一种快速的持续m数据确认等停无线传感器网络数据传输方法

摘要

本发明公开了一种快速的持续m数据确认等停无线传感器网络数据传输方法，该方法利用远离基站的节点的未被消耗的能量，使得距离基站较远的节点发送m次数据，提高数据传输的可靠性，同时保证了网络寿命；由于数据包经过连续m次发送后未能成功的概率小于仅一次发送的概率，因而数据包会以大的概率在第一轮的m次数据发送中成功，而不需要多次超时重发，因而能够减少数据传输延迟，提高网络数据收集速度。该方法的设计思路与常规思路中的多发送数据能量消耗越多的方向截然不同，巧妙的利用了常规方法无线传感器网络中节点剩余的大量能量，来承担更多次传输数据的任务，加快了数据传输的同时，确保了数据传输的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于无线网络数据传输领域，特别涉及一种快速的持续m数据确认等停无线传感 器网络数据传输方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点以自组织和 多跳的方式构成的无线网络，可以广泛的运用到工业监测，农业，民用，环境监测，战场， 海洋，火灾等各种特殊环境与应用中，被认为是未来的重要物联网络的关键基础技术之一。 无线传感器网络研究中存在的几个关键问题如下：

(1)如何保障数据传输的可靠。无线传感器网络由于是无线传输，无线网络特有的特点是 受环境干扰与节点之间的干扰，再加上天生的其传输误码率，错换率，其传输链路远差于有 线网络，其数据传输的无线传感器网络的包丢失率高达10％到30％是很普遍的。误码率也比 有线网络高出几个数量级，这样大大降低了点对点传输时的成功率；

(2)如何减少无线传感器网络传输的延迟。无线传输的延迟相对于有线网络高数倍。其主 要原因是，无线传输的可靠性低，为发保障数据传送的可靠性，当前采用的最主要的方法是 重传机制，其基本原因是当接收方收到发送方的数据包时再返回一个确认收到数据包的ACK 消息。如果接收方收到了确认ACK消息则继续下一个数据包的发送，否则在等待预定的超时 时间后重发此数据包，如此过程可能要重发多次，因而其数据传输的延迟较大。

(3)无线传感器网络的网络寿命的问题。无线传感器网络节点一般构造简单，成本低廉， 可以大规模的部署，其节点通常配备电池作为其能源的，所以如何有效的利用能量延长网络 寿命是无线传感器网络的重要研究课题之一。一般来说，数据传输是节点最主要的能量消耗。 因而提高网络寿命的主要途径有二个，一是减少节点的数据传送，二是如何合理利用网络的 能量。

目前没有特别针对无线传感器网络提出的数据传输协议，等停自动重传协议 (Send-and-WaitAutomaticRepeat-reQuest，SW-ARQ)即是为了克服网络的误码率而提出的网络 重传(retransmission)协议。

SW-ARQ协议在目前来说是无线传感器网络中采用的最多的数据传输协议之一。相对其 它协议来说，它构造简单，对网络环境要求最小，容易实施。但是SW-ARQ协议在误码率极 低的有线网络中运用的较好，但在包丢失率高达10％到30％的无线网络中却存在一些问题。 如图1所示：SW-ARQ协议采用每发送一个数据包后，再等待接收方返回确认收到数据包的 ACK消息，如果等不到ACK消息则采用超时重要的策略。即在发送数据包后等待一段较长 的预期时间内没有收到ACK，则重发此数据包，如此过程直到收到确认数据包收到的ACK 消息，或者超预定的最大重发次数而放弃此数据包的发送。但这种方法造成的主要问题是网 络延迟非常大。因为，每一次重要发都需要等待到超时的时间，因而多次的重要就会造成数 据传送的延迟非常大。

发明内容

本发明提供了一种快速的持续m数据确认等停无线传感器网络数据传输方法，通过利用 距离基站较远的节点多发送数据包，从而克服无线传感器网络中数据传输时SW-ARQ协议下 数据延迟大，网络寿命低的问题。

一种快速的持续m数据确认等停无线传感器网络数据传输方法，依据节点能量的充裕程 度，对每一个数据包在第一轮数据发送时就连续发送m次，m≥1，若接收方成功收到数据包， 则返回给发送方一个ACK，发送方结束发送当前数据包；若接收方在发送方发送m次数据包 后一次都未能够成功接收，则在后面的发送过程中发送方采用每发送一个数据包，再等候接 收方发来的ACK确认信息的单数据包单ACK的等停数据传输方法。

节点i在第一次数据发送时连续发送m_i次，m_i应满足如下条件：

$\begin{array}{c}Max\left(m_i\right)s.t(W_i^t{e}_p^t+W_i^r{e}_p^r+Z_i^t{e}_A^t+Z_i^r{e}_A^r)\le (B_{\kappa }^t{e}_p^t+B_{\kappa }^r{e}_p^r+M_{\kappa }^t{e}_A^t+M_{\kappa }^r{e}_A^r)\\ m_i\le A_i\left(\delta \right)\end{array},$

其中，和分别表示在第一次数据发送时连续发送m_i次数据的协议下,节点i发送与 接收的数据包个数，与分别表示节点i发送与接收的ACK个数，和分别表示节点 接收与发送一个数据包的能量消耗，和分别表示节点接收与发送一个ACK的能量消耗； 和分别表示SW-ARQ协议下节点i发送与接收的数据包个数，和分别表示 SW-ARQ协议下节点i发送与接收的ACK个数，A_i(δ)表示节点i依据数据传送所需可靠性 计算得到的最大的发送次数，κ为无线传感器网络中的总的节点个数，p表示节点成功发送 数据的概率，取值范围为60％-95％，δ为设定的数据传输可靠性。

如果一个数据包重发次超过这个值就不再尝试重发，而是放弃此数据包的发送。因为远 sink的节点能量剩余太多，m_i值可以取非常大，但是如果m_i值最非常大，由于不能提高可靠 性了，且延迟反而增大，故不能无限增大。因而A_i(δ)是一个依据数据传送所需可靠性计算得 到的最大的一个发送次数。即重复发送数据包时，如果有一个数据包“运气”非常不好，发了 1000次都不成功。可能再发100000次也不成功，则不再发送，取一个较小的上界；比如10 次够了，没有必要试到1000次。由于重复发送多次的数据包无法传到的概率极小，没有必要 为这样小概率的事件而使每个数据包都测试到1000次，达到10次都不行就放弃此数据包的 发送。

当节点与基站之间的跳数为1-16跳时，m取值为1；当节点与基站之间跳数为17-21跳 时，m取值为2；当节点与基站之间跳数为22-25跳时，m取值为3；当节点与基站之间跳数 为26-28跳时，m取值为4；当节点与基站之间跳数为29-30跳时，m取值为5；当节点与基 站之间跳数为31或32跳时，m取值为6；当节点与基站之间跳数为33跳时，m取值为8； 当节点与基站之间跳数34-40跳时，m取值为9。

在本发明中，数据传送的发送方式如下图4所示，发送方在第一次发送时，同时重发送 m次数据包(相同的数据包)，然后接收方对每一个接收到的数据包返回ACK。在第一次发送 m次数据包后，如果仍然没有收到ACK。则发送方采用每发送一次数据包，再等待接收ACK 消息的方式，即此时采用的数据传送方式与SW-ARQ协议相同。由于第一次就重发m次数 据包，因而只有这m个数据包同时都发送不成功再会继续发送，由于同时m次数据包都不成 功的概率相对于SW-ARQ协议来说低了很多，因而本发明的数据传输在第一阶段传送成功的 概率高，因而减少了传送延迟(见图2的时序)。

有益效果

本发明提供了一种快速的持续m数据确认等停无线传感器网络数据传输方法，该方法利 用远离基站的节点的未被消耗的能量，使得距离基站较远的节点发送m次数据，提高数据传 输的可靠性，同时保证了网络寿命；由于数据包经过连续m次发送后未能成功的概率小于仅 一次发送的概率，因而数据包会以大的概率在第一次的m次数据发送中成功，而不需要多次 超时重发，因而能够减少数据传输延迟，提高网络数据收集速度。这一方法的设计与常规思 路中，多发送数据能量消耗越多的研究方向截然不同，改变了以往策略中每发送一个数据包 再返回一个ACK的数据传送协议模型，原有模型中，由于无线传感器网络近sink区域的能 量紧张，而远sink区域有大量能量剩余。另一方面，如果节点在发送数据时，如果不等待接 收方ACK返回的情况下，对同一数据包持续重复发送m次，就能够减少数据传送的延迟且 能够提高数据传送的可靠性，但这时需要消耗更多的能量。因而在本发明中，对能量有剩余 区域的节点采用第一次发送时多个数据包的方式以减少传送延迟，而对能量紧张的区域仍然 采用以往发送一个数据包后再等待ACK返回的方式，从而能够在减少数据传送延迟提高网络 可靠性的基础上而不影响网络寿命。巧妙的利用了常规网络中大量未被消耗能量的节点，来 承担多次传输数据的任务，加快了数据传输的同时，确保了数据传输的可靠性。

附图说明

图1为S-WARQ协议的数据传送时序；

图2为本发明的数据传送时序；

图3为应用本发明所述方法对节点的数据发送次数m的设定示意图；

图4为应用本发明所述方法和其他方法的节点单挑延迟示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进行一步的说明。

一种快速的持续m数据确认等停无线传感器网络数据传输方法，依据节点能量的充裕程 度，对每一个数据包在第一轮数据发送时就连续发送m次，m≥1，若接收方成功收到数据包， 则返回给发送方一个ACK，发送方结束发送当前数据包；若接收方在发送方发送m次数据包 后一次都未能够成功接收，则在后面的发送过程中发送方采用每发送一个数据包，再等候接 收方发来的ACK确认信息的单数据包单ACK的等停数据传输方法。

节点i在第一次数据发送时连续发送m_i次，m_i应满足如下条件：

$\begin{array}{c}Max\left(m_i\right)s.t(W_i^t{e}_p^t+W_i^r{e}_p^r+Z_i^t{e}_A^t+Z_i^r{e}_A^r)\le (B_{\kappa }^t{e}_p^t+B_{\kappa }^r{e}_p^r+M_{\kappa }^t{e}_A^t+M_{\kappa }^r{e}_A^r)\\ m_i\le A_i\left(\delta \right)\end{array},$

其中，和分别表示在第一次数据发送时连续发送m_i次数据的协议下,节点i发送与 接收的数据包个数，与分别表示节点i发送与接收的ACK个数，和分别表示节点 接收与发送一个数据包的能量消耗，和分别表示节点接收与发送一个ACK的能量消耗； 和分别表示SW-ARQ协议下节点i发送与接收的数据包个数，和分别表示 SW-ARQ协议下节点i发送与接收的ACK个数A_i(δ)表示节点i依据数据传送所需可靠性计 算得到的最大的一个发送次数，κ为无线传感器网络中的总的节点个数，p表示节点成功发 送数据的概率，取值范围为60％-95％，δ为设定的数据传输可靠性。

当节点与基站之间跳数为1-16跳时，m取值为1；当节点与基站之间跳数为17-21跳时， m取值为2；当节点与基站之间跳数为22-25跳时，m取值为3；当节点与基站之间跳数为26-28 跳时，m取值为4；当节点与基站之间跳数为29-30跳时，m取值为5；当节点与基站之间跳 数为31或32跳时，m取值为6；当节点与基站之间跳数为33跳时，m取值为8；当节点与 基站之间跳数34-40跳时，m取值为9。

在本实施例中，本发明所述方法简称为自适应持续m数据包重传协议(adaptivepersistent mdata,APMD)简称APMD协议。

由于本发明所述APMD协议的目的是减少原有SW-ARQ协议的数据传送的延迟，因而 对传送延迟进行实验对比。

图3给出了解APMD协议下每个节点选择的m值，其中，δ表示无线传感器网络中数 据传输的可靠性，节点的编号即为节点距离sink之间跳数由大至小，从1开始进行顺序标号， 如距离sink之间跳数最大的节点，节点编号为1；节点距离sink之间跳数为1时，节点编号 为1，从图3中可以得到m的取值有3种情况：

(1)在APMD协议中，近Sink的节点选取的m值为1。

当m＝1时，即为SW-ARQ协议。在APMD协议在近Sink区域采用其实就是SW-ARQ 协议。这样做的目的是因为近Sink区域节点能量消耗高，而选择m＝1是最节省能量的传送 方式。

(2)m值上升较快的区域，在这一区域的节点其m的取值上升较快。

(3)m的取值最大且稳定的区域。在这区域节点的m值取到一个较大的值，例如当p＝0.7， m＝9时，数据传送的成功率是:0.99998，这已经非常接近1了，这时再增大m值对提高数据 传送成功率已经失去意义，反而会增加系统负担。

当节点的m值选定的情况下，图4给出了SW-ARQ和APMD协议下节点i数据传送的 单跳延迟对比结果，从实验结果可以得到：

(1)在SW-ARQ协议中，节点越近Sink其单跳延迟越小。这是因为所有节点数据到达Sink 的可靠性都为δ，数据传送到Sink的可靠性是传输到Sink路由每跳可靠性的乘积，而远Sink 的节点需要更多的跳数传输到达Sink，因而需要每一跳节点都以更大的可靠性向前传送时， 才能保证到达Sink的可靠性为δ。距离Sink越近的节点需要的更大的最大重传次数与期望 重传次数，因而导致其延迟更大。

(2)对于APMD协议由于近Sink采用与SW-ARQ协议相同的m值，因而其延迟是近Sink 小，而远Sink大。但是，由于远Sink区域节点采用大的m值，m值越大，其延迟小，在图 4的实验结果中，远Sink区域节点单跳延迟远远小于SW-ARQ协议的单跳延迟。从实验结果 可以得到的结论是:在所有节点的单独延迟中，APMD协议的单跳延迟都不大于SW-ARQ协 议的单跳延迟，也就是说本发明提出的APMD协议能够有效减少数据传送延迟。