CN104507119B - 一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法，该方法中接收节点探测发送节点之间是否在竞争信道，并通过向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的发送节点数量，调节发送节点并发传输的概率，使并发传输的节点数量维持在预设合理区间，从而提高信道利用率，提高整个网络的吞吐量，实现多跳无线传感器网络中数据的快速、高效收集。

Description

一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法。

背景技术

随着通信技术的迅猛的发展，传感器制造的日益成熟，越来越多的传感器节点被大规模部署到各个领域，例如国家防御、环境保护、智慧城市等。无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量传感器节点组成。这些传感器节点简称节点，通过无线自组织网络，在各种复杂环境中感知数据，通过无线多跳通信收集数据信息，并汇聚到数据处理中心。在实际应用的无线传感器网络中，存在大量的数据信息需要收集，一个可靠的数据收集、传输方法决定了无线传感网络的链路质量。在多跳的数据收集网络中，网络的吞吐量是影响数据收集的关键因素。目前已经有大量致力于提高无线传感器网络的吞吐量的研究，大部分是通过提高吞吐量从而提高信道利用率，还有一些是通过传输并发来提高信道利用率。但是，在大型的无线传感器网络部署中，数据的多跳收集却尤为常见。当节点之间没有发生信道竞争的时候，各个节点并不需要作出调整，只需按照各自原有的醒睡周期进行数据的收发，收发状态自由切换。数据的收集会像一个树的模型一样，从叶子处吸取，直到把“数据”传送到根部，也就是根节点。节点会根据自己的实际数据流量进行收发状态的自我切换。各个发送节点之间没有竞争，整体网络没有拥塞，整体数据传递的吞吐量不受影响。

当多个节点存在信道竞争时会发生冲突。传统的收集数据方法是基于载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)控制，会发生延迟，降低信道利用率。该方法是通过退避机制减少碰撞概率，当检测到发生碰撞时，进行退避，降低并发概率。然而，在大型部署的无线传感器网络中需要高效快速的进行数据收集，因此，对于收集的每一跳，如果有碰撞都需要退避等待，将带来严重的延迟，降低信道利用率，整个网络的吞吐量也会随之下降。

发明内容

本发明的目的在于通过一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法，其包括如下步骤：

S101、接收节点探测发送节点之间是否在竞争信道，若是，则执行步骤S102，否则执行步骤S105；

S102、接收节点检测发送节点的数量；

S103、接收节点根据发送节点的数量，向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的发送节点数量；

S104、发送节点接收到抑制因子后，调节自身并发传输的概率；

S105、发送节点向接收节点发送数据；

S106、接收节点接收发送节点发送的数据。

特别地，所述步骤S103中并发传输的发送节点需要利用时间同步机制对齐数据包。

特别地，所述步骤S106还包括：若处于同一级的接收节点已接收完发送节点传输的数据，则无需确认同一级的其他接收节点数据是否接收完毕，直接发送数据给其上级节点。

本发明提出的基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法中接收节点探测发送节点之间是否在竞争信道，并通过向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的发送节点数量，调节发送节点并发传输的概率，使并发传输的节点数量维持在预设合理区间，从而提高信道利用率，提高整个网络的吞吐量，实现多跳无线传感器网络中数据的快速、高效收集。本发明对于一般传感器节点的发送端和接收端不需要改进物理层，具有更高的适应能力。同时，本发明不会对系统的正常运行产生负担，因此能够在高密度节点部署区域实现稳定、快速的数据收集。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法流程图；

图2为本发明实施例提供的宏观上节点的传输数据过程示意图；

图3为本发明实施例提供的传统的竞争节点退避等待时间与竞争节点个数的对应关系图；

图4为本发明实施例提供的从微观时隙角度示出的数据传播过程示意图；

图5为本发明实施例提供的并发传输的概率与发送节点数量对应关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法流程图。

本实施例中基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法包括如下步骤：

S101、接收节点探测发送节点之间是否在竞争信道，若是，则执行步骤S102，否则执行步骤S105。

S102、接收节点检测发送节点的数量。

S103、接收节点根据发送节点的数量，向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的发送节点数量。先让一部分节点先传输完数据，再让剩下的一部分竞争节点再把数据传输过来，使并发节点的数量维持在预设合理区间。预设合理区间就是指并发传输节点不止一个但是又不是太多，这样的话竞争程度不明显，同时节点可以利用捕获效应。对于并发传输节点数量的控制，既不能单纯的限制在一个，因为本发明就是要利用无线传感器网络的广播特性，并发节点在传输相同的数据时，由于捕获效应可以更好的提高信道利用率。又不能让同时传输数据的并发节点数量太多，若太多，信道就会发生拥塞，导致数据传输不到接收节点，网络拥塞出现，整体传感网的吞吐量得不到保证。需要说明是，并发传输的发送节点需要利用时间同步机制对齐数据包。

S104、发送节点接收到抑制因子后，调节自身并发传输的概率。

S105、发送节点向接收节点发送数据。

S106、接收节点接收发送节点发送的数据。若处于同一级的接收节点已接收完发送节点传输的数据，则无需确认同一级的其他接收节点数据是否接收完毕，直接发送数据给其上级节点，保证了数据最短时间内到达根节点，局部效率提高，整体网络的时效性就得到了提高。其中，节点的收发状态自由切换，同一个节点在这个时刻充当接收者，在下一个时刻有可能就会成为发送者。

下面对本发明的原理性内容作扼要介绍。

如图2所示，节点0处于一级，为根节点；节点1、节点2及节点3处于二级；节点4至节点9处于三级。没有冲突,正常通信的理想状态下的无线传感器网络局部上依赖于各个节点高效的传输和整体上网络畅通无阻的信息传递。收集数据的方案整体就像一个树一样，从叶子传感器节点收集数据,一层一层将数据传递到根传感器节点。一个理想状态下,节点会根据自己此时的流量进行数据的接收和发送。每个节点在选择信道发送时，没有竞争。整体网络的每个局部之间没有竞争。这样的话，整个无线传感器网络没有延迟，信息传递速率非常高，整体数据吞吐量效率高。

为了更好的说明本发明的技术方案，从理论角度对信道利用率进行模型分析。用概率P表示每个节点发送数据的概率，并且寻找最佳的优化问题。假定一个时隙是实时的基本要素。一个数据包的传播时隙通常认为是多个时隙构成。以下分析遵循了802.11协议标准，在发送节点，一个时隙由以下三个可能的状态构成：一、成功时隙。该状态时隙表示至少有一个发送节点发送数据，且数据被正确的接收。二、空闲时隙。该状态时隙表示没有数据传输到接收端，或者发送节点没有选择发送数据。三、冲突时隙。该状态时隙表示其中有多个发送节点同时发送数据，达到接收节点的数据发生碰撞损坏。本实施例中，用Ps、Pi、Pc分别表示成功时隙、空闲时隙、冲突时隙三个状态。从实际应用及大多数实验可知，当一个节点发送数据和另一个节点进行通信时，数据能够百分之百的被接收。

成功时隙状态Ps的概率表示为：

其中，N表示发送节点的总数，广播协议大多采用802.11CAMA/CA。这些协议不允许并发传输。通常情况下，只有当一个发送节点和一个接收节点传输数据，才能够传输成功。

本发明中通过采用碰撞容忍机制，由于传感器节点存在捕获效应，通过允许冲突的发生可以适当增加成功时隙状态Ps的概率，上式(1)中C(n)表示捕获概率，它意味着当n个传感器节点同时发送数据时，数据被接收节点正确接收的可能性，已选择被广泛接收的数学模型进行解释。

上述公式(2)、(3)中ξ是零均值高斯变量和σ²方差。γ表示配对通信的发送节点和接收节点之间的距离。上述两个式子中论证了具体的捕获概率与系数增加的关系。

空闲时隙状态Pi的概率表示为：

Pi＝(1-p)^N (4)

从该数学模型中可以看到，在N个节点中没有一个节点传输数据，信道没有被占用。

冲突时隙状态Pc的概率表示为：

Pc＝1-Pi-Ps (5)

因为一个时隙状态只有三种可能：成功，空闲，冲突。所以通过Ps、Pi、Pc三者的数学模型，可以总结出信道利用的理论模型。信道利用模型，用P^uti表示如下：

T_s表示是一个数据包传输成功的时间，Tc表示一个数据包传输碰撞的时间T_slot表示一个单独的时隙。这些都是依赖于物理层和数据链路层的特殊性。值得注意的是本发明中T_s近似等于Tc，因为数据包的传输要想达到传输并发必须利用时间同步机制对齐数据包。在标准的IEEE 802.15.4的计算中Tc很难测算，所以选用它的上最大值。数据包的最大长度是128个字节，最大的传输速率是250kbps。每个时隙持续的时间约为0.032毫秒。

由于最优时隙概率是P和N的函数，最优时隙概率的数学模型P^opt就是P^uti参数的最大值：

P^opt＝argmaxP^uti (7)

其实，所有的时间间隔有不同的持续时间，碰撞时隙远远大于空闲时隙的值，空闲时隙比成功时隙的值稍小。然而，由于它们足够用于分析概率，所以认为它们有相等的时间间隔。竞争窗口(Contention Window，CW)与竞争发送节点的个数有关，如图3所示，图3为本发明实施例提供的传统的竞争节点退避等待时间与竞争节点个数的对应关系图，图中Num表示节点数，CW表示竞争窗口。用P_t表示通常情况下传播成功的概率。P_t的值与CW的值密切相关，其中P_t的函数模型可以如下表示：

下文针对冲突解决方案进行阐述。

无线传感器网络具有广播的特性，在多数情况下，由于无线传感网络的广播特性，多个发送节点发送数据到一个接收节点或者单个发送节点发送数据到多个接收节点的情况会频繁的出现。特别是数据传播收集的机制，例如一些节点收集数据，同时也转发数据的CTP(Collection Tree Protocol)机制。这意味着，一个叶子节点数据的传播经过多跳传播到达根节点。每个节点遵循的是期望传输评估值。传统的CTP是建立在叶子节点，维护最小成本，同时，它通过广播和计算ETX值，提供了节点将数据发送到根节点的机制。一个节点的ETX的值是自己的成本加下一条链接的成本。一个路由的成本是所有链接的总和，收集节点的成本按0值计算。

如果简单地按照ETX的值单纯的作为唯一的评价指标，许多节点容易发生碰撞。许多叶子节点选择发送给单一接收节点是原因该途径的链路质量好。如果使用传统的机制对数据进行收集，一个接收节点会有很多发送节点向它发送数据。这就意味着此时此刻有很多数据包要向一个接收方发送，很容易发生碰撞。当冲突发生时，整个网络的吞吐量是无法保证的，我们将传输并发的可能性带到数据收集的网络中，用简单的改进，减少了延迟，并通过调整并发传输概率，利用并发节点优势区间提高了信道的利用率，而不是在发生碰撞时采用简单的退避机制。

如图4所示，从时隙角度分析本发明的实现过程，图中Node0至Node9分别表示节点0至节点9，Slot1至Slot8分别表示8个时隙，Trassion Packet表示发送消息包，ReceivingPacket表示接收消息包，Maintain表示等待，Collision表示碰撞。从宏观上看，是多个节点同时选择发送数据，在同一时刻竞争信道。从图4可以看出，在微观角度，节点4，节点5，节点6，在同一时刻想要发送数据给节点1。节点7想要发送数据给节点2。节点8，节点9需要将数据发送给节点3。应当注意到，在时隙2中，节点7没有其他节点与其竞争信道。所以节点7很顺利地将数据传送给了节点2。尽管节点8和节点9一起将数据传输给节点3，但是两节点的竞争程度并不高。所以节点3可以接收到节点8或者节点9的数据。在时隙3中，节点2发送从节点传来的数据包到节点1。节点3再将剩下的8或9的数据接收。节点1意识到有多个发送节点竞争信道，发送一个抑制因子到节点4、5、6，为的是调整三者并发传输的概率，限制并发的数量。节点4、5、6调整传输概率，并选择重新发送数据。在下一个时隙4，节点0很快地收到了来自于节点2的数据包。节点1收到了来自节点5的数据包，因为节点4、节点5、节点6重新调整了发送概率，降低了并发的传输概率。节点3向上传送来自于节点8、节点9的数据到下一跳。在时隙5中，节点0收到了来自于节点3的数据包。节点1收到了节点4传输的数据。在接下来的时隙6、时隙7，节点1把剩下的数据接收完毕，接着把数据传输到节点0。最终，在最后一个时隙，根节点0成功收到了所有的节点数据包。

本发明的出发点来自于转发节点动态的调整并发传输的概率，并且收发自如，整个网络畅通运行。

传统情况下，竞争节点选择退避机制来保证节点传输不会发生冲突。由于选择了简单的退避，信道利用率得不到保证，整体网络的延迟增加。对比本发明的技术方案，转发节点根据竞争节点的个数，动态地调整并发传输节点的概率。例如，三个节点竞争信道，同时向一个节点发送数据时，很有可能发生冲突。最佳的解决方法就是调整并发节点的传输概率，使其处于优势区间。从图4我们可以看出，并发节点传输节点数量的范围是2-4。当网络发生拥塞是，接收节点通过发送一个信号，允许通过调节并发传输概率达到并行发送的目的。这样使用优势区间，就可以减少碰撞和对比等待时间。该机制可以减少延迟，并且很大程度上改善信道利用率。

本发明的核心是如何调整传输概率，其中的两个关键技术就是：时间同步技术和反馈调节机制。

如何做到时间同步，与传统的退避机制不一样。本发明是利用检测到的接收器信号即帧首定界符(Start Frame Delimiter，SFD)的上升沿和下降沿严格对齐发件人的数据包。接收的过程是由SFD同步中断。谈到时间同步，不得不提到隐藏终端的问题。解决此问题的方法是利用确认字符(Acknowledgement，ACK)握手机制来触发发送节点发送数据。

在真实的多跳网络中，如果没有碰撞，节点会一个传递一个进行多跳传输数据。当发送节点传输数据产生信道竞争时，接收节点会动态的调整并发传输的概率。接收节点根据竞争节点发送的个数，动态的调整竞争节点并发传输的概率，利用图5所示的预设合理区间，提高信道利用率。图4中X轴表示竞争节点数量，Y轴表示并发传输概率。本发明能够快速寻找到相应竞争节点数目所对应的优势区间，直接调整竞争节点的并发传输概率，有效的提高了信道利用率，改善了整体网络的吞吐率。

本发明的技术方案中接收节点探测发送节点之间是否在竞争信道，并通过向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的发送节点数量，调节发送节点并发传输的概率，使并发传输的节点数量维持在预设合理区间，从而提高信道利用率，提高整个网络的吞吐量，实现多跳无线传感器网络中数据的快速、高效收集。本发明对于一般传感器节点的发送端和接收端不需要改进物理层，具有更高的适应能力。同时，本发明不会对系统的正常运行产生负担，因此能够在高密度节点部署区域实现稳定、快速的数据收集。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于并发传输的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、接收节点探测发送节点之间是否在竞争信道，若是，则执行步骤S102，否则执行步骤S105；

S102、接收节点检测发送节点的数量；

S103、接收节点根据发送节点的数量，向发送节点发送抑制因子，调整并发传输的发送节点数量；所述并发传输的发送节点需要利用时间同步机制对齐数据包；

S104、发送节点接收到抑制因子后，调节自身并发传输的概率；

S105、发送节点向接收节点发送数据；

S106、接收节点接收发送节点发送的数据；若处于同一级的接收节点已接收完发送节点传输的数据，则无需确认同一级的其他接收节点数据是否接收完毕，直接发送数据给其上级节点。