 1)建立數(shù)據(jù)傳輸機制模型，分別為建立網(wǎng)絡(luò)模型和定義數(shù)據(jù)傳輸問題機制 首先建立一個簡單的低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點間同步，時鐘同步使用洪泛時鐘同步協(xié)議FTSP來實現(xiàn)，采用糾刪碼在源節(jié)點對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，接著定義數(shù)據(jù)傳輸問題機制，數(shù)據(jù)傳輸機制算法就是求得編碼塊在多條路徑上的分配方案，使得在滿足平均遞交率EDR不小于I-ε的條件下，達(dá)到最小的平均遞交時延，其中ε為自定義的遞交率因子； 2)設(shè)計基于時空多樣性的編碼塊分配算法，分別為建立最優(yōu)算法模型和設(shè)計近優(yōu)求解算法 首先建立最優(yōu)算法模型，在滿足遞交率不小于l-ε的條件下來最小化遞交時延，最優(yōu)分配問題可以描述為 Min:EDD=X: 〃/L、dc Whencirt=Iandj;^ =k-l EDR = Y' v.w. >\-εy2 = {0，1}，YllCzl y/ : = 0,---,(2' -I)O ^ Xi ^ b i = 1，...，n Tn x'=b X-Ii=I 1 其中在n條路徑上的有分配方案(Xl，X2,…，xn)，b是指全部的編碼塊個數(shù)，k指解出原始消息所需的最少編碼塊個數(shù)，au是第u個期望收到的編碼塊的到達(dá)時間，Pu是相應(yīng)的概率，PUdecode表示目的節(jié)點在收到第U個編碼塊后可以解出原始消息的概率，Czu和Czt分別表示在第Z種組合中是否成功收到了第U個和第t個預(yù)計到達(dá)的編碼塊，Wz表示第Z種組合出現(xiàn)的概率，Yz是定義的二進(jìn)制變量，EDD表示平均遞交時延； 其次，近似求解算法，由于求解最優(yōu)分配策略是NP難題，本方法使用直觀的方法來降低復(fù)雜度并給出次解優(yōu)的解法 求次優(yōu)解的主要思想如下，首先，將b個編碼塊分配到每一條路徑上，所以接收節(jié)點將會得到nXb個編碼塊的到達(dá)時間以及相應(yīng)的概率和所通過的路徑，按照到達(dá)時間將這nXb個編碼塊排序，并將所得到的集合記為{SEA}，然后，從集合{SEA}中選擇前b個編碼塊，并計算相應(yīng)的EDR ;如果EDR>1- ε，分配方案即可以通過b個編碼塊的遞交路徑求得；否則，在集合{SEA}中從第b個編碼塊開始，由后至前選擇遞交率最小的編碼塊，并將這個編碼塊以及其后通過同一條路徑傳輸?shù)乃芯幋a塊從集合{SEA}中刪除，然后再次計算前b個編碼塊的EDR，重復(fù)這個過程直到I SEAI =b，為了降低刪除的編碼塊對數(shù)據(jù)遞交時延的影響，定義變量δ，如果一個編碼塊的遞交率P滿足ρ〈ρ_+δ，才將此編碼塊和之后通過同一條路徑傳輸?shù)乃芯幋a塊都刪除；將最小的遞交率記為Pmin, 3)根據(jù)編碼塊分配策略，將原始消息進(jìn)行編碼后在相應(yīng)的路徑上進(jìn)行傳輸。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于時空多樣性的低輪值無線傳感器可靠傳輸方法，可以有效地發(fā)掘低輪值無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，從而在編碼、復(fù)雜度、空間和時間效率上取得較好的平衡，提供的編碼機制可以對鏈路具有較好的魯棒性，能夠獲得較高的能量效率和較低的傳輸時延，在節(jié)約能量的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。本發(fā)明實現(xiàn)步驟為，建立數(shù)據(jù)傳輸機制模型，即建立網(wǎng)絡(luò)模型和定義數(shù)據(jù)傳輸問題機制；設(shè)計基于時空多樣性的編碼塊分配算法，即建立最優(yōu)算法模型和設(shè)計近優(yōu)求解算法。
文檔編號H04L1/00GK102868488SQ20121033994
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者楊盤隆 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)