专利名称：基于时空多样性的低轮值无线传感器可靠传输方法
技术领域：
本发明属于无线自组织网络和无线传感器网络领域，涉及一种基于时空多样性的低轮值无线传感器可靠传输算法，用于网络在较低的能量开销下，实现低时延的可靠传输。
背景技术：
近年来，无线传感器网络在军事及民用的各个方面都得到了广泛而深入的应用。但是，在诸如军事侦察、环境监测、建筑物保护等应用领域，无线传感器网络通常需要连续工作几个月甚至几年的时间，同时还要保证能够将监测的数据及时可靠地传回数据收集节
点。然而，由于传感器节点的体积、成本、功耗等因素的限制，使得节点之间的通信非常不可靠。此外，无线传感器节点通常仅仅依靠电池供电。相对于网络的工作时间来说，节点的电池容量显得非常有限。而且，在上述的应用领域中，通常很难甚至不可能经常为节点更换电池。目前有效延长网络生存时间和减少节点能量消耗的方法是采用低轮值(low-duty-cycle)工作模式。在低轮值无线传感器网络中，处于睡眠状态的节点可以关闭其无线电模块。低轮值无线传感器网络的性能受到两个因素的影响。一是数据递交时延，二是不可靠链路。为了降低时延并且提高可靠性，高效的方法是对原始消息进行编码，并将编码块通过多条路径同时传输，但是这种方法缺少对低轮值无线传感器网络特性的考虑，导致在低轮值无线传感器网络中消息递交时延较大。低轮值无线传感器网络可以显著减少能量消耗，但是网络的性能尤其是数据的传输时延却不是很理想，之前的研究工作通过高效的调度算法来解决这一问题，但是需要复杂的调度和精确的时钟同步。在低轮值无线传感网络中的数据递交功能上，部分研究者分别提出收集树协议、动态转发机制，有效控制时延算法等，但是这些方法都没有综合考虑时延、能量和递交率。有鉴于此，综合考虑网络生存时间以及数据传输的时延和可靠性，设计一种数据传输机制来实现网络生存时间、数据递交时延和递交可靠性之间的有效平衡是一项非常基础而且很有必要的工作。本发明提供了一种新型的基于时空多样性编码的低轮值无线传感器网络可靠传输算法，可以有效地发掘低轮值无线传感器网络的特性，从而在编码、复杂度、空间和时间效率上取得较好的平衡，更重要的是提供的编码机制可以对链路具有较好的鲁棒性，在节约能量的同时实现数据的快速传输。
发明内容
技术问题为了达到上述目的，本发明提供了一种基于时空多样性的低轮值无线传感器可靠传输方法。I)发掘并利用低轮值无线传感器网络特有的时空相关性。由于节点的轮值周期各不相同，所以可以选择多个转发节点以加速数据传输。2)结合编码机制以获得较高的能量效率和较低的传输时延。编码机制不需要对每个编码块都进行确认，而且冗余的引入可以达到类似于预先重传的效果，从而提高可靠性。
技术方案本发明的基于时空多样性的低轮值无线传感器可靠传输方法利用低轮值无线传感器网络特有的时空相关性，结合编码机制以获得较高的能量效率和较低的传输时延，其具体步骤为I)建立数据传输机制模型，分别为建立网络模型和定义数据传输问题机制首先建立一个简单的低轮值无线传感器网络模型，网络相邻节点间同步，时钟同步使用洪泛时钟同步协议FTSP来实现，采用纠删码在源节点对数据进行编码，接着定义数据传输问题机制，数据传输机制算法就是求得编码块在多条路径上的分配方案，使得在满足平均递交率EDR不小于I-ε的条件下，达到最小的平均递交时延，其中ε为自定义的递交率因子；2)设计基于时空多样性的编码块分配算法，分别为建立最优算法模型和设计近优求解算法首先建立最优算法模型，在满足递交率不小于I- ε的条件下来最小化递交时延，最优分配问题可以描述为
权利要求
1. 一种基于时空多样性的低轮值无线传感器可靠传输方法，其特征在于，利用低轮值无线传感器网络特有的时空相关性，结合编码机制以获得较高的能量效率和较低的传输时延，其具体步骤为 1)建立数据传输机制模型，分别为建立网络模型和定义数据传输问题机制 首先建立一个简单的低轮值无线传感器网络模型，网络相邻节点间同步，时钟同步使用洪泛时钟同步协议FTSP来实现，采用纠删码在源节点对数据进行编码，接着定义数据传输问题机制，数据传输机制算法就是求得编码块在多条路径上的分配方案，使得在满足平均递交率EDR不小于I-ε的条件下，达到最小的平均递交时延，其中ε为自定义的递交率因子； 2)设计基于时空多样性的编码块分配算法，分别为建立最优算法模型和设计近优求解算法 首先建立最优算法模型，在满足递交率不小于l-ε的条件下来最小化递交时延，最优分配问题可以描述为 Min:EDD=X: 〃/L、dc Whencirt=Iandj;^ =k-l EDR = Y' v.w. >\-εy2 = {0，1}，YllCzl y/ : = 0,---,(2' -I)O ^ Xi ^ b i = 1，...，n Tn x'=b X-Ii=I 1 其中在n条路径上的有分配方案(Xl，X2,…，xn)，b是指全部的编码块个数，k指解出原始消息所需的最少编码块个数，au是第u个期望收到的编码块的到达时间，Pu是相应的概率，PUdecode表示目的节点在收到第U个编码块后可以解出原始消息的概率，Czu和Czt分别表示在第Z种组合中是否成功收到了第U个和第t个预计到达的编码块，Wz表示第Z种组合出现的概率，Yz是定义的二进制变量，EDD表示平均递交时延； 其次，近似求解算法，由于求解最优分配策略是NP难题，本方法使用直观的方法来降低复杂度并给出次解优的解法 求次优解的主要思想如下，首先，将b个编码块分配到每一条路径上，所以接收节点将会得到nXb个编码块的到达时间以及相应的概率和所通过的路径，按照到达时间将这nXb个编码块排序，并将所得到的集合记为{SEA}，然后，从集合{SEA}中选择前b个编码块，并计算相应的EDR ;如果EDR>1- ε，分配方案即可以通过b个编码块的递交路径求得；否则，在集合{SEA}中从第b个编码块开始，由后至前选择递交率最小的编码块，并将这个编码块以及其后通过同一条路径传输的所有编码块从集合{SEA}中删除，然后再次计算前b个编码块的EDR，重复这个过程直到I SEAI =b，为了降低删除的编码块对数据递交时延的影响，定义变量δ，如果一个编码块的递交率P满足ρ〈ρ_+δ，才将此编码块和之后通过同一条路径传输的所有编码块都删除；将最小的递交率记为Pmin, 3)根据编码块分配策略，将原始消息进行编码后在相应的路径上进行传输。
全文摘要
本发明是一种基于时空多样性的低轮值无线传感器可靠传输方法，可以有效地发掘低轮值无线传感器网络的特性，从而在编码、复杂度、空间和时间效率上取得较好的平衡，提供的编码机制可以对链路具有较好的鲁棒性，能够获得较高的能量效率和较低的传输时延，在节约能量的同时实现数据的快速传输。本发明实现步骤为，建立数据传输机制模型，即建立网络模型和定义数据传输问题机制；设计基于时空多样性的编码块分配算法，即建立最优算法模型和设计近优求解算法。
文档编号H04L1/00GK102868488SQ20121033994
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者杨盘隆 申请人:中国人民解放军理工大学