丢失敏感的无线传感网络中基于发射速率的机会路由方法与流程

本发明属于无线传感器网络领域，特别涉及一种丢失敏感的无线传感网络中基于发射速率的机会路由方法。

背景技术：

无线传感器网络由价格低廉的微处理器组成，具有无线通信、计算、存储、感知周围环境的能力。无线传感器网络通常用于环境监测、行动监控和家庭或工业自动化等。无线传感器的重要应用在于对监测的对象进行数据收集，传感器节点采用自组织方式形成动态的拓扑网络，感知的数据经过多跳路由的方式传输到基站，基站将收集到的数据传输到控制中心。控制中心对传感器节点收集的数据综合后进行决策，对监测或者控制的对象发出相应的控制，从而实现相应的功能。然而，传感器节点一般采用电池供电的方式，且更换十分困难。所以，对于传感器节点，其能量是十分重要的资源。无线传感器网络的很多应用都是延迟敏感的，因此如何制定可靠、低延迟和能量高效的策略成为无线传感器网络的一个研究重点。针对该问题的一个有效方法是机会路由方法，它可以有效降低延迟，提高传输可靠性。

机会路由的基本思想是:节点在转发数据包时，首先会先选择一个候选节点集合g，再对集合中所有的候选节点广播数据包。等待传输结束后，根据某些度量标准，从该节点集合g中选出最优节点i进行下一跳传输。节点i将再选择候选节点集合并广播。而集合g中除i以外的其它节点并不广播此数据包。如此重复，直到目的节点接收到数据包。节点s是源节点，需要将数据包路由到基站。依据通信可靠性模型，将节点s发送范围内的接收节点分为3个区域，分别为:(1)连接区域，这个区域是距离节点s较近距离内的节点，此区域内节点接收成功率高；(2)不连接区域，距离节点s较远的节点，接收成功率非常低；(3)过渡区域，处于这个区域内的节点具有一个特定范围的接收成功率。如果节点s选择连接区域内的节点作为接收节点，虽然接收可靠性高，但是每一跳向基站前进的距离小。而选择不连接区域的节点，传送成功率非常低。因而，机会路由采用的办法是选择多个过渡区域的节点，采用广播发送的方式，这样只要过渡区域内有一个节点能够成功接收数据，则传输成功。只有接收节点同时都没有收到数据，才会导致数据传输失败。因而采用机会路由不仅具有较高的可靠性，又保持了每跳具有一定的前进距离。一般研究结果表明，分区的取值情况为：分组接收率在0.1-0.9之间为过渡区域，分组接收率大于0.9为连接区域，分组接收率小于0.1为不连接区域。在机会路由下，每次候选集合中的节点都从过渡区域进行选择。

两个传感器节点之间数据传输的单跳传输可靠性主要是指节点发送数据包到接收节点时,接收节点成功接收数据的概率。由于在无线传感器网络中，源节点产生的数据往往经过多跳路由到基站，因而端到端传输可靠性指的是源数据经过多跳到达基站时,基站成功接收到数据的概率。端到端传输可靠性是路由路径上所有单跳传输可靠性的乘积。由此可见，在单跳传输可靠性确定的情况下，端到端可靠性会随着路由跳数的增长而减少。而要在较长的路由中保持高的可靠性要求单跳传输可靠性非常高。

数据传输可靠性主要受信噪比影响，当接收节点接收信号的信噪比高时,正确接收数据的概率高，误码率低。而影响信噪比的因素很多,由于传感器节点部署后,这些影响信噪比的外部环境是无法选择的，因而提高信噪比最有效的方法是提高发送节点的发射功率或降低节点的发射距离。当发送节点的发射功率提高时，信号的信噪比提高，因而接收节点的接收率可以提高。提高节点的发射功率虽然有效，但是在能量非常有限的无线传感器网络中增大发射功率会严重影响网络寿命。此外，在无线通信中，信噪比比较低时，数据传送成功非常低。但是只要小幅度提高发射功率，其信噪比会大幅度提高，单次传输成功率也会大幅度提高。但是，当单次传输成功率达到一定值，即使发送功率成倍的增加，其传输成功率提高幅度仍然较小。可见，提高网络性能，不能仅采用提高节点发送功率的方法，而是需要采用多种方法，如结合网络层的跨层优化才能取得好的效果，这也是本发明的出发点。

我们主要针对如何提高数据传输的可靠性，降低数据传输延迟进行研究，提出了一种丢失敏感的无线传感网络中基于发射速率的机会路由方法。

技术实现要素：

为了在不影响网络寿命的前提下提高数据传输的可靠性，并进一步降低数据传输延迟，本发明提供一种丢失敏感的无线传感网络中基于发射速率的机会路由方法。传感器节点经过多跳向基站进行数据传输时选择多个中继节点，只要一个中继节点接收数据成功，则接收数据成功的节点继续上述过程向前路由，直到基站。由于无线数据传输存在一定的丢包率，为保证高的数据传输成功率。本发明提供方法根据无线传感器网络中节点承担数据量和能量消耗情况，利用网络中节点的剩余能量，提高有能量剩余节点的发射功率；节点的发射距离保持不变，从而提高节点的数据传输成功率，使得数据传输的可靠性得到提高，降低延迟。

首先需要计算在恒定功率下无线传感网络中各个区域节点承担的数据量以及能量消耗情况。然后根据这些基础数据来调整不同区域的节点发射功率以达成优化的目的。

对于传统路由方法，由于所有节点不仅具有相同的发射距离还具有相同的发射功率，节点间的单次传输成功率处处相等。假设候选节点个数为n，节点发射距离为r，节点间单次传输的成功率恒为p。在每个数据传输周期中每个节点都产生一个数据包发往基站。则在这个周期中，节点发送的数据量d^s(l)，接收数据量d^r(l)，发送的ack数据量d^a(l)，发送的cts数据量d^c(l)分别可以通过以下公式计算得到:

其中，pn＝1-(1-p)ⁿ，表示单跳传输成功率，l为节点nl所在区域到基站的距离。

节点的能量消耗主要来源于发送与接收数据包,发送ack以及cts通信控制数据包，其他的能量消耗与这些相比可以忽略。节点发送数据消耗的能量e^s，节点接收数据消耗的能量e^r，节点发送ack数据消耗的能量e^ack，节点发送cts数据消耗的能量e^cts分别可以通过以下公式计算得到：

e^s＝pt·l^s·d^s/rd

e^r＝pr·l^r·d^r/rd

e^ack＝pt·l^ack·d^a/rd

e^cts＝pt·l^cts·d^c/rd

节点消耗的总能量e^tot可以通过如下公式计算：

e^tot＝e^s+e^r+e^cts+e^ack

其中：rd为数据发射速率,单位为bits/s。pr表示节点的接收功率，pr＝pt-pl(d)，pt表示节点的发射功率。l^s，l^r为数据包的长度,l^s＝l^r，l^cts和l^ack分别表示cts帧与ack帧的长度,单位为bit。pl(d)表示传播路径损耗，可以由如下公式计算：

其中，d0是参考距离，pl(d0)表示在该距离处的路径损耗。n是路径损耗指数；xσ是服从零均值和标准偏差的高斯分布的阴影分量。

由于网络的接收与转发结构主要由发射半径决定，而只要网络的接收与转发结构不变，各个区域在一轮发送中承担的转发区域大小就不会变。然而当不同程度提升节点发射功率后，网络的可靠性得到提升，原本丢失的数据包将能被正确接收，网络中的数据量将会增大，能量消耗势必也会增大。考虑到这种情况，在计算发射功率时需要对改变后的网络中的数据量进行预估，并选择参考阈值能量。

假设候选节点个数为n，节点发射距离为r，参考阈值能量为则到基站距离为l的节点nl的发射功率可以由如下公式计算得到：

其中，分别表示对节点nl预估的发送数据包数量，接收数据包数量，发送cts数据包数量以及发送ack数据包数量。阈值能量为可以选择传统路由方法中能耗最大的节点的总能量消耗,即

节点间的单次传输成功率p可以由如下公式计算：

其中，d表示节点间距，rd表示比特数据率,f表示数据包的帧大小，单位是字节，bn表示噪声带宽。snr(d)表示d距离下的信噪比。

节点发射功率的提升是随着到基站距离的增大而逐渐增大的，而节点的发射距离又固定不变。因此单次传输成功率在也会随着到基站距离的增大而逐渐增大。单次传输成功率越大，网络中的数据包数量越多。同时根据能量构成式可以看出，如果高估节点承载的数据量，那么节点能量会有所剩余，从而不会减小网络的寿命。

由于上述技术方法，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种丢失敏感的无线传感网络中基于发射速率的机会路由方法；本发明充分利用网络中大量的剩余能量，使网络中的能量达到均衡；本发明提高了节点的发射功率，维持每一跳的发射距离不变，从而提高了单次传输成功率；本发明提高了端到端的传输可靠性，减少数据包在候选节点间排队以及通信和确认的时间，降低了数据传输延迟。

综上所述，本发明提供的丢失敏感的无线传感网络中基于发射速率的机会路由方法，方法原理简答可靠。该方法充分利用网络中的剩余能量，提高有能量剩余节点的发射功率，并结合了网络层的机会路由方法，从而提高数据传输的可靠性，降低数据传输延迟。并维持每一跳的发射距离不变，提升单次传输成功率，从而提高端到端的传输可靠性。由于传输可靠性的提升，减少了数据包在候选节点间排队以及通信和确认的时间，从而可以降低数据传输延迟。本发明可以小幅度降低数据传输延迟，提高网络传输可靠性6.62％-169.05％，并且不影响网络寿命。

附图说明

为了能更清楚地说明本发明的技术方法，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的网络传输模型。

图2是本发明不同区域的节点的数据量。

图3是本发明不同区域的节点的能量消耗。

图4是本发明基于发射速率的机会路由方法的不同区域的节点的发射功率。

图5是本发明基于发射速率的机会路由方法的节点预测数据包与实际数据包的数量差。

图6是本发明基于发射速率的机会路由方法的端到端可靠性。

图7是本发明基于发射速率的机会路由方法的不同功率的能量消耗对比图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明的圆形网络半径为r，网络中节点均匀分布且密度为ρ，节点发射半径为r。区域al,k为到基站的距离为l，长度为dx，弧度值为dθ的扇形圆环区域。区域al+x,k+j为在al,k外侧相距x，顺时针方向弧度值相差为j·dθ的扇形圆环区域。

参见图2，其所述为候选节点个数为3，节点发射距离为70米的情况下，网络中不同区域的节点发送的数据量，接收的数据量，发送的ack数据量和发送的cts数据量。如图2所述，距离基站越近，各类数据量越多。

参见图3，其所述为候选节点个数为3，节点发射距离为70米的情况下，网络中不同区域的节点的能量消耗，包括发送数据的能量消耗，接收数据的能量消耗，发送ack的能量消耗，接收ack的能量消耗，及总的能量消耗。如图3所述，距离基站越近，能量消耗越多。

参见图4，其所述为当距离基站最近的节点的发射功率pt＝-3dbm时，本发明方法得出的发射功率。节点发射功率随着距基站距离的增加而逐渐增大。

参见图5，其所述为本发明方法下数据量预测值与数据量实际值之间的差值。如果预估的数据量完全准确，那么节点中的能量是恰好完全平衡的，其值为不过由于节点承载的数据量与传输成功率相关，而传输成功率又与发射功率直接相关。所以本发明提供了一种启发式估计方法以得到近似最优解：距离基站越远，节点的发射功率越大，而节点的发射距离又固定不变。因此单次传输成功率在也会随着到基站距离的增大而逐渐增大。单次传输成功率越大，网络中的数据包数量越多。同时根据能量消耗公式可以看出，如果高估节点承载的数据量，那么节点能量会有所剩余，从而不会减小网络的寿命。另外，由于传输可靠性的提升，可以减少数据包在候选节点间排队以及通信和确认的时间，从而可以降低数据传输延迟。

参见如6，其所述为候选节点个数为3，节点发射距离为70米的情况下，端到端可靠性的对比。从整体性能来看，该情况下参考能量阈值的选取过低，限制了发射功率的提升，也就限制了本发明方法对网络性能的提升。当统计半径为300米时，传统路由方法下的可靠性为0.582，本发明方法下的可靠性为0.621，可靠性提升了6.62％。这是由于网络外部可靠性的提升使得数据包数量大大增加，即使不增大发射功率，内部节点的能耗就已经大幅度增大了。当距离基站为900米时，传统路由方法下的可靠性为0.203，本发明方法下的可靠性为0.548，相比提升了169.05％。

参见图7，其所述为本发明采用跨层优化的机会路由方法的不同功率的能量消耗对比图。显然,当传统路由方法的网络性能越低的时候，本发明方法需要较大的能量消耗提升区，并且能量消耗提升的幅度也越大。而当传统路由具有一定的性能以后，本发明方法能够充分利用剩余能量，并只需要极少部分的节点能量消耗少量上升.

以上所揭露的仅为本发明的几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。