本發(fā)明涉及Glossy機(jī)制泛洪算法改進(jìn)，屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

背景技術(shù)：

最初的傳感器網(wǎng)絡(luò)是僅用來獲取簡單信號的傳統(tǒng)傳感器,節(jié)點(diǎn)之間采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。近十年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)多種新的短距離無線通信技術(shù)，僅僅從IEEE 802.11就產(chǎn)生出許多新的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如802.11b、802.11a、802.11g、802.11h以及高性能無線局域網(wǎng)技術(shù)，其傳輸速率和傳輸距離等都得到很大的提高。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，快速展開、抗毀性強(qiáng)的特點(diǎn)使得它得到不斷普及，逐步應(yīng)用到工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、商業(yè)監(jiān)控、汽車電子，家庭數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)、軍事應(yīng)用。隨著應(yīng)用的提高以及應(yīng)用的特點(diǎn)，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的低功耗、穩(wěn)定性，低成本提出了更高的要求。

Glossy是一種快速泛洪機(jī)制，基于時(shí)間同步，并發(fā)傳輸，相長干涉的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的快速傳播。Glossy機(jī)制相比較與傳統(tǒng)的泛洪機(jī)制具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如包傳輸時(shí)間短，包傳輸?shù)目煽啃愿?，時(shí)間同步代價(jià)小且誤差小，平均時(shí)間誤差小于0.4us,節(jié)點(diǎn)傳輸延時(shí)小，最重要的是該機(jī)制的性能不依賴于節(jié)點(diǎn)的密度，可以應(yīng)用到很多現(xiàn)實(shí)場景中。

上面的需求就促使了研究者對協(xié)議的改進(jìn)，以滿足實(shí)際應(yīng)用場景的需求。目前業(yè)界主要從網(wǎng)絡(luò)層、MAC層進(jìn)行改進(jìn)，以使得傳輸節(jié)點(diǎn)滿足低功耗、穩(wěn)定的使用要求。所以對無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究和改進(jìn)有很重要的意義，一點(diǎn)點(diǎn)的改進(jìn)將會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用場景的普及、功耗的降低、成本的降低，為國家能源節(jié)省和國家現(xiàn)代化建設(shè)產(chǎn)生重要的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在認(rèn)識到Glossy機(jī)制的使用特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)之后，通過進(jìn)一步分析Glossy機(jī)制，分析出在泛洪算法方面可以有改進(jìn)的地方，來實(shí)現(xiàn)性能的提高，進(jìn)一步增加應(yīng)用場景。具體改進(jìn)思路如下：

(1節(jié)點(diǎn)預(yù)選機(jī)制。非泛洪數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中，不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要進(jìn)行轉(zhuǎn)播。如果我們可以減少再一次傳輸中節(jié)點(diǎn)的集合，其余非轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)可以關(guān)閉射頻信號來節(jié)約能量。轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)選機(jī)制的目的在保證聯(lián)通性的基礎(chǔ)上減少傳輸節(jié)點(diǎn)，改變原先的泛洪算法。借助節(jié)點(diǎn)預(yù)選機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，建立節(jié)點(diǎn)集合，完成路徑構(gòu)建，這點(diǎn)很重要，是該機(jī)制得以高效實(shí)現(xiàn)的保證。

(2機(jī)會(huì)偵聽機(jī)制。在完成路徑構(gòu)建基礎(chǔ)上，進(jìn)入異步事件偵聽階段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生丟包時(shí)，進(jìn)行時(shí)隙調(diào)整、再次偵聽鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，最后讀取數(shù)據(jù)包進(jìn)行后續(xù)工作。

附圖說明

圖1是不同路徑算法示意圖。

圖2是CXFS進(jìn)程轉(zhuǎn)換圖。

圖3發(fā)送狀態(tài)處理過程流程圖。

圖4是接收及等待狀態(tài)處理過程流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：

如圖1所示路徑結(jié)構(gòu)圖，展示三種路徑算法。其中，F(xiàn)min、Fmax代表現(xiàn)有的Glossy泛洪機(jī)制的最小代價(jià)和最大代價(jià)路徑算法，F(xiàn)rr是本發(fā)明的路徑算法。

我們定義F_RR(s,d)作為最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)集合,這是在源節(jié)點(diǎn)s和目的節(jié)點(diǎn)d之間所有最小代價(jià)路徑的集合。根據(jù)三角不等定理，只有下面公式滿足，中間節(jié)點(diǎn)f才是集合成員，

d_sf+d_fd≤d_sd

d_ij定義為i和j之間的最小距離。

相較于單路徑路由，每個(gè)節(jié)點(diǎn)f可以在不需要交換路由信息的情形下測試是否f屬于F_RR(s,d),它只需要知道端到端的代價(jià)和它相鄰每個(gè)端點(diǎn)的代價(jià)。換句話說，F(xiàn)_RR類似F_max協(xié)議但是在目標(biāo)上更接近于F_min。

相比較于Glossy中F_max算法，只要終端之間不是所有路徑都是最小代價(jià)的，F(xiàn)_RR路徑的總數(shù)就不是最多的。通過減少參與發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以減少占空比，通過減少轉(zhuǎn)發(fā)集的直徑和內(nèi)部包空間來增加吞吐量。下面介紹用來選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議：并發(fā)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)選(CXFS)，其中在建立進(jìn)程的每次交換中使用基本的多路泛洪。圖2是CXFS進(jìn)程展示，為了決定節(jié)點(diǎn)w是否應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)w必須知道距離源節(jié)點(diǎn)s、目的節(jié)點(diǎn)d和源節(jié)點(diǎn)s到目的節(jié)點(diǎn)d的距離。對于點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸，圖中a顯示了在CXFS的步驟，源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送一個(gè)burst setup包，允許每個(gè)潛在的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)w測量d_sw，允許目的節(jié)點(diǎn)測量d_sd。在setup acknowledgement(建立確認(rèn))階段，目的節(jié)點(diǎn)d進(jìn)行數(shù)據(jù)包響應(yīng)，響應(yīng)包中包含d_sd信息，用來使w節(jié)點(diǎn)可以獲得d_sd去測量d_wd信息，此時(shí)節(jié)點(diǎn)w擁有足夠的信息作出轉(zhuǎn)發(fā)決定。

圖中b主要面向的是收集流向圖。調(diào)度包提供給每個(gè)潛在的轉(zhuǎn)發(fā)者d_wd，提供給每個(gè)潛在的源節(jié)點(diǎn)d_sd。burst建立包包含d_sd，同時(shí)允許節(jié)點(diǎn)測量d_sw。此時(shí)只要在節(jié)點(diǎn)s的時(shí)隙時(shí)長完成單一的端到端的通信，節(jié)點(diǎn)w就可以對F_RR(s,d)作出轉(zhuǎn)發(fā)決定。

在每種設(shè)置中，節(jié)點(diǎn)w可以計(jì)算出在F_RR(s,d)中它的友元關(guān)系節(jié)點(diǎn)(即能夠互相傳遞數(shù)據(jù)的鄰居節(jié)點(diǎn))。在數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)階段，不在F_RR(s,d)中的節(jié)點(diǎn)可以關(guān)閉射頻信號，同時(shí)s在內(nèi)部空間發(fā)送的包由d_sd決定。

下面給出距離度量問題的設(shè)計(jì)方案。這里使用hop-count(跳數(shù))作為我們距離度量的基礎(chǔ)，當(dāng)然hop-count如果直接使用，在單一的傳輸網(wǎng)絡(luò)中是非常不可靠的，采用一些關(guān)鍵措施使它適應(yīng)CXFS距離。

首先hop-count服從三角不等定理，離源節(jié)點(diǎn)4跳的節(jié)點(diǎn)到離源節(jié)點(diǎn)3跳的節(jié)點(diǎn)沒有更短的路徑。任何不能夠應(yīng)用于F_RR定義的距離度量就不能夠在CXFS工作。

第二，為了保證并發(fā)傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)并發(fā)傳輸?shù)膬?nèi)容必須一致。中間節(jié)點(diǎn)不能夠在數(shù)據(jù)包中嵌入獨(dú)立的信息，轉(zhuǎn)發(fā)決定必須根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)者所有祖先節(jié)點(diǎn)的信息。當(dāng)然節(jié)點(diǎn)也不能夠發(fā)送信息給上一任傳遞數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)。hop-count能夠在不要求中間節(jié)點(diǎn)發(fā)送沖突數(shù)據(jù)的情形下傳達(dá)有意義的距離信息。

最后距離度量必須明白在多跳網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容。傳統(tǒng)的物理層度量(RSSI,LQI)會(huì)被限制在一定范圍，這會(huì)導(dǎo)致使用的局限性。我們加強(qiáng)hop-count使它成為優(yōu)勢。

由于鏈路質(zhì)量變化很快，導(dǎo)致鏈路的不勻稱，可以想象到在多發(fā)送者環(huán)境中距離測量是短暫的，必須階段性更新，來達(dá)到準(zhǔn)確的距離評估。在單路徑路由協(xié)議中，距離評估和鏈路評估、路由發(fā)現(xiàn)是相似的，采集有效的鄰居和路由表信息。這里采取3種策略實(shí)現(xiàn)距離評估的準(zhǔn)確性來提供一組可靠和壓縮的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合。

最新觀察hop-count,這個(gè)很容易實(shí)現(xiàn)且不需要路由狀態(tài)。平均觀察hop-count，這會(huì)阻止節(jié)點(diǎn)響應(yīng)快速改變，但會(huì)簡單的處理變化。最大化觀察hop-count，指給出最大的包含轉(zhuǎn)發(fā)集合，使其更加的可靠。最后在最短距離公式中還會(huì)增加邊界區(qū)域變量，去彌補(bǔ)評估錯(cuò)誤，短期變化。通過增加邊界區(qū)域?qū)挾萣,使用d去表示評估距離和距離對稱性的猜想。F_RR定義的公式變?yōu)橄旅娴男问健?/p>

F_RR(s,d)＝{f:d_sf+d_fd≤d_sd+b}

通過增加b，我們可以在轉(zhuǎn)發(fā)集合F_RR中包含更多的節(jié)點(diǎn)，包含使用的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。通過增加路徑的多樣性和距離評估的錯(cuò)誤邊界來增加包的接受。后面我們會(huì)發(fā)現(xiàn)簡單近似和邊界彌補(bǔ)策略使得CX(并發(fā)傳輸)對Glossy的性能得到了很大提高。

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)選集合的選取，對該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的路徑信息的獲取就相當(dāng)重要，再利用設(shè)定的公式進(jìn)行計(jì)算是否符合設(shè)定條件。距離長度主要通過轉(zhuǎn)播跳數(shù)來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這里主要展現(xiàn)求取相關(guān)路徑信息的邏輯流程圖，見圖3。

預(yù)選節(jié)點(diǎn)的選取主要牽扯三個(gè)步驟，源節(jié)點(diǎn)信息的發(fā)送，目的節(jié)點(diǎn)信息的發(fā)送，中間節(jié)點(diǎn)信息的獲取和計(jì)算，借助制定的路徑距離關(guān)系，再加上預(yù)設(shè)的邊界范圍判斷出結(jié)果是否滿足最小花費(fèi)路徑的條件。若不在設(shè)定的集合中，則進(jìn)入休眠模式，等到下個(gè)周期再喚醒，提高能效。

接收及等待狀態(tài)處理過程流程圖見圖4，并發(fā)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)選機(jī)制在contiki平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，基于距離測量、評估策略、邊界彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對Glossy泛洪效率的提高。CX鏈路層維持轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度機(jī)制。時(shí)間被劃分為固定長度幀，再進(jìn)一步劃分為時(shí)隙。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)被劃分一個(gè)時(shí)隙，那么這個(gè)調(diào)度被分發(fā)為單個(gè)根節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)在每個(gè)幀開始之前打開射頻信號，始終處于打開的狀態(tài)，直到一個(gè)包被接受或者固定的1ms時(shí)間結(jié)束。

在增加hop-count域和減少TTL計(jì)數(shù)之后，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)包。當(dāng)TTL為0，此時(shí)就要丟棄該數(shù)據(jù)包。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生丟包時(shí)，進(jìn)行時(shí)隙調(diào)整、再次偵聽鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，最后讀取數(shù)據(jù)包進(jìn)行后續(xù)工作。

CX網(wǎng)絡(luò)層模擬兩種泛洪，簡單泛洪和RR泛洪。在簡單泛洪時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)直徑設(shè)置包的TTL值，節(jié)點(diǎn)在包的TTL計(jì)數(shù)為非零時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在RR泛洪中，包使它們的初始設(shè)置為d_sd+b,RR泛洪中的組件要負(fù)責(zé)在CXFS中的轉(zhuǎn)發(fā)決定，在符合不等公式的前提下才進(jìn)行轉(zhuǎn)播處理。

CX提供兩種傳輸層協(xié)議，F(xiàn)lood Burst和RR Burst，這些控制包排隊(duì)和緩存空間，即在當(dāng)前包的TTL結(jié)束之后開始下次傳輸。節(jié)點(diǎn)會(huì)一直排列包直到一些預(yù)定閥值超過了，后面會(huì)在下一個(gè)時(shí)隙盡可能多的傳輸包。廣播包由Flood Burst傳輸協(xié)議處理，單播包由RR Busrt協(xié)議處理。

RR busrt建立相位使用簡單泛洪，包轉(zhuǎn)發(fā)階段使用RR泛洪。在一個(gè)Flood busrt中，包在其它包通過簡單的泛洪包傳輸之后被發(fā)送，同時(shí)這里沒有Burst Setup階段。如果節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙不是一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)者，就關(guān)閉無線射頻節(jié)約能量。如果節(jié)點(diǎn)在前N個(gè)幀沒有接受到包，就會(huì)假想時(shí)隙擁有者沒有任何包發(fā)送，同時(shí)直到下一個(gè)時(shí)隙開始才打開射頻信號。類似的，在Burst建立階段，只要節(jié)點(diǎn)計(jì)算不在F_RR中，節(jié)點(diǎn)就會(huì)直到下一個(gè)時(shí)隙才打開射頻信號。

應(yīng)用使用標(biāo)準(zhǔn)的AMSend和AMReceive接口，允許存在的系統(tǒng)很容易的切換到CX。同時(shí)如果應(yīng)用要求移動(dòng)、多個(gè)中心支持、最小狀態(tài)維持，可以設(shè)置編譯器標(biāo)志來使用簡單的Flood Burst進(jìn)行單播和廣播。