異步低佔空比WSN中基於相長幹涉的數據收集方法與流程
2023-11-04 08:04:42 1
本發明涉及無線傳感器網絡技術領域，尤其涉及異步低佔空比wsn中基於相長幹涉的數據收集方法。
背景技術：
相長幹涉應用到無線傳感器網絡(wirelesssensornetwork，wsn)的數據傳輸中，可以實現數據的並發傳輸，且具有接近100％的數據包接收率和非常低的數據發送延遲，基於相長幹涉的並發傳輸具有以下特點：(1)並發傳輸過程中，傳輸的是同一個數據包；(2)多個節點同時向同一個節點發送數據時，需要滿足相長幹涉的條件；(3)節點不會保存鄰居和路由信息；(4)所有的節點都參與到並發傳輸中；因此，基於相長幹涉的並發傳輸應用到數據收集協議中時，這樣節點將無需維護鄰居節點信息和路由狀態信息，減少網絡能量消耗，提高數據包接收率。但是並發傳輸需要所有的節點都參與到數據傳輸中，造成較大的能量消耗，因此，我們需要結合低佔空比機制，僅需部分節點參與到並發傳輸中，不需要參與的節點進入睡眠，以減少網絡的能量消耗。
然而，在環境監測、醫療領域等基於事件監測驅動的應用中，傳感器節點往往不是進行連續和高頻率的數據收集，而是當有事件(森林火災等)發生時將狀態消息或者收集到的信息發送到sink節點(sink節點，又稱匯聚節點)，目前已有的數據收集協議主要是基於單播轉發，以減少節點進行不必要的傳輸。在基於單播轉發的數據收集協議中，節點從其鄰居節點中選擇父節點進行數據傳輸，最終將數據包路由到sink節點。受環境、節點能量等因素影響，鄰居節點的信息可能會實時發送變化。因此在這些協議中，為了保證路由的健壯性，節點需要定期進行鄰居信息維護，維護過程所消耗的能量是比較大的，而在低佔空比無線傳感器網絡中，節點與鄰居之間並不是同時甦醒，維護過程將變得更複雜。因此，在低佔空比無線傳感器網絡中，異步佔空比機制不需要進行時鐘同步，且不需要知道鄰居節點的睡眠調度，可以更有效的延長網絡生命周期。在異步佔空比網絡中，與lpl(lowpowerlisten,低功耗偵聽)機制相比，lpp(lowpowerlisten,低功耗採集)機制適合於喚醒網絡中一部分節點的應用場景，隨著網絡規模的增大，lpp機制性能會更好。因此在使用異步lpp機制的低佔空比傳感器網絡中，我們提出了一種基於相長幹涉的數據收集協議adcci(asynchronousdutycycleandconstructiveinterference)，sink節點不需要保存和維護鄰居信息，以減少端到端延遲和網絡能量消耗。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供異步低佔空比wsn中基於相長幹涉的數據收集方法，根據本發明的數據收集方法可以有效的減少網絡中的控制開銷，提高數據包接收率，減少端到端延遲和網絡能量消耗，為了實現上述目的，本發明採用以下技術效果：
根據本發明的一個方面，提供了異步低佔空比wsn中基於相長幹涉的數據收集方法，所述數據收集方法包括以下步驟：將n個傳感器節點隨機地分布在一個面積為m×m平方米的區域內形成無線傳感器網絡，其中，n為大於1的整數，在傳感器節點中至少包括source節點、轉發節點和1個sink節點，除sink節點外，無線傳感器網絡中的其他傳感器節點都採用異步lpp機制進行睡眠調度，在網絡初始化過程中，傳感器節點會進行層次選擇從而獲取傳感器節點到sink節點的跳數，當有數據需要發送時，source節點選擇網絡中甦醒的轉發節點進行數據轉發，轉發節點接收source節點發送數據包並將該數據包並發傳輸到sink節點，並發傳輸完畢後，source節點與轉發節點返回到lpp睡眠調度狀態。
優選的，在網絡初始化過程中，傳感器節點進行層次選擇包括以下步驟：
步驟21：sink節點廣播一個packet(hop＝0)數據包，其中hop代表距離sink節點的跳數；
步驟22：網絡中的任意一個傳感器節點vi(i∈n)接收到鄰居節點vj(j∈n,j≠i)廣播的數據包packet(vj.hop)，如果vi.hophop(k-1))層鄰居節點收到awake數據包後直接丟棄並進入睡眠狀態；k-2層節點在收到awake數據包，在轉發之前會用hop(k-2)覆蓋hop(k-1)，k-2層節點繼續執行與hop(k-1)節點相同操作；
情況43：已經處理過awake數據包，且保持甦醒的轉發節點，不受上層節點發送的awake包的影響；
優選的，所述sink節點在接收到awake數據包後，將會發送feedback數據包到source節點，source節點接收到feedback數據包的轉發節點會根據以下三種情況進行處理：
情況51：source節點收到feedback數據包，但是沒有收到awake數據包，source節點將丟棄feedback數據包，進入睡眠狀態；
情況52：k＝(k≥hop)層次的轉發節點將直接丟棄feedback包，進入睡眠狀態；
情況53：處於相同層次的轉發節點，將同時接收到上一層次節點發送的feedback數據包，轉發節點將數據從接收隊列中不經任何處理直接複製到發送隊列中進行發送，最終feedback數據包將並發傳輸到達source節點，且在source節點處產生相長幹涉。
優選的，經過tbackoff等待時間後，所述sink節點發送feedback包到source節點，當feedback數據包到達source節點後，source節點在twait等待時間之後，發起間隔時間為tcount的並發傳輸，此時傳輸的是傳感器節點採集到的數據data數據包；相同層次的轉發節點同時接收到data數據包後，在發送該數據包前會有固定等待時間tprocess，因此滿足相長幹涉的條件，此時source節點到sink節點的路徑上的轉發節點不會發起probe數據包或awake數據包，因此滿足twait<tbackoff；
source節點啟動並發傳輸之後，如果在2×tprocess之後沒有偵聽到k＝(hop-1)層節點轉發數據包，則進行重傳，以增加傳輸的可靠性；如果偵聽到並且緩存隊列裡還有數據source節點會在tcount＝2×tprocess繼續發送數據。
優選的，並發傳輸完畢後，轉發節點返回到lpp睡眠調度狀態，在數據傳輸完成後，通過隱式終止方式或顯示終止方式通知傳輸路徑上的轉發節點已完成傳輸，則進入睡眠狀態，此後，轉發節點將按照lpp進行休眠調度。
優選的，在所述隱式終止方式中，參與並發傳輸的轉發節點從awake包中獲取數據包的數量，轉發節點在轉發完最後一個數據包之後進入睡眠；在所述顯示終止方式中，sink節點收到所有count個數據包之後，會發送確認ack，否則發送否定確認nack，參與並發傳輸的轉發節點在轉發完ack或nack之後，將終止並發傳輸階段進入睡眠。
本發明採用了上述技術方案，本發明具有以下技術效果：
(1)本發明可以有效的減少網絡中的控制開銷，提高數據包接收率，減少端到端延遲和網絡能量消耗，特別適用於基於事件驅動的傳感器監測應用領域。
(2)本發明的sink節點不需要保存、維護鄰居信息和路由狀態信息，可以大大以減少端到端延遲和網絡能量消耗，僅當有數據發送時使用基於相長幹涉的並發傳輸快速且可靠的將數據發送到sink節點，從而提高數據包接收率；本發明結合了低佔空比機制，僅需部分節點參與到並發傳輸中，不需要參與的節點進入睡眠，可以減少了網絡的能量消耗。
(3)在本發明的低佔空比無線傳感器網絡中，採用異步佔空比機制不需要進行時鐘同步，且不需要知道鄰居節點的睡眠調度，可以更有效的延長網絡生命周期。
附圖說明
圖1是本發明的無線傳感器網絡的傳感器節點分布示意圖。
圖2是本發明的sink節點在整個協議中處理數據的運行示意圖。
圖3是本發明的傳感器節點的數據收集過程的流程圖。
圖4是本發明lpp睡眠調度示意圖。
圖5是本發明的不同數據包產生間隔下，數據包接收率的變化示意圖；
圖6是本發明的不同數據包產生間隔下，佔空比的變化示意圖。
圖7是本發明不同數據包產生間隔下，數據發送延遲的變化示意圖。
圖8是本發明不同數據包產生間隔下，並發傳輸階段佔數據發送延遲比例的變化示意圖。
圖9是本發明不同數據包產生間隔下，平均發送每個數據包所需的開銷的變化示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉出優選實施例，對本發明進一步詳細說明。然而，需要說明的是，說明書中列出的許多細節僅僅是為了使讀者對本發明的一個或多個方面有一個透徹的理解，即便沒有這些特定的細節也可以實現本發明的這些方面。
如圖1所示，根據本發明的異步低佔空比wsn中基於相長幹涉的數據收集方法，包括以下步驟：將n個傳感器網絡節點隨機地分布在一個面積為m×m平方米的區域內，其中，n為大於1的整數，在傳感器節點中至少包括source節點、轉發節點和1個sink節點，除sink節點外，無線傳感器網絡中的其他傳感器節點都採用異步lpp機制進行睡眠調度，在網絡初始化過程中，傳感器節點會進行層次選擇從而獲取傳感器節點到sink節點的跳數，當有數據需要發送時，source節點選擇網絡中甦醒的轉發節點進行數據轉發，轉發節點接收source節點發送數據包並將該數據包並發傳輸到sink節點，並發傳輸完畢後，source節點與轉發節點返回到lpp睡眠調度狀態。當傳感器節點收集到數據，需要將數據需要發送到sink節點時，我們稱這種節點為源節點(source節點)，而傳感器網絡中，幫助源節點將數據發送到sink節點的傳感器節點，我們稱之為轉發節點(node節點)。
(1)、當source節點要發送數據時會一直偵聽信道，等待鄰居節點甦醒發送probe數據包，source節點收到probe數據包後，會發送ack建立連接，source節點此時會發送一個awake數據包到sink節點。
(2)、sink節點接收到awake數據包後，在等待一段時間(避免與probe數據包、awake數據包衝突)後返回一個feedback數據包(反饋包)。轉發節點node1和轉發節點node2處於同一跳，如圖1、圖2和圖3所示，所以兩者會同時接收到反饋包。轉發節點node1和轉發節點node2將不會對反饋包做任何處理直接發送，反饋包將同時到達source節點，並產生相長幹涉。
(3)、源節點收到反饋包後，就會認為到sink節點路徑上的節點已做好並發傳輸準備。source節點在等待一段時間(避免與sink的反饋包產生衝突)後發送數據，node1轉發節點和node2轉發節點將同時收到包，然後直接進行發送，同樣在sink節點處產生相長幹涉。
(4)、最後，網絡可以採取顯式終止或隱式終止結束數據傳輸，source節點和node1轉發節點、node2轉發節點進入睡眠，此後按照lpp進行睡眠調度。
在本發明中的初始化網絡過程中，對sink節點所在的層次選擇包括以下步驟：
步驟21：sink節點廣播一個packet(hop＝0)數據包，其中hop代表距離sink節點的跳數；從而使source節點獲取自己到sink節點的跳數；
步驟22：網絡中的任意一個傳感器節點vi(i∈n)接收到鄰居節點vj(j∈n,j≠i)廣播的數據包packet(vj.hop)，如果vi.hop<＝vj.hop-1則將節點vi的hop設置為vi.hop＝vj.hop+1，然後繼續廣播packet(vi.hop)數據包，一直持續到網絡中的節點均到sink節點的跳數，將hop＝k的節點命名為k層節點，其中k為大於等於1的整數，k層節點只需要保存hop信息，而不需保存任何關於相鄰層次節點的信息。網絡初始化過程中，即在網絡生命周期內，所述傳感器節點只需進行一次層次選擇，網絡初始化完成後，傳感器節點均按照lpp機制進行睡眠調度，在本發明中，結合圖1、圖2圖3和圖4，lpp機制進行睡眠調度按照如下方式進行：
當k＝hop層的source節點有數據需要發送時，source節點會偵聽網絡信道一段時間tlisten，等待鄰居節點甦醒發送probe數據包以建立連接，建立連接後，鄰近節點接收source節點發送的awake數據包以延長鄰居節點的甦醒時間；所述source節點發送awake數據包最終將到sink節點，sink節點收到awake數據包後，經過tbackoff等待時間後，sink節點發送feedback包到source節點，tbackoff等待時間確保所有正在傳輸的probe數據包和awake數據包距離sink至少為兩跳。
當經過tbackoff等待時間後，所述sink節點發送feedback包到source節點，當feedback數據包到達source節點後，source節點在twait等待時間之後，發起間隔時間為tcount的並發傳輸，此時傳輸的是傳感器節點採集到的數據data數據包；相同層次的轉發節點同時接收到data數據包後，在發送該數據包前會有固定等待時間tprocess，因此滿足相長幹涉的條件，此時source節點到sink節點的路徑上的轉發節點不會發起probe數據包或awake數據包，因此滿足twaithop(k-1))層鄰居節點收到awake數據包後直接丟棄並進入睡眠狀態；k-2層節點在收到awake數據包，在轉發之前會用hop(k-2)覆蓋hop(k-1)，繼續執行與hop(k-1)節點相同操作；
情況43：已經處理過awake包，且保持甦醒的轉發節點，不受上層節點發送的awake包的影響；所述sink節點在接收到awake數據包後，將會發送feedback數據包到source節點，source節點接收到feedback數據包的轉發節點會根據以下三種情況進行處理：
情況51：節點收到feedback數據包，但是沒有收到awake數據包，source節點將丟棄feedback數據包，進入睡眠狀態；
情況52：k＝(k≥hop)層次的轉發節點將直接丟棄feedback數據包，進入睡眠狀態。
情況53：處於相同層次的轉發節點，將同時接收到上一層次節點發送的feedback數據包，轉發節點將數據從接收隊列中不經任何處理直接複製到發送隊列中進行發送，最終feedback數據包將並發傳輸到達source節點，且在source節點處產生相長幹涉；
在本發明中，轉發節點接收source節點數據包並將該數據包並發傳輸到sink節點，並發傳輸完畢後，sink節點發送feedback數據包到source節點；當feedback數據包到達源節點後，源節點(source節點)在等待時間為twait(為了避免與正在進行的feedback數據包傳輸產生衝突)之後，發起間隔時間為tcount的傳輸(總共count個數據包)，相同層次的轉發節點同時接收到數據包後，在發送該數據包前會有固定等待時間tprocess，傳感器節點從接收到數據包到發送數據包，這個過程產生的等待時間定義為tprocess。因此同一層次的節點滿足相長幹涉的條件，增大了端到端的可靠性，當k＝1層節點同時向sink節點發送同一個數據，產生相長幹涉，進一步提高數據包成功接收概率。
轉發節點記錄了轉發過數據包的元數據(metadata)，所以不會重新發送該數據包，防止出現循環轉發的問題。在此階段，源節點開始執行並發傳輸且到sink的路徑上的節點不會發起probe數據包或awake數據包，所以設置twait<tbackoff。
源節點啟動並發傳輸之後，如果在2×tprocess之後沒有偵聽到k＝(hop-1)層節點轉發數據包，則進行重傳，增加傳輸的可靠性；如果偵聽到並且緩存隊列裡還有數據，源節點會在tcount＝2×tprocess繼續發送數據。
並發傳輸完畢後，轉發節點返回到lpp睡眠調度狀態，在數據傳輸完成後，通過隱式終止方式或顯示終止方式通知傳輸路徑上的轉發節點已完成傳輸，則進入睡眠狀態。此後，節點將按照lpp進行休眠調度，在所述隱式終止方式中，參與並發傳輸的轉發節點從awake數據包中獲取數據包的數量，節點在轉發完最後一個數據包之後進入睡眠；這隱式終止方式傳輸比較簡單，但是轉發節點在數據包丟失後會一直在偵聽信道，因此在adcci協議中設置節點在timeout(tx(h))後，退出並發傳輸階段進入睡眠。
在所述顯示終止方式中，sink節點收到所有count個數據包之後，會發送確認ack，否則發送否定確認nack，參與並發傳輸的轉發節點在轉發完ack或nack之後，將終止並發傳輸階段進入睡眠。該顯示終止方式雖然產生傳輸ack或nack的額外時間，但是顯式終止方式可以減少在丟包率高的網絡中節點的超時時間timeout(tx(h))。
在本發明中，選擇在一個100×100m2的正方形區域中設置50個節點，sink節點位於這個區域的中心，每個節點在數據包產生間隔內產生數據包(20bytes)並將包經過多跳路由到sink節點。在該實施例中，adcci均採用顯式終止方案。在adcci協議中，基本參數設置如表1所示
表1：adcci參數設置
在本發明中通過使用contiki上的數據收集協議tree-basedhop-by-hopreliabledatacollection(以下簡稱thrdc)作為對比協議，該協議是collectiontreeprocotol(ctp)在contiki上的實現，ctp在lpl模式下性能比在lpp模式下好，因此我們使用x-mac協議為thrdc提供睡眠調度，如圖4所示，設置x-mac的twakeup與adcci的值一致。鏈路質量等參數均按照系統默認。在本章中我們用數據包產生間隔表示兩次事件發生的時間間隔，將佔空比定義為：t(數據包產生間隔內平均每個節點無線電開啟的時間)/t(數據包產生間隔)，如圖5和圖6所示，從圖5可以看出，adcci的數據包接收率接近100％，而thrdc的數據包接收率在94％左右。因為在adcci中，由於相長幹涉的原因，節點層與層之間的可靠性更高且網絡中存在多條路徑同時傳輸數據，最後在sink節點處產生相長幹涉進一步增加了接收概率。thrdc傳輸數據時，每一跳都是etx(expectedtransmissioncount，預期傳輸次數)值最小的節點。當數據傳輸失敗後，更新etx後再次等待etx值最小的節點甦醒。如果etx值變化較大，發送節點還會進行廣播通知其他節點更新路由，由此增加傳輸延遲和節點甦醒時間。從圖6中的佔空比也證明了在相同數據包產生間隔內，thrdc協議無線電開啟的時間更長。因此從圖6中可以總結出，相對於thrdc，adcci在減少24.6％的佔空比的同時提高5.8％的數據包接收率。
在本發明中，如圖7所示，平均端到端延遲與並發傳輸延遲，從圖7中可以看出，在不同數據包產生間隔下，thrdc的平均端到端延遲是12.78s，adcci的是9.95s。因此相對於thrdc，adcci能夠減少22.1％的端到端延遲。從圖8可以看出，並發傳輸階段所產生的延遲在adcci平均端到端延遲中佔8.9％比例(平均0.89s)，而91.1％的時間在為並發傳輸階段做準備。並發傳輸階段產生的延遲變化並不大，所以並發傳輸階段所佔比例隨著平均端到端延遲的增大而變小，因此在數據包產生間隔等於1200s和2400s時，產生了兩個極小值。從圖7和圖8中可知基於相長幹涉的並發傳輸是一種低延遲的數據傳輸方式。
控制開銷，實驗比較了adcci和thrdc在數據傳輸的整個過程中，不同數據包產生間隔下平均傳輸每個數據包所需的控制包數量，平均每個數據包開銷越小，意味著傳輸每個數據包整個網絡消耗的能量越少，能量利用率越高，在x-mac協議中，節點在下一跳節點開始接收數據包前會連續發送信標幀，我們將這些連續發送的信標幀數量記為1個。
當數據包產生間隔較小的時候，thrdc所需的控制包的數量較少，但隨著數據包產生間隔的增加，這種開銷會迅速增加，因為儘管網絡中沒有數據要進行發送，但thrdc協議需要定期維護路由狀態，產生控制包開銷。而adcci僅在有數據包要發送時節點才會產生控制包，所以隨著數據包產生間隔的增大，每個數據包的所需的控制包沒有明顯變化，從而說明了圖7中在數據包產生間隔等於1800s開始，thrdc的佔空比並沒有進一步下降，而adcci的佔空比呈下降趨勢。
結合圖6和圖9，分析了adcci和thrdc的網絡能量消耗。傳感器節點中無線電模塊是最消耗能量的單元，而圖6表明在相同的數據包產生間隔內，adcci無線電模塊開啟的時間比thrdc少24.6％。圖9表明在adcci協議中平均每個數據所需的控制包開銷在不同數據包產生間隔中幾乎沒有變化，所以相對於thrdc，adcci能夠有效的減少網絡能量消耗。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。