專利名稱：一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入和批量數(shù)據(jù)傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體給出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入和批量數(shù)據(jù)傳輸方法。
背景技術(shù)：
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后通常通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)包傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控。后臺(tái)控制端可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令給節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制和操作，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地感知和控制物理世界。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，節(jié)點(diǎn)可布設(shè)在森林農(nóng)田、廠礦工地以及港口物流、交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等眾多環(huán)境。在很多的應(yīng)用場(chǎng)合，由于環(huán)境條件的限制，節(jié)點(diǎn)需要電池供電且電池容量較小，但是應(yīng)用系統(tǒng)往往需要節(jié)點(diǎn)持續(xù)工作數(shù)月到數(shù)年，所以能量效率是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)具體的應(yīng)用中，一方面要保持網(wǎng)絡(luò)本身良好的通信性能，另外一方面更要考慮節(jié)點(diǎn)低能耗的要求，在追求低能耗和高通信性能之間很大程
在目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中信道接入方法是其中最重要的技術(shù)之一，是影響網(wǎng)絡(luò)總體性能的關(guān)鍵因素，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的時(shí)候，需要比較有效的方法來(lái)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信行為以達(dá)到較高的網(wǎng)絡(luò)通信性能和較低的能耗。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要從感知范圍內(nèi)將信息通過(guò)多跳方式傳給匯聚節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，由于多跳傳輸中存在隱藏終端和暴露終端、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、鏈路中斷等一系列更加復(fù)雜的問(wèn)題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能嚴(yán)重下降，加上節(jié)點(diǎn)對(duì)能耗的要求比較敏感，給這類網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。目前的解決方案中一般使節(jié)點(diǎn)采用周期性的偵聽和睡眠調(diào)度以降低能耗，即節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候進(jìn)入睡眠狀態(tài)以減小能耗，并定期喚醒以檢測(cè)可能發(fā)給自己的數(shù)據(jù)，一旦有數(shù)據(jù)發(fā)給自己則保持喚醒狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)通f目。目前具有代表性的周期性偵聽睡眠的信道接入機(jī)制是葉偉提出的S-MAC協(xié)議，它最早由參考文獻(xiàn)“An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless SensorNetworks”(W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin, IEEE INF0C0M, June 2002)提出。S-MAC協(xié)議中節(jié)點(diǎn)按照周期性方式運(yùn)行，協(xié)議的一個(gè)周期分為偵聽期和睡眠期兩個(gè)部分，其中的偵聽期又分為同步階段和數(shù)據(jù)階段，偵聽時(shí)間和整個(gè)周期長(zhǎng)度的比率為占空比，協(xié)議運(yùn)行過(guò)程中周期長(zhǎng)度和占空比均固定。節(jié)點(diǎn)在偵聽期間喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在睡眠期間進(jìn)入睡眠狀態(tài)以降低功耗。另外還有基于接收方發(fā)起的RI-MAC協(xié)議，由參考文獻(xiàn)“RMAC: Arouting-enhanced duty-cycle mac protocol for wireless sensor networks，， (S. Du,A. K. Saha, and D. B. Johnson, IEEE INF0C0M, May 2007)提出。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的時(shí)候，需要等待接收方喚醒并發(fā)送一個(gè)邀請(qǐng)包給發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)起本次傳輸，很大程度上能減小控制包的開銷和降低能耗。但是在實(shí)際的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，往往存在許多難點(diǎn)問(wèn)題需要解決1)節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)進(jìn)入睡眠狀態(tài)來(lái)降低能耗，但是節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)以后無(wú)法收發(fā)數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗并不斷引發(fā)重傳，降低了網(wǎng)絡(luò)的通信效率；2)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流經(jīng)常發(fā)生變化，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量變大的時(shí)候，如果節(jié)點(diǎn)處于睡眠無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞加劇，如果節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)則數(shù)據(jù)包將丟失，在多跳環(huán)境下引起嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)性能下降；3)在接收節(jié)點(diǎn)喚醒的時(shí)候往往有多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)積累了數(shù)據(jù)包，如果每次只有一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，則會(huì)使得其他發(fā)送節(jié)點(diǎn)堆積的數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)發(fā)送出去，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲和吞吐率等方面的性能惡化。這些存在的問(wèn)題導(dǎo)致嚴(yán)重影響了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入和批量數(shù)據(jù)傳輸方法，使得網(wǎng)絡(luò)中的擁塞嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)能有更多 的機(jī)會(huì)獲得數(shù)據(jù)包發(fā)送權(quán)，很大程度上緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞和數(shù)據(jù)丟包的問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的快速傳輸方式能夠使節(jié)點(diǎn)能盡快發(fā)送已經(jīng)堆積在緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包，較大程度上提升了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，其步驟如下
1.通常情況下網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照一定的周期長(zhǎng)度周期性地進(jìn)行偵聽和睡眠以節(jié)約能量，在沒(méi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的時(shí)候節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)以降低能耗，并在一個(gè)周期結(jié)束后主動(dòng)喚醒以接收可能發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包；網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的偵聽和睡眠調(diào)度相互獨(dú)立，喚醒和睡眠過(guò)程并不需要保持一致，減少由于維持同步造成的額外開銷；節(jié)點(diǎn)在睡眠結(jié)束后主動(dòng)喚醒，通過(guò)查詢本地緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包數(shù)目估計(jì)當(dāng)前擁塞程度，并以此作為本次數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)節(jié)的依據(jù)；
2.發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)信道獲得前導(dǎo)包發(fā)送權(quán)后，構(gòu)建一個(gè)前導(dǎo)包并通過(guò)重復(fù)發(fā)送前導(dǎo)包給接收節(jié)點(diǎn)以建立本次數(shù)據(jù)通信過(guò)程，由于此時(shí)接收節(jié)點(diǎn)可能處于睡眠狀態(tài)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要等待接收節(jié)點(diǎn)喚醒后回復(fù)確認(rèn)包；為使得其他節(jié)點(diǎn)在這個(gè)過(guò)程中能夠有機(jī)會(huì)贏得發(fā)送權(quán)；前導(dǎo)包之間的時(shí)間間隔隨機(jī)選擇并服從均勻分布，并至少能夠容納一個(gè)前導(dǎo)包傳輸?shù)臅r(shí)間加上前導(dǎo)包在信道上的傳輸延遲，最大不能超過(guò)周期長(zhǎng)度的一半；在具體設(shè)計(jì)中，前導(dǎo)包的平均時(shí)間間隔和擁塞程度成比例，擁塞越嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的前導(dǎo)包的平均時(shí)間間隔越短，擁塞越輕的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的前導(dǎo)包的平均時(shí)間間隔越長(zhǎng)，使得擁塞嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)發(fā)送前導(dǎo)包的機(jī)會(huì)更多，從而成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率也越大，這樣能夠有效緩解網(wǎng)絡(luò)中擁塞問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能；
3.接收節(jié)點(diǎn)喚醒并收到前導(dǎo)包后會(huì)回復(fù)第一類型確認(rèn)包ACKl給發(fā)送節(jié)點(diǎn)以建立本次連接，其中ACKl除了攜帶發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的地址信息外，還附加了接收節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可用緩沖區(qū)信息，使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的批量數(shù)據(jù)包數(shù)目不會(huì)超過(guò)接收節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可用的緩沖區(qū)大小而引起丟包。發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到ACKl包后，根據(jù)自身的已經(jīng)緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)目情況和接收節(jié)點(diǎn)可用的緩沖區(qū)情況合理計(jì)算本次數(shù)據(jù)包發(fā)送的數(shù)目以優(yōu)化傳輸，并一次發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包給接收節(jié)點(diǎn)，最大限度地提高傳輸效率和降低能耗，接收節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，回復(fù)第二類型的確認(rèn)包ACK2確認(rèn)本次數(shù)據(jù)通信，這個(gè)第二類型確認(rèn)包ACK2中也包含本次未成功接收到的數(shù)據(jù)包序號(hào)，使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠獲知未正確接收的數(shù)據(jù)包信息并進(jìn)行進(jìn)一步處理。進(jìn)一步地，步驟2中前導(dǎo)包之間的時(shí)間間隔隨機(jī)選擇方法具體為令節(jié)點(diǎn)上的最大的緩沖區(qū)容量大小為Qmax，相鄰兩個(gè)前導(dǎo)包允許的最大時(shí)間間隔為Tmax，允許的最小時(shí)間間隔為Tmin，本次測(cè)量的數(shù)據(jù)包隊(duì)列長(zhǎng)度為Qcur，則本次選擇的最大前導(dǎo)包時(shí)間間隔Tcur 由以下公式確定 Tcur= ((Tmin-Tmax)/Qmax) X Qcur+Tmax;節(jié)點(diǎn)會(huì)在[Tmin, Tcur]之間隨機(jī)選擇一個(gè)值tcur作為本次的前導(dǎo)包時(shí)間間隔，當(dāng)前的前導(dǎo)包發(fā)送完畢后，等待tcur時(shí)間再繼續(xù)下一次前導(dǎo)包的發(fā)送，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)如果鄰居節(jié)點(diǎn)中有擁塞更加嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)，則此節(jié)點(diǎn)有可能在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送前導(dǎo)包，從而能夠有機(jī)會(huì)搶占當(dāng)前發(fā)送前導(dǎo)包的節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送，從而能夠緩解擁塞并保持網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)和流量平衡；節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送完畢一個(gè)前導(dǎo)包后，再次按照相同的方法計(jì)算下一個(gè)前導(dǎo)包時(shí)間間隔，并進(jìn)行下一次前導(dǎo)包的發(fā)送，直到收到接收節(jié)點(diǎn)的ACKl或者本周期結(jié)束為止。進(jìn)一步地，步驟3中合理計(jì)算本次數(shù)據(jù)包發(fā)送的數(shù)目的方法具體為令網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)都設(shè)置同樣大小的緩沖區(qū)，接收節(jié)點(diǎn)在收到前導(dǎo)包后解析發(fā)送節(jié)點(diǎn)的地址信息，然后接收節(jié)點(diǎn)查詢自身當(dāng)前數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包數(shù)目，令當(dāng)前數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)中的數(shù)目為Qlft，則當(dāng)前可用的緩沖區(qū)大小為Nrcv=Qmax-Qlft,接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)第一 類型確認(rèn)包ACKl將當(dāng)前可用的緩沖區(qū)大小Nrcv發(fā)送給發(fā)送節(jié)點(diǎn)；令當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包數(shù)目為Nsnd，根據(jù)系統(tǒng)最大允許的傳輸時(shí)間計(jì)算的數(shù)據(jù)包數(shù)目為Nlmt，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)本次發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目Nbst為這三者中的最小值，即Nbst=min {Nrcv, Nsnd, Nlmt}。進(jìn)一步地，前導(dǎo)包之間的時(shí)間間隔最小為發(fā)送一個(gè)前導(dǎo)包的時(shí)間加上前導(dǎo)包在信道上傳輸?shù)难舆t時(shí)間，如果前導(dǎo)包的長(zhǎng)度為L(zhǎng)p，當(dāng)前的前導(dǎo)包的傳輸速度為kp，前導(dǎo)包在信道上傳輸?shù)难舆t為S，則這個(gè)最小時(shí)間間隔可表示為Tmin=Lp/kp+S ;前導(dǎo)包之間的最大時(shí)間間隔設(shè)置為周期長(zhǎng)度的一半，即TmaX=Tcyc/2，這里的Tcyc為一個(gè)周期的長(zhǎng)度。進(jìn)一步地，根據(jù)系統(tǒng)最大允許的傳輸時(shí)間計(jì)算的數(shù)據(jù)包數(shù)目方法為令k為數(shù)據(jù)包和確認(rèn)包的傳輸速度，Ldata為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，Lack為確認(rèn)包長(zhǎng)度，tsifs為兩個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)包間隔，則(Ldata/k+tsifs) XNlmt+Lack/k=Tmax,由此得到 Nlmt= (kXTmax-Lack)/(Ldata+kXtsifs)。


圖I為本發(fā)明中的一個(gè)基本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。圖2為本發(fā)明中前導(dǎo)包發(fā)送的過(guò)程示意圖。圖3為本發(fā)明中批量數(shù)據(jù)傳輸方法示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)拓?fù)淙鐖DI所示，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)包到節(jié)點(diǎn)D，形成了一個(gè)簡(jiǎn)單的匯聚傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，其中DATA和ACK為相應(yīng)的數(shù)據(jù)包和確認(rèn)包。為節(jié)約能耗，圖中的4個(gè)節(jié)點(diǎn)均周期性進(jìn)行睡眠和喚醒調(diào)度，并且相互之間的睡眠喚醒調(diào)度過(guò)程不需要定期進(jìn)行同步和校正。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中的某一時(shí)刻，假設(shè)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B均有數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中堆積需要發(fā)送出去，則節(jié)點(diǎn)A在喚醒狀態(tài)時(shí)候發(fā)送前導(dǎo)包給節(jié)點(diǎn)C，等待節(jié)點(diǎn)C回復(fù)確認(rèn)包后進(jìn)行正式的數(shù)據(jù)包傳輸。由于節(jié)點(diǎn)A發(fā)送前導(dǎo)包的時(shí)候節(jié)點(diǎn)C可能處于睡眠狀態(tài)而無(wú)法回復(fù)確認(rèn)包，則節(jié)點(diǎn)A將連續(xù)發(fā)送前導(dǎo)包直到收到節(jié)點(diǎn)C喚醒后回復(fù)的確認(rèn)包或者本周期結(jié)束為止。在沒(méi)有收到節(jié)點(diǎn)C回復(fù)的確認(rèn)包前，節(jié)點(diǎn)A需要重復(fù)發(fā)送前導(dǎo)包給節(jié)點(diǎn)C。此時(shí)由于節(jié)點(diǎn)B也有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，則節(jié)點(diǎn)B也開始嘗試發(fā)送前導(dǎo)包給節(jié)點(diǎn)C以等待相應(yīng)的確認(rèn)包。令當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包數(shù)目分別為Na和Nb且Na〈Nb，則為防止節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)包由于緩沖區(qū)滿而丟包導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，在本方法設(shè)計(jì)中需要讓擁塞嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)B能有更多的機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)包以減輕數(shù)據(jù)包堆積問(wèn)題和平衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)負(fù)荷。前導(dǎo)包的平均時(shí)間間隔和擁塞程度 成比例，擁塞越嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的前導(dǎo)包的時(shí)間平均間隔越短，擁塞越輕的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的前導(dǎo)包的時(shí)間平均間隔越長(zhǎng)，使得擁塞嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)發(fā)送前導(dǎo)包的機(jī)會(huì)更多,從而成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率也越大。圖2為本例中節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B同時(shí)向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送前導(dǎo)包的場(chǎng)景，其中PP為前導(dǎo)包，DATA為數(shù)據(jù)包，Al為第一類型的ACK包，A2為第二類型的ACK包。節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送前導(dǎo)包時(shí)，每次發(fā)送完一個(gè)前導(dǎo)包，需要根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)計(jì)算下一次前導(dǎo)包發(fā)送的時(shí)間，前導(dǎo)包的時(shí)間間隔并不是固定的長(zhǎng)度，而是在一定的范圍內(nèi)隨機(jī)選擇。節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的相鄰前導(dǎo)包的間隔時(shí)間分別為Backoffl和Backoff2，前導(dǎo)包之間的時(shí)間間隔隨機(jī)選擇并服從均勻分布。當(dāng)Na〈Nb的時(shí)候，Backoffl的平均值大于Backoff2的平均值。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A在發(fā)送前導(dǎo)包的過(guò)程中，收到了來(lái)自節(jié)點(diǎn)B的前導(dǎo)包，并且從前導(dǎo)包中的信息獲知節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中待發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目大于節(jié)點(diǎn)A，則節(jié)點(diǎn)A放棄當(dāng)前的前導(dǎo)包發(fā)送使得節(jié)點(diǎn)B能夠贏得信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而能讓擁塞更加嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)B能夠有更多機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)包從而有效緩解網(wǎng)絡(luò)的擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。為使得節(jié)點(diǎn)A在發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，能夠正確接收和解析來(lái)自其它節(jié)點(diǎn)的前導(dǎo)包，則前導(dǎo)包的時(shí)間間隔最小需要能夠容納一個(gè)前導(dǎo)包傳輸?shù)臅r(shí)間和前導(dǎo)包在信道上的傳輸延遲，同時(shí)為防止前導(dǎo)包過(guò)長(zhǎng)而影響自身數(shù)據(jù)的發(fā)送，前導(dǎo)包的最大時(shí)間間隔設(shè)置為周期長(zhǎng)度的一半。在進(jìn)行前導(dǎo)包發(fā)送時(shí)候，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的前導(dǎo)包時(shí)間間隔隨機(jī)選擇方法為令節(jié)點(diǎn)上的最大的緩沖區(qū)容量大小為Qmax，相鄰兩個(gè)前導(dǎo)包允許的最大時(shí)間間隔為Tmax，允許的最小時(shí)間間隔為Tmin，本次測(cè)量的數(shù)據(jù)包隊(duì)列長(zhǎng)度為Qcur，則本次的選擇的最大前導(dǎo)包時(shí)間間隔Tcur由以下公式確定Tcur= ((Tmin-Tmax)/Qmax) XQcur+Tmax;當(dāng)前的前導(dǎo)包發(fā)送完畢后，節(jié)點(diǎn)從
時(shí)間區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間tcur做為本次前導(dǎo)包時(shí)間間隔，節(jié)點(diǎn)等待tcur時(shí)間后發(fā)送下一個(gè)前導(dǎo)包；節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送完畢一個(gè)前導(dǎo)包后，再次按照相同的方法計(jì)算下一個(gè)前導(dǎo)包時(shí)間間隔，并進(jìn)行下一次前導(dǎo)包的發(fā)送，直到收到接收節(jié)點(diǎn)的ACKl包或者本周期結(jié)束為止。如果擁塞更加嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)B抑制了節(jié)點(diǎn)A的前導(dǎo)包發(fā)送，節(jié)點(diǎn)B將按照計(jì)算的時(shí)間間隔重復(fù)發(fā)送前導(dǎo)包，如果節(jié)點(diǎn)C喚醒后接收到節(jié)點(diǎn)B的前導(dǎo)包，則節(jié)點(diǎn)C通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包數(shù)目和節(jié)點(diǎn)本身的緩沖區(qū)最大容量，計(jì)算當(dāng)前可用的緩沖區(qū)空間。具體方法為令當(dāng)前數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)中的數(shù)目Qlft，數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)最大容量為Qmax，則當(dāng)前可用的緩沖區(qū)大小為Nrcv=Qmax-Qlft,接收節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)第一類型確認(rèn)包ACKl包給節(jié)點(diǎn)B,這個(gè)ACKl包中包含接收節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可用的緩沖區(qū)大小Nrcv。發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)ACKl包后，檢測(cè)自身當(dāng)前緩沖區(qū)中包數(shù)目Nsnd，考慮到根據(jù)系統(tǒng)最大允許的延遲時(shí)間計(jì)算的允許發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目為Nlmt，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)本次發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目Nbst為這三者中的最小值，即Nbst=min{Nrcv, Nsnd, Nlmt}。發(fā)送節(jié)點(diǎn)B在獲取到足夠的信息后，開始通過(guò)批量傳輸?shù)姆绞竭B續(xù)發(fā)送Nbst個(gè)數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)C，如圖3所示。每個(gè)數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔大小為數(shù)據(jù)包傳輸?shù)难舆t時(shí)間Tsifs，當(dāng)最后一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后，接收節(jié)點(diǎn)C最后通過(guò)回復(fù)一個(gè)確認(rèn)包ACK2確認(rèn)本次數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)確認(rèn)包ACK2中包含了本次未成功接收到的數(shù)據(jù)包的序號(hào)，用以通知節(jié)點(diǎn)B 進(jìn)行下一步處理。節(jié)點(diǎn)B收到ACK2后，獲知未成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包序號(hào)，并將接收節(jié)點(diǎn)C未收到的數(shù)據(jù)包調(diào)度到緩沖區(qū)隊(duì)列的首部用于下次數(shù)據(jù)發(fā)送。通過(guò)這樣的方式能夠快速發(fā)送當(dāng)前擁塞節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，有效提高了傳輸?shù)男屎途W(wǎng)絡(luò)的性能。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入和批量數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于包括以下步驟 1)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)周期性地進(jìn)行偵聽和睡眠以節(jié)約能量，節(jié)點(diǎn)之間的偵聽和睡眠調(diào)度相互獨(dú)立；節(jié)點(diǎn)每次喚醒后如果需要發(fā)送數(shù)據(jù)，首先檢測(cè)當(dāng)前緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包數(shù)目用于估計(jì)當(dāng)前擁塞程度，數(shù)據(jù)包數(shù)目越大則擁塞越嚴(yán)重，并以此作為本次數(shù)據(jù)發(fā)送和調(diào)節(jié)的依據(jù)； 2)發(fā)送節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道獲得前導(dǎo)包發(fā)送權(quán)后，通過(guò)重復(fù)發(fā)送一個(gè)前導(dǎo)包給接收節(jié)點(diǎn)，以等待接收節(jié)點(diǎn)喚醒后進(jìn)行回復(fù)；前導(dǎo)包之間的時(shí)間間隔在一定范圍內(nèi)隨機(jī)選擇并服從均勻分布，前導(dǎo)包的平均時(shí)間間隔和擁塞程度成比例，擁塞越嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)發(fā)送前導(dǎo)包的平均時(shí)間間隔越短，使得擁塞嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)能有更多機(jī)會(huì)贏得信道發(fā)送數(shù)據(jù)包； 3)接收節(jié)點(diǎn)喚醒并收到前導(dǎo)包后會(huì)回復(fù)第一類型確認(rèn)包ACKl給發(fā)送節(jié)點(diǎn)建立本次連接，其中ACKl攜帶接收節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可用緩沖區(qū)信息；發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到ACKl后，計(jì)算本次需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目，并按照優(yōu)化計(jì)算的數(shù)據(jù)包數(shù)目批量傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)包給接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)回復(fù)第二類型ACK2包進(jìn)行確認(rèn)完成本次數(shù)據(jù)通信。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入和批量數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于所述前導(dǎo)包之間的時(shí)間間隔在一定范圍內(nèi)隨機(jī)選擇并服從均勻分布具體為令節(jié)點(diǎn)的最大緩沖區(qū)容量為Qmax，前導(dǎo)包允許的最大時(shí)間間隔為Tmax，允許的最小時(shí)間間隔為Tmin，本次測(cè)量的數(shù)據(jù)包隊(duì)列長(zhǎng)度為Qcur，則本次選擇的最大前導(dǎo)包時(shí)間間隔Tcur由以下公式確定Tcur= ((Tmin-Tmax)/Qmax) XQcur+Tmax,節(jié)點(diǎn)會(huì)在[Tmin, Tcur]之間隨機(jī)選擇一個(gè)值作為本次的前導(dǎo)包時(shí)間間隔；節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送完畢前導(dǎo)包后，再次按照相同的方法計(jì)算下一個(gè)前導(dǎo)包時(shí)間間隔，并繼續(xù)進(jìn)行前導(dǎo)包的發(fā)送，直到收到接收節(jié)點(diǎn)回復(fù)的第二類型ACK2包或者本周期結(jié)束為止。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入和批量數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于計(jì)算本次需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目方法為令網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)都設(shè)置同樣大小的數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)，接收節(jié)點(diǎn)查詢到當(dāng)前數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包數(shù)目為Qlft，則當(dāng)前可用的緩沖區(qū)空間為Nrcv=Qmax-Qlft ;令當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包數(shù)目為Nsnd;根據(jù)系統(tǒng)最大允許的傳輸時(shí)間計(jì)算的數(shù)據(jù)包數(shù)目為Nlmt，則本次發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目Nbst為這三者中的最小值，即 Nbst=min {Nrcv, Nsnd, Nlmt}。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入和批量數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于所述的前導(dǎo)包之間的時(shí)間間隔最小為發(fā)送一個(gè)前導(dǎo)包的發(fā)送時(shí)間加上數(shù)據(jù)包在信道上傳輸?shù)难舆t時(shí)間，前導(dǎo)包之間的時(shí)間間隔最大為周期長(zhǎng)度的一半。
5.根據(jù)權(quán)利3所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入和批量數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于根據(jù)系統(tǒng)最大允許的傳輸時(shí)間計(jì)算的數(shù)據(jù)包數(shù)目具體為令Tmax為系統(tǒng)最大允許延遲時(shí)間，k為數(shù)據(jù)包和確認(rèn)包的傳輸速度，Ldata為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，Lack為確認(rèn)包ACK2的長(zhǎng)度，tsifs為兩個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)包間隔，則(Ldata/k+tsifs) XNlmt+Lack/k=Tmax,故Nlmt= (kXTmax-Lack)/(Ldata+kXtsifs)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入和批量數(shù)據(jù)傳輸方法，通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包的數(shù)目估計(jì)當(dāng)前的擁塞程度，并根據(jù)擁塞程度設(shè)置前導(dǎo)包的時(shí)間間隔，使得擁塞越嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)其前導(dǎo)包的平均時(shí)間間隔設(shè)置越小，在進(jìn)行前導(dǎo)包發(fā)送的時(shí)候有更多機(jī)會(huì)贏得發(fā)送權(quán)；在獲得發(fā)送權(quán)后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過(guò)控制包交互獲取接收節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的緩沖區(qū)信息，并計(jì)算本次批量數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化的數(shù)據(jù)包數(shù)目，一次發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包給接收節(jié)點(diǎn)。該方法能夠平衡數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的分布，緩解和解決擁塞引起的丟包和網(wǎng)絡(luò)性能下降問(wèn)題從而能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。
文檔編號(hào)H04W52/02GK102685780SQ20121015173
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者姚國(guó)良, 鄒志烽 申請(qǐng)人:姚國(guó)良