基于网络编码的传感网数据分发中的转发选择方法技术

本发明专利技术公开了一种基于网络编码的传感网数据分发中的转发选择方法。转发节点通过计算所有待发送的编码数据包的平均有效接收量，根据此平均有效接收量等待一段时间后开始发送请求的编码数据包，平均有效接收量越大，等待时间越短。本发明专利技术方法与现有技术相比，考虑了客观存在的链路相关性的影响，能够更准确的进行转发选择。

【技术实现步骤摘要】
基于网络编码的传感网数据分发中的转发选择方法
本专利技术属于无线网络与传感网络领域，涉及传感网中基于网络编码的数据分发中的转发选择方法。
技术介绍
随着物联网技术的不断发展，无线传感网络技术迅速发展并被广泛应用到军事侦察、公共安全、智能交通、环境检测、医疗保健等诸多领域。典型的无线传感网络由大量微型传感器节点组成，它们被部署在无人的或需要人类频繁参与的环境中，并通过无线自组成网，通过拓扑控制和网络协议自动形成多跳网络系统。无线传感网络使人们在任何时间、地点和环境条件下实时获取大量详实而可靠的信息，仿佛人类将远程神经末梢伸向了世界的万物。正因为无线传感网规模之大覆盖范围之广，使得传感器节点上所运行程序的代码更新遇到很多挑战，代码更新的过程是一个大数据分发的过程，选择正确的发送端能减少数据冲突、传输开销和完成时间。现有的很多工作都是研究可靠的高效的数据分发协议，其中有一种就是对要发送的数据进行编码，这样每次发送的数据包对绝大多数节点都是有用的，节点收到一定数量的编码数据包后就可以解码得到原来的数据包，这种方式比之前不使用编码时，性能有所提高还不够完善，因忽略了链路相关性存在的客观事实，使得选出的发送端不够准确，网络的传输开销并没有得到消减，近年来研究表明链路相关性在比较大的程度上影响到数据的分发。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种基于网络编码的传感网数据分发中的转发选择方法，能够进行更准确的转发选择，减少传输开销。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：本专利技术基于网络编码的传感网数据分发中的转发选择方法，包括如下步骤：步骤一，传感网中的接收端节点在接收完当前一轮编码数据包后，计数缺失的编码数据包，然后向传感网中广播REQ消息，所述REQ消息包括节点ID、数据页的序号和缺失数量，所述节点ID为发送该REQ消息的接收端节点的ID，所述数据页的序号为当前接收的数据页的序号，所述缺失数量为当前一轮编码数据包的缺失数量；若所述接收端节点接收到的当前数据页中的所有原始数据包都已通过解码得到，则所述接收端节点将要广播的REQ消息中的所述缺失数量计为N，N为单个数据页所包含的编码数据包的数量，N≥1；步骤二，传感网中的转发节点收听并获取当前REQ消息中的节点ID、数据页的序号和缺失数量，然后将当前REQ消息中的节点ID和缺失数量存储到结构体数组中，发送端节点记录所获取的缺失数量作为当前缺失计数值；步骤三，传感网中的转发节点继续收听并获取当前REQ消息中的节点ID、数据页的序号和缺失数量；步骤四，传感网中的转发节点比较最新获取的REQ消息中的数据页的序号和该发送端节点上一轮发送的数据页的序号；若最新获取的REQ消息中的数据页的序号较大，则丢弃最新获取的REQ消息，此时如果还有REQ消息需要收听，则返回执行步骤三，否则执行步骤五；若最新获取的REQ消息中的数据页的序号较小，则清空当前结构体数组中的所有元素，再把最新获取的REQ消息中的节点ID和缺失数量存储到结构体数组中，且该转发节点将当前缺失计数值更新为最新获取的REQ消息中的缺失数量，此时如果还有REQ消息需要收听，则返回执行步骤三，否则执行步骤五；若最新获取的REQ消息中的数据页的序号和该转发节点上一轮发到的数据页的序号相等，则判断最新获取的REQ消息中的节点ID是否已经存储在当前结构体数组中：如果是，则丢弃最新获取的REQ消息；如果不是，则直接将该接收端节点的ID和最新获取的REQ消息中的缺失数量存储到当前结构体数组中，并比较最新获取的REQ消息中的缺失数量和该转发节点所存储的当前缺失计数值，如果该转发节点所存储的当前缺失计数值更小，则将该当前缺失计数值更新为最新获取的REQ消息中的缺失数量，此时如果还有REQ消息需要收听，则返回执行步骤三，否则执行步骤五；步骤五：在REQ消息接收过程结束过后，转发节点依次计算当前数据页中的待发送的M个下一轮编码数据包的有效接收量，M的取值为转发节点所存储的当前缺失计数值；对于M个待发送的下一轮编码数据包中的第i个编码数据包，1≤i≤M，转发节点依次扫描存储在结构体数组中的元素，如果结构体数组中的某个接收端节点的ID所对应的编码数据包的缺失数量大于等于i，则根据式(1)计算第i个编码数据包的有效接收量，否则根据式(2)和式(3)计算第i个编码数据包的有效接收量，最后根据式(4)计算M个编码数据包的平均有效接收量，然后启动一个计时器，所述计时器的计时间隔如式(5)所示，当计时器触发时，转发节点发送M个编码数据包；其中，式(1)至(4)中：M表示转发节点所存储的当前缺失计数值；i表示转发节点待发送的M个编码数据包中的第i个编码数据包，1≤i≤M；k表示发送REQ消息的接收端节点；u表示接收REQ消息的转发节点；nk表示接收端节点k所发送的REQ消息中的缺失数量的值，quk表示链路u→k的链路质量；μ[i]表示当nk≥i时，第i个编码数据包的有效接收量；η[i]表示当nk＜i时，第i个编码数据包的有效接收量；Pi-1(k)表示转发节点待发送的前i-1个编码数据包中，接收端节点k收到的编码数据包数小于nk的概率，它是接收端节点k收到0到nk-1个编码数据包的概率之和；组合数表示前i-1个编码数据包被接收端节点k收到其中m个的情形，1≤m≤i-1；表示m个编码数据包都被接收端节点k收到的概率；(1-quk)i-1-m表示剩下的i-1-m个编码数据包没有被接收端节点k收到的概率；γu表示转发节点u所计算的M个编码数据包的平均有效接收量；式(5)中，C为不小于100的整数；γu表示转发节点u所计算的M个编码数据包的平均有效接收量，Tr表示(0，8]范围内的随机数。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：在基于网络编码的传感网数据分发中，考虑了客观存在的链路相关性对编码数据分发的影响，当链路质量不变，链路相关性越强，在步骤五中计算的待发送的编码数据包的平均有效接收量就越大，计时器的计时间隔就越短，相应的转发节点就越早发送编码数据包，因此能够进行更准确的转发选择，减少传输开销，从而间接地减少完成时间，提高数据分发的效率。附图说明图1是一个数据分发过程中的一个中间状态图；图1中，节点A和B是两个转发节点，节点C、D、和E是3个接收端节点，每个有向箭头旁的百分数代表链路质量，比如A-＞C的链路质量是50％；链路的相关性同样也在图1中给出了，链路A-＞C和A-＞D之间的链路相关性为100％，表示当A-＞C的传输失败，A-＞D的传输也失败了，而B-＞D和B-＞E之间的链路相关性为0，表示B-＞D的传输失败了，但B-＞E的传输却是成功的；节点C、D、E下方的数字表示各节点的编码数据包的缺失计数；虚线箭头表示需要进行发送端的选择。具体实施方式本专利技术方法可在嵌入式网络操作系统TinyOS2.1中实现，也可在contiki等其他传感操作系统中实现。以下以嵌入式网络操作系统TinyOS2.1作为本专利技术方法的实现系统，结合附图以具体实例详细说明本专利技术方法。假设当前正在传输的数据页的序号为P(以下简称数据页P)，数据页的大小为10，表示每个数据页由10个编码数据包组成。步骤一，传感网中的接收端节点在接收完当前一轮编码数据包后，计数缺失的编码数据包，节点C、D、E本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于网络编码的传感网数据分发中的转发选择方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一,传感网中的接收端节点在接收完当前一轮编码数据包后，计数缺失的编码数据包，然后向传感网中广播REQ消息，所述REQ消息包括节点ID、数据页的序号和缺失数量，所述节点ID为发送该REQ消息的接收端节点的ID，所述数据页的序号为当前接收的数据页的序号，所述缺失数量为当前一轮编码数据包的缺失数量；若所述接收端节点接收到的当前数据页中的所有原始数据包都已通过解码得到，则所述接收端节点将要广播的REQ消息中的所述缺失数量计为N，N为单个数据页所包含的编码数据包的数量，N≥1；步骤二，传感网中的转发节点收听并获取当前REQ消息中的节点ID、数据页的序号和缺失数量，然后将当前REQ消息中的节点ID和缺失数量存储到结构体数组中，转发节点记录所获取的缺失数量作为当前缺失计数值；步骤三，传感网中的转发节点继续收听并获取当前REQ消息中的节点ID、数据页的序号和缺失数量；步骤四，传感网中的转发节点比较最新获取的REQ消息中的数据页的序号和该转发节点上一轮发送的数据页的序号；若最新获取的REQ消息中的数据页的序号较大，则丢弃最新获取的REQ消息，此时如果还有REQ消息需要收听，则返回执行步骤三，否则执行步骤五；若最新获取的REQ消息中的数据页的序号较小，则清空当前结构体数组中的所有元素，再把最新获取的REQ消息中的节点ID和缺失数量存储到结构体数组中，且该转发节点将当前缺失计数值更新为最新获取的REQ消息中的缺失数量，此时如果还有REQ消息需要收听，则返回执行步骤三，否则执行步骤五；若最新获取的REQ消息中的数据页的序号和该转发节点上一轮发送的数据页的序号相等，则判断最新获取的REQ消息中的节点ID是否已经存储在当前结构体数组中：如果是，则丢弃最新获取的REQ消息；如果不是，则直接将该节点ID和最新获取的REQ消息中的缺失数量存储到当前结构体数组中，并比较最新获取的REQ消息中的缺失数量和该转发节点所存储的当前缺失计数值，如果该转发节点所存储的当前缺失计数值更小,则将该当前缺失计数值更新为最新获取的REQ消息中的缺失数量，此时如果还有REQ消息需要收听,则返回执行步骤三,否则执行步骤五；步骤五：在REQ消息接收过程结束过后，转发节点依次计算当前数据页中的待发送的M个下一轮编码数据包的有效接收量，M的取值为发送端节点所存储的当前缺失计数值；对于M个待发送的下一轮编码数据包的第i个编码数据包，1≤i≤M，转发节点依次扫描存储在结构体数组中的元素，如果结构体数组中的某个接收端节点的ID所对应的编码数据包的缺失数量大于等于i，则根据式（1）计算第i个编码数据包的有效接收量，否则根据式（2）和式（3）计算第i个编码数据包的有效接收量，最后根据式（4）计算M个编码数据包的平均有效接收量,然后启动一个计时器，所述计时器的计时间隔如式（5）所示，当计时器触发时，发送端节点发送M个编码数据包；μ[i]=Σk:nk≥iquk---(1)]]>η[i]=Σk:nk<iPi-1(k)·quk---(2)]]>其中，Pi-1(k)=Σm=0nk-1Ci-1m·qukm·(1-quk)i-1-m---(3)]]>γu=Σi=1M(μ[i]+η[i])M---(4)]]>式（1）至（4）中：M表示转发节点所存储的当前缺失计数值；i表示转发节点待发送的M个编码数据包中的第i个编码数据包,1≤i≤M；k表示发送REQ消息的接收端节点；u表示接收REQ消息的转发节点；nk表示接收端节点k所发送的REQ消息中的缺失数量的值，quk表示链路u→k的链路质量；μ[i]表示当nk≥i时，第i个编码数据包的有效接收量；η[i]表示当nk＜i时，第i个编码数据包的有效接收量；Pi‑1(k)表示转发节点待发送的前i‑1个编码数据包中，接收端节点k收到的编码数据包数小于nk的概率，它是接收端节点k收到0到nk‑1个编码数据包的概率之和；组合数表示前i‑1个编码数据包被接收端节点k收到其中m个的情形，1≤m≤i‑1；表示m个编码数据包都被接收端节点k收到的概率；(u‑quk)i‑1‑m表示剩下的i‑1‑m个编码数据包没有被接收端节点k收到的概率；γu表示转发节点u所计算的M个编码数据包的平均有效接收量；Δt=Cγu+Tr---(5)]]>式（5）中，C为不小于100的整数；γu表示平均有效接收量Tr表示（0,8]范围内的随机数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于网络编码的传感网数据分发中的转发选择方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，传感网中的接收端节点在接收完当前一轮编码数据包后，计数缺失的编码数据包，然后向传感网中广播REQ消息，所述REQ消息包括节点ID、数据页的序号和缺失数量，所述节点ID为发送该REQ消息的接收端节点的ID，所述数据页的序号为当前接收的数据页的序号，所述缺失数量为当前一轮编码数据包的缺失数量；若所述接收端节点接收到的当前数据页中的所有原始数据包都已通过解码得到，则所述接收端节点将要广播的REQ消息中的所述缺失数量计为N，N为单个数据页所包含的编码数据包的数量，N≥1；步骤二，传感网中的转发节点收听并获取当前REQ消息中的节点ID、数据页的序号和缺失数量，然后将当前REQ消息中的节点ID和缺失数量存储到结构体数组中，转发节点记录所获取的缺失数量作为当前缺失计数值；步骤三，传感网中的转发节点继续收听并获取当前REQ消息中的节点ID、数据页的序号和缺失数量；步骤四，传感网中的转发节点比较最新获取的REQ消息中的数据页的序号和该转发节点上一轮发送的数据页的序号；若最新获取的REQ消息中的数据页的序号较大，则丢弃最新获取的REQ消息，此时如果还有REQ消息需要收听，则返回执行步骤三，否则执行步骤五；若最新获取的REQ消息中的数据页的序号较小，则清空当前结构体数组中的所有元素，再把最新获取的REQ消息中的节点ID和缺失数量存储到结构体数组中，且该转发节点将当前缺失计数值更新为最新获取的REQ消息中的缺失数量，此时如果还有REQ消息需要收听，则返回执行步骤三，否则执行步骤五；若最新获取的REQ消息中的数据页的序号和该转发节点上一轮发送的数据页的序号相等，则判断最新获取的REQ消息中的节点ID是否已经存储在当前结构体数组中：如果是，则丢弃最新获取的REQ消息；如果不是，则直接将该节点ID和最新获取的REQ消息中的缺失数量存储到当前结构体数组中，并比较最新获取的REQ消息中的缺失数量和该转发节点所存储的当前缺失计数值，如果该转发节点所存储的当前缺失计数值更小，则将该当前缺失计数值更新为最新获取的RE...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜佳俊，董玮，陈纯，赵志为，王永刚，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33