专利名称：一种无线传感器网络中的容错方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器网络技术，尤其是涉及一种无线传感器网络中的容错方法。
背景技术：
无线传感器网络(WSN， Wireless Sensor Networks)的研究起源于20世纪70年代， 最早应用于军事领域。1980年，美国国防部高级研究局(DARPA， Defense Advanced Research Projects Agency)的分布式传感器网络项目(DSN, Distributed Sensor Networks)
开启了现代传感器网络研究的先河。随后，随着传感器、嵌入式计算系统、分布式信息 处理和无线通信网络等多种技术的飞速发展使无线传感器网络成为一种全新的信息获 取和处理技术。无线传感器网络是由一组分布在设定位置的多个传感器节点以无线自组 织网络的方式构成的面向任务的无线网络，其应用已经遍及航空电子、环境监测、目标 跟踪等领域，被认为是对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。但由于资源的限制， 无线传感器网络极易出现故障，当网络承载越来越多的应用和服务时，网络故障的影响 也将更加明显，因此提升无线传感器网络的容错能力变得十分现实和重要。
容错设计技术经过长期的发展，已经成为一个专门的领域。在这个领域中，针对大 规模集成电路、分布式系统、有线网络都已有了很好的理论支撑，然而无线传感器网络
的出现给容错设计技术带来了新的挑战，因为要重新考虑以下各方面的情况
1、 技术与实现因素。与集成电路的封装不同，无线传感器网络中的传感器节点通 常需要直接暴露在环境中，很容易受到物理、化学、生物等外力的破坏，所以传感器节 点本身可靠性要差很多，而且成百上千的传感器节点组成一个分布式的无线传感器网
络，在受到成本和能量限制的同时，需要完成一系列的任务，如感知、通信、信号处理、 数值计算等，这本身也是一个挑战。
2、 无线传感器网络的应用模式。 一方面，无线传感器网络中的传感器节点常常被 部署在无人看管的恶劣或危险环境中，因此，传感器节点极容易遭受环境的破坏而失效； 另一方面，传感器节点本身体积较小，所配备的能源也非常有限，能源的耗尽也会导致 传感器节点失效。由于传感器节点分布广泛且具有随意性，物理地维护或替换失效的传 感器节点往往是十分困难或不可能的，所以无线传感器网络的软、硬件必须具有很强的 容错性，以保证通信系统具有高可信性和高强壮性。
3、 无线传感器网络还是一个新兴的研究和工程领域，处理特定问题的最优方法还不明确。由于无线传感器网络的技术和预期应用还在快速地发展着，所以在无线传感器 网络中特定的容错处理技术还难以预见。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够保证无线传感器网络中的源节点到基 站节点的信息得到正确传输的容错方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为 一种无线传感器网络中的容错方 法，包括以下步骤
1) 、定义无线传感器网络中用于感知数据的传感器节点为源节点，利用现有的多路 径路由算法，在源节点与基站节点之间建立2N条节点不相交的传输路径；
2) 、在源节点端，将源节点感知到的原始数据分成/:个信息码，然后使用(iV'，
RS (Reed-Solomon)纠删码对〖个信息码进行RS纠删编码得到iV'个码元，7V'个码元 包括^个冗余码和《个信息码，将iV'个码元通过步骤1)建立起的2N条节点不相交的
传输路径中的任意TV'条分别传输给基站节点，其中，iV' S 2N ， ； 表示源
节点向基站节点传输码元的次数；
3) 、在基站节点端，当源节点端第p次的信息码或冗余码传输完毕后，基站节点对
接收到的码元进行总个数统计，将统计得到的码元总个数记为^，判断^是否大于等
于信息码的个数《，如果、大于等于《，则确定该次传输成功，接收到的码元可以被成
功解码得到原始数据；否则，确定该次传输失败；
4) 、利用指数移动加权平均(EWMA， Exponentially Weighted Moving Average)方
法&+1 =(1-;0&+;1(《-^)调整下次待传输的冗余码的个数，根据调整的冗余码个数 设置下次传输需要的传输路径的条数为〖+「&+1"1，然后返回步骤2)进行下一次的原 始数据的传输，其中，&+1为第; +1次源节点向基站节点传输的冗余码的个数，义为指 数移动加权平均记忆深度的常量，0</1<1，符号"「]"为向上取整符号。
所述的节点不相交的传输路径指从源节点到基站节点之间的任意两条传输路径都 没有相交的传感器节点。
所述的步骤4)中；1 = 0.25。
与现有技术相比，本发明的优点在于源节点是通过多条节点不相交的传输路径来传输原始数据的，使得当某个中间的传感器节点或者单条传输路径的传输失败时，对原始 数据的传输成功的影响也很小，保证了原始数据的正确传输；在源节点端，源节点对信 息码进行纠删编码，这样只要丢失的信息在纠删码的纠错范围内时，基站节点端均能够 恢复出原始数据，也更利于数据的传输；本发明方法根据无线传感器网络环境的链路状 态，通过利用指数加权平均方法来动态的改变传输所需要的传输路径条数，提高了系统 容错能力，同时提高了码元传输的成功率，减小了传输时总的通信量，这样就能达到利 用最少的传输路径达到最大的传输成功率。
图1为具体实施例中《个信息码通过不同传输路径传输给基站节点的示意图。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。 一种无线传感器网络中的容错方法，包括以下步骤-
1) 、在无线传感器网络中的传感器节点部署完毕后，定义无线传感器网络中用于感 知数据的传感器节点为源节点，利用现有的多路径路由算法，在源节点与基站节点之间 建立2N条节点不相交的传输路径。在本实施例中，节点不相交的传输路径是指从源节 点到基站节点之间的任意两条传输路径都没有相交的传感器节点。N为大于0的整数。
2) 、在源节点端，将源节点感知到的原始数据分成《个信息码，然后使用(iV'， RS纠删码对尺个信息码进行RS纠删编码得到iV'个码元，7V'个码元包括&个冗余码和
K个信息码，将iV'个码元通过步骤l)建立起的2N条节点不相交的传输路径中的任意7V' 条分别传输给基站节点，其中，& = iV'-《，^<iV、2N， p表示源节点向基站节点
传输码元的次数。初始化时，W'=N，户=0时，J 。=W'—K。在此处，步骤2)是在步
骤l)的基础上进行的，步骤2)中的冗余码的个数是依赖于步骤4)中的指数移动加权 平均方法动态调整得到的。
RS纠删编码为信道编码的一种。在通信系统中前向纠错码纠正的误码所在的错误 位置事先一般是不知道的，而在删除信道中错误的数据帧被遗弃，丢失的数据在数据流
中的位置是知道的，这样RS纠删码比纠错码处理起来更为容易， 一个(W'， iO RS纠删码是把K个信息码编码为iV'个码元，iV'>^，使得用这7V'个码元中的任意夂个码元
均可重构原来的K个信息码。
3) 、在基站节点端，当源节点端第p次的信息码或冗余码传输完毕后，基站节点对 接收到的码元进行评估即进行接收到的码元总个数统计，将统计得到的码元总个数记为
、，判断、是否大于等于信息码的个数尺，如果、大于等于尺，则确定该次传输成功， 接收到的码元可以被成功解码得到原始数据；否则，确定该次传输失败；
4) 、利用指数移动加权平均(EWMA， Exponentially Weighted Moving Average)方
法^+1 =(i-;t)A+义(《-^)调整下次待传输的冗余码的个数，如果当前传输是成功的，
则可以减少下次待传输的冗余码个数，如果当前传输是失败的，则可以增加下次待传输 的冗余码个数，根据调整的冗余码个数设置下次传输需要的传输路径的条数为
^ + 「^+J，然后返回步骤2)进行下一次的原始数据的传输，其中，i^+,为第p+l次
源节点向基站节点传输的冗余码的个数，A为指数移动加权平均记忆深度的常量， 0<义<1，符号"「 "l"为向上取整符号。在本实施例中;i的值可以根据实际需要进行合
理的配置，如取;1 = 0.25。
下面结合图1给出一个简单的例子来说明本发明的具体实现。在此，采用(7， 3) RS纠删码对信息码进行RS纠删编码，即原始数据分成的信息码的个数为3，在对3个
信息码编码后产生7-3=4个冗余码，即信息码的个数《=3，冗余码的个数i p初时化时
1、 由多路径路由算法，在源节点与基站节点之间建立14条节点互不相交的传输路
径；
2、 在源节点端将感知到的原始数据分成3个信息码，然后使用(7， 3) RS纠删码 对3个信息码进行RS纠删编码得到7个码元，7个码元包括4个冗余码，将7个码元 通过步骤1)建立起的14条节点互不相交的传输路径中的任意7条分别传输给基站节点；
3、 在第p次传输时在基站节点上统计收到的码元的个数，记为i^，若接收到的码 元的个数丄p不小于3，即原始数据可以被成功恢复；否则，不能恢复原始数据即此次传 输失败；
4)、利用指数加权移动平均的方法来调整冗余码的个数^，即根据步骤3)的统计 结果，若此次传输失败那么要增加下次传输时的冗余码的个数，反之，应该减少下次传 输时的冗余码的个数，计算第/7 + 1次传输时所需要的冗余码个数为&+1=(1-;i)i p+;i(3-^)， X取0.25;并设置下一次通信所需要的传输路径条数为 3 + 「^+J，然后跳到步骤2)继续执行下一次传输。
权利要求
1、一种无线传感器网络中的容错方法，其特征在于包括以下步骤1)、定义无线传感器网络中用于感知数据的传感器节点为源节点，利用现有的多路径路由算法，在源节点与基站节点之间建立2N条节点不相交的传输路径；2)、在源节点端，将源节点感知到的原始数据分成K个信息码，然后使用(N′，K)RS纠删码对K个信息码进行RS纠删编码得到N′个码元，N′个码元包括Rp个冗余码和K个信息码，将N′个码元通过步骤1)建立起的2N条节点不相交的传输路径中的任意N′条分别传输给基站节点，其中，Rp＝N′-K，N′≤2N，p表示源节点向基站节点传输码元的次数；3)、在基站节点端，当源节点端第p次的信息码或冗余码传输完毕后，基站节点对接收到的码元进行总个数统计，将统计得到的码元总个数记为Lp，判断Lp是否大于等于信息码的个数K，如果Lp大于等于K，则确定该次传输成功，接收到的码元可以被成功解码得到原始数据；否则，确定该次传输失败；4)、利用指数移动加权平均方法Rp+1＝(1-λ)Rp+λ(K-Lp)调整下次待传输的冗余码的个数，根据调整的冗余码个数设置下次传输需要的传输路径的条数为K+「Rp+1，然后返回步骤2)进行下一次的原始数据的传输，其中，Rp+1为第p+1次源节点向基站节点传输的冗余码的个数，λ为指数移动加权平均记忆深度的常量，0<λ<1，符号“「”为向上取整符号。
2、 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中的容错方法，其特征在于所述的 节点不相交的传输路径指从源节点到基站节点之间的任意两条传输路径都没有相交的 传感器节点。
3、 根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中的容错方法，其特征在于所述的 步骤4)中A = 0.25。
全文摘要
本发明公开了一种无线传感器网络中的容错方法，优点在于源节点是通过多条节点互不相交的传输路径来传输原始数据的，使得当某个中间的传感器节点或者单条传输路径的传输失败时，对原始数据的传输成功的影响也很小，保证了原始数据的正确传输；在源节点端，源节点对信息码进行纠删编码，这样只要丢失的信息在纠删码的纠错范围内时，基站节点端均能够恢复出原始数据，也更利于数据的传输；本发明方法根据无线传感器网络环境的链路状态，通过利用指数加权平均方法来动态的改变传输所需要的传输路径条数，提高了系统容错能力，同时提高了码元传输的成功率，减小了传输时总的通信量，这样就能达到利用最少的传输路径达到最大的传输成功率。
文档编号H04W28/02GK101448281SQ20081016375
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者鹏 夏, 徐勇军, 朱红松, 陈彦明 申请人:宁波中科集成电路设计中心有限公司