本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作系統(tǒng)區(qū)分服務(wù)的方法。

背景技術(shù)：

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量配備無(wú)線電收發(fā)器的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)隨機(jī)散落在工作區(qū)域，負(fù)責(zé)感知、監(jiān)測(cè)和處理環(huán)境數(shù)據(jù)。在大多數(shù)情況下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要在沒有人工干預(yù)的情況下工作很長(zhǎng)的一段時(shí)間，可靠性和魯棒性也因此成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基本要求。無(wú)線通信過程中，受到傳輸環(huán)境和傳輸介質(zhì)等因素的干擾會(huì)使得數(shù)據(jù)通過無(wú)線方式進(jìn)行傳輸時(shí)受到一定程度的影響，導(dǎo)致質(zhì)量下降甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。因此，實(shí)現(xiàn)可靠通信傳輸是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域需要解決的主要問題之一。此外，傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限的特點(diǎn)讓無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量節(jié)約問題成為另一個(gè)急需解決的方面。

目前，關(guān)于可靠性的研究主要集中于如下的策略：(1)多徑路由協(xié)議。多徑路由協(xié)議通過在發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間建立多條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，使得更多的節(jié)點(diǎn)加入到數(shù)據(jù)傳遞的任務(wù)中。通過對(duì)多條較好路徑的選用替代單條最好路徑，從而對(duì)數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行提升。(2)自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)。發(fā)送端向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)包后需要接收端的響應(yīng)，否則需重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包。(3)前向糾錯(cuò)技術(shù)。前向糾錯(cuò)是一種利用數(shù)據(jù)編解碼方法完成信息糾錯(cuò)的有效方式。原始數(shù)據(jù)在發(fā)送端按照一定規(guī)律性進(jìn)行編碼處理，這種規(guī)律性使得接收端在收到數(shù)據(jù)包后可通過譯碼的方式自動(dòng)找到并修正傳輸中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。(4)協(xié)作通信：協(xié)作通信是在多用戶網(wǎng)絡(luò)中，用戶通過一定的方式共享彼此的天線，形成虛擬多信道，獲取空間分集增益，從而提高系統(tǒng)通信可靠性和信道容量的有效方法。(5)網(wǎng)絡(luò)編碼：不同于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式，網(wǎng)絡(luò)編碼允許中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)多條路徑上的信息進(jìn)行編碼融合，然后再轉(zhuǎn)發(fā)。

協(xié)作通信方案的實(shí)施使得系統(tǒng)通信可靠性和信道容量得到一定的提高。基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作系統(tǒng)在節(jié)省傳輸開銷上進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，有效地保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的提高。

作為信息基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要為不同應(yīng)用提供服務(wù)，這些應(yīng)用有各自不同的可靠性需求?？煽啃孕枨蟮奶嵘碇鴤鞲衅鞴?jié)點(diǎn)能耗的增加，這也將隨之影響到網(wǎng)絡(luò)整體壽命。因此，需要制定一種可靠有效的方法使得既能保證可靠性，還能達(dá)到能量節(jié)約的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作系統(tǒng)區(qū)分服務(wù)的方法，其目的在于，根據(jù)應(yīng)用的可靠性需求確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的傳輸功率，在保證應(yīng)用可靠性要求的前提下最小化節(jié)點(diǎn)能耗。并且，距離基站近的節(jié)點(diǎn)由于需要承擔(dān)更多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，導(dǎo)致能量消耗增大更加容易死亡，將這部分節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域稱為熱區(qū)，則其他節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域稱為非熱區(qū)，在節(jié)點(diǎn)傳輸功率確定之后，提高非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率，在不降低網(wǎng)絡(luò)壽命的前提下能夠最大化數(shù)據(jù)收集可靠性，并計(jì)算出此時(shí)所有節(jié)點(diǎn)各自的發(fā)射功率大小。

若每跳數(shù)據(jù)包丟失概率為P_Plr，每個(gè)簇中原本存在N個(gè)節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)只有p個(gè)存活節(jié)點(diǎn)，將接收節(jié)點(diǎn)能從N個(gè)數(shù)據(jù)包中接收到q個(gè)數(shù)據(jù)包的概率表示為P(p,q)，則可以計(jì)算為：

每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包是由均分的M個(gè)數(shù)據(jù)塊組合形成，因此想要恢復(fù)原始數(shù)據(jù)塊只能利用秩為M的編碼矩陣。假設(shè)隨機(jī)生成一個(gè)階的編碼矩陣，讓P_v,w表示該矩陣的秩小于w的概率。節(jié)點(diǎn)失效概率為用P_f表示，匯聚節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的可靠性表示為MFR_l，可通過以下公式計(jì)算：

除匯聚節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)包外，其余每跳的可靠性表示為MFR₀，可以計(jì)算為：

若應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的要求為MFR，在多跳傳輸結(jié)束后數(shù)據(jù)可靠性需要達(dá)到MFR，則每跳數(shù)據(jù)傳輸可靠性與最終數(shù)據(jù)可靠性的關(guān)系為下式：

MFR＝1-(1-MFR₀)^hp-1·(1-MFR_l)

其中，hp表示數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過的總跳數(shù)。

若已知應(yīng)用對(duì)可靠性的需求MFR，可以通過上述說明計(jì)算出每跳數(shù)據(jù)包丟失概率P_Plr，并可通過以下公式計(jì)算出此時(shí)節(jié)點(diǎn)所需傳輸功率的值E_A：

上式中，μ是極值與平均值比，θ是射頻功率放大器的漏極效率；N_l是鏈路干擾或噪音等影響，N_c是接受方噪音系數(shù)；SNR₀表示信噪比規(guī)定下限；d為傳輸距離，k是路徑損耗指數(shù)；G_l表示傳輸天線增益，G_r為接收天線增益；λ是載波波長(zhǎng)；d₀是傳輸節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的參考距離；σ²是Rayleigh分布尺度參數(shù)。

在初步確定節(jié)點(diǎn)傳輸功率保證數(shù)據(jù)可靠性之后，需要提升非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率，則提升后節(jié)點(diǎn)傳輸功率計(jì)算的具體公式為：

其中，i表示節(jié)點(diǎn)為應(yīng)用i服務(wù)，x為節(jié)點(diǎn)距離基站的距離；η是傳輸功率提升上限；P_T是TX電路功率消耗，T_b是傳輸比特率；Θ_tot是節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)目，O_tot是節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包總數(shù)目；E_r是節(jié)點(diǎn)接收每比特?cái)?shù)據(jù)的能量消耗；是節(jié)點(diǎn)從上一跳節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包數(shù)目，是接收到的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目，是節(jié)點(diǎn)收集到的狀態(tài)信息數(shù)目；r_c是簇半徑大小，d_x是節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)距離，k是路徑損耗指數(shù)；l_t、l_s、l₀分別為實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的長(zhǎng)度、狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、原始數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。

綜上所述，本發(fā)明采用的區(qū)分服務(wù)方法在已知應(yīng)用所需可靠性的情況下能夠以最低的傳輸功率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，保證了可靠性需求的同時(shí)使得熱區(qū)節(jié)點(diǎn)能量消耗降至最低，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。同時(shí)，非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率根據(jù)與功率提升上限η的差值被提升至最高，這就使得數(shù)據(jù)可靠性得到了最大的提升；對(duì)上限η的設(shè)置保證了節(jié)點(diǎn)能量消耗不會(huì)超過能量消耗最大的節(jié)點(diǎn)，從而保證了網(wǎng)絡(luò)壽命不會(huì)降低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為在本發(fā)明所述方法下，發(fā)射功率E_Amp與每跳數(shù)據(jù)失敗傳輸率MFR的關(guān)系；

圖3為在簇節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化的情況下，距離基站不同距離節(jié)點(diǎn)接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量的情況；

圖4為應(yīng)用本發(fā)明所述方法和不采用本方法的節(jié)點(diǎn)傳輸功率設(shè)置對(duì)比示意圖；

圖5為采取本發(fā)明中提升非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)傳輸功率的方法后不同位置節(jié)點(diǎn)傳輸功率設(shè)置情況；

圖6為采用本發(fā)明所述方法與傳統(tǒng)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼方法進(jìn)行傳輸可靠性對(duì)比示意圖；

圖7為采用本發(fā)明所述方法與協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼方法進(jìn)行傳輸時(shí)網(wǎng)絡(luò)壽命提升對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作系統(tǒng)區(qū)分服務(wù)的方法，如圖1所示，對(duì)不同應(yīng)用根據(jù)其可靠性需求采取不同功率進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，對(duì)于能量有剩余的節(jié)點(diǎn)在一定范圍內(nèi)提升其傳輸功率以增加數(shù)據(jù)傳輸可靠性；

對(duì)不同可靠性要求的應(yīng)用分別選擇對(duì)應(yīng)的傳輸功率進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；

距離基站近的節(jié)點(diǎn)由于需要承擔(dān)更多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，導(dǎo)致能量消耗增大更加容易死亡，將這部分節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域稱為熱區(qū)，則其他節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域稱為非熱區(qū)，節(jié)點(diǎn)傳輸功率初步確定后，保持熱區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率不變，提升非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率。

圖1中實(shí)線圓圈表示傳感器節(jié)點(diǎn)，虛線圓形內(nèi)的節(jié)點(diǎn)表示同一簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，它們彼此間互為協(xié)作節(jié)點(diǎn)。其中，標(biāo)識(shí)為實(shí)心的源節(jié)點(diǎn)為產(chǎn)生數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，標(biāo)識(shí)為實(shí)心的基站則負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)。圖1中的箭頭指明了數(shù)據(jù)傳輸方向。每個(gè)傳感器在一個(gè)固定的時(shí)間都會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)包，因此可將網(wǎng)絡(luò)的生命周期定義為輪。在每輪數(shù)據(jù)傳輸過程中，首先，源節(jié)點(diǎn)將感知到的數(shù)據(jù)廣播給簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼然后傳遞給下一簇的所有節(jié)點(diǎn)。中間簇的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再編碼然后繼續(xù)向下一簇進(jìn)行傳遞。以上過程持續(xù)執(zhí)行，當(dāng)數(shù)據(jù)包最終被目的簇的節(jié)點(diǎn)接收才意味著此輪數(shù)據(jù)傳輸過程停止。最后，目的簇中除匯聚節(jié)點(diǎn)以外的其他節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給，最終由對(duì)接收到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼操作。在每輪數(shù)據(jù)傳輸過程中，若始終保持相同的傳輸功率雖然能夠保證可靠性卻也造成了能量的浪費(fèi)。因此，使用區(qū)分服務(wù)方法在已知應(yīng)用所需可靠性的情況下能夠以最低的傳輸功率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，保證了可靠性需求的同時(shí)使得熱區(qū)節(jié)點(diǎn)能量消耗降至最低，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。同時(shí)，非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率根據(jù)與功率提升上限的差值被提升至最高，這就使得數(shù)據(jù)可靠性得到了最大的提升，卻不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命造成影響。

圖2給出了發(fā)射功率E_Amp與每跳數(shù)據(jù)失敗傳輸率MFR的關(guān)系。從圖2可以看出：隨著發(fā)射功率的增大，數(shù)據(jù)失敗傳輸率也隨之降低，也就是說數(shù)據(jù)可靠性得到了提升。特別地，當(dāng)簇節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為3時(shí)，若傳輸功率從0.005J提升到0.095J時(shí)，MFR從0.0245075降低到1.5946E-4，這也就意味著將發(fā)射功率提高19倍會(huì)使MFR縮減154倍。因此，通過提升傳輸功率能夠有效降低數(shù)據(jù)傳輸失敗率，提高傳輸可靠性。

圖3給出了本發(fā)明所述方法在簇節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化的情況下，距離基站不同距離節(jié)點(diǎn)接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量的情況。從圖3中可以看出：簇節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化不會(huì)影響到每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的變化，只會(huì)對(duì)接收數(shù)據(jù)量造成影響。當(dāng)簇節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)逐漸增多時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)也隨之增多，這是因?yàn)樵趨f(xié)作通信系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要從上一跳的簇中保證接收到與簇節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同的數(shù)據(jù)包。同時(shí)還能觀察到一個(gè)普遍現(xiàn)象，那就是距離近的節(jié)點(diǎn)所承擔(dān)的數(shù)據(jù)負(fù)載遠(yuǎn)多于非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)，因此耗能也越多，反之，距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量較少，耗能也越少。因此，本發(fā)明中所提及的提升非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)傳輸功率而保持熱區(qū)節(jié)點(diǎn)傳輸功率的機(jī)制是有效的。

圖4的實(shí)驗(yàn)設(shè)置是：在網(wǎng)絡(luò)半徑R＝400米的網(wǎng)絡(luò)中，部署1000個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)為多個(gè)應(yīng)用傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)用對(duì)可靠性的要求分別有MFR＝0.05、MFR＝0.1、MFR＝0.2、MFR＝0.3這幾種情況。圖4中顯示了在簇節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N＝3的情況下，滿足各類應(yīng)用可靠性要求時(shí)距離基站不同距離節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率以及采用本發(fā)明所述方法下節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率。所有節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率滿足信息失敗傳輸率為0.05的需求時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率最大，此時(shí)的發(fā)射功率為E_max＝0.00614488。將本發(fā)明所述方法與MFR＝0.05的曲線進(jìn)行對(duì)比可以看出，在對(duì)多個(gè)應(yīng)用進(jìn)行服務(wù)時(shí)，采用本發(fā)明所述方法每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗加權(quán)之后的結(jié)果都得到了一定的下降，但并沒有影響對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的保證，這從延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的角度來(lái)說有益的。

圖5中顯示了采取本發(fā)明中提升非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)傳輸功率的方法后不同位置節(jié)點(diǎn)傳輸功率設(shè)置情況。通過與圖4的對(duì)比可以看出，熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的功率并沒有變化，但其余節(jié)點(diǎn)的能量都得到了一定的提升，并且距離越遠(yuǎn)功率的提升也越多，這是因?yàn)檫h(yuǎn)區(qū)域保留的能量更多，因此能夠用于提升傳輸可靠性的能量也越多。通過提升非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的能量能夠讓數(shù)據(jù)傳輸可靠性及網(wǎng)絡(luò)能量利用率得到大幅度提升，但同時(shí)保持熱區(qū)節(jié)點(diǎn)功率不變又確保了網(wǎng)絡(luò)壽命不會(huì)因此受到影響。

在圖6示意的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景在網(wǎng)絡(luò)半徑R＝400米的網(wǎng)絡(luò)中，固定簇節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為3，對(duì)可靠性要求的應(yīng)用分別采用本發(fā)明所述方法與傳統(tǒng)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼方法進(jìn)行傳輸。從圖6可以看出，雖然熱區(qū)的節(jié)點(diǎn)傳輸可靠性并沒有得到提升，但對(duì)于非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)而言發(fā)射功率的提升使得傳輸數(shù)據(jù)失敗率MFR得到了大幅度降低。對(duì)于數(shù)據(jù)的端到端可靠性而言，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于可靠性的保證都決定了數(shù)據(jù)最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所能成功被接收的概率。因此，非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)對(duì)于數(shù)據(jù)失敗傳輸率的大幅度下降很好的對(duì)數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行了保證。

圖7顯示了在簇節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為3而網(wǎng)絡(luò)半徑不同的情況下，對(duì)于不同可靠性要求的應(yīng)用分別采用本發(fā)明所述方法與傳統(tǒng)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼方法進(jìn)行傳輸時(shí)，本發(fā)明所述方法相比協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼方法始終能保持更好的網(wǎng)絡(luò)壽命。進(jìn)一步對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命延長(zhǎng)率進(jìn)行計(jì)算，從圖7中可以看出，在保證可靠性的前提下本發(fā)明所述方法將網(wǎng)絡(luò)壽命提升了18％左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同網(wǎng)絡(luò)條件下本發(fā)明所述方法對(duì)于網(wǎng)絡(luò)壽命的延長(zhǎng)作用是顯著的。

綜上所述，本發(fā)明所述方法能夠在網(wǎng)絡(luò)壽命相同的情況下極大的提升數(shù)據(jù)傳輸可靠性，并且，在保證應(yīng)用可靠性的前提下還能使網(wǎng)絡(luò)壽命提升得到提升。