无线传感器网络中基于网络编码协作系统区分服务的方法

摘要

本发明公开了一种无线传感器网络中基于网络编码协作系统区分服务的方法。该方法考虑根据应用所需的可靠性对每个节点分别设置其发射功率，这就在保证可靠性的同时将节点的发射功率降到最低，节约了不必要的能量消耗，达到延长网络生存寿命的目的。节点发射数据的功率大小与数据传输的可靠性存在正相关关系，由于网络死亡时距离汇聚节点较远的区域仍存在大量能量，充分利用这些剩余能量，提高这部分区域中节点的发射功率能更好的提高数据可靠性，而不会对网络寿命造成影响。

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，特别涉及一种无线传感器网络中基于网络编码协作系统区分服务的方法。

背景技术

无线传感器网络由大量配备无线电收发器的传感器节点组成，这些节点随机散落在工作区域，负责感知、监测和处理环境数据。在大多数情况下，无线传感器网络需要在没有人工干预的情况下工作很长的一段时间，可靠性和鲁棒性也因此成为无线传感器网络设计的基本要求。无线通信过程中，受到传输环境和传输介质等因素的干扰会使得数据通过无线方式进行传输时受到一定程度的影响，导致质量下降甚至出现数据丢失的情况。因此，实现可靠通信传输是无线传感器网络领域需要解决的主要问题之一。此外，传感器节点能量受限的特点让无线传感器网络中的能量节约问题成为另一个急需解决的方面。

目前，关于可靠性的研究主要集中于如下的策略：(1)多径路由协议。多径路由协议通过在发送节点与接收节点之间建立多条路径进行数据发送，使得更多的节点加入到数据传递的任务中。通过对多条较好路径的选用替代单条最好路径，从而对数据可靠性进行提升。(2)自动请求重传技术。发送端向接收端发送数据包后需要接收端的响应，否则需重新发送该数据包。(3)前向纠错技术。前向纠错是一种利用数据编解码方法完成信息纠错的有效方式。原始数据在发送端按照一定规律性进行编码处理，这种规律性使得接收端在收到数据包后可通过译码的方式自动找到并修正传输中产生的错误。(4)协作通信：协作通信是在多用户网络中，用户通过一定的方式共享彼此的天线，形成虚拟多信道，获取空间分集增益，从而提高系统通信可靠性和信道容量的有效方法。(5)网络编码：不同于传统的存储转发模式，网络编码允许中继节点对多条路径上的信息进行编码融合，然后再转发。

协作通信方案的实施使得系统通信可靠性和信道容量得到一定的提高。基于网络编码的协作系统在节省传输开销上进行了进一步优化，有效地保证了网络传输效率的提高。

作为信息基础设施的一部分，无线传感器网络需要为不同应用提供服务，这些应用有各自不同的可靠性需求。可靠性需求的提升代表着传感器节点能耗的增加，这也将随之影响到网络整体寿命。因此，需要制定一种可靠有效的方法使得既能保证可靠性，还能达到能量节约的目的。

发明内容

本发明提供了一种无线传感器网络中基于网络编码协作系统区分服务的方法，其目的在于，根据应用的可靠性需求确定网络中节点的传输功率，在保证应用可靠性要求的前提下最小化节点能耗。并且，距离基站近的节点由于需要承担更多的数据转发任务，导致能量消耗增大更加容易死亡，将这部分节点所在的区域称为热区，则其他节点所在的区域称为非热区，在节点传输功率确定之后，提高非热区节点的传输功率，在不降低网络寿命的前提下能够最大化数据收集可靠性，并计算出此时所有节点各自的发射功率大小。

若每跳数据包丢失概率为P_Plr，每个簇中原本存在N个节点，现只有p个存活节点，将接收节点能从N个数据包中接收到q个数据包的概率表示为P(p,q)，则可以计算为：

每个节点发送的数据包是由均分的M个数据块组合形成，因此想要恢复原始数据块只能利用秩为M的编码矩阵。假设随机生成一个阶的编码矩阵，让P_v,w表示该矩阵的秩小于w的概率。节点失效概率为用P_f表示，汇聚节点接收数据包的可靠性表示为MFR_l，可通过以下公式计算：

除汇聚节点收集数据包外，其余每跳的可靠性表示为MFR₀，可以计算为：

若应用对数据可靠性的要求为MFR，在多跳传输结束后数据可靠性需要达到MFR，则每跳数据传输可靠性与最终数据可靠性的关系为下式：

MFR＝1-(1-MFR₀)^hp-1·(1-MFR_l)

其中，hp表示数据传输经过的总跳数。

若已知应用对可靠性的需求MFR，可以通过上述说明计算出每跳数据包丢失概率P_Plr，并可通过以下公式计算出此时节点所需传输功率的值E_A：

上式中，μ是极值与平均值比，θ是射频功率放大器的漏极效率；N_l是链路干扰或噪音等影响，N_c是接受方噪音系数；SNR₀表示信噪比规定下限；d为传输距离，k是路径损耗指数；G_l表示传输天线增益，G_r为接收天线增益；λ是载波波长；d₀是传输节点与接收节点的参考距离；σ²是Rayleigh分布尺度参数。

在初步确定节点传输功率保证数据可靠性之后，需要提升非热区节点的传输功率，则提升后节点传输功率计算的具体公式为：

其中，i表示节点为应用i服务，x为节点距离基站的距离；η是传输功率提升上限；P_T是TX电路功率消耗，T_b是传输比特率；Θ_tot是节点发送的数据包总数目，O_tot是节点接收的数据包总数目；E_r是节点接收每比特数据的能量消耗；是节点从上一跳节点接收的数据包数目，是接收到的原始数据包数目，是节点收集到的状态信息数目；r_c是簇半径大小，d_x是节点发送数据距离，k是路径损耗指数；l_t、l_s、l₀分别为实际传输的数据包的长度、状态信息数据包长度、原始数据包长度。

综上所述，本发明采用的区分服务方法在已知应用所需可靠性的情况下能够以最低的传输功率对数据进行传输，保证了可靠性需求的同时使得热区节点能量消耗降至最低，达到延长网络寿命的目的。同时，非热区节点的传输功率根据与功率提升上限η的差值被提升至最高，这就使得数据可靠性得到了最大的提升；对上限η的设置保证了节点能量消耗不会超过能量消耗最大的节点，从而保证了网络寿命不会降低。

附图说明

图1为本发明方法的总体结构图；

图2为在本发明所述方法下，发射功率E_Amp与每跳数据失败传输率MFR的关系；

图3为在簇节点数目变化的情况下，距离基站不同距离节点接收和转发数据量的情况；

图4为应用本发明所述方法和不采用本方法的节点传输功率设置对比示意图；

图5为采取本发明中提升非热区节点传输功率的方法后不同位置节点传输功率设置情况；

图6为采用本发明所述方法与传统协作网络编码方法进行传输可靠性对比示意图；

图7为采用本发明所述方法与协作网络编码方法进行传输时网络寿命提升对比示意图。

具体实施方式

下面将结合实例和附图对本发明做进一步的说明。

一种无线传感器网络中基于网络编码协作系统区分服务的方法，如图1所示，对不同应用根据其可靠性需求采取不同功率进行数据发送，对于能量有剩余的节点在一定范围内提升其传输功率以增加数据传输可靠性；

对不同可靠性要求的应用分别选择对应的传输功率进行数据发送；

距离基站近的节点由于需要承担更多的数据转发任务，导致能量消耗增大更加容易死亡，将这部分节点所在的区域称为热区，则其他节点所在的区域称为非热区，节点传输功率初步确定后，保持热区内节点的传输功率不变，提升非热区节点的传输功率。

图1中实线圆圈表示传感器节点，虚线圆形内的节点表示同一簇内的节点，它们彼此间互为协作节点。其中，标识为实心的源节点为产生数据节点，标识为实心的基站则负责接收数据。图1中的箭头指明了数据传输方向。每个传感器在一个固定的时间都会发送数据包，因此可将网络的生命周期定义为轮。在每轮数据传输过程中，首先，源节点将感知到的数据广播给簇内其他节点，簇内所有节点收到数据后用随机网络编码对数据进行编码然后传递给下一簇的所有节点。中间簇的节点接收到数据后对数据进行再编码然后继续向下一簇进行传递。以上过程持续执行，当数据包最终被目的簇的节点接收才意味着此轮数据传输过程停止。最后，目的簇中除汇聚节点以外的其他节点将数据发送给，最终由对接收到的所有数据进行解码操作。在每轮数据传输过程中，若始终保持相同的传输功率虽然能够保证可靠性却也造成了能量的浪费。因此，使用区分服务方法在已知应用所需可靠性的情况下能够以最低的传输功率对数据进行传输，保证了可靠性需求的同时使得热区节点能量消耗降至最低，达到延长网络寿命的目的。同时，非热区节点的传输功率根据与功率提升上限的差值被提升至最高，这就使得数据可靠性得到了最大的提升，却不会对网络寿命造成影响。

图2给出了发射功率E_Amp与每跳数据失败传输率MFR的关系。从图2可以看出：随着发射功率的增大，数据失败传输率也随之降低，也就是说数据可靠性得到了提升。特别地，当簇节点个数为3时，若传输功率从0.005J提升到0.095J时，MFR从0.0245075降低到1.5946E-4，这也就意味着将发射功率提高19倍会使MFR缩减154倍。因此，通过提升传输功率能够有效降低数据传输失败率，提高传输可靠性。

图3给出了本发明所述方法在簇节点数目变化的情况下，距离基站不同距离节点接收和转发数据量的情况。从图3中可以看出：簇节点个数的变化不会影响到每个节点传输数据个数的变化，只会对接收数据量造成影响。当簇节点个数逐渐增多时，每个节点接收数据包的个数也随之增多，这是因为在协作通信系统中每个节点都需要从上一跳的簇中保证接收到与簇节点数目相同的数据包。同时还能观察到一个普遍现象，那就是距离近的节点所承担的数据负载远多于非热区节点，因此耗能也越多，反之，距离较远的节点转发节点数据量较少，耗能也越少。因此，本发明中所提及的提升非热区节点传输功率而保持热区节点传输功率的机制是有效的。

图4的实验设置是：在网络半径R＝400米的网络中，部署1000个节点，这些节点负责为多个应用传输数据，应用对可靠性的要求分别有MFR＝0.05、MFR＝0.1、MFR＝0.2、MFR＝0.3这几种情况。图4中显示了在簇节点个数N＝3的情况下，满足各类应用可靠性要求时距离基站不同距离节点的发射功率以及采用本发明所述方法下节点的平均发射功率。所有节点发射功率满足信息失败传输率为0.05的需求时，节点发射功率最大，此时的发射功率为E_max＝0.00614488。将本发明所述方法与MFR＝0.05的曲线进行对比可以看出，在对多个应用进行服务时，采用本发明所述方法每个节点的能量消耗加权之后的结果都得到了一定的下降，但并没有影响对数据可靠性的保证，这从延长网络寿命的角度来说有益的。

图5中显示了采取本发明中提升非热区节点传输功率的方法后不同位置节点传输功率设置情况。通过与图4的对比可以看出，热区节点的功率并没有变化，但其余节点的能量都得到了一定的提升，并且距离越远功率的提升也越多，这是因为远区域保留的能量更多，因此能够用于提升传输可靠性的能量也越多。通过提升非热区节点的能量能够让数据传输可靠性及网络能量利用率得到大幅度提升，但同时保持热区节点功率不变又确保了网络寿命不会因此受到影响。

在图6示意的实验场景在网络半径R＝400米的网络中，固定簇节点个数为3，对可靠性要求的应用分别采用本发明所述方法与传统协作网络编码方法进行传输。从图6可以看出，虽然热区的节点传输可靠性并没有得到提升，但对于非热区节点而言发射功率的提升使得传输数据失败率MFR得到了大幅度降低。对于数据的端到端可靠性而言，每个节点对于可靠性的保证都决定了数据最终到达目的节点所能成功被接收的概率。因此，非热区节点对于数据失败传输率的大幅度下降很好的对数据可靠性进行了保证。

图7显示了在簇节点个数为3而网络半径不同的情况下，对于不同可靠性要求的应用分别采用本发明所述方法与传统协作网络编码方法进行传输时，本发明所述方法相比协作网络编码方法始终能保持更好的网络寿命。进一步对网络寿命延长率进行计算，从图7中可以看出，在保证可靠性的前提下本发明所述方法将网络寿命提升了18％左右。实验结果表明，在相同网络条件下本发明所述方法对于网络寿命的延长作用是显著的。

综上所述，本发明所述方法能够在网络寿命相同的情况下极大的提升数据传输可靠性，并且，在保证应用可靠性的前提下还能使网络寿命提升得到提升。