[發明專利]無線傳感器網絡中基于網絡編碼協作系統區分服務的方法

有效

• 申請號: 201710116609.9
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106714316B
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發明（設計）人: 劉安豐;閔潔
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H04W72/04
• 分類號: H04W72/04;H04W72/08
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 馬家駿

本發明公開了一種無線傳感器網絡中基于網絡編碼協作系統區分服務的方法。該方法考慮根據應用所需的可靠性對每個節點分別設置其發射功率，這就在保證可靠性的同時將節點的發射功率降到最低，節約了不必要的能量消耗，達到延長網絡生存壽命的目的。節點發射數據的功率大小與數據傳輸的可靠性存在正相關關系，由于網絡死亡時距離匯聚節點較遠的區域仍存在大量能量，充分利用這些剩余能量，提高這部分區域中節點的發射功率能更好的提高數據可靠性，而不會對網絡壽命造成影響。

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡領域，特別涉及一種無線傳感器網絡中基于網絡編碼協作系統區分服務的方法。

背景技術

無線傳感器網絡由大量配備無線電收發器的傳感器節點組成，這些節點隨機散落在工作區域，負責感知、監測和處理環境數據。在大多數情況下，無線傳感器網絡需要在沒有人工干預的情況下工作很長的一段時間，可靠性和魯棒性也因此成為無線傳感器網絡設計的基本要求。無線通信過程中，受到傳輸環境和傳輸介質等因素的干擾會使得數據通過無線方式進行傳輸時受到一定程度的影響，導致質量下降甚至出現數據丟失的情況。因此，實現可靠通信傳輸是無線傳感器網絡領域需要解決的主要問題之一。此外，傳感器節點能量受限的特點讓無線傳感器網絡中的能量節約問題成為另一個急需解決的方面。

目前，關于可靠性的研究主要集中于如下的策略：(1)多徑路由協議。多徑路由協議通過在發送節點與接收節點之間建立多條路徑進行數據發送，使得更多的節點加入到數據傳遞的任務中。通過對多條較好路徑的選用替代單條最好路徑，從而對數據可靠性進行提升。(2)自動請求重傳技術。發送端向接收端發送數據包后需要接收端的響應，否則需重新發送該數據包。(3)前向糾錯技術。前向糾錯是一種利用數據編解碼方法完成信息糾錯的有效方式。原始數據在發送端按照一定規律性進行編碼處理，這種規律性使得接收端在收到數據包后可通過譯碼的方式自動找到并修正傳輸中產生的錯誤。(4)協作通信：協作通信是在多用戶網絡中，用戶通過一定的方式共享彼此的天線，形成虛擬多信道，獲取空間分集增益，從而提高系統通信可靠性和信道容量的有效方法。(5)網絡編碼：不同于傳統的存儲轉發模式，網絡編碼允許中繼節點對多條路徑上的信息進行編碼融合，然后再轉發。

協作通信方案的實施使得系統通信可靠性和信道容量得到一定的提高。基于網絡編碼的協作系統在節省傳輸開銷上進行了進一步優化，有效地保證了網絡傳輸效率的提高。

作為信息基礎設施的一部分，無線傳感器網絡需要為不同應用提供服務，這些應用有各自不同的可靠性需求。可靠性需求的提升代表著傳感器節點能耗的增加，這也將隨之影響到網絡整體壽命。因此，需要制定一種可靠有效的方法使得既能保證可靠性，還能達到能量節約的目的。

發明內容

本發明提供了一種無線傳感器網絡中基于網絡編碼協作系統區分服務的方法，其目的在于，根據應用的可靠性需求確定網絡中節點的傳輸功率，在保證應用可靠性要求的前提下最小化節點能耗。并且，距離基站近的節點由于需要承擔更多的數據轉發任務，導致能量消耗增大更加容易死亡，將這部分節點所在的區域稱為熱區，則其他節點所在的區域稱為非熱區，在節點傳輸功率確定之后，提高非熱區節點的傳輸功率，在不降低網絡壽命的前提下能夠最大化數據收集可靠性，并計算出此時所有節點各自的發射功率大小。

若每跳數據包丟失概率為P_Plr，每個簇中原本存在N個節點，現只有p個存活節點，將接收節點能從N個數據包中接收到q個數據包的概率表示為P(p,q)，則可以計算為：

每個節點發送的數據包是由均分的M個數據塊組合形成，因此想要恢復原始數據塊只能利用秩為M的編碼矩陣。假設隨機生成一個階的編碼矩陣，讓P_v,w表示該矩陣的秩小于w的概率。節點失效概率為用P_f表示，匯聚節點接收數據包的可靠性表示為MFR_l，可通過以下公式計算：