专利名称：一种适用于无线传感器网络的自适应差错控制方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于无线传感器网络的自适应差错控制方法，特别地指适用于无线传感器网络的基于HARQ-ARQ跨层交互协作自适应差错控制方法，属于无线传感器网络中协作通信自适应差错控制技术领域。
背景技术：
无线传感器网络通信相对于传统的无线Ad Hoc网络数据传输有其特殊的服务质 M QoS(Quality of Service)要求1、传感器节点一般采用电池供电，能量受限且均为一次性部署难以更换，而且由于节点体积及开发成本限制，传感器节点的存储空间和数据处理能力均受到较大程度的限制，因此协作通信时需要考虑能量使用效率。2、在无线传感器网络中，信息的感知、收集和处理等任务完全由单个传感器节点承担，会严重影响网络通信性能和生命周期，同时单位面积内部署的网络节点数远大于传统的无线Ad Hoc网络，为协作通信提供了大量的候选中继节点。3、传感器节点可能由于能量耗尽而失效，可能会有新的传感器节点加入到网络拓扑中，导致无线传感器网络拓扑处于动态变化状态，使得协作通信时存在“何时协作”和“与谁协作”的中继选择问题，因此传感器节点需要具备数据传输路径和中继选择自适应调整功能。4、已有的无线传感器网络平台运行结果表明，与传统的无线Ad Hoc网络相比，无线传感器网络链路质量较差，无线链路丢包率高达50%，因此如何通过共享传感器节点资源，依靠传感器节点间的“相互协作”，在数据传输可靠性和高能效之间寻求一种数据发送模式和差错控制策略成为无线传感器网络研究亟待解决的问题之一。综上所述，由于无线传感器网络节点的体积、能量和带宽等限制，尤其是其所应用的场景例如军事、工业、交通等复杂恶劣环境的影响，为了提高数据传输的可靠性，可采用混合自动重传请求(HARQ)和自动重传请求(ARQ)等差错控制技术，以减小数据丢失和差错造成的影响。采用HARQ方法时，发送端对待传数据采用循环冗余校验CRC(Cyclical Redundancy Check)和前向纠错FEC (Forward Error Correction)进行编码，使之具有一定的检错和纠错能力；接收端采用FEC解码并用CRC校验数据正确性，以此来判断数据传输过程中是否出错，并将判断结果反馈给发送方；如果数据包出错，接收端主动丢弃该数据包并返回重传请求。发送端收到重传请求后，重新发送原来的编码数据包。HARQ信令开销小，链路层和物理层结构设计和数据处理容易实现，传输时延小，但数据可靠性不高。ARQ方法会带来较大的端到端时延，不适用于时延敏感的应用业务，但是它可以为数据传输提供较高的可靠性。一般而言，实际系统中的存在既对时延敏感又对可靠性有较高要求的应用业务， 显然单独使用HARQ和ARQ，难以满足此类业务需求。因此，需要考虑HARQ和ARQ跨层交互协作，既利用HARQ时延端，又结合了 ARQ可靠性高的特点。
发明内容
本发明的任务是要提供一种适用于无线传感器网络的基于HARQ-ARQ跨层交互协作自适应差错控制方法，使得无线传感器网络在为不同服务质量需求的应用业务提供有效的QoS保障而面临复杂性和动态特性等问题时，仍能满足业务对时延敏感性和传输可靠性的高要求。本发明的任务是这样来完成的，一种适用于无线传感器网络的自适应差错控制方法，包括如下步骤 (1)在发送端，启动应用业务服务质量自定义机制，根据应用业务对于数据在无线传感器网络中传输的服务质量Q0S的需求，分别指定数据包丢弃概率、饱和吞吐率和能效或端到端平均时延的保障优先级；(2)数据包到达数据链路层后，根据应用业务制定服务质量QoS方案，查询差错控制方案表即表1，选择当前最佳的差错控制方案并设置链路层混合自动重传请求的最大重传次数i和物理层自动重传请求的最大重传次数j ；(3)同时在数据链路层启动自适应中继选择机制，分析得到通信距离门限值和协作传输所需中继节点数Hmax-I ；(4)发送数据包，如果收到ACK则继续发送新的数据包，同时启动定时器；(5)如果超时或者收到NACK，则启动链路层混合自动重传请求；当重传次数大于i 后，向物理层发送HE-NACK信息，激活物理层自动重传请求；如果物理层自动重传请求的重传次数大于j则主动丢弃该数据包；(6)中继节点选择通信距离小于或等于通信距离门限值的节点作为下一跳接收节点。(7)在Hmax-I个中继节点上重复依次执行步骤(4)、(5)和(6)直至数据包被接收方正确接收或主动丢弃数据包；(8)接收端如果收到的数据包是由链路层混合自动重传请求发送则在链路层对该数据包进行FEC解码和CRC校验，否则在物理层对该数据包进行CRC校验，若数据包正确则反馈ACK同时将数据包送至上层供应用业务进行相应处理，否则反馈NACK。本发明由于采用上述方法后，具有的优点在确保无线传感器网络传输高可靠性的同时缩短时延，并获得较高的吞吐率和能量效率。
图1为本发明中基于HARQ-ARQ跨层交互协作自适应差错控制方法的网络结构示意图。图2为本发明中基于HARQ-ARQ跨层交互协作自适应差错控制方法的三状态二阶段马尔科夫链模型示意图。图3为本发明的基于HARQ-ARQ跨层交互差错控制方法的饱和吞吐率随通信距离变化规律示意图。图4为本发明的基于HARQ-ARQ跨层交互差错控制方法的数据包丢弃概率随通信距离变化规律示意图。
图5为本发明的基于HARQ-ARQ跨层交互差错控制方法的端到端平均时延随通信距离变化规律示意图。图6为本发明的基于HARQ-ARQ跨层交互差错控制方法的能效随通信距离变化规律示意图。图7为本发明的五种差错控制方案的饱和吞吐率随误码率变化规律示意图。图8为本发明的五种差错控制方案的数据包丢弃概率随误码率变化规律示意图。图9为本发明的五种差错控制方案的端到端平均时延随通误码率变化规律示意图。图10为本发明的五种差错控制方案的能效随误码率变化规律示意图。
具体实施例方式为了更清楚地描述本发明所公开方法的技术实质和实施效果，下面详细描述本发明的具体实施方式
，但所有具体实施方式
的描述均不构成对本发明方法的限制，任何形式上的或数值上的非实质性修改均应视为本发明所公开方法的等效替换而属于本发明的权利保护范围。下面首先描述的是本实施例中所采用的无线传感器网络传输性能分析方法，然后分别介绍基于这一分析方法实现的自适应中继选择机制和应用业务服务质量自定义机制， 最后在这两个实现机制的基础上，给出本发明一个完整的具体实施方式
。一、无线传感器网络传输性能的分析方法本发明采用基于马尔科夫链模型性能分析方法来对本发明的具体实施方式
进行网络传输性能进行分析，该方法适用于基于Crossbow公司的使用Atmega-128L处理器和 CC1000射频模块的Mica2型节点的无线传感器网络平台，无线信道采用对数距离路径损耗模型。在该模型中，距离发射端间距为d时，传感器节点的接收功率为Pr{d) = Pt -Pid^-IOfi lg(^-)⑴其中，β表示路径损耗参数且β = 3。Cltl表示近地参考距离。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，？ 表示噪声功率。Mica2节点使用非相关FSK解调，其误码率Pb(BER:Bit Error Rate)由公式(3)给出
权利要求
1. 一种适用于无线传感器网络的自适应差错控制方法，其特征在于包括如下步骤(1)在发送端，启动应用业务服务质量自定义机制，根据应用业务对于数据在无线传感器网络中传输的服务质量QoS的需求，分别指定数据包丢弃概率、饱和吞吐率和能效或端到端平均时延的保障优先级；(2)数据包到达数据链路层后，根据应用业务制定服务质量QoS方案，查询差错控制方案表即表1，选择当前最佳的差错控制方案并设置链路层混合自动重传请求的最大重传次数i和物理层自动重传请求的最大重传次数J·；(3)同时在数据链路层启动自适应中继选择机制，分析得到通信距离门限值和协作传输所需中继节点数/Zmax-I ；(4)发送数据包，如果收到ACK则继续发送新的数据包，同时启动定时器；(5)如果超时或者收到NACK，则启动链路层混合自动重传请求；当重传次数大于i后， 向物理层发送HE-NACK信息，激活物理层自动重传请求；如果物理层自动重传请求的重传次数大于J·则主动丢弃该数据包；(6)中继节点选择通信距离小于或等于通信距离门限值-D的节点作为下一跳接收节占.(7)在/Zmax-I个中继节点上重复依次执行步骤(4)、(5)和(6)直至数据包被接收方正确接收或主动丢弃数据包；(8)接收端如果收到的数据包是由链路层混合自动重传请求发送则在链路层对该数据包进行FEC解码和CRC校验，否则在物理层对该数据包进行CRC校验，若数据包正确则反馈 ACK同时将数据包送至上层供应用业务进行相应处理，否则反馈NACK。
全文摘要
本发明公开了一种适用于无线传感器网络的基于HARQ-ARQ跨层交互协作自适应差错控制方法，属于无线传感器网络中协作通信自适应差错控制技术领域。该方法采用跨层设计，在数据链路层采用混合自动重传请求(HybridARQ)，物理层采用自动重传请求(ARQ)，根据应用业务对服务质量QoS的不同需求，自适应选择链路层混合自动重传请求的重传次数i和物理层自动重传请求的重传次数j，确定最佳差错控制方案；同时根据发送端和接收端的通信距离决定协作通信时所需的中继节点数和通信距离门限值，选择下一跳中继节点，自适应地建立多中继协作传输路径。优点在确保无线传感器网络传输高可靠性的同时缩短时延，并获得较高的吞吐率和能量效率。
文档编号H04W84/18GK102333344SQ20111033598
公开日2012年1月25日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者刘永俊, 常晋义, 靳勇 申请人:常熟理工学院