专利名称：一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法
技术领域：
本发明涉及一种调节控制帧发送的方法，更特别地说，是指一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该方法应用于无线传感器网络领域中的数据传输。
背景技术：
随着无线传感器网络应用的发展，应用开始呈现多样化、综合化，网络中不再只有一种单一的业务，而是多种业务的综合，并且在现在的无线传感器网络中负载呈现时空上的动态变化，如何满足多业务、负载动态变化的应用要求成为目前关注的一个重要方面。同时，由于无线传感器网络一般由大量的传感器节点组成，传感器节点釆用电池供电，因此能耗一直是无线传感器网络研究中的重点问题。介质访问控制协议(MAC, Medium Access Control)负责节点对信道的使用，控制着节点的无线通信，而无线通信的能耗最高，因此MAC协议一直是研究中的重点问题。
从MAC层的角度看浪费能量的原因主要有空闲侦听、控制开销、碰撞以及串音。目前大多数MAC协议主要关注于减少节点在空闲侦听、串音、冲突上的能耗，而往往忽略了控制开销的增加。在多模式MAC中，有的通过在发送者和接收者之间调节控制帧交换的方法来平衡冲突与控制帧之间的能量开销。但是这种方法并不能对变化的流量进行自适应调节，而是必须在采用该方法前进行大量的离线实验来决定控制帧的发送。另外，多模式MAC中只单纯的考虑了流量对控制开销的作用。随着无线传感器应用的综合性，网络中不再只是一种业务流量，而是多种业务流量的结合，各种应用对丢包率的要求可能不同，对多种应用的业务流量都釆用同样的控制帧策略会损失很多能量。发明 内容
本发明的目的是提出一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该方法采用在一个时间段内碰撞丢包率与控制帧阈值之间的大小比较，来决定是否发送控制帧。通过对碰撞-控制帧能量模型的建模，获得了均衡点，该均衡点能够衡量应用本发明的方法的能耗节约。本发明的一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该流量是指在无线传感器网络中某节点发送和接收数据的总和，所述的发送和接收数据的种类包括有控制帧发送请求S和控制帧接收请求i 、应用层数据包CBR，其特征在于包
括有下列步骤
第一步在采集时间r内记录下发量化ata、收量&^、控制帧发量Z^。自,、控制帧收量和丢包数;则在无线传感器网络中节点流量为
"total — "data + "咖fra/ + + ;
第二步判断在釆集时间r内的碰撞丢包率i^ =Z) /D,。to/ ;第三步计算发量平均及=,，收量平均率义=,;
第四步计算控制帧发量平均及'= ^,控制帧收量平均"= ^;
第五步根据应用层数据包CBR的业务类型标志位F来判断所述无线传感器节点当前待发送数据的业务类型，并获得当前业务类型的丢包率值Q,/e^，6,4 ;
所述业务类型中的数据釆集《的丢包率值为10。/。，数据查询6的丢包率值为5%，数据跟踪c的丢包率值为1%;
第六步:根据碰撞一控制帧能量模型0= ，,r r、,D2(tV^)， r r获得当
前业务类型的均衡点值；义表示收量平均，"表示控制帧收量平均，丄。表示控制帧的包长，丄表示应用数据包CBR的长度，i 表示发量平均，及'表示控制帧发量平均;第七步纟艮据控制帧阈值关系G 二min[O)，Q]获得当前业务类型的控制帧阈值；
第八步比较碰撞丢包率《。,与控制帧阈值Cr之间的大小，若A。^G，贝植接发送应用层数据包CBR;若《。,X^，则发送控制帧发送请求S给无线传感器网络中的目的节点；当目的节点接收到该控制帧发送请求S后，回发一个控制帧接收请求i 给当前节点，此时当前节点向目的节点发送应用层数据包CBR。
所述的基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，其数据传输所消耗的总能量E 五re鄉/Zow +五cow的/ +五*" +五co/to/cw °
本发明的一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法的优点1.能量有效。该方法不需要与邻居节点交换信息，可以有效的减少控制帧的发送，从而节约能量。2. 该方法针对多业务无线传感器网络，保证不同传输业务的服务质量。
3. 动态适应性。能够适应网络流量负载的动态变化以及环境变化，进行自我调整，以在保证各个传输业务的服务质量情况下尽可能的减少能耗。
具体实施例方式
流量是指网络上传输的数据量，也可以称为网络流量。在无线传感器网络中节点流量是指一段时间某节点发送和接收的数据的总和。在本发明中，该发送和接收的数据的种类包括有控制帧发送请求S和控制帧接收请求i 、应用层数据包CBR(以Byte
为单位)。
在本发明中，业务类型是指数据采集"和数据查询6、数据跟踪c。在本发明中，在无线传感器网络运行期间，每个无线传感器节点可能处于六种状态空闲、成功传输应用数据、成功传输控制帧、碰撞、休眠、接收。由于碰撞和控制帧之间的制约关系发生在数据传输中，而在空闲和休眠状态并不发生，因此空闲和休眠对于本专利申请所研究的碰撞与控制帧之间的均衡没有影响，故未考虑空闲和休眠两部分所消耗的能量。
本发明的一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，包括有下列步骤
第一步在釆集时间r内记录下应用层数据包的发送数量化自(简称为发量
￡>data)、应用层数据包的接收数量Sd^ (简称为收量&^)、控制帧的发送数量^。自,(简称为控制帧发量A。自,)、控制帧的接收数量&。自，(简称为控制帧收量&。自,)和丢包数;则在无线传感器网络中节点流量为
Aotal — "data + D咖的/ + + &0"的/ ;
在本发明中，丢包数A^是指在数据发送过程中，碰撞丢掉的应用数据包和控制帧的总和。
第二步判断在采集时间r内的碰撞丢包率i^ =D /D,。to,;
第三步计算在釆集时间r内发量Z)d^的平均发送速率i -,(简称为发量
平均A-,)，收量&ata的平均到达速率;i-,(简称为收量平均率/1 =,);
第四步计算在采集时间r内控制帧发量^旨。,的平均发送速率及'-:^ (简
称为控制帧发量平均及、^M，控制帧收量s^。,的平均到达速率;i、^^ (简称为控制帧收量平均"=);第五步根据应用层数据包CBR的业务类型标志位F来判断所述无线传感器节点当前待发送数据的业务类型，并获得当前业务类型的丢包率值Q,ie^，&,c);
在本发明中，业务类型中的数据采集"的丢包率值为10%，数据查询6的丢'包率值为5%，数据跟踪c的丢包率值为1%。
第六步根据碰撞控制帧能量模型获得当前业务类型的均衡点值
在本发明中，碰撞一控制帧能量模型0= ，,r r、/D2(t"、^。…，，r ，义表
义(丄+丄0)(及+- 2义x丄-2义'x丄0
示收量平均，义'表示控制帧收量平均，丄。表示控制帧的包长，丄表示应用数据包CBR
的长度，及表示发量平均，及'表示控制帧发量平均。
第七步根据控制帧阈值关系获得当前业务类型的控制帧阈值在本发明中，控制帧阈值关系为CV-min[O,Q]，
第八步比较碰撞丢包率i^与控制帧阈值Cr之间的大小，若P^SCr，则直接发送应用层数据包CBR;若g。,〉Cr，则发送控制帧发送请求S给无线传感器网络中的目的节点；当目的节点接收到该控制帧发送请求S后，回发一个控制帧接收请求及给当前节点，此时当前节点向目的节点发送应用层数据包CBR。
在本发明的第六步骤中，发明人采用Matlab软件编写碰撞一控制帧能量模型，在该碰撞一控制帧能量模型中参考碰撞丢包率记为P二 ，发送一个字节所消耗的能量记为A，接收一个字节所消耗的能量记为A,则数据传输所消耗的总能量为下式
、，。"表示接收消耗的能量，^自/表示成功传输控制帧的能量，五^表示成功传输应用数据的能量，分表示碰撞的能量。
在自适应使用控制帧的情况下，发送数据包和控制帧的数量分别表示为i x r和及'xr。在这些控制帧中，及'(i-g。,)r是成功传输的控制帧数量。因此成功传输控制帧所消耗的能量为^^化。广及'(i-CFx丄。xg， g表示发送一个字节所消耗的能量。
在釆集时间T内，在保证i '^i 条件下，在使用控制帧发送的数据中成功发送数据的数量为(i-《。,)及'xr,因为控制帧以及'的平均速率进行自适应发送，没有釆用控
6制帧而直接发送数据中成功发送的数量为[及-i '(i-i^)](1-g。,F,因此可以得出成功发送应用数据所消耗的能量为
^"to =[及-- S。,-《。,)71 x丄x ￡( + (1 -《。,x r X丄X ￡f 。在传输过程中发生碰
撞的应用层数据包和控制帧的数量分别为[及-i '(i-i^)]g。,xr和i 'xrxg。,。因此我
们 得 到 冲 突碰撞 损 耗 的 能 量 为 五c。〃油"=W——《。')化。'x r " x《+ e。, x及'x r x丄。x 。
由于发生在接收节点的碰撞已经在发送节点处进行计算，所以接收应用数据所消耗的能量为义(i—《。,)r x丄x ^ ，接收控制帧所消耗的能量为a'(1—4)r x丄。x五,，所以接收所消耗的能量为五， 。
= a(i - g。,)r x丄x &+"(1 - ^ )r x z。 x & 。在实际的
无线传感器节点中，接收功率和发射功率由厂家决定，接收功率与发射功率有一定的
关系，可以表示为A二^xg,在实际传感器节点中，a取值为l或0.5。当a:-1时，
则有五，,,。
= ;i(i-i^)rx"A+;i'(i-/^)rx丄。xA。因此本发明釆用自适
应发送控制帧所消耗的总能量如下式
二rxA[义(i-尸c。,)丄+义'(i-^)丄。+j 'x丄。+i xz] (2)对于一般的控制帧机制，在采集时间r内，每个数据包发送之前都需要进行控制帧握手以建立连接，因此控制帧的发送速率一般大于应用层数据发送率，即及'2及，控制帧的接收速率与应用数据的接收速率相等，即义'=义。这里为了获取平衡点，发
明人对及'=^和义'=义代入式(2)中得
=rx￡,w(i-户二)丄+;i(1-《,)丄。+及x丄。+及"〗 ^
利用式(3)减去式(2)获得两种情况下所节省的能量ae二五'—五
=rxg[;L(i-i^)z+;i(i-/>二)丄。-i^)z+义'(1-i^)z。+(及-i ')z。] (4)假设c/和c/'分别代表釆集时间r内自适应控制帧机制下的碰撞丢包数和正常控制帧机制下的碰撞丢包数，显然^'^"。为了获得平衡点，假定在两种机制下碰撞丢包数相等，因此根据碰撞丢包率的定义有&, = ,D t,、T和尸二 =^7将两式代入(4)
中，可得自适应控制帧机制与正常控制帧相比若节省能量，即M^0，可得p ^_2(义-")丄o_
c。' 一义(丄+丄o)(/ + i ')—2;ix丄一2;i'x丄o (5)
由公式(5)可得到均衡点0
^= 2(义_;1')丄0
;t(丄+Zo)(i + i ')—2;Lx丄一2;i'x丄o (6)
由以上可知，获得了碰撞-控制帧之间均衡关系模型的一个均衡点。本发明的一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该方法釆用在一个采集时间r段内碰撞丢包率i^与控制帧阈值c^之间的比较，来决定是否发送控制帧请
求S给无线传感器网络中的目的节点。采用Matlab软件编写出的碰撞一控制帧能量
模型。=r、,D2(t"、^，，，，，，的对相关量的解析，可以获得均衡点，该均义(丄+丄0)(及+及')-2义x丄-2义'x丄0
衡点可以作为衡量应用本发明的方法下的能耗节约。由于本发明专利申请中未考虑空闲和休眠两部分所消耗的能量，故数据传输所消耗的总能量
权利要求
1、一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该流量是指在无线传感器网络中某节点发送和接收数据的总和，所述的发送和接收数据的种类包括有控制帧发送请求S和控制帧接收请求R、应用层数据包CBR，其特征在于包括有下列步骤第一步在采集时间T内记录下发量Ddata、收量Sdata、控制帧发量Dcontrol、控制帧收量Scontrol和丢包数Ddrop；则在无线传感器网络中节点流量为Dtotal＝Ddata+Dcontrol+Sdata+Scontrol；第二步判断在采集时间T内的碰撞丢包率Pcol＝Ddrop/Dtotal；第三步计算发量平均<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>D</mi><mi>data</mi> </msub> <mi>T</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100887100002C1.tif" wi="18" he="9" top= "84" left = "77" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>收量平均率<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>S</mi><mi>data</mi> </msub> <mi>T</mi></mfrac><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009100887100002C2.tif" wi="17" he="9" top= "84" left = "120" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>第四步计算控制帧发量平均<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msup> <mi>R</mi> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>D</mi><mi>control</mi> </msub> <mi>T</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2009100887100002C3.tif" wi="21" he="9" top= "95" left = "90" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>控制帧收量平均<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msup> <mi>λ</mi> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>S</mi><mi>control</mi> </msub> <mi>T</mi></mfrac><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="A2009100887100002C4.tif" wi="21" he="9" top= "95" left = "145" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>第五步根据应用层数据包CBR的业务类型标志位F来判断所述无线传感器节点当前待发送数据的业务类型，并获得当前业务类型的丢包率值Qi，i∈{a，b，c}；所述业务类型中的数据采集a的丢包率值为10％，数据查询b的丢包率值为5％，数据跟踪c的丢包率值为1％；第六步根据碰撞-控制帧能量模型<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Φ</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mrow> <mo>(</mo> <mi>λ</mi> <mo>-</mo> <msup><mi>λ</mi><mo>′</mo> </msup> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mrow><mi>λ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>L</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>L</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <msup><mi>R</mi><mo>′</mo> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mn>2</mn><mi>λ</mi><mo>×</mo><mi>L</mi><mo>-</mo><mn>2</mn><msup> <mi>λ</mi> <mo>′</mo></msup><mo>×</mo><msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac> </mrow>]]></math> id="icf0005" file="A2009100887100002C5.tif" wi="66" he="10" top= "137" left = "101" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>获得当前业务类型的均衡点值；λ表示收量平均，λ′表示控制帧收量平均，L0表示控制帧的包长，L表示应用数据包CBR的长度，R表示发量平均，R′表示控制帧发量平均；第七步根据控制帧阈值关系CT＝min[Φ，Qi]获得当前业务类型的控制帧阈值；第八步比较碰撞丢包率Pcol与控制帧阈值CT之间的大小，若Pcol≤CT，则直接发送应用层数据包CBR；若Pcol＞CT，则发送控制帧发送请求S给无线传感器网络中的目的节点；当目的节点接收到该控制帧发送请求S后，回发一个控制帧接收请求R给当前节点，此时当前节点向目的节点发送应用层数据包CBR。
2、 根据权利要求1所述的基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，其特征在于所述碰撞一控制帧能量模型采用Matlab软件编写。
3、 根据权利要求1所述的基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，其特征在于数据傲俞所消耗的总能量^W自g + ^。 +五』^ 。
全文摘要
本发明公开了一种基于流量与丢包率的调节控制帧发送的方法，该方法在采用采集时间T段内碰撞丢包率P<sub>col</sub>与控制帧阈值C<sub>T</sub>之间的比较，来决定是否发送控制帧请求S给无线传感器网络中的目的节点。采用Matlab软件编写出的碰撞—控制帧能量模型(公式如上所示)的对相关量的解析，可以获得均衡点，该均衡点可以作为衡量应用本发明的方法下的能耗节约。由于本发明申请中未考虑空闲和休眠两部分所消耗的能量，故数据传输所消耗的总能量E(公式如上所示)。
文档编号H04W28/10GK101594643SQ200910088710
公开日2009年12月2日 申请日期2009年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者绯 彭, 李德亮, 钱德沛 申请人:北京航空航天大学