無線傳感網(wǎng)絡中基于mac協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法，發(fā)送節(jié)點對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行估錯碼編碼EEC1，并存儲在發(fā)送節(jié)點，而不需要發(fā)送到接收端，當接收節(jié)點接收到數(shù)據(jù)時，以同樣的方式將接收到的數(shù)據(jù)進行估錯碼編碼EEC2并將編碼整合到應答信號中發(fā)送個發(fā)送節(jié)點，發(fā)送節(jié)點接收到應答信號后，提取EEC2，并將其與EEC1運算估計誤碼率，判斷接收節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)是否可用，并決定是否重發(fā)當前數(shù)據(jù)。在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，發(fā)送節(jié)點的編碼不需要發(fā)送，因此保證了EEC1不會出現(xiàn)誤碼，而EEC2放在應答信號中發(fā)送，應答信號比較短，發(fā)送出現(xiàn)誤碼的概率較小，因此EEC2可靠性有效提高，用于估計出來的誤碼率準確性也較高。
【專利說明】
無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及了無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法，利用 誤碼率實時計算最優(yōu)幀長，屬于無線傳感網(wǎng)絡技術領域。
【背景技術】
[0002] 無線傳感網(wǎng)絡中節(jié)點一般為電池供電，能量具有有限性，如何控制傳感器節(jié)點的 能耗，延長節(jié)點壽命成為了基礎課題。節(jié)點能耗主要是在射頻通信模塊，它具有發(fā)送模式、 接收模式、空閑偵聽模式、休眠模式四種工作模式。四種模式下的能耗依次減小，因此在傳 輸數(shù)據(jù)中，以較小的數(shù)據(jù)幀的通信荷載將數(shù)據(jù)可靠的傳輸有利于能量有效性的提高。
[0003] 介質訪問控制(Medium Access Control，MAC)層屬于數(shù)據(jù)鏈路層，位于無線傳感 網(wǎng)絡通信協(xié)議的底層部分，其功能是管理一跳范圍內(nèi)的無線信道，解決傳感器節(jié)點如何接 入和使用信道的一種方式。在網(wǎng)絡通信的過程中，有可能多個節(jié)點同時接入信道，導致不同 節(jié)點之間產(chǎn)生碰撞，引起信道競爭的狀況發(fā)生。如果節(jié)點接入信道方式不合理，將會導致數(shù) 據(jù)接收出現(xiàn)串聽的情況，使得接收到的數(shù)據(jù)無法使用，這一現(xiàn)象不但會降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目?靠性，而且大大增加了節(jié)點的能量消耗。
[0004] 無線傳感網(wǎng)絡不同于傳統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡，它的節(jié)點無法得到持續(xù)的能量供應或者及 時的能量補給，這使得WSN受到了能量的限制。因而在MAC協(xié)議設計時，當著重考慮節(jié)點的能 耗問題。好的MAC協(xié)議能夠很好的支配節(jié)點的各個狀態(tài)以降低節(jié)點能耗。
[0005] 在數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)幀的正確接收與數(shù)據(jù)幀長度息息相關。但是數(shù)據(jù)幀長過短，將 會增加數(shù)據(jù)幀的通信荷載，使得節(jié)點耗能增加;如果數(shù)據(jù)幀長過長，將會使得誤碼率增加， 從而增加了數(shù)據(jù)幀的重傳次數(shù)，同樣會增加節(jié)點的耗能，因此選擇合適的幀長平衡好通信 荷載與重傳次數(shù)是減少能量損耗的有效方法。
[0006] Chen Binbin等人于2010年在論文Efficient Error Estimating Coding: Feasibility and Applications中提出了估錯碼(EEC)編碼方法。通過原始數(shù)據(jù)的估錯碼 和接收到的數(shù)據(jù)的估錯碼便可估計出數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。因此使得我們不用去對數(shù)據(jù)進行 糾錯，而直接通過估計誤碼率來判斷接收到的數(shù)據(jù)是否可用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 發(fā)明目的：為了解決數(shù)據(jù)傳輸機制中的能耗問題，本發(fā)明提供一種無線傳感網(wǎng)絡 中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法，具有幀長度自適應能力，而且在數(shù)據(jù)傳輸 的可靠性得到了提高，有利于數(shù)據(jù)傳輸中準確性的提高和誤碼率的降低。
[0008] 技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明中無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適 應數(shù)據(jù)傳輸方法，包括以下步驟：
[0009] (1)發(fā)送節(jié)點將要發(fā)送的數(shù)據(jù)以初始化幀長進行聚合或分割，將該數(shù)據(jù)進行估錯 碼編碼后發(fā)送出去，得到的估錯碼記為EECi并進行存儲；
[0010] (2)接收節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)用與發(fā)送節(jié)點相同的編碼方式進行估錯碼編 碼，得到的估錯碼記為EEC2，并將其放入數(shù)據(jù)應答信號中，發(fā)回發(fā)送節(jié)點；
[0011] (3)發(fā)送節(jié)點接收應答信號，從中獲取接收節(jié)點返回的估錯碼EEC2,將估錯碼EECi 和EEC2進行運算估計接收節(jié)點接收該數(shù)據(jù)幀的誤碼率；
[0012] (4)判斷該誤碼率是否在數(shù)據(jù)可用范圍，如果可用則發(fā)送節(jié)點結束該數(shù)據(jù)的發(fā)送； 如果不可用，則利用當前誤碼率以及能耗模型計算出數(shù)據(jù)的最優(yōu)幀長，利用該最優(yōu)幀長對 該數(shù)據(jù)進行重新聚合或分割后發(fā)送給接收節(jié)點。
[0013] W-MAC協(xié)議是一種異步通信協(xié)議，是針對本發(fā)明提出的新型幀長度自適應算法建 立的。對于該協(xié)議，接收節(jié)點周期性進入偵聽模式，用以發(fā)現(xiàn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點。當發(fā)送 節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，則會發(fā)出喚醒包，用于喚醒接收節(jié)點，從而進入數(shù)據(jù)發(fā)送模式。
[0014] 當發(fā)送節(jié)點發(fā)出喚醒包時，會立即進入偵聽狀態(tài)，偵聽接收節(jié)點返回的應答信號。 如果喚醒包在接收節(jié)點的偵聽模式時到達，則接收節(jié)點接收喚醒包將節(jié)點喚醒，并發(fā)出應 答信號;在發(fā)送節(jié)點偵聽到應答信號后，就開始數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。接收節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后返回 一個應答信號，并進入短暫的偵聽狀態(tài)(定義為wait state)，當發(fā)送節(jié)點接收到接收節(jié)點 返回的數(shù)據(jù)接收應答信號時，會對應答信號中的信息進行處理，從而判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是否 可用。如果可用，則進入休眠狀態(tài)或者進入下一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送;如果不可用，則將會將當前 的數(shù)據(jù)幀重發(fā)。接收端在wait state狀態(tài)時，如果接收到了發(fā)送端的數(shù)據(jù)，則會繼續(xù)工作； 如果沒有，則進入休眠狀態(tài)，并且判斷當前幀為可用幀。
[0015] 能量消耗一直是無線傳感網(wǎng)絡中研究的重點，下面針對提出的新型高可靠 MAC協(xié) 議進行能耗模型的建立。在該能耗模型中，主要是考慮傳感器節(jié)點一周期內(nèi)處于不同工作 模式下的時間，結合不同模式下電流大小，來表征能耗的大小。
[0016]考慮節(jié)點n發(fā)送數(shù)據(jù)幀的量，當前節(jié)點不僅有可能自己會有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，而且 還可能成為中轉節(jié)點，將來自于子節(jié)點的數(shù)據(jù)轉發(fā)出去，因而節(jié)點n發(fā)送的數(shù)據(jù)量應為兩者 之和。數(shù)學表達式如下：
[0018] 其中，F(xiàn)tx, n表示節(jié)點n發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的數(shù)量，Nrtx, 1 ( X )表示重傳次數(shù)且
1 Fn表示節(jié)點n生成的數(shù)據(jù)幀的數(shù)量，h表示節(jié)點n的數(shù)據(jù)包頭長 度，x表示數(shù)據(jù)幀長，hc；+x。表示子節(jié)點c發(fā)送數(shù)據(jù)時的幀長度，角標1表示數(shù)據(jù)從節(jié)點n發(fā)送到 節(jié)點n的父節(jié)點的路徑，角標lc表示從子節(jié)點c發(fā)送到節(jié)點n的路徑，Ri。表示數(shù)據(jù)從子節(jié)點c (c G Cn，Cn為子節(jié)點構成的集合)發(fā)送到n的可靠性。
[0019] 當發(fā)送端需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，會不斷的發(fā)出喚醒包來喚醒接收節(jié)點。由于發(fā)送端發(fā) 出喚醒包的時間可以看做是隨機的，則這里求得喚醒包的數(shù)據(jù)是一個期望值：
[0021 ]其中，Upr,"表示節(jié)點n的喚醒包的數(shù)據(jù)量(單位:字節(jié)），F(xiàn)pr,"表示節(jié)點n喚醒包的數(shù) 據(jù)幀數(shù)量(單位:幀），a為幀長度。
[0022] 節(jié)點n在節(jié)收到子節(jié)點c發(fā)送的喚醒包后，將轉換為發(fā)送模式，發(fā)送出應答信號。此 時，將發(fā)送出去的應答信號s-ack的數(shù)據(jù)量表達為：
[0023] Us -ack,lc -(Nrtx，lc+1 )Fs-ack，lc ? ppr，lc ? S
[0024]其中，Us-ack,lc表示應答信號的數(shù)據(jù)量，NrtX,lc表示從節(jié)點C至lj節(jié)點11數(shù)據(jù)重傳的次 數(shù)，F(xiàn)s-ac；k,l。表示數(shù)據(jù)幀的數(shù)量，Ppr,l。表示喚醒包的發(fā)送成功率，S表示喚醒包應答信號的幀 長度。
[0025] 當節(jié)點接收到發(fā)送端傳來的數(shù)據(jù)幀后，會對接收到的數(shù)據(jù)進行估錯碼編碼，并將 編碼整合到數(shù)據(jù)接收成功應答信號d-ack中，此時由于估錯碼編碼得長度與選取的每一層 的編碼長度有關還與數(shù)據(jù)幀長度有關，因而可將應答信號d-ack的長度看做與幀長度x相關 的函數(shù)，其表達式如下：
[0026] d(x) =q ? [log2(8x)]
[0027] 其中，q表示每一層估錯碼的長度，[*]表示取不大于*的整數(shù)，8x表示長度為x的數(shù) 據(jù)幀中的數(shù)據(jù)位(bit)的數(shù)量。
[0028]所以接收端發(fā)送應答信號d-ack的數(shù)據(jù)量為：
[0029] Ud-ack, lc-(Nrtx，lc+1 )Fd-ack，lc ? Rlc ? d ( Xc )
[0030]其中，F(xiàn)d-ackjc；表不應答信號d-ack的數(shù)據(jù)幀數(shù)量。
[0031] 結合以上論述，可以得到節(jié)點因為接收節(jié)點卻處于發(fā)送狀態(tài)下，發(fā)送的數(shù)據(jù)量為：
[0032] Urxt, lc - Us-ack, lc+Ud-ack, lc
[0033]其中，Urxt,lc表示發(fā)送的數(shù)據(jù)量。
[0034]節(jié)點n發(fā)送的數(shù)據(jù)量所用的時間包括：為接收節(jié)點時，處于發(fā)送模式發(fā)送所需時 間；發(fā)送喚醒包的數(shù)據(jù)量;將來自于子節(jié)點的數(shù)據(jù)和自身生成的數(shù)據(jù)發(fā)送給父節(jié)點時所需 的時間之和，可以得到表達式為：
[0035] . Ttxt，i.+ (U.pr，.n .+ y , Ur'xt,!c) " ceCn
[0036] 其中，Dtx,n表示一周期內(nèi)節(jié)點n處于發(fā)送狀態(tài)的時間，Tb表示發(fā)送一個字節(jié)所需的 時間，，T txt,i表示節(jié)點n通過路徑1向父節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時所需時間。式中(Upr,n +__S.ceCn.UMy.c) 是一個與變量x無關的式子。
[0037] 節(jié)點n處于接收模式的時間表達式：
[0038] D.rx,.n SceC.h Ftx,lc ' Trxr,】.c + (Us_ack，i + Ud-ackj +. Ui.cn，i + Uwait) " Tb + Ton
[0039] 其中，Us-ack,i，Ud-ack,i前面已經(jīng)給出。
表示偵聽應答信號時的 長度DUwait表;^等待狀態(tài)時的長度:Twa = Uwait ? Tb。
[0040] 所以，結合Dtx，n和Drx， n可以得到傳感器節(jié)點n的能量消耗如下：
[0041] W(X) =Dtx，n ? Itx+Drx，n ? Irx+(T-Dtx，n-Drx，n) ? Iidle
[0042] =Dtx，n ? lAti+Drx，n ? iAri+WTidle
[0043] 其中，W(x)表示節(jié)點n的能耗，Itx，Irx，Iidie表示節(jié)點n分別處于發(fā)送模式、接收模式 以及休眠模式下的工作電流，14" = ^-11也，1411=11^-11心，1加16 = 1'*11心。
[0044] 將Dtx，n和Drx，n的表達式代入，可以得到：
[0045] W(X) = [Ftx，n(X) ? Ttxt，l ? iAti+Ud-ack，l ? iAri+E [0046]其中，E是一個與x無關的量：
[0047] E= (Upr，n+SUrxt，lc) ? Tb ? lAti+ | SFtx'lc ? Trxr，lc+(Us-ack，l+Ulen，l+Uwait) ? Tb + T〇n | ? iAri+ffTidle
[0048] 其中，Trxr,i。表示子節(jié)點c通過路徑lc向節(jié)點n接收數(shù)據(jù)時所需時間。
[0049] 將 Nrtx(x)和 Ud-ack,i 代入可得：
[0051] 其中，
[0052] Un = Fn(h + x) + ^ frtx,cRic (hc + xc)
[0053] Ci = Un ? Tb ? iAti
[0054] C2 = Un # Rl # S ? iAri
[0055] 根據(jù)W(x)的表達式，并結合誤比特率導致的丟包率的情況，即：
[0056] PRR(x) = (l-BER)h+x
[0057] 其中，PRR(x)表示收包率。
[0058] 要求得最優(yōu)幀長，使得傳感器節(jié)點的能耗最小，那么就需要求W(x)的最小值及對 應的x的取值。由于式中[log2(8x)]為取整函數(shù)，令：
[0059] [ log2(8x) ] =k
[0060] 式中，k的取值根據(jù)X的大小而定，如果X的最大值取128，那么k = 3，4，……10。此時 x的取值范圍為:2k4彡x < 2^2。
[0061] 所以當 2k-3<x<2k-2時，
[0063] 對W(x)求導數(shù)，可以得到：
[0065] 其中，ai = _Ci ln(l-BER)
[0066] a2 = - (2hCi+kC2) In (1 -BER)
[0067] a3 = _[Cih2ln(l -BER) +C2hk 1 n (1 -BER) +C2k ]
[0068]由于W'（x)的表達式中，PRR(x)(h+x)2大于0,則令W'（x)=0時，可以得到：
[0069] aix2+a2X+a3 = 0
[0070] 求解得：
[0072] ai<0是不可能出現(xiàn)小于0的幀長的，因而舍掉。
[0073] 為了求得在給定區(qū)間上W(x)的最小值，則需要對每一段求出最小值之后，相比各 個最小值取在整個區(qū)間上的最小值。即：
[0074] 求區(qū)間2k-3<x<2k- 2上W(x)的最小值，記為Wmin,k(xk)，其中，
[0075] xk:二Xlx使得w(x)在區(qū)間[2k- 3,2k-2】上去最小值
[0076] 則在整個 |X:|'llj h:Wmin(X) = 記此時的 xi^XWmin，此時的抑*的 取值可能會出現(xiàn)在每個小區(qū)間的端點，以及對應的區(qū)間上的Xk2處。
[0077] 綜上所述，可以得到最優(yōu)幀長的表達式為：
[0078] xopt = fLXwmin], if 〇 < Xwmin < X_ v ^inax > else
[0079] 其中，[X2]表示對X2取整，Xmax的取值由使用的傳感器類型決定。
[0080] 本發(fā)明中涉及到的部分參數(shù)列表如下表所示：
[0082]有益效果:本發(fā)明中無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法 在數(shù)據(jù)傳輸中具有高可靠性，有利于誤碼率的準確估計，從而確定更為合適的最優(yōu)幀長。首 先，估錯碼￡￡&編而不發(fā)，包中了 EECjg夠無錯誤的反映發(fā)送數(shù)據(jù)的特征;然后，接收節(jié)點的 估錯碼EEC2反映了接收到數(shù)據(jù)的特征，將估錯碼EE&放在應答信號中發(fā)送，其好處主要是應 答信號是一個很短的數(shù)據(jù)幀，能夠以較低的誤碼率發(fā)送給發(fā)送節(jié)點，因而發(fā)送節(jié)點接收到 的估錯碼EEC 2產(chǎn)生的誤碼率將會大大減小。從而在發(fā)送端運算估計得到的數(shù)據(jù)誤碼率將會 具有更高的可靠性;通過誤碼率實時計算最優(yōu)幀長，能夠很好的實現(xiàn)幀長自適應性，而且實 時性好，能夠在復雜多變的環(huán)境下具有很高的適應能力，應變能力強;將本發(fā)明方法應用在 MAC層，能夠突出W-MAC協(xié)議的高可靠性。
【附圖說明】
[0083]圖1為本發(fā)明中無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法的流 程圖；
[0084] 圖2為本發(fā)明中高可靠性MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送過程示意圖；
[0085] 圖3為利用本發(fā)明的能耗模型得到的最優(yōu)幀長與誤碼率的關系圖；
[0086] 圖4為利用本發(fā)明的能耗模型得到的能耗與幀長度的關系圖。
【具體實施方式】
[0087] 下面結合實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0088] 圖1中無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法，包括以下步 驟：
[0089] 當有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，如果節(jié)點處于起始狀態(tài)，則對參數(shù)進行初始化，并且設置標 識，表明數(shù)據(jù)發(fā)送利用初始化參數(shù)，則不需要進行誤碼率計算和最優(yōu)幀長計算；
[0090] 然后對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行估錯碼編碼，得到編碼EEQ，并存儲在發(fā)送節(jié)點中，將數(shù) 據(jù)幀發(fā)送出去。
[0091] 當接收節(jié)點接收到數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)進行相同方式的估錯碼編碼，得到編碼EEC2,并 將EEC2放入應答信號d-ack中，發(fā)送給發(fā)送節(jié)點，并且接收節(jié)點在此時進入wait state狀 o
[0092] 發(fā)送節(jié)點接收到d-ack信號時，從中提取估錯碼EEC2,并將進行運算估 計接收節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)的誤碼率，從而判斷數(shù)據(jù)是否可用。
[0093] 如果可用，數(shù)據(jù)發(fā)送完成(這一周期只發(fā)送一幀的情況）；如果不可用，則計算當前 信道狀況下的最優(yōu)幀長，重新將數(shù)據(jù)以最優(yōu)幀長發(fā)送，確保數(shù)據(jù)的誤碼率得到有效的降低。
[0094] 如圖2所示，為高可靠性MAC協(xié)議(W-MAC協(xié)議）的數(shù)據(jù)發(fā)送過程?！?>為接收節(jié)點周 期性偵聽信道，持續(xù)時間為Tc> n，如果沒有偵聽到有發(fā)送節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)則偵聽過后進入 休眠模式，持續(xù)時間為T〇f f，因此接收節(jié)點偵聽周期為T = UTrf f。
[0095] 發(fā)送節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，則不斷廣播喚醒包(如圖1中〈2>所示），持續(xù)時間為Tpr， 然后進入偵聽模式，用于偵聽接收節(jié)點返回的應答信號，偵聽持續(xù)時間為T len。
[0096]接收節(jié)點收到喚醒包后(如圖1中〈3>所示），接收節(jié)點就會返回應答信號pr-ack告 訴發(fā)送節(jié)點可以發(fā)送數(shù)據(jù)(如圖1中〈4>所示），并對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行估錯碼編碼得到EECu [0097]發(fā)送節(jié)點接收到應答信號后，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)(如圖1中〈5>所示），發(fā)送數(shù)據(jù)持續(xù) 時間記為Td。
[0098] 接收節(jié)點數(shù)據(jù)接收完成(如圖1中〈6>所示），接收端則會發(fā)出數(shù)據(jù)接收完成得應答 信號d-ack(如圖1中〈7>所示），應答信號d-ack中包含了接收到的數(shù)據(jù)的估錯碼編碼信息， 并且接收節(jié)點會進入偵聽模式（即wait state狀態(tài)，如圖1中〈10>所示），持續(xù)時間為Twa。
[0099] 發(fā)送節(jié)點接收到應答信號d-ack后（如圖1中〈8>所示），會提取其中的估錯碼編碼 f目息，進行誤碼率估計。
[0100] 如果得到的誤碼率在可接受范圍，則數(shù)據(jù)發(fā)送完成，如圖1中〈9>進入休眠模式，或 者開始下一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送;如果誤碼率超出了可接受范圍，則如圖1中〈9>則會根據(jù)當前誤 碼率確定的最優(yōu)幀長重新發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0101] 如果在如圖1中〈10>持續(xù)時間內(nèi)接收到數(shù)據(jù)，則繼續(xù)處于工作模式，否則Twa過后進 入休眠模式。
[0102] 如圖3所示，利用本發(fā)明提出的能耗模型計算得到的最優(yōu)幀長與誤碼率變化的關 系。在模型的參數(shù)選取中，采用的是CC2430的參數(shù)，以及取辦=0.99, 8 = 3，11 = 2。該圖反映 的是誤碼率與最優(yōu)幀長的關系，這里最優(yōu)是相對于能量消耗而言。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，如 果幀長過長，將導致誤碼上升，數(shù)據(jù)重傳次數(shù)增加，從而使得數(shù)據(jù)傳輸完成所需的能耗增 加;如果幀長過短，將導致通信開銷增加，傳輸相同數(shù)據(jù)量，所需數(shù)據(jù)幀的數(shù)量增加，也會導 致數(shù)據(jù)傳輸完成所需的能量增加。當估計出當前的數(shù)據(jù)幀的誤碼率時，該誤碼率反映的是 當前的信道狀況，并通過當前誤碼率計算出的最優(yōu)幀長是在當前信道狀況下使得數(shù)據(jù)最終 成功傳輸所需能量最小的幀長。
[0103] 如圖4所示，為利用本發(fā)明提出的能耗模型，計算得到的誤碼率分別為0.0001、 0.01、0.02的情況下的能量耗損與幀長變化的關系。圖中標記了坐標則表示在當前誤碼率 下的最優(yōu)幀長，并且圖中反映的是能耗特征，并不是真實的能量消耗。當BER=0.0001時，傳 感器節(jié)點能耗在幀長為128Byte處達到最小值；當BER = 0.01時，節(jié)點能耗在幀長為50Byte 處達到最小值;當BER = 0.02時，節(jié)點能耗在幀長為46處達到最小值。
[0104]以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中 的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術構思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種等同變換，這 些等同變換均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法，包括以下步驟： (1) 發(fā)送節(jié)點將要發(fā)送的數(shù)據(jù)以初始化幀長進行聚合或分割，將該數(shù)據(jù)進行估錯碼編 碼后發(fā)送出去，得到的估錯碼記為EE&并進行存儲； (2) 接收節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)用與發(fā)送節(jié)點相同的編碼方式進行估錯碼編碼，得 到的估錯碼記為EEC2，并將其放入數(shù)據(jù)應答信號中，發(fā)回發(fā)送節(jié)點； (3) 發(fā)送節(jié)點接收應答信號，從中獲取接收節(jié)點返回的估錯碼EEC2,將估錯碼EECjP EEC2進行運算估計接收節(jié)點接收該數(shù)據(jù)幀的誤碼率； (4) 判斷該誤碼率是否在數(shù)據(jù)可用范圍，如果可用則發(fā)送節(jié)點結束該數(shù)據(jù)的發(fā)送;如果 不可用，則利用當前誤碼率以及能耗模型計算出數(shù)據(jù)的最優(yōu)幀長，利用該最優(yōu)幀長對該數(shù) 據(jù)進行重新聚合或分割后發(fā)送給接收節(jié)點。2. 根據(jù)權利要求1所述的無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法， 其特征在于，所述能耗模型為：式中，W(x)表示發(fā)送一次數(shù)據(jù)所需要的能耗，PRR(x)與誤碼率相關，表示收包率，X為發(fā) 送的數(shù)據(jù)幀長，2k-3<x<2k_2，Cl、C2、E是為簡化表達式，將能耗模型中與X無關的參量表示 出來的參數(shù)，h表示數(shù)據(jù)幀的頭部序列。3. 根據(jù)權利要求2所述的無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法， 其特征在于，利用所述能耗模型獲取到的最優(yōu)幀長1￥為：其中，[X2]表示對X2取整，Xmax的取值由使用的傳感器類型決定，Xfcin表示使得節(jié)點能耗 W( X )達到最小值時的幀長度。4. 根據(jù)權利要求1所述的無線傳感網(wǎng)絡中基于MAC協(xié)議的幀長度自適應數(shù)據(jù)傳輸方法， 其特征在于，接收節(jié)點和發(fā)送節(jié)點之間存在以下信息互通方式： 所述接收節(jié)點周期性進入偵聽模式，用以發(fā)現(xiàn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點； 當發(fā)送節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，則會發(fā)出喚醒包來喚醒接收節(jié)點，從而進入數(shù)據(jù)發(fā)送 模式； 發(fā)送節(jié)點發(fā)出喚醒包后進入偵聽狀態(tài)，偵聽接收節(jié)點返回的應答信號； 如果喚醒包在接收節(jié)點處于偵聽模式時到達，接收節(jié)點接收喚醒包并發(fā)出應答信號； 發(fā)送節(jié)點偵聽到應答信號后開始數(shù)據(jù)幀的發(fā)送； 接收節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后返回一個應答信號，并進入短暫偵聽狀態(tài)； 發(fā)送節(jié)點接收到應答信號后，會對應答信號中的信息進行處理，并判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是 否可用，如果可用，則進入休眠狀態(tài)或者進入下一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送;如果不可用，則將會將當 前的數(shù)據(jù)幀重發(fā)； 接收節(jié)點處于短暫偵聽狀態(tài)時，如果接收到了發(fā)送端的數(shù)據(jù)，則會繼續(xù)工作；如果沒 有，則認為當前數(shù)據(jù)幀為可用幀，進入休眠狀態(tài)。
【文檔編號】H04W84/18GK105959979SQ201610383103
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】張萌, 喻國芳
【申請人】東南大學