一種無線傳感器網絡點對點傳輸協議制造技術

本發明專利技術公開了一種無線傳感器網絡點對點傳輸協議，該協議支持基站和節點間雙向可靠的數據傳輸，包括在基站和節點之間建立邏輯傳輸通道、數據傳輸、拆除邏輯傳輸通道，鏈路異常處理，由于本發明專利技術引入基于邏輯傳輸通道的思想，基站僅需一次廣播在基站與節點之間建立邏輯傳輸通道。邏輯傳輸通道上的節點以特定策略緩存未收到ＡＣＫ的數據包，減少數據包傳輸失敗時的端到端重傳，減少重傳距離和數據包數量，從而降低網絡能耗以及協議的復雜性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)傳輸，更具體地說 是一種無線傳感器網絡點對點的傳輸協議。
技術介紹
無線傳感器網絡在節點代碼遠程更新、節點查詢、網絡配置等應用中對可靠性要 求較高。在代碼更新應用中，基站將程序通過無線傳輸到遠程節點，需要消耗大量能量保證 代碼數據的絕對完整性。節點查詢中，基站將查詢要求發送到網絡，目的節點將查詢結果， 包括節點剩余能量、節點位置、節點周圍環境數據等發回基站，由于查詢請求和響應都是以 多跳方式傳輸，路徑上任何一跳的數據丟失將導致查詢過程失敗；網絡配置中，基站將配置 命令和配置參數發送到目的節點，“鏈路”失效會導致配置失敗。網絡傳輸層主要功能是保證數據從源節點到目的節點的可靠性傳輸質量，支持多 種應用層協議。對于WSN來說，由于采用低質量無線信道，經常引起數據包丟失，因此必須 保證數據包的可靠傳輸。在傳統互聯網的TCP/IP中，傳輸層數據包交付失敗主要是由擁塞 所引起，TCP使用三次握手、滑動窗口、端到端重傳等機制保證數據包從源主機可靠地傳輸 到目的主機。但無線通信的數據包交付失敗主要是因為傳輸數據包丟失，對于WSN能量有 限和輕量級傳輸要求來說，這些機制并不適用，尤其是端到端重傳最為消耗能量。因為WSN 逐跳數據包丟失率高于傳統網絡，大量的端到端重傳會影響傳輸的吞吐量、延遲和能耗。國外從2002年就有研究人員開始關注于傳感器網絡的可靠傳輸問題，取得了一 定的成果。然而，不同的應用背景對可靠性需求有一定差異，現有大部分的傳輸協議是針對 特定應用所開發，沒有通用的傳感器網絡可靠傳輸協議。根據近年無線網絡融合趨勢及管 理配置的需求來看，獨立而不依賴于特定的路由和MAC機制的傳輸協議，可為不同的應用 提供統一的可靠性保證。PSFQ是第一個傳輸協議，其基本思想是在逐跳傳輸分組時，上一跳節點以較慢的 速率發送分組數據，下一跳節點發現分組數據丟失后，立即向上一跳節點請求重傳。針對代 碼更新應用，基站將更新程序發送到全網，節點收到完成的程序代碼后更新。PSFQ保證在惡 劣環境中最小化丟失檢測和丟失數據發送所需要的數據傳輸量。它是一種一對多下行數據 分發傳輸協議，但由于采用基于單純的NACK的確認機制，PSQF協議不能發現所有分組數據 都丟失的情況。ESRT針對緊急事件報告應用，在基站端實現，基于可靠性要求和網絡擁塞狀況，使 用擁塞控制組件降低能耗和提高事件報告的可靠性，它是一種多對一上行數據匯聚傳輸協 議。RMST在定向擴散路由基礎上，提供數據包傳輸的可靠性，使用選擇NACK配置網內緩存 和修復，是一種一對一可靠傳輸協議。DTC意圖將TCP/IP應用于WSN，引入緩存機制，使用局部緩存、局部重傳代替代價 昂貴的端到端重傳。該協議假設在發送節點、接收節點之間存在一“鏈”式拓撲，數據包通 過“鏈”上節點逐跳傳輸到接收節點，使用spatial IP address提供路由支持。在傳輸過程中，中間節點通過依賴MAC層的ACK應答判斷一個數據包是否成功轉發到下一跳，如果轉 發失敗，則在當前節點緩存該數據包。接收方在指定時延內沒收到數據包，采用否定應答方 式逐包逐跳請求重發，中繼節點收到重傳請求后，如果發現請求重傳的分片在此緩存，則啟 動局部重傳，發送數據包給接收節點，否則將重傳請求向前一跳節點轉發，如果數據包沒有 被中間節點緩存，則重傳請求到達源端后啟動端到端的重傳。DTC在每個中繼節點上只緩存 一個分片，如果η個數據包在同一中繼節點傳輸失敗則有η-1個包無法緩存，只能采取端到 端重傳；而且DTC的緩存依賴于MAC層的應答，協議獨立性不好。GARUDA考慮了基站到節點數據分發的靠性問題，提出了一種基站到網絡可靠數據 分發協議框架。從本質上看，GARUDA定義的可靠性是選擇出期望接收sink節點數據分組 的節點集合，但在這個集合中的節點都需要收到sink節點發送的所有分組，而且GARUDA采 用高能量的WFP脈沖，對傳感器節點提出了較高的要求。ERTP主要為數據流可靠傳輸設計， 使用統計可靠性來保證多個傳感器節點將數據流發送到基站
技術實現思路
針對傳感器網絡中節點更新、管理配置等部分應用對可靠性傳輸的需求，本 專利技術提供一種基站和網內節點間可靠的點對點無線傳感器網絡傳輸協議(A Reliable Point-to-point Transport Protocol of Wireless Sensor Network，以下簡禾爾 RPTP)，該 協議支持基站和節點間雙向可靠的數據傳輸，以降低基站-節點數據傳輸中多次廣播造成 的通信上行和下行不對稱導致的網絡負載加大，使數據包傳輸量、ACK數量最小化。實驗結 果顯示，采用本專利技術的方案，RPTP在鏈路丟包率超過10%時，數據包和ACK包的傳輸量均低 于 DTC。為了實現上述技術任務，本專利技術采用以下技術方案予以實現一種無線傳感器網絡點對點傳輸協議，該協議在基站與節點之間引入邏輯傳輸通道， 基站通過該邏輯傳輸通道僅需一次廣播，邏輯傳輸通道上的各節點啟動進入緩存式傳輸， 具體包括(1)在基站和節點之間建立邏輯傳輸通道首先源節點發起建立邏輯傳輸通道，當選擇源節點判斷是基站時，向其它節點發送廣 播興趣包；非目的節點收到廣播興趣包后根據自身維護的到基站距離，選擇轉發廣播興趣 包給離基站更遠的節點，確保興趣包到達網內每個節點；當目的節點收到廣播興趣包時，發送邏輯傳輸通道建立數據包，某個節點收到邏輯傳 輸通道建立數據包，根據節點類型進行不同處理如果是基站，邏輯傳輸通道建立完畢，基站向目的節點發送一個特殊的邏輯傳輸通道 建立數據包，即數據包的跳數為255，通知節點邏輯傳輸通道建立完畢，進入數據傳輸；如果是中間節點，則將節點維護定時器設定為邏輯傳輸通道建立數據包中估計的往返 延RTT的2倍，建立邏輯傳輸通道LTC信息，記錄該信息，并將邏輯傳輸通道LTC信息下行 鏈路的上一跳地址設置成當前地址，同時將當前邏輯傳輸通道的跳數加1，然后轉發邏輯傳 輸通道建立數據包，啟動定時器維護進程；如果邏輯傳輸通道建立數據包的跳數為255，即 收到基站確認通道建立的數據包，則重置定時器，直接轉發。定時器維護進程啟動后，如果 在定時周期內，有數據包經過，則重置定時器，如果直到定時器超時而未收到任何數據包，則認為邏輯傳輸通道出現故障，則清除一切邏輯通道相關信息。如果由非基站節點發起建立邏輯通道，則從上述目的節點發送邏輯傳輸通道建立 數據包步驟開始，在節點和基站之間建立邏輯傳輸通道。(2)數據傳輸目的節點啟動節點維護定時器并在設定的往返時延內發送主動ACK包時，請求發送數 據包對接收窗口進行填充，當源節點收到主動ACK包時，發送要傳輸的數據包；數據包沿建 立的邏輯傳輸通道逐跳傳遞，當收到數據包的節點是中繼節點時，中繼節點檢查當前數據 包是否被邏輯傳輸通道上的節點緩存，即緩存標志是否置位，當該緩存標志已經確認置位 時，提取數據包中的地址信息，并與邏輯傳輸通道信息進行異或運算得到轉發地址，轉發數 據包；當緩存標志沒有置位時，對此數據包以設定概率r進行本地緩存，置位緩存標志，然 后對該邏輯傳輸通道信息進行異或運算得到轉發地址后轉發數據包；當目本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種無線傳感器網絡點對點傳輸協議，其特征在于，該協議在基站與節點之間引入邏輯傳輸通道，基站通過該邏輯傳輸通道僅需一次廣播，邏輯傳輸通道上的各節點啟動進入緩存式傳輸，具體包括：（１）在基站和節點之間建立邏輯傳輸通道：首先源節點發起建立邏輯傳輸通道，當選擇源節點判斷是基站時，向其它節點發送廣播興趣包；非目的節點收到廣播興趣包后根據自身維護的到基站距離，選擇轉發廣播興趣包給離基站更遠的節點，確保興趣包到達網內每個節點；當目的節點收到廣播興趣包時，發送邏輯傳輸通道建立數據包，某個節點在本地緩存，則清空本地緩存中的數據包，向前一跳轉發主動ＡＣＫ包；如果主動ＡＣＫ所含序號的數據包被本地緩存，將ＡＣＫ中包含的該序號刪除，如果還請求其它序號的數據包，則轉發更新后的數據包；然后將本地緩存中的ＡＣＫ請求數據包緩存標志復位后，以當前節點作為新的源節點發起轉發數據包；當收到主動ＡＣＫ包的節點判斷不是源節點且該中繼節點不具有緩存時，直接轉發主動ＡＣＫ包；（３）拆除邏輯傳輸通道：當數據傳輸完成后，基站發送拆除邏輯傳輸通道興趣包，節點收到后，如果收到拆除興趣包的節點是目的節點時，表明邏輯傳輸通道拆除完畢；當收到拆除邏輯傳輸通道興趣包的節點不是目的節點時，將邏輯傳輸通道信息中的跳數減１，根據邏輯通道信息向網內下一跳節點轉發拆除邏輯傳輸通道興趣包，并清除邏輯傳輸通道ＬＴＣ信息，直到目的節點收到興趣包，邏輯傳輸通道拆除完畢。收到邏輯傳輸通道建立數據包，根據節點類型進行不同處理：如果是基站，邏輯傳輸通道建立完畢，基站向目的節點發送一個特殊的邏輯傳輸通道建立數據包，即數據包的跳數為２５５，通知節點邏輯傳輸通道建立完畢，進入數據傳輸；如果是中間節點，則將節點維護定時器設定為邏輯傳輸通道建立數據包中估計的往返延ＲＴＴ的２倍，建立邏輯傳輸通道ＬＴＣ信息，記錄該信息，并將邏輯傳輸通道ＬＴＣ信息下行鏈路的上一跳地址設置成當前地址，同時將當前邏輯傳輸通道的跳數加１，然后轉發邏輯傳輸通道建立數據包，啟動定時器維護進程；如果邏輯傳輸通道建立數據包的跳數為２５５，即收到基站確認通道建立的數據包，則重置定時器，直接轉發。定時器維護進程啟動后，如果在定時周期內，有數據包經過，則重置定時器，如果直到定時器超時而未收到任何數據包，則認為邏輯傳輸通道出現故障，則清除一切邏輯通道相關信息；如果由非基站節點發起建立邏輯通道，則從上述目的節點發送邏輯傳輸通道建立數據包步驟開始，在節點...

【技術特征摘要】
一種無線傳感器網絡點對點傳輸協議，其特征在于，該協議在基站與節點之間引入邏輯傳輸通道，基站通過該邏輯傳輸通道僅需一次廣播，邏輯傳輸通道上的各節點啟動進入緩存式傳輸，具體包括(1)在基站和節點之間建立邏輯傳輸通道首先源節點發起建立邏輯傳輸通道，當選擇源節點判斷是基站時，向其它節點發送廣播興趣包；非目的節點收到廣播興趣包后根據自身維護的到基站距離，選擇轉發廣播興趣包給離基站更遠的節點，確保興趣包到達網內每個節點；當目的節點收到廣播興趣包時，發送邏輯傳輸通道建立數據包，某個節點收到邏輯傳輸通道建立數據包，根據節點類型進行不同處理如果是基站，邏輯傳輸通道建立完畢，基站向目的節點發送一個特殊的邏輯傳輸通道建立數據包，即數據包的跳數為255，通知節點邏輯傳輸通道建立完畢，進入數據傳輸；如果是中間節點，則將節點維護定時器設定為邏輯傳輸通道建立數據包中估計的往返延RTT的2倍，建立邏輯傳輸通道LTC信息，記錄該信息，并將邏輯傳輸通道LTC信息下行鏈路的上一跳地址設置成當前地址，同時將當前邏輯傳輸通道的跳數加1，然后轉發邏輯傳輸通道建立數據包，啟動定時器維護進程；如果邏輯傳輸通道建立數據包的跳數為255，即收到基站確認通道建立的數據包，則重置定時器，直接轉發。定時器維護進程啟動后，如果在定時周期內，有數據包經過，則重置定時器，如果直到定時器超時而未收到任何數據包，則認為邏輯傳輸通道出現故障，則清除一切邏輯通道相關信息；如果由非基站節點發起建立邏輯通道，則從上述目的節點發送邏輯傳輸通道建立數據包步驟開始，在節點和基站之間建立邏輯傳輸通道；(2)數據傳輸目的節點啟動節點維護定時器并在設定的往返時延內發送主動ACK包時，請求發送數據包對接收窗口進行填充，當源節點收到主動ACK包時，發送要傳輸的數據包；數據包沿建立的邏輯傳輸通道逐跳傳遞，當收到數據包的節點是...

【專利技術屬性】
技術研發人員：房鼎益，段任，劉晨，陳曉江，王舉，黃學青，邢天璋，高寶健，張遠，何路，陳峰，
申請(專利權)人：西北大學，
類型：發明
國別省市：87[中國|西安]