本發(fā)明屬于無源感知網(wǎng)絡領域，尤其涉及一種射頻供能無線傳感器網(wǎng)絡點對點鏈路數(shù)據(jù)傳輸機制切換方法，可用于捕獲射頻能量進行通信的無線傳感器網(wǎng)絡。

背景技術：

無源感知網(wǎng)絡(batteryfreewirelesssensornetwork,bf-wsn)的節(jié)點通過環(huán)境中泛在的射頻(radiofrequency,rf)信號捕獲能量，為解決傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(wirelesssensornetworks,wsn)節(jié)點的能源供給提供了一種新的途徑。bf-wsn節(jié)點運行所需的能量來自于rf供能點(如電視塔、蜂窩基站或wi-fi等通信設施)所發(fā)射的rf信號，能量捕獲功率極低，通常只有mw甚至μw級。在能量捕獲功率如此之極的情況下，節(jié)點用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β室搽S之降低，這會導致通信鏈路的誤碼率增加。而且，由于通信鏈路時常會受到周圍電磁信號的干擾，無線鏈路的質(zhì)量時好時壞，極不穩(wěn)定。

在基于ieee802.11標準的無線域局網(wǎng)(wirelesslocalareanetwork,wlan)和基于ieee802.15.4標準的無線個域網(wǎng)(wirelesspersonalareanetwork,wpan)中，自動請求重傳(automaticrepeatrequest,arq)機制被廣泛采用，arq的主要特點在于只要接收方接收到的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)比特錯，發(fā)送方就需要在重傳計時器超時之后重傳整個數(shù)據(jù)包，直到接收方正確接收到數(shù)據(jù)包或重傳次數(shù)達到上限為止。誠然，在鏈路質(zhì)量較好(即數(shù)據(jù)包傳輸成功率較高，重傳次數(shù)較少)時，arq能很好地工作。但是，在鏈路質(zhì)量較差的情況下，頻繁的比特錯會觸發(fā)頻繁的數(shù)據(jù)包重傳，這不僅會浪費帶寬，而且會增加收發(fā)雙方的傳輸能耗和傳輸時延，降低網(wǎng)絡吞吐率。為了克服arq的不足，公開號為cn102340391的專利文獻提供一種分段arq自動重傳方法，該方法將源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸路徑分為若干arq段，每個arq段的端節(jié)點為arq節(jié)點，傳輸路徑中除arq節(jié)點之外的節(jié)點為普通節(jié)點，在傳輸數(shù)據(jù)時，普通節(jié)點僅轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，而arq節(jié)點除了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包之外還負責發(fā)送確認和重傳數(shù)據(jù)包等操作；公開號為cn102684854的專利文獻提供了一種mac(mediumaccesscontrol)層arq參數(shù)的自適應調(diào)整方法，該方法根據(jù)發(fā)送方接收到的nack(negativeacknowledgement,負確認)與ack(acknowledgement,確認)的比值將網(wǎng)絡狀況分為好、中和差三種情況，并根據(jù)網(wǎng)絡的不同狀況對arq參數(shù)(arq塊大小、超時重傳時間、滑動窗口大小等)進行調(diào)整。

以上方案并沒有充分考慮無線鏈路質(zhì)量呈動態(tài)變化的特性，且節(jié)點所采用的數(shù)據(jù)傳輸機制固定不變，不能很好地適用于bf-wsn。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服無源感知網(wǎng)絡中節(jié)點采用固定數(shù)據(jù)傳輸機制導致通信鏈路吞吐率較低的不足，本發(fā)明提供一種鏈路吞吐量較高的無源感知網(wǎng)絡點對點鏈路數(shù)據(jù)傳輸機制切換方法，該方法能根據(jù)當前的鏈路質(zhì)量進行數(shù)據(jù)傳輸機制自動切換：當鏈路質(zhì)量較好時，節(jié)點采用arqm(automaticrepeatrequestmechanism,自動請求重傳機制)；當鏈路質(zhì)量較差時，節(jié)點自動切換為brm(blockingretransmissionmechanism,分塊重傳機制)，提高鏈路的吞吐率。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種無源感知網(wǎng)絡點對點鏈路數(shù)據(jù)傳輸機制切換方法，包括以下步驟：

發(fā)送方s的操作流程：

步驟11.從rf信號中捕獲能量，持續(xù)時間為th；

步驟12.求解優(yōu)化問題op_n得到數(shù)據(jù)包中有效載荷的最優(yōu)分塊個數(shù)n*；

步驟13.判斷n*是否等于1，若n*等于1，將數(shù)據(jù)包首部中的tm字段置為0，生成數(shù)據(jù)包并采用arqm傳輸數(shù)據(jù)；若n*不等于1，則將tm字段置為1，生成數(shù)據(jù)包并采用brm傳輸數(shù)據(jù)；

步驟14.結(jié)束；

接收方r的操作流程：

步驟21.從rf信號中捕獲能量，持續(xù)時間為th；

步驟22.接收來自s的數(shù)據(jù)包，檢查數(shù)據(jù)包首部中tm字段的值，若tm＝0，采用arqm接收并處理數(shù)據(jù)包；若tm＝1，則按brm接收并處理數(shù)據(jù)包；

步驟23.結(jié)束。

進一步，所述arqm的過程如下：發(fā)送方s發(fā)送數(shù)據(jù)包給接收方r，發(fā)送結(jié)束后啟動重傳計時器；若r正確接收到數(shù)據(jù)包，立即向s回復一個ack以確認數(shù)據(jù)包收到。若數(shù)據(jù)包出現(xiàn)比特錯，則r什么也不做；那么，s會在重傳計時器超時之后立即重傳數(shù)據(jù)包，若重傳次數(shù)達到事先所設定的最大重傳次數(shù)，s停止發(fā)送當前數(shù)據(jù)包。

所述brm的過程如下：發(fā)送方s先將數(shù)據(jù)包的有效載荷劃分為n個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊中包含有效數(shù)據(jù)和塊校驗序列(blockchecksequence,bcs)兩個部分，塊校驗序列用于校驗數(shù)據(jù)塊是否出錯，此外，有效載荷中還包含頭部校驗序列(headerchecksequence,hcs)，用于校驗數(shù)據(jù)包首部是否出錯；數(shù)據(jù)包劃分為n塊之后，其有效載荷中包含hcs，n個有效數(shù)據(jù)d1,d2,…,dn和n個塊校驗序列c1,c2,…,cn；接著，發(fā)送方s將數(shù)據(jù)包發(fā)送給接收方r，r接收到數(shù)據(jù)包之后，采用尾部中的fcs對數(shù)據(jù)包進行校驗，若正確，則向s回復一個ack；若存在比特錯，則先采用hcs對首部進行校驗，若首部出錯，則什么也不做，等待s重傳原數(shù)據(jù)包；若首部正確，則依次采用c1,c2,…,cn對數(shù)據(jù)塊1，數(shù)據(jù)塊2，...，數(shù)據(jù)塊n進行校驗，然后，把正確的數(shù)據(jù)塊存入緩沖區(qū)中對應的存儲區(qū)域并丟棄發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)塊，然后向s回復一個負確認nack以告知s哪些數(shù)據(jù)塊出錯；隨后，s向r重傳一個其有效載荷中僅包含出錯數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)包，如此反復，直到r成功收到n個數(shù)據(jù)塊或重傳次數(shù)達到上限為止。

更進一步，所述步驟1.1和2.1中，節(jié)點能量捕獲時間th的確定：以ph表示節(jié)點的能量捕獲功率，由friss傳輸方程可知：

其中，gs和gr分別表示供能點和節(jié)點的天線增益，λ是電磁波的波長，plost是路徑功率損耗，d是節(jié)點與供能點之間的距離，ps是供能點的發(fā)送功率，μ是rf信號轉(zhuǎn)換為電能的效率系數(shù)；

以e0表示節(jié)點的初始能量，以eth表示節(jié)點運行的能量閾值，即只有當s和r這兩個節(jié)點的剩余能量均大于或等于eth時，s才開始傳輸數(shù)據(jù)；以τ表示節(jié)點從初始能量e0開始捕獲能量直至其剩余能量達到eth所持續(xù)的時間，利用式(1)可得：

τ＝(eth-e0)/ph(2)

以τs和τr分別表示s和r的能量捕獲時間，那么，從s和r開始捕獲能量的時刻起直至它們的剩余能量均大于或等于eth所持續(xù)的時間為：

th＝max{τs,τr}(3)。

再進一步，數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)塊長度的確定：以l表示每個數(shù)據(jù)塊的長度：

其中，lpacket表示數(shù)據(jù)包的總長度，lhead表示首部的長度，lhcs表示頭部校驗序列hcs的長度，lfcs表示尾部的長度；

首部和數(shù)據(jù)塊傳輸成功的概率：以<s,r>表示s和r之間的通信鏈路，以b表示鏈路<s,r>的誤碼率，那么，s傳輸一個數(shù)據(jù)包給r時，首部傳輸成功的概率q以及每個數(shù)據(jù)塊傳輸成功的概率p分別為：

p＝(1-b)^l(6)

數(shù)據(jù)包第k次傳輸成功的概率：以pk(x)表示包含x個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)包第k次傳輸成功的概率，x＝1,2,...,n；k＝1,2,...,k，其中，k表示同一個數(shù)據(jù)包的最大傳輸次數(shù)，結(jié)合式(5)和式(6)可得到求解pk(x)的遞歸式如下：

節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)包成功的概率為：

以lk表示節(jié)點第k次傳輸平均發(fā)送的比特數(shù)，有：

其中，表示前k-1次傳輸失敗的概率；ek(x)表示節(jié)點第k次傳輸時發(fā)送包含1個數(shù)據(jù)塊,2個數(shù)據(jù)塊,...,x個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)包及對應概率的乘積的累加，其表達式如下：

節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)包的平均時延：以r表示節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的速率，以la和ln分別表示ack和nack的長度，以tr表示重傳計時器，以t表示節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)包的平均時延，有：

以m表示s向r傳輸數(shù)據(jù)包的總個數(shù)，則鏈路<s,r>中的吞吐率為：

其中，lbcs表示bcs的長度；

使得鏈路<s,r>中的吞吐率最大化的優(yōu)化問題op_n如下：

上式中，nmin和nmax分別表示數(shù)據(jù)包分塊個數(shù)的下界和上界；

通過求解式(13)可得到數(shù)據(jù)包分塊個數(shù)的最優(yōu)值n^*，當n^*＝1時，說明在當前鏈路環(huán)境下，數(shù)據(jù)包的有效載荷分為1塊吞吐率最大，因此，可設置數(shù)據(jù)包頭部中tm字段為0，采用arqm進行傳輸；當n^*>1時，說明在當前鏈路環(huán)境下，需要將數(shù)據(jù)包的有效載荷分為2塊及以上才能使吞吐率最大，那么，可設置tm字段為1，采用brm進行傳輸。

優(yōu)選的，nmin和nmax的確定：在式(13)中，取nmin＝1，表示數(shù)據(jù)包的分塊個數(shù)至少為1塊；同時，為了保證數(shù)據(jù)包的傳輸效率，令每個數(shù)據(jù)塊的長度不小于數(shù)據(jù)包首部lhead加上首部校驗序列l(wèi)hcs，可得到nmax的計算公式如下：

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：該方法能根據(jù)當前的鏈路質(zhì)量在自動請求重傳和分塊重傳這兩種數(shù)據(jù)傳輸機制之間自動切換，適應了通信鏈路質(zhì)量動態(tài)變化的特性，提高通信鏈路的吞吐率。

附圖說明

圖1是arqm的數(shù)據(jù)包格式。

圖2是brm的數(shù)據(jù)包格式。

圖3是緩沖區(qū)分塊編號。

圖4是nack的格式。

圖5是tm字段示意圖。

圖6是發(fā)送方操作流程圖。

圖7是接收方操作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖7，一種無源感知網(wǎng)絡點對點鏈路數(shù)據(jù)傳輸機制切換方法，包括arqm和brm兩種數(shù)據(jù)傳輸機制可供選擇。

arqm的過程如下：s(表示發(fā)送方)發(fā)送數(shù)據(jù)包給r(表示接收方)，發(fā)送結(jié)束后啟動重傳計時器。若r正確接收到數(shù)據(jù)包，立即向s回復一個ack以確認數(shù)據(jù)包收到。若數(shù)據(jù)包出現(xiàn)比特錯，則r什么也不做。那么，s會在重傳計時器超時之后立即重傳數(shù)據(jù)包，若重傳次數(shù)達到事先所設定的最大重傳次數(shù)，s停止發(fā)送當前數(shù)據(jù)包。arqm的數(shù)據(jù)包格式如圖1所示。

brm的過程如下：s先將數(shù)據(jù)包的有效載荷劃分為n個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊中包含有效數(shù)據(jù)和塊校驗序列(blockchecksequence,bcs)兩個部分，塊校驗序列用于校驗數(shù)據(jù)塊是否出錯，此外，有效載荷中還包含頭部校驗序列(headerchecksequence,hcs)，用于校驗數(shù)據(jù)包首部是否出錯。數(shù)據(jù)包劃分為n塊之后，其有效載荷中包含hcs，n個有效數(shù)據(jù)d1,d2,…,dn和n個塊校驗序列c1,c2,…,cn。接著，s將數(shù)據(jù)包發(fā)送給r，r接收到數(shù)據(jù)包之后，采用尾部中的fcs對數(shù)據(jù)包進行校驗，若正確，則向s回復一個ack；若存在比特錯，則先采用hcs對首部進行校驗，若首部出錯，則什么也不做，等待s重傳原數(shù)據(jù)包；若首部正確，則依次采用c1,c2,…,cn對數(shù)據(jù)塊1，數(shù)據(jù)塊2，...，數(shù)據(jù)塊n進行校驗，然后，把正確的數(shù)據(jù)塊存入緩沖區(qū)中對應的存儲區(qū)域(見圖3)并丟棄發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)塊，然后向s回復一個nack(negativeacknowledgement,負確認)以告知s哪些數(shù)據(jù)塊出錯。隨后，s向r重傳一個其有效載荷中僅包含出錯數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)包。如此反復，直到r成功收到n個數(shù)據(jù)塊或重傳次數(shù)達到上限為止。brm的數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。

如上所述，在每次傳輸中，r把正確的數(shù)據(jù)塊存入緩沖區(qū)中對應的存儲區(qū)域并丟棄發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)塊，同時必須找出錯誤數(shù)據(jù)塊的序號。為此，我們對brm所采用的緩沖區(qū)做了特別的設計，它除了用于暫存數(shù)據(jù)包(或數(shù)據(jù)塊)之外，另一個作用就是通過對緩沖區(qū)進行分塊編號來記錄每個數(shù)據(jù)塊在數(shù)據(jù)包中的相對位置，如圖3所示。在圖3中，1號緩沖區(qū)塊存儲數(shù)據(jù)塊1，2號緩沖區(qū)塊存儲數(shù)據(jù)塊2，以此類推，n號緩沖區(qū)塊存儲數(shù)據(jù)塊n。此外，0號緩沖區(qū)塊存儲首部和首部校驗序列，而n+1號緩沖區(qū)塊存儲尾部。收發(fā)雙方在數(shù)據(jù)傳輸過程中維護相同格式的緩沖區(qū)，接收方通過檢查緩沖區(qū)中尚未存入正確數(shù)據(jù)塊的存儲區(qū)域的編號，即可知道哪些數(shù)據(jù)塊發(fā)生錯誤，隨后，生成nack并回復給發(fā)送方。nack的格式如圖4所示，其中，b1,b2,…,bn是一串二進制數(shù)，當bx＝0時，表示第x塊正確；當bx＝1時，表示第x塊錯誤，x∈{1,2,…,n}。當發(fā)送方收到nack之后，檢查b1,b2,…,bn的值即可知道哪些數(shù)據(jù)塊出錯需要重傳。

一種無源感知網(wǎng)絡點對點鏈路數(shù)據(jù)傳輸機制切換方法，包括以下步驟：

發(fā)送方s的操作流程：

步驟11.從rf信號中捕獲能量，持續(xù)時間為th；

步驟12.求解優(yōu)化問題op_n得到數(shù)據(jù)包中有效載荷的最優(yōu)分塊個數(shù)n*；

步驟13.判斷n*是否等于1，若n*等于1，將數(shù)據(jù)包首部中的tm字段置為0，按圖1的格式生成數(shù)據(jù)包，采用arqm傳輸數(shù)據(jù)；若n*不等于1，則將tm字段置為1，按圖2的格式生成數(shù)據(jù)包，采用brm傳輸數(shù)據(jù)；

步驟14.結(jié)束。

接收方r的操作流程：

步驟21.從rf信號中捕獲能量，持續(xù)時間為th；

步驟22.接收來自s的數(shù)據(jù)包，檢查數(shù)據(jù)包首部中tm字段的值，若tm＝0，采用arqm接收并處理數(shù)據(jù)包；若tm＝1，則按brm接收并處理數(shù)據(jù)包。

步驟23.結(jié)束。

數(shù)據(jù)包首部中的framecontrol字段中有3個位是保留位，可將這3個保留位中的1位定義為transmissionmechanism(tm)字段，tm字段用于指明本次傳輸采用何種數(shù)據(jù)傳輸機制。如圖5所示。

節(jié)點能量捕獲時間th的確定：以ph表示節(jié)點的能量捕獲功率，由friss傳輸方程可知：

其中，gs和gr分別表示供能點和節(jié)點的天線增益，λ是電磁波的波長，plost是路徑功率損耗，d是節(jié)點與供能點(蜂窩基站、wi-fi接入點或電視塔等)之間的距離，ps是供能點的發(fā)送功率，μ是rf信號轉(zhuǎn)換為電能的效率系數(shù)。

以e0表示節(jié)點的初始能量，以eth表示節(jié)點運行的能量閾值，即只有當s和r這兩個節(jié)點的剩余能量均大于或等于eth時，s才開始傳輸數(shù)據(jù)。以τ表示節(jié)點從初始能量e0開始捕獲能量直至其剩余能量達到eth所持續(xù)的時間，利用式(1)可得：

τ＝(eth-e0)/ph(2)

以τs和τr分別表示s和r的能量捕獲時間，那么，從s和r開始捕獲能量的時刻起直至它們的剩余能量均大于或等于eth所持續(xù)的時間為：

th＝max{τs,τr}(3)

數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)塊長度的確定：以l表示每個數(shù)據(jù)塊的長度(單位

為比特)，由圖2可知：

其中，lpacket表示數(shù)據(jù)包的總長度，lhead表示首部的長度，lhcs表示頭部校驗序列hcs的長度，lfcs表示尾部的長度。

首部和數(shù)據(jù)塊傳輸成功的概率：以<s,r>表示s和r之間的通信鏈路，以b表示鏈路<s,r>的誤碼率，那么，s傳輸一個數(shù)據(jù)包給r時，首部傳輸成功的概率q以及每個數(shù)據(jù)塊傳輸成功的概率p分別為：

p＝(1-b)^l(6)

數(shù)據(jù)包第k次傳輸成功的概率：以pk(x)表示包含x個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)包第k次傳輸成功的概率，x＝1,2,...,n；k＝1,2,...,k，其中，k表示同一個數(shù)據(jù)包的最大傳輸次數(shù)，結(jié)合式(5)和式(6)可得到求解pk(x)的遞歸式如下：

節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)包成功的概率為：

以lk表示節(jié)點第k次傳輸平均發(fā)送的比特數(shù)，有：

其中，表示前k-1次傳輸失敗的概率；ek(x)表示節(jié)點第k次傳輸時發(fā)送包含1個數(shù)據(jù)塊,2個數(shù)據(jù)塊,...,x個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)包及對應概率的乘積的累加，其表達式如下：

節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)包的平均時延：以r表示節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的速率，以la和ln分別表示ack和nack的長度，以tr表示重傳計時器，以t表示節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)包的平均時延，有：

以m表示s向r傳輸數(shù)據(jù)包的總個數(shù)，則鏈路<s,r>中的吞吐率為：

其中，lbcs表示bcs的長度。

使得鏈路<s,r>中的吞吐率最大化的優(yōu)化問題op_n如下：

上式中，nmin和nmax分別表示數(shù)據(jù)包分塊個數(shù)的下界和上界。

通過求解式(13)可得到數(shù)據(jù)包分塊個數(shù)的最優(yōu)值n^*，當n^*＝1時，說明在當前鏈路環(huán)境下，數(shù)據(jù)包的有效載荷分為1塊吞吐率最大，因此，可設置數(shù)據(jù)包頭部中tm字段為0，采用arqm進行傳輸；當n^*>1時，說明在當前鏈路環(huán)境下，需要將數(shù)據(jù)包的有效載荷分為2塊及以上才能使吞吐率最大，那么，可設置tm字段為1，采用brm進行傳輸。

nmin和nmax的確定：此外，在式(13)中，取nmin＝1，表示數(shù)據(jù)包的分塊個數(shù)至少為1塊；同時，為了保證數(shù)據(jù)包的傳輸效率，令每個數(shù)據(jù)塊的長度不小于數(shù)據(jù)包首部lhead加上首部校驗序列l(wèi)hcs，可得到nmax的計算公式如下：

本實施例中，參數(shù)設置如表1所示。

表1

根據(jù)表1的參數(shù)值和式(14)，可求得nmax＝11。即在優(yōu)化問題op_n中，n∈[1,11]，可通過枚舉法求解最優(yōu)分塊個數(shù)n*。

此外，分別設置鏈路<s,r>的誤碼率b＝1000^-1,2000^-1,3000^-1,4000^-1,5000^-1。s和r與供能點之間的距離在5至15米之間隨機選取，s向r傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個數(shù)m＝5000，節(jié)點接收或發(fā)送1比特數(shù)據(jù)的能耗為10nj。