[发明专利]基于随机线性网络编码的协作通信方法

说明书

技术领域

本发明针对的是无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)及其协作通信方法，具体地说，是涉及到无线传感器网络中的网络编码和协作通信方法及其可靠性等性能。

背景技术

无线传感器网络是近十年来兴起的一项网络技术，它集嵌入式系统、无线通信技术、计算机网络技术等高新技术于一身，有着广阔的应用前景，因此在学术界吸引了世界各国高校及研究机构的目光；在工业界也逐步得到工业巨头们的重视，目前已有无线传感器网络产品被广泛应用于军事、工业、交通、农业、医疗等多个领域。

无线传感器网络由大量分布于监测区域的传感器节点组成，这些传感器节点通过无线自组织的方式构成网络。传感器节点通过安装在其上面的各类传感器(如温度传感器、湿度传感器、光照传感器等)探测相应的环境参数数据后，经过本地初步处理之后通过网络路由协议找出到达汇聚节点的路径，然后将数据发送至下一跳节点。下一跳节点经过存储转发的方式(或将数据与本地数据进行数据融合后)将数据发送到再下一跳节点，直至将数据传送到汇聚节点。汇聚节点将收到的数据进行汇总处理，然后通过公共通信网络，如卫星、互联网和移动通信网络等途径将数据发送至管理终端。

由于监控区域一般位于环境恶劣的地方，不便或不可能提供持续性电源或持续性电源的提供机制复杂有待解决，因此，传感器节点一般采用电池供电。另外，由于成本和体积的限制，传感器节点的硬件配置很低，数据处理和存储能力、无线通信能力有限，通信可靠性较低。由此可以看出，一些在计算机网络和无线自组网(Ad-hocNetwork)中常用的通信协议并不能直接用在无线传感器网络中。为了提高WSN中的通信可靠性，很有必须设计适用于无线传感器网络的简单高效通信协议。

发明内容

本发明设计了一种可靠的基于随机网络编码的协作通信方法(Network Coding Based Cooperative Communication Scheme，NCCC)，以较低的实现复杂度提高无线传感器网络中的通信可靠性。为了达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：

NCCC协作通信是基于簇的传输方法。该NCCC方法充分利用了无线通信的广播特性，通过一发多收的方式降低因单条无线链路问题而导致通信失败的概率。同时，在每次进行数据发送前每个正常工作的节点进行状态广播，这样可以使得每个正常工作的节点掌握其他节点的工作状态。当存在节点失效时，符合条件的节点自动充当失效节点，代为完成发送任务，以降低节点失效对通信可靠性的影响。

节点对数据包进行线性网络编码，每次只发送编码后的数据包，接收端只需接收到足够的符合解码条件的数据包即可解码出源数据包，而不需要接收所有数据包。因此，在有个别通信链路或节点失败的情况下仍可通信成功，提高了通信的可靠性。在进行线性网络编码时，采用随机网络编码的方式，即在有限域上随机产生编码向量并对数据进行线性组合。随机网络编码本身可以大大降低编码时的实现复杂度，使其易于在资源有限的传感器节点上实现。但是，随机产生的编码向量存在一定的概率(记为p_N，M)不符合解码条件，从而使得通信误包率(Packet Error Rate，PER)存在一个p_N，M的下限值，当M、N值满足一定条件时，p_N，M的值可以做到非常小。

附图说明

图1系统模型

图2源簇状态广播阶段节点的处理流程

图3源簇编码发送处理流程

图4封包格式

图5中间簇状态广播节点的处理流程

图6中间簇节点再编码过程

图7中间簇数据再编码发送流程

图8单跳情况下各种方法(或算法)的性能对比

图9各种方法的PER在不同跳数情况下的性能比较

图10多跳情况下各种方法的时延性能对比

具体实施方式

NCCC协作通信所用的数据处理方法主要包括源节点所在簇(源簇)的处理过程、中间簇的处理方法以及目的节点所在簇(目的簇)的处理过程。下面结合附图对本发明进一步说明。

1.源簇的处理方法分为三个阶段：源节点数据包广播阶段、簇内各节点状态广播及发送队列构建阶段和簇内各节点编码和数据发送阶段。

阶段一：源数据包广播。

源节点将需要发送给目的节点的源数据包通过广播的方式发送给簇内其他节点。

阶段二：状态广播阶段及发送队列构建阶段。