一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法
【专利摘要】本发明公开一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法，该方法中接收节点探测发送节点之间是否在竞争信道，并通过向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的发送节点数量，调节发送节点并发传输的概率，使并发传输的节点数量维持在预设合理区间，从而提高信道利用率，提高整个网络的吞吐量，实现多跳无线传感器网络中数据的快速、高效收集。
【专利说明】一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感器网络【技术领域】，尤其涉及一种基于并发传输的无线传感器 网络数据收集方法。
【背景技术】
[0002] 随着通信技术的迅猛的发展，传感器制造的日益成熟，越来越多的传感器节点被 大规模部署到各个领域，例如国家防御、环境保护、智慧城市等。无线传感器网络是由部署 在监测区域内的大量传感器节点组成。这些传感器节点简称节点，通过无线自组织网络，在 各种复杂环境中感知数据，通过无线多跳通信收集数据信息，并汇聚到数据处理中心。在实 际应用的无线传感器网络中，存在大量的数据信息需要收集，一个可靠的数据收集、传输方 法决定了无线传感网络的链路质量。在多跳的数据收集网络中，网络的吞吐量是影响数据 收集的关键因素。目前已经有大量致力于提高无线传感器网络的吞吐量的研宄，大部分是 通过提高吞吐量从而提高信道利用率，还有一些是通过传输并发来提高信道利用率。但是， 在大型的无线传感器网络部署中，数据的多跳收集却尤为常见。当节点之间没有发生信道 竞争的时候，各个节点并不需要作出调整，只需按照各自原有的醒睡周期进行数据的收发， 收发状态自由切换。数据的收集会像一个树的模型一样，从叶子处吸取，直到把"数据"传 送到根部，也就是根节点。节点会根据自己的实际数据流量进行收发状态的自我切换。各 个发送节点之间没有竞争，整体网络没有拥塞，整体数据传递的吞吐量不受影响。
[0003] 当多个节点存在信道竞争时会发生冲突。传统的收集数据方法是基于载波侦听多 路访问（CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)控制，会发生延迟，降低信道利用率。该 方法是通过退避机制减少碰撞概率，当检测到发生碰撞时，进行退避，降低并发概率。然而， 在大型部署的无线传感器网络中需要高效快速的进行数据收集，因此，对于收集的每一跳， 如果有碰撞都需要退避等待，将带来严重的延迟，降低信道利用率，整个网络的吞吐量也会 随之下降。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于通过一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法，来解 决以上【背景技术】部分提到的问题。
[0005] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法，其包括如下步骤：
[0007]S101、接收节点探测发送节点之间是否在竞争信道，若是，则执行步骤S102,否则 执行步骤S105 ;
[0008]S102、接收节点检测发送节点的数量；
[0009]S103、接收节点根据发送节点的数量，向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的 发送节点数量；
[0010]S104、发送节点接收到抑制因子后，调节自身并发传输的概率；
[0011] S105、发送节点向接收节点发送数据；
[0012] S106、接收节点接收发送节点发送的数据。
[0013] 特别地，所述步骤S103中并发传输的发送节点需要利用时间同步机制对齐数据 包。
[0014] 特别地，所述步骤S106还包括：若处于同一级的接收节点已接收完发送节点传输 的数据，则无需确认同一级的其他接收节点数据是否接收完毕，直接发送数据给其上级节 点。
[0015] 本发明提出的基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法中接收节点探测发 送节点之间是否在竞争信道，并通过向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的发送节点 数量，调节发送节点并发传输的概率，使并发传输的节点数量维持在预设合理区间，从而提 高信道利用率，提高整个网络的吞吐量，实现多跳无线传感器网络中数据的快速、高效收 集。本发明对于一般传感器节点的发送端和接收端不需要改进物理层，具有更高的适应能 力。同时，本发明不会对系统的正常运行产生负担，因此能够在高密度节点部署区域实现稳 定、快速的数据收集。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明实施例提供的基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法流程 图；
[0017] 图2为本发明实施例提供的宏观上节点的传输数据过程示意图；
[0018] 图3为本发明实施例提供的传统的竞争节点退避等待时间与竞争节点个数的对 应关系图；
[0019] 图4为本发明实施例提供的从微观时隙角度示出的数据传播过程示意图；
[0020]图5为本发明实施例提供的并发传输的概率与发送节点数量对应关系图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具 体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描 述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有 的技术和科学术语与属于本发明的【技术领域】的技术人员通常理解的含义相同。本文中在 本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发 明。本文所使用的术语"及/或"包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0022] 请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的基于并发传输的无线传感器网络数 据收集方法流程图。
[0023] 本实施例中基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法包括如下步骤：
[0024] S101、接收节点探测发送节点之间是否在竞争信道，若是，则执行步骤S102,否则 执行步骤S105。
[0025] S102、接收节点检测发送节点的数量。
[0026] S103、接收节点根据发送节点的数量，向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的 发送节点数量。先让一部分节点先传输完数据，再让剩下的一部分竞争节点再把数据传输 过来，使并发节点的数量维持在预设合理区间。预设合理区间就是指并发传输节点不止一 个但是又不是太多，这样的话竞争程度不明显，同时节点可以利用捕获效应。对于并发传输 节点数量的控制，既不能单纯的限制在一个，因为本发明就是要利用无线传感器网络的广 播特性，并发节点在传输相同的数据时，由于捕获效应可以更好的提高信道利用率。又不能 让同时传输数据的并发节点数量太多，若太多，信道就会发生拥塞，导致数据传输不到接收 节点，网络拥塞出现，整体传感网的吞吐量得不到保证。需要说明是，并发传输的发送节点 需要利用时间同步机制对齐数据包。
[0027] S104、发送节点接收到抑制因子后，调节自身并发传输的概率。
[0028] S105、发送节点向接收节点发送数据。
[0029] S106、接收节点接收发送节点发送的数据。若处于同一级的接收节点已接收完发 送节点传输的数据，则无需确认同一级的其他接收节点数据是否接收完毕，直接发送数据 给其上级节点，保证了数据最短时间内到达根节点，局部效率提高，整体网络的时效性就得 到了提高。其中，节点的收发状态自由切换，同一个节点在这个时刻充当接收者，在下一个 时刻有可能就会成为发送者。
[0030] 下面对本发明的原理性内容作扼要介绍。
[0031] 如图2所示，节点0处于一级，为根节点；节点1、节点2及节点3处于二级；节点 4至节点9处于三级。没有冲突，正常通信的理想状态下的无线传感器网络局部上依赖于 各个节点高效的传输和整体上网络畅通无阻的信息传递。收集数据的方案整体就像一个树 一样，从叶子传感器节点收集数据，一层一层将数据传递到根传感器节点。一个理想状态 下，节点会根据自己此时的流量进行数据的接收和发送。每个节点在选择信道发送时，没 有竞争。整体网络的每个局部之间没有竞争。这样的话，整个无线传感器网络没有延迟，信 息传递速率非常高，整体数据吞吐量效率高。
[0032] 为了更好的说明本发明的技术方案，从理论角度对信道利用率进行模型分析。用 概率P表示每个节点发送数据的概率，并且寻找最佳的优化问题。假定一个时隙是实时的 基本要素。一个数据包的传播时隙通常认为是多个时隙构成。以下分析遵循了 802. 11协 议标准，在发送节点，一个时隙由以下三个可能的状态构成：一、成功时隙。该状态时隙表示 至少有一个发送节点发送数据，且数据被正确的接收。二、空闲时隙。该状态时隙表示没有 数据传输到接收端，或者发送节点没有选择发送数据。三、冲突时隙。该状态时隙表示其中 有多个发送节点同时发送数据，达到接收节点的数据发生碰撞损坏。本实施例中，用Ps、Pi、 Pc分别表示成功时隙、空闲时隙、冲突时隙三个状态。从实际应用及大多数实验可知，当一 个节点发送数据和另一个节点进行通信时，数据能够百分之百的被接收。
[0033] 成功时隙状态Ps的概率表示为：
【权利要求】
1. 一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于，包括如下步骤： 5101、 接收节点探测发送节点之间是否在竞争信道，若是，则执行步骤S102,否则执行 步骤S105 ; 5102、 接收节点检测发送节点的数量； 5103、 接收节点根据发送节点的数量，向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的发送 节点数量； 5104、 发送节点接收到抑制因子后，调节自身并发传输的概率； 5105、 发送节点向接收节点发送数据； 5106、 接收节点接收发送节点发送的数据。
2. 根据权利要求1所述的基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法，其特征在 于，所述步骤S103中并发传输的发送节点需要利用时间同步机制对齐数据包。
3. 根据权利要求1或2任一项所述的基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法， 其特征在于，所述步骤S106还包括：若处于同一级的接收节点已接收完发送节点传输的数 据，则无需确认同一级的其他接收节点数据是否接收完毕，直接发送数据给其上级节点。
【文档编号】G08C17/02GK104507119SQ201410695756
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】朱飑凯, 毛续飞, 韩建康, 刘云浩 申请人:无锡儒安科技有限公司