一種適用於無線傳感器網絡的自適應差錯控制方法
2023-09-22 20:18:00 1
專利名稱：一種適用於無線傳感器網絡的自適應差錯控制方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於無線傳感器網絡的自適應差錯控制方法，特別地指適用於無線傳感器網絡的基於HARQ-ARQ跨層交互協作自適應差錯控制方法，屬於無線傳感器網絡中協作通信自適應差錯控制技術領域。
背景技術：
無線傳感器網絡通信相對於傳統的無線Ad Hoc網絡數據傳輸有其特殊的服務質 M QoS(Quality of Service)要求1、傳感器節點一般採用電池供電，能量受限且均為一次性部署難以更換，而且由於節點體積及開發成本限制，傳感器節點的存儲空間和數據處理能力均受到較大程度的限制，因此協作通信時需要考慮能量使用效率。2、在無線傳感器網絡中，信息的感知、收集和處理等任務完全由單個傳感器節點承擔，會嚴重影響網絡通信性能和生命周期，同時單位面積內部署的網絡節點數遠大於傳統的無線Ad Hoc網絡，為協作通信提供了大量的候選中繼節點。3、傳感器節點可能由於能量耗盡而失效，可能會有新的傳感器節點加入到網絡拓撲中，導致無線傳感器網絡拓撲處於動態變化狀態，使得協作通信時存在「何時協作」和「與誰協作」的中繼選擇問題，因此傳感器節點需要具備數據傳輸路徑和中繼選擇自適應調整功能。4、已有的無線傳感器網絡平臺運行結果表明，與傳統的無線Ad Hoc網絡相比，無線傳感器網絡鏈路質量較差，無線鏈路丟包率高達50%，因此如何通過共享傳感器節點資源，依靠傳感器節點間的「相互協作」，在數據傳輸可靠性和高能效之間尋求一種數據發送模式和差錯控制策略成為無線傳感器網絡研究亟待解決的問題之一。綜上所述，由於無線傳感器網絡節點的體積、能量和帶寬等限制，尤其是其所應用的場景例如軍事、工業、交通等複雜惡劣環境的影響，為了提高數據傳輸的可靠性，可採用混合自動重傳請求(HARQ)和自動重傳請求(ARQ)等差錯控制技術，以減小數據丟失和差錯造成的影響。採用HARQ方法時，發送端對待傳數據採用循環冗餘校驗CRC(Cyclical Redundancy Check)和前向糾錯FEC (Forward Error Correction)進行編碼，使之具有一定的檢錯和糾錯能力；接收端採用FEC解碼並用CRC校驗數據正確性，以此來判斷數據傳輸過程中是否出錯，並將判斷結果反饋給發送方；如果數據包出錯，接收端主動丟棄該數據包並返回重傳請求。發送端收到重傳請求後，重新發送原來的編碼數據包。HARQ信令開銷小，鏈路層和物理層結構設計和數據處理容易實現，傳輸時延小，但數據可靠性不高。ARQ方法會帶來較大的端到端時延，不適用於時延敏感的應用業務，但是它可以為數據傳輸提供較高的可靠性。一般而言，實際系統中的存在既對時延敏感又對可靠性有較高要求的應用業務， 顯然單獨使用HARQ和ARQ，難以滿足此類業務需求。因此，需要考慮HARQ和ARQ跨層交互協作，既利用HARQ時延端，又結合了 ARQ可靠性高的特點。
發明內容
本發明的任務是要提供一種適用於無線傳感器網絡的基於HARQ-ARQ跨層交互協作自適應差錯控制方法，使得無線傳感器網絡在為不同服務質量需求的應用業務提供有效的QoS保障而面臨複雜性和動態特性等問題時，仍能滿足業務對時延敏感性和傳輸可靠性的高要求。本發明的任務是這樣來完成的，一種適用於無線傳感器網絡的自適應差錯控制方法，包括如下步驟 (1)在發送端，啟動應用業務服務質量自定義機制，根據應用業務對於數據在無線傳感器網絡中傳輸的服務質量Q0S的需求，分別指定數據包丟棄概率、飽和吞吐率和能效或端到端平均時延的保障優先級；(2)數據包到達數據鏈路層後，根據應用業務制定服務質量QoS方案，查詢差錯控制方案表即表1，選擇當前最佳的差錯控制方案並設置鏈路層混合自動重傳請求的最大重傳次數i和物理層自動重傳請求的最大重傳次數j ；(3)同時在數據鏈路層啟動自適應中繼選擇機制，分析得到通信距離門限值和協作傳輸所需中繼節點數Hmax-I ；(4)發送數據包，如果收到ACK則繼續發送新的數據包，同時啟動定時器；(5)如果超時或者收到NACK，則啟動鏈路層混合自動重傳請求；當重傳次數大於i 後，向物理層發送HE-NACK信息，激活物理層自動重傳請求；如果物理層自動重傳請求的重傳次數大於j則主動丟棄該數據包；(6)中繼節點選擇通信距離小於或等於通信距離門限值的節點作為下一跳接收節點。(7)在Hmax-I個中繼節點上重複依次執行步驟(4)、(5)和(6)直至數據包被接收方正確接收或主動丟棄數據包；(8)接收端如果收到的數據包是由鏈路層混合自動重傳請求發送則在鏈路層對該數據包進行FEC解碼和CRC校驗，否則在物理層對該數據包進行CRC校驗，若數據包正確則反饋ACK同時將數據包送至上層供應用業務進行相應處理，否則反饋NACK。本發明由於採用上述方法後，具有的優點在確保無線傳感器網絡傳輸高可靠性的同時縮短時延，並獲得較高的吞吐率和能量效率。
圖1為本發明中基於HARQ-ARQ跨層交互協作自適應差錯控制方法的網絡結構示意圖。圖2為本發明中基於HARQ-ARQ跨層交互協作自適應差錯控制方法的三狀態二階段馬爾科夫鏈模型示意圖。圖3為本發明的基於HARQ-ARQ跨層交互差錯控制方法的飽和吞吐率隨通信距離變化規律示意圖。圖4為本發明的基於HARQ-ARQ跨層交互差錯控制方法的數據包丟棄概率隨通信距離變化規律示意圖。
圖5為本發明的基於HARQ-ARQ跨層交互差錯控制方法的端到端平均時延隨通信距離變化規律示意圖。圖6為本發明的基於HARQ-ARQ跨層交互差錯控制方法的能效隨通信距離變化規律示意圖。圖7為本發明的五種差錯控制方案的飽和吞吐率隨誤碼率變化規律示意圖。圖8為本發明的五種差錯控制方案的數據包丟棄概率隨誤碼率變化規律示意圖。圖9為本發明的五種差錯控制方案的端到端平均時延隨通誤碼率變化規律示意圖。圖10為本發明的五種差錯控制方案的能效隨誤碼率變化規律示意圖。
具體實施例方式為了更清楚地描述本發明所公開方法的技術實質和實施效果，下面詳細描述本發明的具體實施方式
，但所有具體實施方式
的描述均不構成對本發明方法的限制，任何形式上的或數值上的非實質性修改均應視為本發明所公開方法的等效替換而屬於本發明的權利保護範圍。下面首先描述的是本實施例中所採用的無線傳感器網絡傳輸性能分析方法，然後分別介紹基於這一分析方法實現的自適應中繼選擇機制和應用業務服務質量自定義機制， 最後在這兩個實現機制的基礎上，給出本發明一個完整的具體實施方式
。一、無線傳感器網絡傳輸性能的分析方法本發明採用基於馬爾科夫鏈模型性能分析方法來對本發明的具體實施方式
進行網絡傳輸性能進行分析，該方法適用於基於Crossbow公司的使用Atmega-128L處理器和 CC1000射頻模塊的Mica2型節點的無線傳感器網絡平臺，無線信道採用對數距離路徑損耗模型。在該模型中，距離發射端間距為d時，傳感器節點的接收功率為Pr{d) = Pt -Pid^-IOfi lg(^-)⑴其中，β表示路徑損耗參數且β = 3。Cltl表示近地參考距離。由此得到接收端的信噪比Y dB如下式所示Ytffi = Pr (d)-Pn (2)其中，？ 表示噪聲功率。Mica2節點使用非相關FSK解調，其誤碼率Pb(BER:Bit Error Rate)由公式(3)給出
權利要求
1. 一種適用於無線傳感器網絡的自適應差錯控制方法，其特徵在於包括如下步驟(1)在發送端，啟動應用業務服務質量自定義機制，根據應用業務對於數據在無線傳感器網絡中傳輸的服務質量QoS的需求，分別指定數據包丟棄概率、飽和吞吐率和能效或端到端平均時延的保障優先級；(2)數據包到達數據鏈路層後，根據應用業務制定服務質量QoS方案，查詢差錯控制方案表即表1，選擇當前最佳的差錯控制方案並設置鏈路層混合自動重傳請求的最大重傳次數i和物理層自動重傳請求的最大重傳次數J·；(3)同時在數據鏈路層啟動自適應中繼選擇機制，分析得到通信距離門限值和協作傳輸所需中繼節點數/Zmax-I ；(4)發送數據包，如果收到ACK則繼續發送新的數據包，同時啟動定時器；(5)如果超時或者收到NACK，則啟動鏈路層混合自動重傳請求；當重傳次數大於i後， 向物理層發送HE-NACK信息，激活物理層自動重傳請求；如果物理層自動重傳請求的重傳次數大於J·則主動丟棄該數據包；(6)中繼節點選擇通信距離小於或等於通信距離門限值-D的節點作為下一跳接收節佔.(7)在/Zmax-I個中繼節點上重複依次執行步驟(4)、(5)和(6)直至數據包被接收方正確接收或主動丟棄數據包；(8)接收端如果收到的數據包是由鏈路層混合自動重傳請求發送則在鏈路層對該數據包進行FEC解碼和CRC校驗，否則在物理層對該數據包進行CRC校驗，若數據包正確則反饋 ACK同時將數據包送至上層供應用業務進行相應處理，否則反饋NACK。
全文摘要
本發明公開了一種適用於無線傳感器網絡的基於HARQ-ARQ跨層交互協作自適應差錯控制方法，屬於無線傳感器網絡中協作通信自適應差錯控制技術領域。該方法採用跨層設計，在數據鏈路層採用混合自動重傳請求(HybridARQ)，物理層採用自動重傳請求(ARQ)，根據應用業務對服務質量QoS的不同需求，自適應選擇鏈路層混合自動重傳請求的重傳次數i和物理層自動重傳請求的重傳次數j，確定最佳差錯控制方案；同時根據發送端和接收端的通信距離決定協作通信時所需的中繼節點數和通信距離門限值，選擇下一跳中繼節點，自適應地建立多中繼協作傳輸路徑。優點在確保無線傳感器網絡傳輸高可靠性的同時縮短時延，並獲得較高的吞吐率和能量效率。
文檔編號H04W84/18GK102333344SQ20111033598
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者劉永俊, 常晉義, 靳勇 申請人:常熟理工學院