一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法技术

本发明专利技术公开了一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，首先用篮球网络拓扑构建一个无线传感器网络传输模型，然后分析了网络中传感器节点的能量消耗和数据传输延迟；为网络中每个结点选择一条最小传输延迟的路径，并且通过调节网络中结点的占空比，使得距离Sink远近不同的节点均匀地消耗能量，提高节点能量的利用率，从而进一步降低网络传输延迟，在网络达到指定传输延迟时，能够通过调整节点的占空比来延长网络寿命。

An Efficient Data Transfer Method for Low Duty Ratio Wireless Sensor Networks

【技术实现步骤摘要】
一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法
本专利技术属于计算机
，特别涉及一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法。
技术介绍
无线传感器网络(WSNs)已经广泛地应用于火灾监测、生物种群研究、生态环境监测、气象和地理研究。在野外地区或者不宜人工监测的区域布置WSN，网络中的节点会将采集到信息通过中间节点，以多跳的形式传送到数据中心，从而实现长期无人值守的不间断监测，为生态环境的保护和研究提供实时的数据资料。传感器节点往往部署环境恶劣的区域并且采用电池供电,，但是电池所能提供的能量却是十分有限的,，在电池能量用完时更换电池也是不切实际的。如何最大限度地延长整个网络的生存时间一直是研究的热点，低占空比无线传感器网络(LDC-WSN)正是在这种情况下产生的。在低占空比无线传感器网络中,节点拥有睡眠和活动两种状态，并且大部分时间是处于睡眠状态以节省能量。无线传感器网络中的节点采用低占空比方式工作极大地延长了网络的生存周期，但是同时也带来了新的问题：相邻节点之间进行通信时，只有等到节点处于活动状态时才能接收数据，导致节点之间数据传输的延迟变大,进而影响到数据的及时有效传输。所以对于实时性要求高的无线传感器网络应用,，例如火灾检测系统,需要有效地控制延迟,，使数据中心快速地获取实时数据信息,，极早地做出有效反应，这样可以最大限度地减少人员伤亡和财产损失。这就意味着数据包从源节点发出后,，数据中心也就是sink节点必须在尽可能小的延迟内接收到该数据包。虽然目前已经有一些降低延迟的算法，这些算法大多是能量消耗和传输延迟的折中。其中有些研究是从mac层的角度考虑，减少节点的能量损失，降低传输延迟。也有研究是为低占空比无线传感器网络中的每个结点寻找一条最小传输延迟路径。但是它们都没有从网络全局的角度去考虑网络中结点的能量消耗情况，没有考虑到网络距离数据中心远近不同的节点的耗能情况不同，没有充分利用节点的剩余能量来提高自身的占空比，从而达到降低传输延迟的目的。
技术实现思路
本专利技术为了在保证整个网络的寿命的前提下充分利用节点的能量和减少网络的传输，提出了一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，用于高效传输数据。一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，包括以下步骤：步骤1：构建无线传感器网络中节点的篮球网络拓扑结构；每个节点依据距离Sink的跳数处于对应的篮球网络拓扑层中，其中Sink位于第0层；节点距离Sink的跳数为n，则节点位于第n层篮球网络拓扑层中；每个节点记录有一张连接表，所述连接表包含三行，依次为父行、对等行以及子行，分别记录父节点，对等节点以及子节点；其中对等节点是指与自身节点在同一篮球网络拓扑层中；步骤2：依据构建的篮球网络拓扑结构和节点占空比，为每个节点vn寻找传输数据包到基站的最短传输路径进行数据包传输；每个节点的占空比初始值均为十分之一；步骤3：当数据包传输完后，依据网络中的节点能耗，更新每个节点的占空比；其中，σj表示前一次数据包传输时能量消耗值最高的节点vj的占空比，和分别表示在前一次数据包传输过程中节点vi接收和发送的数据包数量，和分别表示在前一次数据包传输过程中能量消耗值最高的节点vj接收和发送的数据包数量，γs和γr分别表示节点发送和接收数据包的功耗，ld，lp和la分别表示节点接收或发送数据包持续时间，前导序列持续时间和确认窗口时间，t表示节点工作周期；网络中每个节点发送或接收单个数据包的功耗都相同，和和的计算过程属于公知内容；步骤4：利用占空比更新后的节点网络，返回步骤2进行下一次数据包传输。进一步地，获取每个节点vn传输数据包到Sink的最短传输路径的过程如下：判断是否成立，若成立，则节点vn的最短传输路径为从节点vn经过父节点vm，再由父节点vm到Sink，否则，节点vn的最短传输路径为从节点vn到一跳邻居节点vn+1，再由一跳邻居节点vn+1到父节点vm，再由父节点vm到Sink；其中，表示处于第L层的节点vn传送数据包到其父节点vm的延迟，表示处于第L-1层的节点vm传送数据包到Sink的最小传输延迟，表示处于第L层的节点vn传输数据包到一跳邻居节点vn+1的延迟，表示处于第L层的节点vn+1传输数据包到L-1层的延迟。进一步地，处于第1层的节点将数据包传输至Sink时的延迟为0，且每个节点最多只允许选取同层中一个邻居节点作为中继节点传输数据包。进一步地，节点传输数据包的延迟计算公式如下：其中，表示节点vm传输数据包到节点vn的延迟，tm和tn分别代表节点vm和节点vn的活动时间，t为一个工作周期。网络中每个节点的工作周期被分为10个时隙，在默认情况下节点只有1个时隙是工作状态；进一步地，在前一次数据包传输过程中，节点的最大能量消耗值的确定过程如下：在一轮数据包传输过程中，节点va计算自身能量消耗Ea，并把Ea添加到数据包中一起发送到下一跳节点vb，当下一跳节点vb收到数据包时会将自身的能量消耗值Eb和包含在数据包中的最大能量消耗值Emax进行比较，如果Eb＞Emax，则Emax＝Eb；将Emax添加到数据包中继续传输到下一跳节点，直到Sink收到数据包；Sink从所接收到的所有数据包中寻找节点最大的能量消耗值Emax。进一步地，在一轮数据包传输过程中，节点能量消耗计算公式如下：其中，和分别表示节点vi接收和发送的数据包数量；和分别表示节点vi接收和发送数据包的能耗,γrld是节点接收一个数据包的能耗,γrlp是节点接收前导序列的能耗，γsla节点发送确认信息的能耗；Pioth表示节点处于睡眠状态和低功率监听状态的能耗，γoff表示节点处于睡眠状态下的功耗。每个节点γrld、γrlp、γsla均相同；在无线传感器网络中，热点地区的传感器节点由于需要帮助其他节点传输大量信息，而远离接收器区域的节点只需要转发少量的数据，所以热点地区的节点消耗的能量远高于边缘区域的节点的能量消耗。通过设计动态占空比调整算法来提高边缘区域的节点的占空比，从而使得这些节点能够充分利用自身的能量来降低数据的传输延迟。如果网络中某个节点的能耗变得比热点地区的能耗还高，同样可以通过上面的方法来降低节点的占空比，降低节点的能量消耗，从而使网络中结点的能量消耗达到平衡的状态，提高网络能源利用率和网络寿命。有益效果本专利技术提供了一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，首先用篮球网络拓扑构建一个无线传感器网络传输模型，然后分析了网络中传感器节点的能量消耗和数据传输延迟。为了在保证整个网络的寿命的前提下充分利用节点的能量和减少网络的传输，提出了一种基于可调占空比的传输延迟最小化方案，用于快速数据收集。这个方案为网络中每个结点选择一条最小传输延迟的路径，并且通过调节网络中结点的占空比,，使得距离Sink远近不同的节点均匀地消耗能量，提高节点能量的利用率，从而进一步降低网络传输延迟，在网络达到指定传输延迟时，能够通过调整节点的占空比来延长网络寿命。附图说明图1是本研究提出的一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法的流程图；图2是实施例1中DMADC，DRA，MTDR和DSAD这4种不同的方法在不同节点数场景中的平均传输延迟对比图；图3是实施例1中DMADC，DR本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建无线传感器网络中节点的篮球网络拓扑结构；每个节点依据距离Sink的跳数处于对应的篮球网络拓扑层中，其中Sink位于第0层；每个节点记录有一张连接表，所述连接表包含三行，依次为父行、对等行以及子行，分别记录父节点，对等节点以及子节点；步骤2：依据构建的篮球网络拓扑结构和节点占空比，为每个节点vn寻找传输数据包到基站的最短传输路径进行数据包传输；每个节点的占空比初始值均为十分之一；步骤3：当数据包传输完后，依据网络中的节点能耗，更新每个节点的占空比；

【技术特征摘要】
1.一种用于低占空比无线传感器网络的高效数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建无线传感器网络中节点的篮球网络拓扑结构；每个节点依据距离Sink的跳数处于对应的篮球网络拓扑层中，其中Sink位于第0层；每个节点记录有一张连接表，所述连接表包含三行，依次为父行、对等行以及子行，分别记录父节点，对等节点以及子节点；步骤2：依据构建的篮球网络拓扑结构和节点占空比，为每个节点vn寻找传输数据包到基站的最短传输路径进行数据包传输；每个节点的占空比初始值均为十分之一；步骤3：当数据包传输完后，依据网络中的节点能耗，更新每个节点的占空比；其中，σj表示前一次数据包传输时能量消耗值最高的节点vj的占空比，和分别表示在前一次数据包传输过程中节点vi接收和发送的数据包数量，和分别表示在前一次数据包传输过程中能量消耗值最高的节点vj接收和发送的数据包数量，γs和γr分别表示节点发送和接收数据包的功耗，ld，lp和la分别表示节点接收或发送数据包持续时间，前导序列持续时间和确认窗口时间，t表示节点工作周期；步骤4：利用占空比更新后的节点网络，返回步骤2进行下一次数据包传输。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取每个节点vn传输数据包到Sink的最短传输路径的过程如下：判断是否成立，若成立，则节点vn的最短传输路径为从节点vn经过父节点vm，再由父节点vm到Sink，否则，节点vn的最短传输路径为从节点vn到一跳邻居节点vn+1，再由一跳邻居节点vn+1到父节点vm，再由父节点vm到Sink；其中，表示处于第L层的节点vn传送数据包到其父节点vm的延迟，表示处于第...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴嘉，吴俭，陈志刚，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43