移動無線傳感器網(wǎng)絡中鏈路質量的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種移動無線傳感器網(wǎng)絡中鏈路質量的測量方法，所述方法包括以下步驟：S1、基于移動基站及無線傳感器網(wǎng)絡，建立有向圖；S2、根據(jù)數(shù)據(jù)包標記的方法，計算所述有向圖的路徑丟包率；S3、根據(jù)所述有向圖的路徑丟包率，計算所述有向圖的鏈路丟包率。本發(fā)明通過利用移動基站接收到的數(shù)據(jù)包的信息，進而測量傳送路徑的鏈路質量，從而達到高效、低能耗的進行鏈路質量測量的目的。
【專利說明】移動無線傳感器網(wǎng)絡中鏈路質量的測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無線自組織網(wǎng)絡與傳感器網(wǎng)絡領域，特別涉及一種移動無線傳感器網(wǎng)絡中鏈路質量的測量方法。
【背景技術】
[0002]近年來，無線傳感器領域的科技進展已經(jīng)使得無線傳感器網(wǎng)絡在規(guī)?；瘧梅矫嫒〉昧酥卮笸黄?。國內外的研究人員已經(jīng)利用無線傳感器網(wǎng)絡在火山爆發(fā)監(jiān)測、物種遷移、森林大火預防等領域取得了諸多進展；然而，這些系統(tǒng)通常需要在有限的能量供應下持久的運行較長的時間，于是能量成為了無線傳感器網(wǎng)絡性能的一個重大瓶頸，為了解決這一問題，業(yè)內人士提出了一種有效的方案，即給護林員配備一臺移動終端以避免數(shù)據(jù)包多跳傳輸帶來的能量消耗，大幅度提升網(wǎng)絡性能。
[0003]在無線傳感器網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡管理的基礎架構也是最重要的功能之一，網(wǎng)絡管理的基礎架構就是對網(wǎng)絡中各條鏈路的運行狀況進行實時監(jiān)控。若是發(fā)生嚴重丟包，網(wǎng)絡管理系統(tǒng)可以迅速定位出是哪條鏈路故障而發(fā)生丟包，從而可以輔助網(wǎng)絡管理人員對網(wǎng)絡狀況進行修復。網(wǎng)絡鏈路質量的測量結果，不僅可以定位較差的鏈路，還能為診斷工具提供有效信息，挖掘網(wǎng)絡錯誤的根本原因。
[0004]然而，基于移動終端的網(wǎng)絡架構給無線傳感器網(wǎng)絡的鏈路測量帶來了新的挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)在:
[0005]I)在靜態(tài)網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)的傳輸通常是基于一棵相對穩(wěn)定的路由樹，用于傳輸數(shù)據(jù)的鏈路相對較少。而在基于移動基站的網(wǎng)絡中，路由樹需要根據(jù)基站的位置做出實時的更新，大量的鏈路都參與了路由樹的建立。目前已有的針對靜態(tài)網(wǎng)絡的鏈路質量測量方案，或者假設路由樹的結構始終保持不變，或者假設路由樹的結構在短時間內保持穩(wěn)定。這樣的假設，在移動傳感器網(wǎng)絡中是不成立的。因為路由樹的結構會頻繁變化，而由于基站的移動性，也很難找到一個合適的時間段，使得期間網(wǎng)絡結構保持固定。
[0006]2)部分已有的測量技術是采用主動向網(wǎng)絡中注入探測包的方法來主動收集鏈路狀況；這樣不僅會加重節(jié)點的負擔，增加不必要的能耗，而且會造成網(wǎng)絡擁塞，使得原本丟包率就很高的鏈路其質量變得更差，導致測量的結果也不準確。由此可見，目前的鏈路質量測量方案，在移動基站存在的情況下會失效。
[0007]因此，現(xiàn)有技術確有改善的必要。
【發(fā)明內容】
[0008](一)解決的技術問題
[0009]本發(fā)明解決的技術問題是提供一種移動無線傳感器網(wǎng)絡中鏈路質量的測量方法，不用向移動無線傳感器網(wǎng)絡主動注入數(shù)據(jù)包，且能夠適應任意的網(wǎng)絡拓撲結構，可以實時的進行鏈路質量的監(jiān)控和測量。
[0010](二)技術方案[0011]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn):
[0012]本發(fā)明提出了一種移動無線傳感器網(wǎng)絡中鏈路質量的測量方法，所述方法包括以下步驟:
[0013]S1、基于移動基站及無線傳感器網(wǎng)絡，建立有向圖；
[0014]S2、根據(jù)數(shù)據(jù)包標記的方法，計算所述有向圖的路徑丟包率；
[0015]S3、根據(jù)所述有向圖的路徑丟包率，計算所述有向圖的鏈路丟包率。
[0016]優(yōu)選地，步驟SI還包括:當所述移動基站在所述無線傳感器網(wǎng)絡中移動時，基于無線傳感器網(wǎng)絡，重新建立有向圖。
[0017]優(yōu)選地，步驟S2中所述數(shù)據(jù)包標記的方法為:
[0018]S21、對所述有向圖中傳感器節(jié)點發(fā)出的包括序列號域的數(shù)據(jù)包增加通過節(jié)點ID域和跳數(shù)域；其中，所述序列號域用于標識數(shù)據(jù)包的編號，所述通過節(jié)點ID域用于記錄所述數(shù)據(jù)包通過節(jié)點的ID，所述跳數(shù)域用于記錄所述數(shù)據(jù)包的跳躍總數(shù)；
[0019]S22、當傳感器節(jié)點A接收到傳感器節(jié)點B發(fā)送的當前數(shù)據(jù)包時,判斷所述當前數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域是否被標記過；若是，則所述傳感器節(jié)點A直接將所述當前數(shù)據(jù)包轉發(fā)；若否，則跳轉步驟S23 ；
[0020]S23、判斷所述傳感器節(jié)點A是否接收過所述傳感器節(jié)點B發(fā)送的數(shù)據(jù)包；
[0021]若否，則將所述當前數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域設置為所述傳感器節(jié)點A的ID ;
[0022]若是，則跳轉步驟S24 ；
[0023]S24、判斷所述傳感器節(jié)點A接收到的所述傳感器節(jié)點B發(fā)送的上一數(shù)據(jù)包，是否滿足所述上一數(shù)據(jù)包的所述序列號域等于所述當前數(shù)據(jù)包的所述序列號域與I的差值；
[0024]若滿足，則將所述當前數(shù)據(jù)包的所述跳數(shù)域增加I ;
[0025]若不滿足，則將所述當前數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域設置為所述傳感器節(jié)點A的ID0
[0026]優(yōu)選地，步驟S2中所述計算所述有向圖的路徑丟包率之前還包括:
[0027]當所述移動基站接收到預設數(shù)目數(shù)據(jù)包后，利用所述預設數(shù)目數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域確定所述預設數(shù)目數(shù)據(jù)包的傳送路徑；
[0028]記錄所述傳送路徑在丟包前所述移動基站接收到的前一個數(shù)據(jù)包所述序列號域dl，和記錄丟包后所述移動基站接收到的后一個數(shù)據(jù)包所述序列號域d2，則所述傳送路徑的數(shù)據(jù)包丟失量為d2-dl-l。
[0029]優(yōu)選地，步驟S2中所述計算所述有向圖的路徑丟包率為:所述傳送路徑的數(shù)據(jù)包丟失量，與所述傳送路徑的數(shù)據(jù)包丟失量與所述預設數(shù)目數(shù)據(jù)包和的比值。
[0030]優(yōu)選地,步驟S3具體包括:
[0031]S31、根據(jù)所述路徑與所述路徑中每條鏈路的關系，設置路由矩陣；
[0032]S32、根據(jù)所述路由矩陣和所述路徑丟包率，并根據(jù)以下公式計算鏈路丟包率；
[0033]所述公式為:Rm
XnXnXl — bmxi ；
[0034]bmX1 = (b1, b2,...，bm)T ;
[0035]bj = -log(1-Pi)；
[0036]xnX1 = (X1, x2, xn)T ;
[0037]ai = 1 — 2- Xi.[0038]其中，Rmxn為路由矩陣，Pi為路徑丟包率，a i為鏈路丟包率，Xnx1AmxPH xn、Xi均為中間變量。
[0039](三)有益效果
[0040]本發(fā)明通過提供一種移動無線傳感器網(wǎng)絡中鏈路質量的測量方法，通過利用移動基站接收到的數(shù)據(jù)包的信息，進而測量傳送路徑的鏈路質量，從而達到高效、低能耗的進行鏈路質量測量的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]圖1是本發(fā)明提出的方法流程圖；
[0042]圖2是移動基站與傳感器建立的路由樹不意圖；
[0043]圖3是鏈路變化后，移動基站與傳感器建立的路由樹不意圖；
[0044]圖4是移動基站移動后與傳感器建立的路由樹不意圖。
【具體實施方式】
[0045]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0046]本發(fā)明提出了一種移動無線傳感器網(wǎng)絡中鏈路質量的測量方法，該方法對網(wǎng)絡的動態(tài)性具有良好的適應能力，適用于任意的網(wǎng)絡拓撲結構；不向網(wǎng)絡主動注入數(shù)據(jù)包，從而不產生額外的網(wǎng)絡流量，也不對系統(tǒng)的正常運行和鏈路質量測量結果產生干擾，能夠勝任在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡的部署和運行中長期提供鏈路質量的監(jiān)控測量；結果準確性高，能夠實時地進行鏈路質量監(jiān)控。該方法的核心內容在于對基于移動基站的無線傳感網(wǎng)的結構進行建模，可以分析出在移動基站存在的情況下，網(wǎng)絡鏈路質量彼此之間的相互影響情況，進而來實施具體的鏈路測量。該方法流程圖如圖1所示，所述方法包括以下步驟:
[0047]S1、基于移動基站及無線傳感器網(wǎng)絡，建立有向圖；
[0048]S2、根據(jù)數(shù)據(jù)包標記的方法，計算所述有向圖的路徑丟包率；
[0049]S3、根據(jù)所述有向圖的路徑丟包率，計算所述有向圖的鏈路丟包率。
[0050]步驟SI具體包括:基于移動基站的無線傳感器網(wǎng)絡可以用一幅有向圖G=(V，E)來表示。其中V代表網(wǎng)絡中的節(jié)點集合，包括靜態(tài)的傳感器節(jié)點和移動的基站節(jié)點兩類。靜態(tài)的傳感器節(jié)點被部署在目標區(qū)域，周期性的采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并且一旦被部署之后就無法移動。靜態(tài)節(jié)點可以在低功耗的模式下運行，它們時鐘不一定是同步的，因而它們的采樣周期可以不一致。另一方面，移動的節(jié)點被移動的用戶所攜帶，它們的作用是與周圍的靜態(tài)節(jié)點交互，收集靜態(tài)節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)。移動節(jié)點的路徑既可以是預先設定好的，也可以是在數(shù)據(jù)收集的過程中根據(jù)收集的結果動態(tài)調整得到。由于移動節(jié)點始終在運動，能與移動節(jié)點進行通信的靜態(tài)節(jié)點的集合也一直在變化。
[0051]有向圖G的邊集合E代表網(wǎng)絡中所有傳感器節(jié)點的鏈路。由于傳感網(wǎng)的鏈路可能是不對稱的，即節(jié)點A能夠發(fā)送數(shù)據(jù)包至B節(jié)點，但節(jié)點B無法發(fā)送數(shù)據(jù)包至A節(jié)點，因而集合E中的邊都是有向邊。鏈路既可能存在于一對靜態(tài)節(jié)點之間，也可能存在于靜態(tài)節(jié)點和動態(tài)節(jié)點之間。
[0052]如圖2-4所示為例介紹網(wǎng)絡的基本模型。圖2展示了一個由8個靜態(tài)節(jié)點和I個動態(tài)節(jié)點所組成的無線傳感器網(wǎng)絡。移動基站正沿著虛線箭頭軌跡運動，當前的位置是U。為了收集網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)，一棵以Su為根節(jié)點的路由樹Tu被建立起來。Tu由8條不同的鏈路組成。然而，由于無線信號易受干擾等原因，一段時間之后，節(jié)點E至節(jié)點G的鏈路失效，節(jié)點E轉而選擇節(jié)點H為其轉發(fā)數(shù)據(jù)。同樣的，節(jié)點B至節(jié)點C的鏈路同樣失效，節(jié)點B轉而選擇節(jié)點A為其轉發(fā)數(shù)據(jù)。原來的路由樹Tu的結構也因此改變，形成了圖3中的新路由樹Tu’。一段時間之后，如圖4所示，移動基站從位置u移動到了位置V，導致節(jié)點D和G再也不能直接與基站通信。因而，路由樹Tu’也失效，位置V處的路由樹Tv被建立。通過觀察三棵不同的路由樹，可以有以下發(fā)現(xiàn):(a)路由樹之間會共享一些共同的鏈路，比如鏈路(C, D)和(F，G) ；(b)由于外部環(huán)境和節(jié)點移動性等因素，原有的鏈路會失效，如鏈路(E，G)和(G, H)。
[0053]步驟SI還包括:當所述移動基站在所述無線傳感器網(wǎng)絡中移動時，基于無線傳感器網(wǎng)絡，重新建立有向圖。
[0054]步驟S2中所述數(shù)據(jù)包標記的方法為:
[0055]S21、對于有向圖中每一個傳感器節(jié)點都有一個序列號域(sequencenumber ),對所述有向圖中傳感器節(jié)點發(fā)出的包括序列號域的數(shù)據(jù)包增加通過節(jié)點ID域(pass node ID)和跳數(shù)域(hop count);其中，所述序列號域用于標識數(shù)據(jù)包的編號，所述通過節(jié)點ID域用于記錄在傳送路徑中所述數(shù)據(jù)包通過的節(jié)點的ID，所述跳數(shù)域用于記錄所述數(shù)據(jù)包在傳送路徑中的跳躍總次數(shù)；
[0056]S22、當傳感器節(jié)點A接收到傳感器節(jié)點B發(fā)送的當前數(shù)據(jù)包時,判斷所述當前數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域是否被標記過；若是，則所述傳感器節(jié)點A直接將所述當前數(shù)據(jù)包轉發(fā)；若否，則跳轉步驟S23 ；
[0057]S23、判斷所述傳感器節(jié)點A是否接收過所述傳感器節(jié)點B發(fā)送的數(shù)據(jù)包；
[0058]若否，則將所述當前數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域設置為所述傳感器節(jié)點A的ID ;
[0059]若是，則跳轉步驟S24 ；
[0060]S24、判斷所述傳感器節(jié)點A接收到的所述傳感器節(jié)點B發(fā)送的上一數(shù)據(jù)包，是否滿足所述上一數(shù)據(jù)包的所述序列號域等于所述當前數(shù)據(jù)包的所述序列號域與I的差值；
[0061]若滿足，則將所述當前數(shù)據(jù)包的所述跳數(shù)域增加I ;
[0062]若不滿足，則將所述當前數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域設置為所述傳感器節(jié)點A的ID0
[0063]步驟S2中所述計算所述有向圖的路徑丟包率之前還包括:
[0064]當所述移動基站接收到預設數(shù)目數(shù)據(jù)包后，利用所述預設數(shù)目數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域確定所述預設數(shù)目數(shù)據(jù)包的傳送路徑；
[0065]記錄所述傳送路徑在丟包前所述移動基站接收到的前一個數(shù)據(jù)包所述序列號域dl，和記錄丟包后所述移動基站接收到的后一個數(shù)據(jù)包所述序列號域d2，則所述傳送路徑的數(shù)據(jù)包丟失量為d2-dl-l。
[0066]步驟S2中所述計算所述有向圖的路徑丟包率為:所述傳送路徑的數(shù)據(jù)包丟失量，與所述傳送路徑的數(shù)據(jù)包丟失量與所述預設數(shù)目數(shù)據(jù)包和的比值。
[0067]步驟S3具體包括:
[0068]S31、根據(jù)所述路徑與所述路徑中每條鏈路的關系，設置路由矩陣；[0069]S32、根據(jù)所述路由矩陣和所述路徑丟包率，并根據(jù)公式計算鏈路丟包率；
[0070]根據(jù)以上移動無線傳感器網(wǎng)絡模型，可以為移動傳感器網(wǎng)絡的鏈路質量測量建立代數(shù)模型。假設網(wǎng)絡中任意一條$ei都存在一定的丟包率Cii，即對于在這條鏈路上的傳輸?shù)拿恳粋€數(shù)據(jù)包都有Cii的概率丟失。由于需要研究的問題是在一段時間之內鏈路質量的平均表現(xiàn)，所以認為Cii會在較短的一段時間內保持不變。定義網(wǎng)絡中的一條路徑為列向量rie {O, Iln0其中，若A的第j個分量等于0，則代表鏈路4存在路徑巧中，否則鏈路&不屬于路徑ri的一部分。類似于鏈路丟包率，路徑丟包率Pi被定義為沿著路徑A傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中，丟失的那部分占總數(shù)的比例。假設不同的鏈路上數(shù)據(jù)包的丟失是獨立的事件，路徑丟包率Pi和鏈路丟包率a i的關系可以表示為:
[0071]
【權利要求】
1.一種移動無線傳感器網(wǎng)絡中鏈路質量的測量方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: .51、基于移動基站及無線傳感器網(wǎng)絡，建立有向圖； .52、根據(jù)數(shù)據(jù)包標記的方法，計算所述有向圖的路徑丟包率； . 53、根據(jù)所述有向圖的路徑丟包率，計算所述有向圖的鏈路丟包率。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟SI還包括:當所述移動基站在所述無線傳感器網(wǎng)絡中移動時，基于無線傳感器網(wǎng)絡，重新建立有向圖。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2中所述數(shù)據(jù)包標記的方法為: . 521、對所述有向圖中傳感器節(jié)點發(fā)出的包括序列號域的數(shù)據(jù)包增加通過節(jié)點ID域和跳數(shù)域；其中，所述序列號域用于標識數(shù)據(jù)包的編號，所述通過節(jié)點ID域用于記錄所述數(shù)據(jù)包通過節(jié)點的ID，所述跳數(shù)域用于記錄所述數(shù)據(jù)包的跳躍總數(shù)； . 522、當傳感器節(jié)點A接收到傳感器節(jié)點B發(fā)送的當前數(shù)據(jù)包時，判斷所述當前數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域是否被標記過；若是，則所述傳感器節(jié)點A直接將所述當前數(shù)據(jù)包轉發(fā)；若否，則跳轉步驟S23 ； .523、判斷所述傳感器節(jié)點A是否接收過所述傳感器節(jié)點B發(fā)送的數(shù)據(jù)包； 若否，則將所述當前 數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域設置為所述傳感器節(jié)點A的ID ; 若是，則跳轉步驟S24 ； . 524、判斷所述傳感器節(jié)點A接收到的所述傳感器節(jié)點B發(fā)送的上一數(shù)據(jù)包，是否滿足所述上一數(shù)據(jù)包的所述序列號域等于所述當前數(shù)據(jù)包的所述序列號域與I的差值； 若滿足，則將所述當前數(shù)據(jù)包的所述跳數(shù)域增加I ; 若不滿足，則將所述當前數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域設置為所述傳感器節(jié)點A的ID。
4.根據(jù)權利要求1~3任一所述的方法，其特征在于，步驟S2中所述計算所述有向圖的路徑丟包率之前還包括: 當所述移動基站接收到預設數(shù)目數(shù)據(jù)包后，利用所述預設數(shù)目數(shù)據(jù)包的所述通過節(jié)點ID域確定所述預設數(shù)目數(shù)據(jù)包的傳送路徑； 記錄所述傳送路徑在丟包前所述移動基站接收到的前一個數(shù)據(jù)包所述序列號域dl，和記錄丟包后所述移動基站接收到的后一個數(shù)據(jù)包所述序列號域d2，則所述傳送路徑的數(shù)據(jù)包丟失量為d2-dl_l。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟S2中所述計算所述有向圖的路徑丟包率為:所述傳送路徑的數(shù)據(jù)包丟失量，與所述傳送路徑的數(shù)據(jù)包丟失量與所述預設數(shù)目數(shù)據(jù)包和的比值。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟S3具體包括: .531、根據(jù)所述路徑與所述路徑中每條鏈路的關系，設置路由矩陣； . 532、根據(jù)所述路由矩陣和所述路徑丟包率，并根據(jù)以下公式計算鏈路丟包率； 所述公式為:RmXnxnX1 — bmX1 ；
bmxi 一 (bjj b2，...，bm)；
bi = -log (1-Pi)；
Xnxl — (X1, X2,…，χη)；α? = I — 2—xi 其中，Rmxn為路由矩陣，Pi為路徑丟包率，α i為鏈路丟包率，xnx1、bmX1、t^、bm、xnλ Xi均為中間變量。
【文檔編號】H04W24/00GK103906088SQ201210586391
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月28日 優(yōu)先權日:2012年12月28日
【發(fā)明者】苗欣, 劉克彬, 劉云浩 申請人:清華大學