一种区分业务的自适应协作网络编码方法
【专利摘要】本发明公开了一种区分业务的自适应协作网络编码方法，根据不同的业务类型，对业务的QoS需求进行逐跳映射，通过每一跳的QoS保障从而获取端到端的QoS需求，所述每一跳的QoS保障是通过通信网络中不同业务的情况进行计算获得估计的均值，包括通信网络中逐跳的可靠性和时延，将逐跳的可靠性和时延估值代入模型进行冗余度也即网络编码包个数 N 的实时调整，同时采用牛顿搜索方法以确定满足不同业务的QoS需求。本发明可以在满足QoS需求的条件下，降低能耗延迟网络生命周期。
【专利说明】-种区分业务的自适应协作网络编码方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线传感器网络（Wireless SensorNetworks, WSNs)，具体地说，设及 到一种区分业务的自适应协作网络编码方法。
【背景技术】
[0002] 作为一项新兴的网络技术，无线传感器网络将无线通信技术、嵌入式系统、计算机 网络等高新技术集合在一起，对外部世界进行实时准地感知、测量及监控。该技术有着广阔 的应用前景和巨大的发展潜力，其成果也将对未来人类生活的方方面面带来重要影响。它 被认为是21世纪中能对信息科学、社会进步和经济发展发挥重要作用的关键技术。因此， 它引起了学术界和工业界的广泛关注。目前无线传感器网络技术的应用十分广泛，包括国 防军事、智能交通管理、智能家居、环境监测等多个领域。
[0003] 无线传感器网络（Wireless sensor network)是由部署在监测区域内大量小型传 感器节点，W自组织的方式构建的从源节点到Sink节点的多跳网络。无线传感器节点上通 常装备有诸如温湿度传感器、光照传感器、甚至图像传感器等功能器件，W进行相应环境的 标量和矢量数据采集。当传感器检测到事件发生或周期检测时间到达时，节点就对监控区 的数据进行采集和初步处理，并通过多跳路由的方式进行数据传输。每个节点通过网络路 由协议选择下一跳转发节点，从而形成一条优化的路径将数据从监控区域传输到汇聚节点 (基站）。汇聚节点将监测区域的数据进行汇聚处理，继而通过诸如Internet、移动通信网 络等公用网将数据发送到管理终端或终端用户。
[0004] 由于无线信道的不稳定性，且监控区域一般位于环境恶劣的地方，单节点已失效， 因此，要求所设计的协议具有较高可靠性和鲁椿性。同时，由于成本和体积的限制，节点的 能量、存储空间W及计算资源受限，因此，复杂度和能耗也是需要考虑的重要因素。此外，随 着物联网的不断发展，作为其核屯、组成部分的无线传感器网络也被赋予更多的功能，提供 更多样化的业务。由传统的温湿度、光照、压力等标量数据采集向多元化信息采集处理转 变。尤其是视频监控、高精度定位、友好交互查询等应用的引入，使得WS化包含更加丰富的 信息和业务处理，不仅包含传统的标量信息，同时也需要处理包含语音、图像、视频等多种 数据的混合业务。不同的业务对数据传输的可靠性、时延等QoS参数的要求各不相同，因 此，无线传感器网络需要具备多业务的区分能力，即需要满足不同业务的QoS需求。总的来 说，针对无线传感器网络的协议需要具备高鲁椿性，低复杂度，同时能在满足业务QoS的前 提下获取最优的能效。
[0005] 如果要进行端到端的QoS保障需要网络的全局信息，可通过全局信息选择合适的 路径或机制进行保障。然而，WS化规模通常比较大而且通信环境频繁变化，全局信息获取 和维护比较困难。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种区分业务的自适应协作网络编码方法 值iff-serviceAdaptive Cooperative Network Coding, DCNC)。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[000引一种区分业务的自适应协作网络编码方法，对不同业务的QoS需求进行逐跳映 射，通过每一跳的QoS保障从而获取端到端的QoS需求；所述每一跳的QoS保障是通过底层 包括物理层、链路层和媒体访问控制层的相应机制获取实时的链路质量，代入逐跳的可靠 性和时延模型进行冗余度也即网络编码包个数N的实时调整，同时采用改进的牛顿捜索方 法W确定满足不同业务的QoS需求。具体地，所述每一跳的QoS保障是通过通信网络中不 同业务的情况进行计算获得估计的均值，包括通信网络中逐跳的可靠性和时延，将逐跳的 可靠性和时延估值代入模型进行冗余度也即网络编码包个数N的实时调整。
[0009] 上述方法具体说明如下：
[0010] 对不同应用的QoS度量给定边界值作如下定义；
[0011] 允许的最大端到端时延；Dmax;
[001引不同业务（应用）的最小可靠性需求；Rmin;
[0013] 无线传感器网络的QoS约束定义为：
[0014] 时延约束；Delay (T(s，d))《Dmax;
[0015] 可靠性约束；Reli油ility(T(s, d)) > Rmin。
[0016] 本发明的算法将端到端的QoS需求映射到每一跳中，通过联合保证逐跳的QoS使 得端到端的需求得到满足，具体映射如下：
[0017] 逐跳的平均时延约束；A ; Hop
[001引逐跳的平均可靠性保证：馬="'苗^ ;
[0019] 为了进行实时的调整需要知道每一跳簇间传输的可靠性和时延模型，通过模型参 数的调整来在网络层上满足逐跳的QoS需求。
[0020] 下面对簇间传输的可靠性模型进行设定：
[0021] 设定原始数据包数目为M，在每一个中间簇中再编码成N个编码包，通过n个节 点进行发送，定义单跳传输成功为下一跳的簇内收到的数据包中编码向量集合的秩不小于 M。此外，令链路的失效概率为P，且链路间失效是相互独立的。当发送簇中发出一个数据 包，只要接收簇中有一个节点正确接收就可认为该数据包已被接收簇正确接收。因此，发 送簇每发送一个数据包不能被接收簇成功接收的概率为护。则每一簇发送N个数据包中 k (0《k《脚个被成功接收，N-k个不被成功接收的概率为；
[0022]
【权利要求】
1. 一种区分业务的自适应协作网络编码方法，基于协作网络编码机制，其特征在于，对 不同业务的QoS需求进行逐跳映射，通过每一跳的QoS保障从而获取端到端的QoS需求；所 述每一跳的QoS保障是通过通信网络中不同业务的情况进行计算获得估计的均值，包括通 信网络中逐跳的可靠性和时延，将逐跳的可靠性和时延估值代入模型进行冗余度也即网络 编码包个数N的实时调整，同时采用牛顿搜索方法以确定满足不同业务的QoS需求。
2. 根据权利要求1所述的区分业务的自适应协作网络编码方法，其特征在于，所述牛 顿搜索方法步骤如下：
521. 初始值确定：如果不等式组
522. 步长确定：将步长设置为1且固定不变，迭代次数小于N_-M;
523. 迭代终止条件：当搜索到以㈨飒时，即可终止迭代，同时返回N 作为Nmin，也 即得到最优值N，其中i为迭代次数。
3. 根据权利要求2所述的区分业务的自适应协作网络编码方法，其特征在于， 在获得所述解区间[Nmin N_]的同时返回队+1作为N值求解能耗函数EdustOT= n? (Ek+Et^)) ?Le+N?ET(d2)?(L/M+LD+Eh。，即在满足特定业务的QoS前提下使得系统的 能耗最低；其中ET为发送每比特能耗、EK为发送每比特能耗、ddP d2分别为簇内和簇间的 传输距离，Eh。为本簇接收到从上一簇传来的编码包能耗。
4. 根据权利要求2或3所述的一种区分业务的自适应协作网络编码方法，其特征在于， 对搜索到的最优值N若不是最优值整数N。，则对N解进行平滑，使其趋近于理论上的最优值 整数N。，具体为： 设搜索到的最优值N对应的单跳成功传输概率为PN，而上一个值N-1对应概率PN_i，则N。落在区间[N-l，N]之间；依概率P:和1-P:分别选择N和N-1使得平均冗余度趋近于N。， ?:值计算方法如下：
【文档编号】H04L1/00GK104486043SQ201410836646
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】刘星成 申请人:中山大学