无线传感器网络多时间尺度链路估计方法

摘要

无线传感器网络多时间尺度链路估计方法，本发明涉及无线传感器网络领域，每个节点的工作过程如下：接收无线传感器网络的数据包够，判断接收数据的类型，分为四种解决方案：1、接收到的数据为信标帧，判断ACK确认数据包是否发给自身，判断目的节点和父节点的是否为邻居节点，并判断通信状态，转发ACK确认字符信号；2、接收到的数据为ACK确认字符信号；节点根据ACK确认字符信号的内容，判断目的节点和父节点的是否为邻居节点，并判断通信状态，转发ACK确认字符信号；3、接收的数据为正常数据包，发送ACK确认字符信号；4、接收的数据为突发数据包；判断目的节点和父节点的是否为邻居节点，并判断通信状态，广播ACK确认字符信号。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种无线传感器网络多时间尺度链路估计方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN)已经在工业、农业、环境监测等领域具有一定程度的应用。在实际部署和应用中，研究人员发现无线链路具有不稳定和不对称的特性，特别是中等质量链路。路由算法的目标是在复杂链路环境下维持网络拓扑的连通，并寻找相对稳定可靠的通讯链路，而链路估计是完成此目标的重要环节。为了减少链路不稳定和不对称特性引起的相关问题，国内外的学者对链路估计器做了许多研究工作，并提出了一些基于TinyOS平台可以实际应用的具体方法，如Couto等人提出的Expected Transmission Count(ETX)，通过双向信标帧估计的包接收率以及数据帧发送的成功率来进行双向链路估计。LIFENGSANG等人提出的Expected Number of Transmissions Over Forward Link(ETF)，对前向链路进行估计，并提出了单向链路发现方法和动态重发阈值。Baccour等人提出的Fuzzy LinkQuality Estimator(F-LQE)，应用模糊的方法构建链路估计器，方法中采用包接收率、双向包接收率的差值、链路稳定性和信号信噪比四个参数经过模糊推理得出链路估计值，但这些方法大都仅通过单一长期的链路代价来选择下一跳父节点，没有充分考虑无线链路的不稳定性，不能发现更有效率的短期可靠链路。

发明内容

本发明为了解决现有的链路估计方法存在不稳定性和不对称性的问题，提出一种无线传感器网络多时间尺度链路估计方法。

无线传感器网络多时间尺度链路估计方法，每个节点的工作过程如下：

步骤A、等待接收无线传感器网络的数据包，若无线传感器网络的数据包达到，则执行步骤B，否则，保持接收状态；

步骤B、接收无线传感器网络的数据包，判断接收数据的类型，

如果接收到的数据为信标帧，则执行步骤C；如果接收到的数据为ACK确认包，则执行步骤D；如果接收的数据为正常数据包，则执行步骤G；如果接收的数据为突发数据包，则执行步骤H；

步骤C、本节点根据收到的信标帧获取本节点的邻居节点信息，并更新长期链路估计值和短期链路估计值，完成一次无线传感器网络多时间尺度链路估计，返回执行步骤A；

步骤D、本节点根据接收到的ACK确认数据包判断是否发给自身，如果是，则判断数据已经通过本节点的前向节点转发成功，确认到数据包到达，返回执行步骤A；如果不是，则执行步骤E；

步骤E、判断目的节点及其父节点是否为邻居节点，如果目的节点或所述目的节点的父节点为邻居节点，则执行步骤F，否则，返回执行步骤A；

步骤F、判断本节点与目的节点或所述目的节点的父节点间的链路是否良好，如果是，则通过良好的链路向对应的节点转发ACK确认字符信号；否则，返回执行步骤A；

步骤G、直接向本节点的父节点发送ACK确认字符信号；完成一次无线传感器网络数据通讯，返回执行步骤A；

步骤H、判断发送节点的父节点是否为本节点的邻居节点，如果是，则执行步骤I，否则，广播ACK确认数据包，完成一次无线传感器网络数据通讯，返回执行步骤A；

步骤I、判断本节点与所述发送节点的父节点间的链路是否良好，如果是，则选择两条路径同时向发送节点发送ACK确认字符信号，所述两条路径分别为直接发送和通过发送节点的父节点转发两条路径；完成一次无线传感器网络数据通讯，返回执行步骤A；否则，广播ACK确认字符信号，完成一次无线传感器网络数据通讯，返回执行步骤A。

针对无线传感器网络链路存在不稳定性和不对称性的问题，提出多时间尺度链路估计方法，通过长期和短期两种时间尺度估计节点间的链路质量，构建稳定链路和突发链路共存的拓扑结构，并采用突发链路发现策略实现机会路由。同时又针对由突发链路不对称性所引起的复制数据包问题，提出了利用稳定链路和突发链路构造的多路径ACK策略，提高ACK的到达率以减少复制数据包的数量。实验结果证明，多时间尺度链路估计算法可有效地减少网络平均路径长度，提高包接收率，并解决了包复制问题。

附图说明

图1为无线传感器网络多时间尺度链路估计方法的流程图。图2为父节点与突发节点能够正常通讯的数据转移示意图。图3为父节点与突发节点不能够正常通讯的数据转移示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，无线传感器网络多时间尺度链路估计方法，每个节点的工作过程如下：

步骤A、等待接收无线传感器网络的数据包，若无线传感器网络的数据包达到，则执行步骤B，否则，保持接收状态；

步骤B、接收无线传感器网络的数据包，判断接收数据的类型，

如果接收到的数据为信标帧，则执行步骤C；如果接收到的数据为ACK确认包，则执行步骤D；如果接收的数据为正常数据包，则执行步骤G；如果接收的数据为突发数据包，则执行步骤H；

步骤C、本节点根据收到的信标帧获取本节点的邻居节点信息，并更新长期链路估计值和短期链路估计值，完成一次无线传感器网络多时间尺度链路估计，返回执行步骤A；

步骤D、本节点根据接收到的ACK确认数据包判断是否发给自身，如果是，则判断数据已经通过本节点的前向节点转发成功，确认到数据包到达，返回执行步骤A；如果不是，则执行步骤E；

步骤E、判断目的节点及其父节点是否为邻居节点，如果目的节点或所述目的节点的父节点为邻居节点，则执行步骤F，否则，返回执行步骤A；

步骤F、判断本节点与目的节点或所述目的节点的父节点间的链路是否良好，如果是，则通过良好的链路向对应的节点转发ACK确认字符信号；否则，返回执行步骤A；

步骤G、直接向本节点的父节点发送ACK确认字符信号；完成一次无线传感器网络数据通讯，返回执行步骤A；

步骤H、判断发送节点的父节点是否为本节点的邻居节点，如果是，则执行步骤I，否则，广播ACK确认数据包，完成一次无线传感器网络数据通讯，返回执行步骤A；

步骤I、判断本节点与所述发送节点的父节点间的链路是否良好，如果是，则选择两条路径同时向发送节点发送ACK确认字符信号，所述两条路径分别为直接发送和通过发送节点的父节点转发两条路径；完成一次无线传感器网络数据通讯，返回执行步骤A；否则，广播ACK确认字符信号，完成一次无线传感器网络数据通讯，返回执行步骤A。

现有的链路估计方法由于无法准确考虑无线链路的不稳定性，从而造成短期链路效率低、可靠性差，本发明通过对短期链路质量的准确估计在由长期链路估计参数构建的稳定拓扑结构上进行机会路由发现，并针对突发链路上存在的不对称链路导致的复制数据包问题提出了多路径ACK策略。

数据包通过机会路由进行传送时，特别是通过突发的单向链路进行传送，会造成大量的复制数据包，其主要原因是存在反向链路质量较差或不能连通的情况，导致发送节点没有收到反向链路返回的ACK确认字符信号，因此发送节点会重复发送数据包，从而在接收节点处造成包重复现象。抑制复制数据包一般有两种思路：

1)在接收端保存原始转发的数据包，接收到新数据包后同原始转发数据包进行比较，如发现已转发则不在转发新接收到的数据包。此方法可以抑制复制数据包在网络中继续传播，但不能解决复制数据包的产生。

2)解决ACK传输的问题，此方法可以从根本上解决复制数据包的问题。

本发明的多时间尺度链路估计方法可同时构建稳定拓扑结构和突发链路，在通过突发链路进行机会路由时，也可利用同时存在两种拓扑结构通过多条路径发送ACK，以提高ACK的到达率，从而解决包复制问题。

具体实施方式二、结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，1)情况1：发送节点的父节点为突发节点的邻居节点且节点间链路质量较好，见图2。

节点1的正常数据发送路径为1→2→3→sink，当节点1发现节点3可以进行机会路由时，选择路径1→3→sink进行数据转发。节点3收到数据后可得到发送节点的父节点ID为2，若节点2为其邻居节点，则可以通过3→1和3→2→1两条路径同时发送ACK确认字符信号，这样就可缓解3→1链路质量较差导致的ACK确认字符信号丢失。

2)情况2：发送节点的父节点为突发节点的邻居节点但节点间链路质量较差或发送节点的父节点不为突发节点的邻居节点，见图3。

节点1的正常数据发送路径为1→2→3→sink，当节点1发现节点5可以进行机会路由，选择路径1→5→sink进行数据转发。若节点1的父节点2并没有在节点5的邻居节点中，则节点5广播ACK确认字符信号。其邻居节点收到后查询，若是节点1或节点2为其邻居节点且节点间具有较好的链路质量，则转发ACK确认字符信号。见图3，节点5的邻居节点3发现节点1的父节点2为其邻居节点且链路质量良好，则转发ACK确认字符信号；节点5的邻居节点7发现节点1为其邻居节点且链路质量良好，则转发ACK确认字符信号；节点5的邻居节点8的邻居节点内不包括节点1和节点2，则不转发ACK确认字符信号。所以图3中存在5→2→1、5→1和5→7→1三条ACK确认字符信号发送路径。