无线传感器网络中基于不等中继集合的数据传输调度方法技术

本发明专利技术公开了一种无线传感器网络中基于不等中继集合的数据传输调度方法，本发明专利技术的关键点在于依据无线传感器网络能量消耗特有的近基站能量消耗大，而远基站节点能量消耗小有大量能量剩余的特征，突破了以往研究中整个网络都选择相同数量中继节点的方法。在本发明专利技术方法中，对于远基站区域传输数据的节点，为其选择数量较大的中继节点。选择的中继节点数量越大，则节点需要等待中继节点醒来的等待时间越短，因而数据传输延迟越小，而且传输失败时，尝试传输的次数越多，因而提高了数据传输的成功率，也就数据传输可靠性高。因而，本发明专利技术方法相比现有方法在整体上能够在不降低网络寿命的情况下，提高数据传输的可靠性，降低数据传输延迟。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感器网络数据传输领域，特别涉及如何在应用对延迟敏感而网 络传输有一定损失的无线链路中的传输策略，从而使得网络数据传输可靠性高，延迟小，而 网络寿命高的数据传输方法。
技术介绍
无线传感器网络是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点以 自组织和多跳的方式构成的无线网络，可以广泛的运用到工业监测，农业，民用，环境监测， 战场，海洋，火灾等各种特殊环境与应用中，被认为是未来的重要物联网络的关键基础技术 之一。无线传感器网络中可靠，低延迟的数据传输问题是一类重要的研究课题，其研究具有 重要的意义。 (1)如何保障数据传输的可靠。无线传感器网络基于无线传输数据，无线网络特有 的特点是容易受到环境干扰与节点之间的干扰，再加上天生的其传输误码率、错换率，其传 输链路远差于有线网络，其数据传输的无线传感器网络的包丢失率高达10%到30%是很普 遍的。误码率也比有线网络高出几个数量级，这样大大降低了点对点传输时的成功率； (2)如何减少无线传感器网络传输的延迟。无线传输的延迟相对于有线网络高数 倍。其主要原因是，无线传输的可靠性低，为发保障数据传送的可靠性，当前采用的最主要 的方法是重传机制，其基本原因是当接收方收到发送方的数据包时再返回一个确认收到数 据包的ACK消息。如果接收方收到了确认ACK消息则继续下一个数据包的发送，否则在等待 预定的超时时间后重发此数据包。 (3)无线传感器网络的网络寿命的问题。无线传感器网络节点一般构造简单，成本 低廉，可以大规模地部署，其节点通常配备电池作为其能源，所以如何有效地利用能量延长 网络寿命是无线传感器网络的重要研究课题之一。一般来说，数据传输是节点最主要的能 量消耗。因而提高网络寿命的主要途径有二个，一是减少节点的数据传送，二是如何合理有 效地利用整个网络的能量。 采用中继节点来进行数据传输是属于一种变种的重传机制的数据传输方法。这种 方法比较适合于周期性工作/睡眠的传感器网络。在这样的网络中，传感器网络节点是周期 性工作与睡眠的。因为，睡眠能够极大的减少节点的能量消耗，因而传感器网络中要尽可能 多的将节点转入睡眠状态以减少节点的能量消耗。因而，当节点有数据传输时，如果其中继 节点都处于睡眠状态时，则需要等待中继节点醒来后才能向前传输。但由于无线链路的不 稳定性，数据传输可能不成功。因而数据发送节点需继续等待下一个中继节点醒来后，再继 续尝试数据传输。因而，在这样的方法中，如果选取的中继节点多的话，则当节点有数据传 输时，需要等待中继节点醒来所需的时间越短，因而数据传输的延迟越小。同时，由于数据 发送方会尝试传输完所有中继节点不成功后再放弃当前数据包的传输。因而，虽然中继节 点越多，数据传输可靠性越高，但中继节点越多，尝试传输的次数，节点等待的时间越长，因 而其能量消耗越大。现有的策略是选用固定数量的中继节点，这种策略没有考虑节点距离 基站的远近，因而往往造成离基站越近的节点能量消耗过快，而较远的节点能量消耗量较 少，从而造成了整个网络的能量消耗的不均衡，而且无法保障数据传输的可靠性，因此，有 必要提高当前无线传感器网络数据传输调度方法的性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络中基于不等中继集合的 数据传输调度方法，该相比现有 方法在保持能耗相当的基础上具有延迟小、可靠性高的优点。 专利技术的技术解决方案如下： -种，在无线传感器网 络中，每个节点独立的采用工作/睡眠周期性轮换的工作模式，节点只有处于工作状态时才 能进行数据传输;每一节点^选择多个中继节点形成中继节点集合； 节点V1需要传输数据包时，首先向中继节点集合中最先醒来的中继节点发起数据 传输，如果不成功则等待中继节点中下一个醒来的节点发送数据，直到数据发送成功给中 继节点，或者中继节点集合中的每一个中继节点都传输失败，则放弃此数据包的传送。 确定节点Vi的中继节点个数的方法如下：步骤1:设节点V1的初始的中继节点个数为δ;如设置为2、3或5等，与原有的策略相 同；步骤2:计算节点Vi的能量消耗： 节点Vi的能量消耗为尽！的计算公式如下：,d为节点^到基站的距离； 其中： (I 表示节点用于低功耗监听状态的能量消耗功率； (2) tduty为一个占空比周期的时间； ⑶表示接收一个数据包的能量消耗，有;其中，为节点接收送数据包的功率，et表示节点发送数据包 的功率，Sp表示数据包发送所需时间；Sak表示ACK窗口响应持续时间，Sr为前导持续时间； (4)<为一个数据包发送数据包的能量消耗;< 的计算公式如下：!其中，?为占空比； (5)0表示距离基站为d处的节点接收数据包的数量； (6)。表示距离基站为d处的节点发送数据包的数量； 步骤3:将中继节点个数δ加 l，g卩：δ = δ+1，然后按前面的方法计算中继节点个数δ 增加1后的节点^的能量消耗; 步骤4:如果私KU』转步骤3,其中Exq表示距离基站最近节点的能量消耗； 如果私?見。,则δ = δ-1，进入下一步骤； 如果E/ =Exq，不作任何处理，进入下一步骤； 步骤5:得到距离基站不同距离处中继节点的个数δ，δ也即中继节点集合的大小。 每个节点均按照上面计算出来的δ，选择δ个链路质量好的中继节点进行数据传 输，链路质量由节点通信时统计得到，假设系统能够获得。 Wfra的计算公式为 其中，^为节点睡眠时的功率； <表示节点发送数据所用的时间； <表示节点接收数据所用的时间； <的计算公式如下：;其中表示距离基站为d处的节点发 送数据包的数量，计算公式如下： λ是链路的可靠性，λ为节点感知的事件发生的概率，无线传感器网络是用来检测 事件的，λ为这个事件产生的概率，事件就比如周期性的感知温度，或者检测熊猫的出现，等 等;ζ表示当前节点距离基站有多少跳：表示向下取整;r表示节点发射半径，R 表示网络半径J节点的中继节点的个数。 数据传输成功率函i； qix表示节点Vi与节点Vx之间的链路质量，qix的取值是节点实际的链路可靠性，依 据实践情况而定，为已知参数;V x表示节点的第X个中继节点；疗的计算公式如下：其中，0为距离基站为d处的节点接收数据包的数量， 本专利技术涉及到的参数如七(：1_，￡1^1;，83,31^，5 1)，5￡11<，為，<，<，.旯，入，2，1'，1?，9&等 均为已知参数，或初始化时设置的参数，或网络运行中产生的参数，均为可以确定的参数。...

【技术保护点】
一种无线传感器网络中基于不等中继集合的数据传输调度方法，在无线传感器网络中，每个节点独立的采用工作/睡眠周期性轮换的工作模式，节点只有处于工作状态时才能进行数据传输；每一节点vi选择多个中继节点形成中继节点集合；节点vi需要传输数据包时，首先向中继节点集合中最先醒来的中继节点发起数据传输，如果不成功则等待中继节点中下一个醒来的节点发送数据，直到数据发送成功给中继节点，或者中继节点集合中的每一个中继节点都传输失败，则放弃此数据包的传送；其特征在于：确定节点vi的中继节点个数的方法如下：步骤1：设节点vi的初始的中继节点个数为δ；步骤2：计算节点vi的能量消耗：节点vi的能量消耗为的计算公式如下：d为节点vi到基站的距离；其中：(1)表示节点用于低功耗监听状态的能量消耗功率；(2)tduty为一个占空比周期的时间；(3)表示接收一个数据包的能量消耗，有其中，εr为节点接收送数据包的功率，εt表示节点发送数据包的功率，Sp表示数据包发送所需时间；Sak表示ACK窗口响应持续时间，Sr为前导持续时间；(4)为一个数据包发送数据包的能量消耗；的计算公式如下：其中，为占空比；(5)表示距离基站为d处的节点接收数据包的数量；(6)表示距离基站为d处的节点发送数据包的数量；步骤3：将中继节点个数δ加1，即：δ＝δ+1，然后按前面的方法计算中继节点个数δ增加1后的节点vi的能量消耗步骤4：如果则转步骤3，其中Ex0表示距离基站最近节点的能量消耗；如果则δ＝δ‑1，进入下一步骤；如果Ex′＝Ex0，不作任何处理，进入下一步骤；步骤5：得到距离基站不同距离处中继节点的个数δ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘安丰，陈壮彬，贺晟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43