專利名稱：一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)差錯(cuò)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)差錯(cuò)控制方法，特別地指適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于HARQ-ARQ跨層交互協(xié)作自適應(yīng)差錯(cuò)控制方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作通信自適應(yīng)差錯(cuò)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信相對(duì)于傳統(tǒng)的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸有其特殊的服務(wù)質(zhì) M QoS(Quality of Service)要求1、傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，能量受限且均為一次性部署難以更換，而且由于節(jié)點(diǎn)體積及開發(fā)成本限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)處理能力均受到較大程度的限制，因此協(xié)作通信時(shí)需要考慮能量使用效率。2、在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，信息的感知、收集和處理等任務(wù)完全由單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)，會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)通信性能和生命周期，同時(shí)單位面積內(nèi)部署的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，為協(xié)作通信提供了大量的候選中繼節(jié)點(diǎn)。3、傳感器節(jié)點(diǎn)可能由于能量耗盡而失效，可能會(huì)有新的傳感器節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，?dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮幱趧?dòng)態(tài)變化狀態(tài)，使得協(xié)作通信時(shí)存在“何時(shí)協(xié)作”和“與誰協(xié)作”的中繼選擇問題，因此傳感器節(jié)點(diǎn)需要具備數(shù)據(jù)傳輸路徑和中繼選擇自適應(yīng)調(diào)整功能。4、已有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)運(yùn)行結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量較差，無線鏈路丟包率高達(dá)50%，因此如何通過共享傳感器節(jié)點(diǎn)資源，依靠傳感器節(jié)點(diǎn)間的“相互協(xié)作”，在數(shù)據(jù)傳輸可靠性和高能效之間尋求一種數(shù)據(jù)發(fā)送模式和差錯(cuò)控制策略成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究亟待解決的問題之一。綜上所述，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體積、能量和帶寬等限制，尤其是其所應(yīng)用的場(chǎng)景例如軍事、工業(yè)、交通等復(fù)雜惡劣環(huán)境的影響，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，可采用混合自?dòng)重傳請(qǐng)求(HARQ)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)等差錯(cuò)控制技術(shù)，以減小數(shù)據(jù)丟失和差錯(cuò)造成的影響。采用HARQ方法時(shí)，發(fā)送端對(duì)待傳數(shù)據(jù)采用循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC(Cyclical Redundancy Check)和前向糾錯(cuò)FEC (Forward Error Correction)進(jìn)行編碼，使之具有一定的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力；接收端采用FEC解碼并用CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性，以此來判斷數(shù)據(jù)傳輸過程中是否出錯(cuò)，并將判斷結(jié)果反饋給發(fā)送方；如果數(shù)據(jù)包出錯(cuò)，接收端主動(dòng)丟棄該數(shù)據(jù)包并返回重傳請(qǐng)求。發(fā)送端收到重傳請(qǐng)求后，重新發(fā)送原來的編碼數(shù)據(jù)包。HARQ信令開銷小，鏈路層和物理層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理容易實(shí)現(xiàn)，傳輸時(shí)延小，但數(shù)據(jù)可靠性不高。ARQ方法會(huì)帶來較大的端到端時(shí)延，不適用于時(shí)延敏感的應(yīng)用業(yè)務(wù)，但是它可以為數(shù)據(jù)傳輸提供較高的可靠性。一般而言，實(shí)際系統(tǒng)中的存在既對(duì)時(shí)延敏感又對(duì)可靠性有較高要求的應(yīng)用業(yè)務(wù)， 顯然單獨(dú)使用HARQ和ARQ，難以滿足此類業(yè)務(wù)需求。因此，需要考慮HARQ和ARQ跨層交互協(xié)作，既利用HARQ時(shí)延端，又結(jié)合了 ARQ可靠性高的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是要提供一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于HARQ-ARQ跨層交互協(xié)作自適應(yīng)差錯(cuò)控制方法，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在為不同服務(wù)質(zhì)量需求的應(yīng)用業(yè)務(wù)提供有效的QoS保障而面臨復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)特性等問題時(shí)，仍能滿足業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延敏感性和傳輸可靠性的高要求。本發(fā)明的任務(wù)是這樣來完成的，一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)差錯(cuò)控制方法，包括如下步驟 (1)在發(fā)送端，啟動(dòng)應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量自定義機(jī)制，根據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)對(duì)于數(shù)據(jù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量Q0S的需求，分別指定數(shù)據(jù)包丟棄概率、飽和吞吐率和能效或端到端平均時(shí)延的保障優(yōu)先級(jí)；(2)數(shù)據(jù)包到達(dá)數(shù)據(jù)鏈路層后，根據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)制定服務(wù)質(zhì)量QoS方案，查詢差錯(cuò)控制方案表即表1，選擇當(dāng)前最佳的差錯(cuò)控制方案并設(shè)置鏈路層混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求的最大重傳次數(shù)i和物理層自動(dòng)重傳請(qǐng)求的最大重傳次數(shù)j ；(3)同時(shí)在數(shù)據(jù)鏈路層啟動(dòng)自適應(yīng)中繼選擇機(jī)制，分析得到通信距離門限值和協(xié)作傳輸所需中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)Hmax-I ；(4)發(fā)送數(shù)據(jù)包，如果收到ACK則繼續(xù)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器；(5)如果超時(shí)或者收到NACK，則啟動(dòng)鏈路層混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求；當(dāng)重傳次數(shù)大于i 后，向物理層發(fā)送HE-NACK信息，激活物理層自動(dòng)重傳請(qǐng)求；如果物理層自動(dòng)重傳請(qǐng)求的重傳次數(shù)大于j則主動(dòng)丟棄該數(shù)據(jù)包；(6)中繼節(jié)點(diǎn)選擇通信距離小于或等于通信距離門限值的節(jié)點(diǎn)作為下一跳接收節(jié)點(diǎn)。(7)在Hmax-I個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)上重復(fù)依次執(zhí)行步驟(4)、(5)和(6)直至數(shù)據(jù)包被接收方正確接收或主動(dòng)丟棄數(shù)據(jù)包；(8)接收端如果收到的數(shù)據(jù)包是由鏈路層混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求發(fā)送則在鏈路層對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行FEC解碼和CRC校驗(yàn)，否則在物理層對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若數(shù)據(jù)包正確則反饋ACK同時(shí)將數(shù)據(jù)包送至上層供應(yīng)用業(yè)務(wù)進(jìn)行相應(yīng)處理，否則反饋NACK。本發(fā)明由于采用上述方法后，具有的優(yōu)點(diǎn)在確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸高可靠性的同時(shí)縮短時(shí)延，并獲得較高的吞吐率和能量效率。


圖1為本發(fā)明中基于HARQ-ARQ跨層交互協(xié)作自適應(yīng)差錯(cuò)控制方法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中基于HARQ-ARQ跨層交互協(xié)作自適應(yīng)差錯(cuò)控制方法的三狀態(tài)二階段馬爾科夫鏈模型示意圖。圖3為本發(fā)明的基于HARQ-ARQ跨層交互差錯(cuò)控制方法的飽和吞吐率隨通信距離變化規(guī)律示意圖。圖4為本發(fā)明的基于HARQ-ARQ跨層交互差錯(cuò)控制方法的數(shù)據(jù)包丟棄概率隨通信距離變化規(guī)律示意圖。
圖5為本發(fā)明的基于HARQ-ARQ跨層交互差錯(cuò)控制方法的端到端平均時(shí)延隨通信距離變化規(guī)律示意圖。圖6為本發(fā)明的基于HARQ-ARQ跨層交互差錯(cuò)控制方法的能效隨通信距離變化規(guī)律示意圖。圖7為本發(fā)明的五種差錯(cuò)控制方案的飽和吞吐率隨誤碼率變化規(guī)律示意圖。圖8為本發(fā)明的五種差錯(cuò)控制方案的數(shù)據(jù)包丟棄概率隨誤碼率變化規(guī)律示意圖。圖9為本發(fā)明的五種差錯(cuò)控制方案的端到端平均時(shí)延隨通誤碼率變化規(guī)律示意圖。圖10為本發(fā)明的五種差錯(cuò)控制方案的能效隨誤碼率變化規(guī)律示意圖。
具體實(shí)施例方式為了更清楚地描述本發(fā)明所公開方法的技術(shù)實(shí)質(zhì)和實(shí)施效果，下面詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但所有具體實(shí)施方式
的描述均不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明方法的限制，任何形式上的或數(shù)值上的非實(shí)質(zhì)性修改均應(yīng)視為本發(fā)明所公開方法的等效替換而屬于本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍。下面首先描述的是本實(shí)施例中所采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸性能分析方法，然后分別介紹基于這一分析方法實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)中繼選擇機(jī)制和應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量自定義機(jī)制， 最后在這兩個(gè)實(shí)現(xiàn)機(jī)制的基礎(chǔ)上，給出本發(fā)明一個(gè)完整的具體實(shí)施方式
。一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的分析方法本發(fā)明采用基于馬爾科夫鏈模型性能分析方法來對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進(jìn)行分析，該方法適用于基于Crossbow公司的使用Atmega-128L處理器和 CC1000射頻模塊的Mica2型節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，無線信道采用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型。在該模型中，距離發(fā)射端間距為d時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)的接收功率為Pr{d) = Pt -Pid^-IOfi lg(^-)⑴其中，β表示路徑損耗參數(shù)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(jié)點(diǎn)使用非相關(guān)FSK解調(diào)，其誤碼率Pb(BER:Bit Error Rate)由公式(3)給出
權(quán)利要求
1. 一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)差錯(cuò)控制方法，其特征在于包括如下步驟(1)在發(fā)送端，啟動(dòng)應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量自定義機(jī)制，根據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)對(duì)于數(shù)據(jù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量QoS的需求，分別指定數(shù)據(jù)包丟棄概率、飽和吞吐率和能效或端到端平均時(shí)延的保障優(yōu)先級(jí)；(2)數(shù)據(jù)包到達(dá)數(shù)據(jù)鏈路層后，根據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)制定服務(wù)質(zhì)量QoS方案，查詢差錯(cuò)控制方案表即表1，選擇當(dāng)前最佳的差錯(cuò)控制方案并設(shè)置鏈路層混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求的最大重傳次數(shù)i和物理層自動(dòng)重傳請(qǐng)求的最大重傳次數(shù)J·；(3)同時(shí)在數(shù)據(jù)鏈路層啟動(dòng)自適應(yīng)中繼選擇機(jī)制，分析得到通信距離門限值和協(xié)作傳輸所需中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)/Zmax-I ；(4)發(fā)送數(shù)據(jù)包，如果收到ACK則繼續(xù)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器；(5)如果超時(shí)或者收到NACK，則啟動(dòng)鏈路層混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求；當(dāng)重傳次數(shù)大于i后， 向物理層發(fā)送HE-NACK信息，激活物理層自動(dòng)重傳請(qǐng)求；如果物理層自動(dòng)重傳請(qǐng)求的重傳次數(shù)大于J·則主動(dòng)丟棄該數(shù)據(jù)包；(6)中繼節(jié)點(diǎn)選擇通信距離小于或等于通信距離門限值-D的節(jié)點(diǎn)作為下一跳接收節(jié)占.(7)在/Zmax-I個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)上重復(fù)依次執(zhí)行步驟(4)、(5)和(6)直至數(shù)據(jù)包被接收方正確接收或主動(dòng)丟棄數(shù)據(jù)包；(8)接收端如果收到的數(shù)據(jù)包是由鏈路層混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求發(fā)送則在鏈路層對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行FEC解碼和CRC校驗(yàn)，否則在物理層對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若數(shù)據(jù)包正確則反饋 ACK同時(shí)將數(shù)據(jù)包送至上層供應(yīng)用業(yè)務(wù)進(jìn)行相應(yīng)處理，否則反饋NACK。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于HARQ-ARQ跨層交互協(xié)作自適應(yīng)差錯(cuò)控制方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作通信自適應(yīng)差錯(cuò)控制技術(shù)領(lǐng)域。該方法采用跨層設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)鏈路層采用混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(HybridARQ)，物理層采用自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)，根據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量QoS的不同需求，自適應(yīng)選擇鏈路層混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求的重傳次數(shù)i和物理層自動(dòng)重傳請(qǐng)求的重傳次數(shù)j，確定最佳差錯(cuò)控制方案；同時(shí)根據(jù)發(fā)送端和接收端的通信距離決定協(xié)作通信時(shí)所需的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)和通信距離門限值，選擇下一跳中繼節(jié)點(diǎn)，自適應(yīng)地建立多中繼協(xié)作傳輸路徑。優(yōu)點(diǎn)在確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸高可靠性的同時(shí)縮短時(shí)延，并獲得較高的吞吐率和能量效率。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102333344SQ20111033598
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者劉永俊, 常晉義, 靳勇 申請(qǐng)人:常熟理工學(xué)院