一種自適應(yīng)負(fù)載均衡的代碼分發(fā)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自適應(yīng)負(fù)載均衡的代碼分發(fā)方法，本方法的主要思想是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)冗余鏈路和廣播特性的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼的特點(diǎn)，在整個(gè)分發(fā)過程中采用自適應(yīng)編碼策略和分布式節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制。本方法大大提高了代碼分發(fā)的可靠性，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，并能減少代碼分發(fā)過程中數(shù)據(jù)包的傳輸次數(shù)和重傳次數(shù)，這意味著不僅能減少碰撞沖突所產(chǎn)生的丟包重傳，也能節(jié)省能量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。
【專利說明】一種自適應(yīng)負(fù)載均衡的代碼分發(fā)方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重編程領(lǐng)域，尤其涉及代碼分發(fā)機(jī)制。
【【背景技術(shù)】】
[0002]近年來,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)形式，自本世紀(jì)初開始被廣泛研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)很重要的優(yōu)勢(shì)是能夠長(zhǎng)期在無人監(jiān)守的情況下執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)。為了適應(yīng)變化，在傳感器節(jié)點(diǎn)布置后，節(jié)點(diǎn)不可避免地要對(duì)已有的應(yīng)用程序修改或增加新的應(yīng)用程序，比如修復(fù)先前程序的漏洞、變更單一節(jié)點(diǎn)甚至是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行任務(wù)、以及修補(bǔ)安全漏洞。在這種背景下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重編程技術(shù)產(chǎn)生了。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重編程技術(shù)主要是無線更新傳感器節(jié)點(diǎn)程序代碼，關(guān)注的焦點(diǎn)在于如何將新的程序代碼通過Sink節(jié)點(diǎn)無線多跳分發(fā)到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，并保證所接收到的程序代碼鏡像文件是完整且準(zhǔn)確無誤的。
[0003]目前國內(nèi)外所提出的代碼分發(fā)協(xié)議大致可以分為兩類:經(jīng)典代碼分發(fā)協(xié)議和基于網(wǎng)絡(luò)編碼的代碼分發(fā)協(xié)議。前者傳輸數(shù)據(jù)的方式是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，即除了數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以外，不對(duì)原始數(shù)據(jù)做任何處理；而后者發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用不同的編碼方式對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，接收節(jié)點(diǎn)需要經(jīng)過解碼操作獲得原始數(shù)據(jù)?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼思想的代碼分發(fā)協(xié)議，相比傳統(tǒng)的經(jīng)典代碼分發(fā)協(xié)議，減少了代碼分發(fā)過程的數(shù)據(jù)量和控制開銷，其基本原理如附圖=Sink節(jié)點(diǎn)A廣播2個(gè)數(shù)據(jù)包a和b。如果節(jié)點(diǎn)只是簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)發(fā)他們收到的數(shù)據(jù)包，A、B、C則總共需要發(fā)送6個(gè) 包(每個(gè)2個(gè)包)。如果使用網(wǎng)絡(luò)編碼的思想，B、C節(jié)點(diǎn)在收到a、b兩個(gè)包后，選取隨機(jī)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行線性編碼，圖中的a+b和a+2b，然后分別廣播這兩個(gè)包。節(jié)點(diǎn)E、D在接收到這兩個(gè)包后通過解簡(jiǎn)單的線性方程就能解出a、b，獲得原始數(shù)據(jù)包。這樣一來總共減少了 2個(gè)數(shù)據(jù)包。
[0004]
[0005]
[0006]但這些協(xié)議并未針對(duì)WSN的動(dòng)態(tài)變化特性做出相應(yīng)的處理，以及沒有針對(duì)負(fù)載均衡問題提出有效地解決方法。眾所周知，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境始終是動(dòng)態(tài)變化的:一、節(jié)點(diǎn)可能隨時(shí)斷開或失效；二、節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量也隨著時(shí)間在不斷變化。一個(gè)好的代碼分發(fā)機(jī)制需要良好地適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)變化。已有的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的代碼分發(fā)協(xié)議，采用固定的編碼方式，在協(xié)議中事先規(guī)定好了編碼策略，在代碼分發(fā)的過程沒有考慮到節(jié)點(diǎn)失效或低鏈路質(zhì)量的情況，不能較好地適應(yīng)WSN環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，所以在這種情況下可能會(huì)增加額外的代價(jià)；已有的協(xié)議旨在完成代碼鏡像文件的可靠性傳輸，而未對(duì)傳輸過程中負(fù)載均衡的問題進(jìn)行深入探究，如果有些節(jié)點(diǎn)因?yàn)樨?fù)載過度而導(dǎo)致能耗過快而死亡，不利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋率。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0007]有鑒于此，有必要提供一種自適應(yīng)負(fù)載均衡的代碼分發(fā)方法。[0008]一種自適應(yīng)負(fù)載均衡的代碼分發(fā)方法，其主要思想是，在整個(gè)代碼分發(fā)過程中采用自適應(yīng)編碼策略和分布式節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制。
[0009]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述自適應(yīng)編碼策略包括如下步驟:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)接收鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播信息；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)更新自身的局部拓?fù)湫畔?；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)確定編碼方案；
[0010]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播信息包括:數(shù)據(jù)傳輸信息，即編碼數(shù)據(jù)包(每個(gè)編碼數(shù)據(jù)包由若干個(gè)原始數(shù)據(jù)包通過隨機(jī)線性編碼算法生成)；請(qǐng)求重傳信息，即NACK(Negative Acknowledgement)消息。
[0011]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)接收鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播信息的方法是:設(shè)定定時(shí)器；判斷所收到的廣播信息是否為節(jié)點(diǎn)所需的編碼數(shù)據(jù)包；如果是，則重啟定時(shí)器；如果不是，則重復(fù)判斷所收到的廣播信息。
[0012]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)更新自身的局部拓?fù)湫畔⒌姆椒ㄊ?節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)“有效鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)S”(有效鄰居節(jié)點(diǎn)即已經(jīng)解碼成功的鄰居節(jié)點(diǎn))來表示節(jié)點(diǎn)的局部拓?fù)湫畔?，S的初始化值為O ;節(jié)點(diǎn)每收到一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的編碼數(shù)據(jù)包，便判斷之前是否已從該鄰居節(jié)點(diǎn)收到過所需的編碼數(shù)據(jù)包，如果未收到過，則需要更新S的值將其增I ;否則不更新。
[0013]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)確定編碼方案包括如下步驟:節(jié)點(diǎn)解碼成功獲得M個(gè)原始數(shù)據(jù)包；節(jié)點(diǎn)根據(jù)“有效鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)S”來確定一個(gè)N值；節(jié)點(diǎn)對(duì)每N個(gè)原始數(shù)據(jù)包采用隨機(jī)線性編碼算法，生成M/N個(gè)編碼數(shù)據(jù)包；節(jié)點(diǎn)廣播得到的M/N個(gè)編碼數(shù)據(jù)包。
[0014] 在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述分布式節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制包括如下步驟:某個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播NACK消息；鄰居節(jié)點(diǎn)接收NACK消息；某個(gè)滿足條件的鄰居節(jié)點(diǎn)響應(yīng)該NACK消息，該鄰居節(jié)點(diǎn)被選擇。
[0015]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述某個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播NACK消息包括:設(shè)定定時(shí)器；判斷定時(shí)器是否被觸發(fā)，如果定時(shí)器被觸發(fā)，廣播一個(gè)NACK消息并重新設(shè)定定時(shí)器，定時(shí)間隔為上一次的2倍；如果定時(shí)器沒有被觸發(fā)，則重復(fù)判斷定時(shí)器是否被觸發(fā)。
[0016]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述鄰居節(jié)點(diǎn)接收NACK消息的方法是:每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)判斷是否已經(jīng)解碼成功且含有所請(qǐng)求的信息；如果解碼成功且含有所請(qǐng)求的信息才響應(yīng)該NACK消息；否則忽略該NACK消息，不響應(yīng)；
[0017]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述某個(gè)滿足條件的鄰居節(jié)點(diǎn)響應(yīng)該NACK消息，該鄰居節(jié)點(diǎn)被選擇，包括如下步驟:節(jié)點(diǎn)隨機(jī)回避一段時(shí)間；在此期間若偵聽到其他節(jié)點(diǎn)正在響應(yīng)這個(gè)NACK消息，則不響應(yīng)；若沒有偵聽到其他鄰居節(jié)點(diǎn)正在響應(yīng)這個(gè)消息，則發(fā)送請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)所需的息。
[0018]上述代碼分發(fā)方法，提高了代碼分發(fā)的可靠性，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，并能減少代碼分發(fā)過程中數(shù)據(jù)包的傳輸次數(shù)和重傳次數(shù)，這意味著不僅能減少碰撞沖突所產(chǎn)生的丟包重傳，也能節(jié)省能量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
附圖是隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的示意圖。
【【具體實(shí)施方式】】[0019]自適應(yīng)負(fù)載均衡的代碼分發(fā)方法按如下所述步驟實(shí)施:
[0020]I)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器Timer，設(shè)置定時(shí)值為timerValue ；并維護(hù)一個(gè)“有效鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)S”，設(shè)置初值為O。
[0021]2)判斷定時(shí)器是否被觸發(fā)，如果定時(shí)器被觸發(fā)，則執(zhí)行步驟11 ;如果定時(shí)器沒有被觸發(fā)，則執(zhí)行步驟3。
[0022]3)接收鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播信息，判斷所收到的廣播信息的類型。如果是節(jié)點(diǎn)所需的編碼數(shù)據(jù)包，則執(zhí)行步驟4 ;如果是一個(gè)NACK消息，則執(zhí)行步驟8。
[0023]4)節(jié)點(diǎn)判斷之前是否已從該鄰居節(jié)點(diǎn)收到過所需的編碼數(shù)據(jù)包，如果未收到過，則需要更新S的值將其增I ;否則不更新。
[0024]5)重新啟動(dòng)定時(shí)器Timer。
[0025]6)節(jié)點(diǎn)判斷是否解碼成功，如果解碼成功，則執(zhí)行步驟7 ;如果未成功解碼，轉(zhuǎn)至步驟3。
[0026]7)節(jié)點(diǎn)解碼成功后獲得M個(gè)原始數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)根據(jù)“有效鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)S”來確定一個(gè)N值，并對(duì)每N個(gè)原始數(shù)據(jù)包采用隨機(jī)線性編碼算法，生成M/N個(gè)編碼數(shù)據(jù)包，然后廣播得到的M/N個(gè)編碼數(shù)據(jù)包。
[0027]8)節(jié)點(diǎn)在收到鄰居節(jié)點(diǎn)的NACK消息后，首先判斷是否已經(jīng)解碼成功且含有所請(qǐng)求的信息；如果解碼成功且含有所請(qǐng)求的信息，則執(zhí)行步驟9 ;否則，轉(zhuǎn)至步驟10 ；
[0028]9)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)回避一段時(shí)間，在此期間若偵聽到其他節(jié)點(diǎn)正在響應(yīng)這個(gè)NACK消息，則執(zhí)行步驟10 ;若沒有偵聽到其他鄰居節(jié)點(diǎn)正在響應(yīng)這個(gè)消息，則發(fā)送請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)所需的信
肩、O
[0029]10)節(jié)點(diǎn)忽略該NACK消息，不響應(yīng)；轉(zhuǎn)至步驟3。
[0030]11)廣播一個(gè)NACK消息，并重新設(shè)定定時(shí)器Timer,設(shè)置定時(shí)值timerValue =2*timerValue ;轉(zhuǎn)至步驟 2。
【權(quán)利要求】
1.一種自適應(yīng)負(fù)載均衡的代碼分發(fā)方法，其特征在于，在整個(gè)代碼分發(fā)過程中采用自適應(yīng)編碼策略和分布式節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述自適應(yīng)編碼策略包括如下步驟: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)接收鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播信息； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)更新自身的局部拓?fù)湫畔ⅲ? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)確定編碼方案。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)編碼策略，其特征在于，所述鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播信息包括: 數(shù)據(jù)傳輸信息，即編碼數(shù)據(jù)包(一個(gè)編碼數(shù)據(jù)包由若干個(gè)原始數(shù)據(jù)包通過隨機(jī)線性編碼算法生成)； 請(qǐng)求重傳信息，即 NACK(Negative Acknowledgement)消息。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)編碼策略，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)接收鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播信息的方法是: 51:設(shè)定定時(shí)器； 52:判斷所收到的廣播信息是否為節(jié)點(diǎn)所需的編碼數(shù)據(jù)包，如果是，執(zhí)行S3 ;如果否，執(zhí)行S2 ； 53:重啟定時(shí)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)編碼策略，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)更新自身的局部拓?fù)湫畔⒌姆椒ㄊ? 節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)“有效鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)S” (有效鄰居節(jié)點(diǎn)即已經(jīng)解碼成功的鄰居節(jié)點(diǎn))來表示節(jié)點(diǎn)的局部拓?fù)湫畔?，S的初始化值為O ;節(jié)點(diǎn)每收到一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的編碼包，便判斷之前是否已從該鄰居節(jié)點(diǎn)收到過所需的編碼數(shù)據(jù)包，如果未收到過，則需要更新S的值將其增I;否則不更新。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)編碼策略，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)確定編碼方案包括如下步驟: 節(jié)點(diǎn)解碼成功獲得M個(gè)原始數(shù)據(jù)包； 節(jié)點(diǎn)根據(jù)“有效鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)S”確定對(duì)應(yīng)的N值； 節(jié)點(diǎn)對(duì)每N個(gè)原始數(shù)據(jù)包采用隨機(jī)線性編碼算法，生成M/N個(gè)編碼數(shù)據(jù)包； 節(jié)點(diǎn)廣播得到的M/N個(gè)編碼數(shù)據(jù)包。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述分布式節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制包括如下步驟: 某個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播NACK消息； 鄰居節(jié)點(diǎn)接收NACK消息； 某個(gè)滿足條件的鄰居節(jié)點(diǎn)響應(yīng)該NACK消息，該鄰居節(jié)點(diǎn)被選擇。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述分布式節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，其特征在于，所述某個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播NACK消息包括: 51:設(shè)定定時(shí)器； 52:判斷定時(shí)器是否被觸發(fā)，如果是，執(zhí)行S3 ;如果否，執(zhí)行S2 ； 53:廣播一個(gè)NACK消息并重新設(shè)定定時(shí)器，定時(shí)間隔為上一次的2倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述分布式節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，其特征在于，所述鄰居節(jié)點(diǎn)接收NACK消息的方法是: 每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)判斷是否已經(jīng)解碼成功且含有所請(qǐng)求的信息；如果解碼成功且含有所請(qǐng)求的信息才響應(yīng)該NACK消息；否則忽略該NACK消息，不響應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述分布式節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，其特征在于，所述某個(gè)滿足條件的鄰居節(jié)點(diǎn)響應(yīng)該NACK消息，該鄰居節(jié)點(diǎn)被選擇，方法是: 節(jié)點(diǎn)隨機(jī)回避一段時(shí)間；在此期間若偵聽到其他節(jié)點(diǎn)正在響應(yīng)這個(gè)NACK消息，則不響應(yīng)；若沒有偵聽到其他鄰居節(jié)點(diǎn)正在響應(yīng)這個(gè)消息，則發(fā)送請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)所需的信息。
11.根據(jù)權(quán)利要 求4和權(quán)利要求8所述的定時(shí)器，其必須是相同的定時(shí)器。
【文檔編號(hào)】H04L1/16GK104010328SQ201310061878
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2013年2月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月22日
【發(fā)明者】董楚楚, 于峰崎 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院