[發(fā)明專利]一種主動式預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010146506.5
• 申請日: 2010-04-12
• 公開（公告）號: CN101883385A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 萬江文;馮仁劍;許小豐;于寧;吳銀鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H04W28/02
• 分類號: H04W28/02;H04W28/22;H04L1/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種主動式預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可靠數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域。

(二)背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)于一體，通過傳感器與外界交互，完成數(shù)據(jù)采集、處理、通信及管理等功能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制與監(jiān)測、家庭自動化與消費(fèi)電子、安全與軍事、物資跟蹤與供應(yīng)鏈管理、智能農(nóng)業(yè)、環(huán)境感知和健康監(jiān)測等諸多方面。

應(yīng)用于監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)具有集中式數(shù)據(jù)收集、多跳數(shù)據(jù)傳輸、多對一流量模式以及突發(fā)事件導(dǎo)致的流量突變等，容易引起網(wǎng)絡(luò)的局部或全局擁塞，引起信息傳輸延遲的增大和數(shù)據(jù)的丟失，甚至引起匯聚節(jié)點(diǎn)BS接收不到任何信息，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕煌瑫r(shí)，由于擁塞現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的下降，由此產(chǎn)生的重傳又會進(jìn)一步增加網(wǎng)絡(luò)流量，縮短了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期，并降低了信息的準(zhǔn)確率。由于傳感器節(jié)點(diǎn)存在資源有限、隨機(jī)部署、通信易受環(huán)境干擾等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)可靠傳輸控制機(jī)制必須滿足自組織、健壯性、能量高效、分布式計(jì)算等要求，且不依賴于具體的下層協(xié)議。

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景不同，控制方案側(cè)重的指標(biāo)不同，采用的網(wǎng)絡(luò)流量傳輸控制方法也有所差異；數(shù)據(jù)傳輸控制可以分為以下三類：基于速率調(diào)整的控制、基于流量調(diào)度的控制和基于網(wǎng)內(nèi)處理的控制。速率調(diào)整方法是傳感器網(wǎng)絡(luò)中最常見的方法，其策略是在檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞后，節(jié)點(diǎn)降低發(fā)送速率防止擁塞繼續(xù)向下游節(jié)點(diǎn)傳播，同時(shí)向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送擁塞通告消息；上游節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身狀態(tài)進(jìn)行速率調(diào)整和決定是否轉(zhuǎn)發(fā)通告消息或停止自身的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；這種方法是在節(jié)點(diǎn)擁塞已經(jīng)發(fā)生時(shí)被動使用，網(wǎng)絡(luò)能量已經(jīng)被消耗。流量調(diào)度方法通過把擁塞區(qū)域的部分流量調(diào)度到附近非擁塞區(qū)域，減輕擁塞區(qū)域的流量負(fù)載；但其常與路由協(xié)議結(jié)合使用，通用性不強(qiáng)。網(wǎng)內(nèi)處理方法根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)的特性，對節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮、丟棄或者聚合的方法；此種方法要求傳感器節(jié)點(diǎn)能夠理解他們所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，并且保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量在一定范圍內(nèi)，適用于周期性產(chǎn)生數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，不適用于突發(fā)事件導(dǎo)致的流量突發(fā)性網(wǎng)絡(luò)。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯恐校壳暗湫偷难芯抗ぷ饔惺タɡK布萊曼(Sankarasubramaniam)等人提出的時(shí)間到信宿可靠傳輸(ESRT)協(xié)議，該協(xié)議定義f為源節(jié)點(diǎn)報(bào)告速率，根據(jù)可靠性度量η的值，定義第i個(gè)時(shí)間間隔時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(按照報(bào)告速率f遞增的狀態(tài)變化進(jìn)行排序)，把網(wǎng)絡(luò)分成無擁塞低可靠性、無擁塞高可靠性、最佳操作范圍、有擁塞高可靠性以及有擁塞低可靠性等5個(gè)狀態(tài)，達(dá)到了在減輕擁塞的同時(shí)提高可靠性的目的。萬等人提出的CODA協(xié)議結(jié)合開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式來解決可靠傳輸問題，節(jié)點(diǎn)在擁塞區(qū)域丟棄數(shù)據(jù)包并采用“加性增、乘性減”的方式調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)源速率。卡雷拉斯(Karenos)等提出了基于分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量控制的COMUT協(xié)議，哨兵節(jié)點(diǎn)計(jì)算本簇內(nèi)通信強(qiáng)度，并通過分析簇內(nèi)及簇見的通信強(qiáng)度評估網(wǎng)絡(luò)擁塞程度。基姆(Kim)等提出的Flush協(xié)議通過嚴(yán)格的速率控制避免網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，它要求網(wǎng)絡(luò)滿足兩個(gè)要求：①后繼節(jié)點(diǎn)把接收到的數(shù)據(jù)完全傳輸后，才允許前面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸；②前面節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率不能超過后繼節(jié)點(diǎn)。周揚(yáng)帆等提出的PORT協(xié)議，采用多路徑路由機(jī)制，將報(bào)告速率調(diào)整問題建模為優(yōu)化問題，網(wǎng)關(guān)根據(jù)各數(shù)據(jù)源對信息逼真度的貢獻(xiàn)情況對當(dāng)前數(shù)據(jù)源進(jìn)行速率調(diào)整。馬斯(Maciej)等采用隊(duì)列效用和嵌入式信道估計(jì)算法預(yù)測信道可用性的方法解決傳輸可靠問題，并通過“李亞普若夫穩(wěn)定性判定”證明網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，避免擁塞問題。陳世剛(Shigang?C.)提出了一種基于輕量級緩存管理的擁塞避免機(jī)制，規(guī)定節(jié)點(diǎn)向鄰居廣播自己剩余存儲量的1/6以防止隱藏終端問題，僅在接收節(jié)點(diǎn)有足夠緩存容納要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)才向其發(fā)送數(shù)據(jù)。本發(fā)明提出的基于主動式預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠控制算法，采用節(jié)點(diǎn)級與系統(tǒng)級結(jié)合的控制方法，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)個(gè)體與整體關(guān)系，設(shè)定傳感節(jié)點(diǎn)的輸入輸出速率，主動避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象，此發(fā)明從內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方式上與已有方法迥然不同，且進(jìn)一步減小了網(wǎng)絡(luò)資源利用率、提高了算法的適應(yīng)性。

(三)發(fā)明內(nèi)容

1、發(fā)明目的：本發(fā)明主要是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可靠數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)提出的，符合實(shí)際傳感器網(wǎng)絡(luò)具有集中式數(shù)據(jù)收集、多跳數(shù)據(jù)傳輸、多對一流量模式以及突發(fā)事件導(dǎo)致的流量突變的情況，提高了算法在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的適應(yīng)性。

本發(fā)明的創(chuàng)新思想主要有以下兩點(diǎn)：