專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的容錯方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，尤其是涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的容錯方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN， Wireless Sensor Networks)的研究起源于20世紀(jì)70年代， 最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。1980年，美國國防部高級研究局(DARPA， Defense Advanced Research Projects Agency)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項目(DSN, Distributed Sensor Networks)
開啟了現(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的先河。隨后，隨著傳感器、嵌入式計算系統(tǒng)、分布式信息 處理和無線通信網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)的飛速發(fā)展使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為一種全新的信息獲 取和處理技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組分布在設(shè)定位置的多個傳感器節(jié)點以無線自組 織網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)成的面向任務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用已經(jīng)遍及航空電子、環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo) 跟蹤等領(lǐng)域，被認(rèn)為是對二十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。但由于資源的限制， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)極易出現(xiàn)故障，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)承載越來越多的應(yīng)用和服務(wù)時，網(wǎng)絡(luò)故障的影響 也將更加明顯，因此提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的容錯能力變得十分現(xiàn)實和重要。
容錯設(shè)計技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展，已經(jīng)成為一個專門的領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域中，針對大 規(guī)模集成電路、分布式系統(tǒng)、有線網(wǎng)絡(luò)都已有了很好的理論支撐，然而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
的出現(xiàn)給容錯設(shè)計技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)，因為要重新考慮以下各方面的情況
1、 技術(shù)與實現(xiàn)因素。與集成電路的封裝不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點通 常需要直接暴露在環(huán)境中，很容易受到物理、化學(xué)、生物等外力的破壞，所以傳感器節(jié) 點本身可靠性要差很多，而且成百上千的傳感器節(jié)點組成一個分布式的無線傳感器網(wǎng)
絡(luò)，在受到成本和能量限制的同時，需要完成一系列的任務(wù)，如感知、通信、信號處理、 數(shù)值計算等，這本身也是一個挑戰(zhàn)。
2、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式。 一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點常常被 部署在無人看管的惡劣或危險環(huán)境中，因此，傳感器節(jié)點極容易遭受環(huán)境的破壞而失效； 另一方面，傳感器節(jié)點本身體積較小，所配備的能源也非常有限，能源的耗盡也會導(dǎo)致 傳感器節(jié)點失效。由于傳感器節(jié)點分布廣泛且具有隨意性，物理地維護(hù)或替換失效的傳 感器節(jié)點往往是十分困難或不可能的，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有很強(qiáng)的 容錯性，以保證通信系統(tǒng)具有高可信性和高強(qiáng)壯性。
3、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是一個新興的研究和工程領(lǐng)域，處理特定問題的最優(yōu)方法還不明確。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和預(yù)期應(yīng)用還在快速地發(fā)展著，所以在無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)中特定的容錯處理技術(shù)還難以預(yù)見。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點到基 站節(jié)點的信息得到正確傳輸?shù)娜蒎e方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的容錯方 法，包括以下步驟
1) 、定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中用于感知數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點為源節(jié)點，利用現(xiàn)有的多路 徑路由算法，在源節(jié)點與基站節(jié)點之間建立2N條節(jié)點不相交的傳輸路徑；
2) 、在源節(jié)點端，將源節(jié)點感知到的原始數(shù)據(jù)分成/:個信息碼，然后使用(iV'，
RS (Reed-Solomon)糾刪碼對〖個信息碼進(jìn)行RS糾刪編碼得到iV'個碼元，7V'個碼元 包括^個冗余碼和《個信息碼，將iV'個碼元通過步驟1)建立起的2N條節(jié)點不相交的
傳輸路徑中的任意TV'條分別傳輸給基站節(jié)點，其中，iV' S 2N ， ； 表示源
節(jié)點向基站節(jié)點傳輸碼元的次數(shù)；
3) 、在基站節(jié)點端，當(dāng)源節(jié)點端第p次的信息碼或冗余碼傳輸完畢后，基站節(jié)點對
接收到的碼元進(jìn)行總個數(shù)統(tǒng)計，將統(tǒng)計得到的碼元總個數(shù)記為^，判斷^是否大于等
于信息碼的個數(shù)《，如果、大于等于《，則確定該次傳輸成功，接收到的碼元可以被成
功解碼得到原始數(shù)據(jù)；否則，確定該次傳輸失敗；
4) 、利用指數(shù)移動加權(quán)平均(EWMA， Exponentially Weighted Moving Average)方
法&+1 =(1-;0&+;1(《-^)調(diào)整下次待傳輸?shù)娜哂啻a的個數(shù)，根據(jù)調(diào)整的冗余碼個數(shù) 設(shè)置下次傳輸需要的傳輸路徑的條數(shù)為〖+「&+1"1，然后返回步驟2)進(jìn)行下一次的原 始數(shù)據(jù)的傳輸，其中，&+1為第; +1次源節(jié)點向基站節(jié)點傳輸?shù)娜哂啻a的個數(shù)，義為指 數(shù)移動加權(quán)平均記憶深度的常量，0</1<1，符號"「]"為向上取整符號。
所述的節(jié)點不相交的傳輸路徑指從源節(jié)點到基站節(jié)點之間的任意兩條傳輸路徑都 沒有相交的傳感器節(jié)點。
所述的步驟4)中；1 = 0.25。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于源節(jié)點是通過多條節(jié)點不相交的傳輸路徑來傳輸原始數(shù)據(jù)的，使得當(dāng)某個中間的傳感器節(jié)點或者單條傳輸路徑的傳輸失敗時，對原始 數(shù)據(jù)的傳輸成功的影響也很小，保證了原始數(shù)據(jù)的正確傳輸；在源節(jié)點端，源節(jié)點對信 息碼進(jìn)行糾刪編碼，這樣只要丟失的信息在糾刪碼的糾錯范圍內(nèi)時，基站節(jié)點端均能夠 恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)，也更利于數(shù)據(jù)的傳輸；本發(fā)明方法根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的鏈路狀 態(tài)，通過利用指數(shù)加權(quán)平均方法來動態(tài)的改變傳輸所需要的傳輸路徑條數(shù)，提高了系統(tǒng) 容錯能力，同時提高了碼元傳輸?shù)某晒β剩瑴p小了傳輸時總的通信量，這樣就能達(dá)到利 用最少的傳輸路徑達(dá)到最大的傳輸成功率。


圖1為具體實施例中《個信息碼通過不同傳輸路徑傳輸給基站節(jié)點的示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的容錯方法，包括以下步驟-
1) 、在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點部署完畢后，定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中用于感 知數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點為源節(jié)點，利用現(xiàn)有的多路徑路由算法，在源節(jié)點與基站節(jié)點之間 建立2N條節(jié)點不相交的傳輸路徑。在本實施例中，節(jié)點不相交的傳輸路徑是指從源節(jié) 點到基站節(jié)點之間的任意兩條傳輸路徑都沒有相交的傳感器節(jié)點。N為大于0的整數(shù)。
2) 、在源節(jié)點端，將源節(jié)點感知到的原始數(shù)據(jù)分成《個信息碼，然后使用(iV'， RS糾刪碼對尺個信息碼進(jìn)行RS糾刪編碼得到iV'個碼元，7V'個碼元包括&個冗余碼和
K個信息碼，將iV'個碼元通過步驟l)建立起的2N條節(jié)點不相交的傳輸路徑中的任意7V' 條分別傳輸給基站節(jié)點，其中，& = iV'-《，^<iV、2N， p表示源節(jié)點向基站節(jié)點
傳輸碼元的次數(shù)。初始化時，W'=N，戶=0時，J 。=W'—K。在此處，步驟2)是在步
驟l)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，步驟2)中的冗余碼的個數(shù)是依賴于步驟4)中的指數(shù)移動加權(quán) 平均方法動態(tài)調(diào)整得到的。
RS糾刪編碼為信道編碼的一種。在通信系統(tǒng)中前向糾錯碼糾正的誤碼所在的錯誤 位置事先一般是不知道的，而在刪除信道中錯誤的數(shù)據(jù)幀被遺棄，丟失的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)流
中的位置是知道的，這樣RS糾刪碼比糾錯碼處理起來更為容易， 一個(W'， iO RS糾刪碼是把K個信息碼編碼為iV'個碼元，iV'>^，使得用這7V'個碼元中的任意夂個碼元
均可重構(gòu)原來的K個信息碼。
3) 、在基站節(jié)點端，當(dāng)源節(jié)點端第p次的信息碼或冗余碼傳輸完畢后，基站節(jié)點對 接收到的碼元進(jìn)行評估即進(jìn)行接收到的碼元總個數(shù)統(tǒng)計，將統(tǒng)計得到的碼元總個數(shù)記為
、，判斷、是否大于等于信息碼的個數(shù)尺，如果、大于等于尺，則確定該次傳輸成功， 接收到的碼元可以被成功解碼得到原始數(shù)據(jù)；否則，確定該次傳輸失敗；
4) 、利用指數(shù)移動加權(quán)平均(EWMA， Exponentially Weighted Moving Average)方
法^+1 =(i-;t)A+義(《-^)調(diào)整下次待傳輸?shù)娜哂啻a的個數(shù)，如果當(dāng)前傳輸是成功的，
則可以減少下次待傳輸?shù)娜哂啻a個數(shù)，如果當(dāng)前傳輸是失敗的，則可以增加下次待傳輸 的冗余碼個數(shù)，根據(jù)調(diào)整的冗余碼個數(shù)設(shè)置下次傳輸需要的傳輸路徑的條數(shù)為
^ + 「^+J，然后返回步驟2)進(jìn)行下一次的原始數(shù)據(jù)的傳輸，其中，i^+,為第p+l次
源節(jié)點向基站節(jié)點傳輸?shù)娜哂啻a的個數(shù)，A為指數(shù)移動加權(quán)平均記憶深度的常量， 0<義<1，符號"「 "l"為向上取整符號。在本實施例中;i的值可以根據(jù)實際需要進(jìn)行合
理的配置，如取;1 = 0.25。
下面結(jié)合圖1給出一個簡單的例子來說明本發(fā)明的具體實現(xiàn)。在此，采用(7， 3) RS糾刪碼對信息碼進(jìn)行RS糾刪編碼，即原始數(shù)據(jù)分成的信息碼的個數(shù)為3，在對3個
信息碼編碼后產(chǎn)生7-3=4個冗余碼，即信息碼的個數(shù)《=3，冗余碼的個數(shù)i p初時化時
1、 由多路徑路由算法，在源節(jié)點與基站節(jié)點之間建立14條節(jié)點互不相交的傳輸路
徑；
2、 在源節(jié)點端將感知到的原始數(shù)據(jù)分成3個信息碼，然后使用(7， 3) RS糾刪碼 對3個信息碼進(jìn)行RS糾刪編碼得到7個碼元，7個碼元包括4個冗余碼，將7個碼元 通過步驟1)建立起的14條節(jié)點互不相交的傳輸路徑中的任意7條分別傳輸給基站節(jié)點；
3、 在第p次傳輸時在基站節(jié)點上統(tǒng)計收到的碼元的個數(shù)，記為i^，若接收到的碼 元的個數(shù)丄p不小于3，即原始數(shù)據(jù)可以被成功恢復(fù)；否則，不能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)即此次傳 輸失敗；
4)、利用指數(shù)加權(quán)移動平均的方法來調(diào)整冗余碼的個數(shù)^，即根據(jù)步驟3)的統(tǒng)計 結(jié)果，若此次傳輸失敗那么要增加下次傳輸時的冗余碼的個數(shù)，反之，應(yīng)該減少下次傳 輸時的冗余碼的個數(shù)，計算第/7 + 1次傳輸時所需要的冗余碼個數(shù)為&+1=(1-;i)i p+;i(3-^)， X取0.25;并設(shè)置下一次通信所需要的傳輸路徑條數(shù)為 3 + 「^+J，然后跳到步驟2)繼續(xù)執(zhí)行下一次傳輸。
權(quán)利要求
1、一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的容錯方法，其特征在于包括以下步驟1)、定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中用于感知數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點為源節(jié)點，利用現(xiàn)有的多路徑路由算法，在源節(jié)點與基站節(jié)點之間建立2N條節(jié)點不相交的傳輸路徑；2)、在源節(jié)點端，將源節(jié)點感知到的原始數(shù)據(jù)分成K個信息碼，然后使用(N′，K)RS糾刪碼對K個信息碼進(jìn)行RS糾刪編碼得到N′個碼元，N′個碼元包括Rp個冗余碼和K個信息碼，將N′個碼元通過步驟1)建立起的2N條節(jié)點不相交的傳輸路徑中的任意N′條分別傳輸給基站節(jié)點，其中，Rp＝N′-K，N′≤2N，p表示源節(jié)點向基站節(jié)點傳輸碼元的次數(shù)；3)、在基站節(jié)點端，當(dāng)源節(jié)點端第p次的信息碼或冗余碼傳輸完畢后，基站節(jié)點對接收到的碼元進(jìn)行總個數(shù)統(tǒng)計，將統(tǒng)計得到的碼元總個數(shù)記為Lp，判斷Lp是否大于等于信息碼的個數(shù)K，如果Lp大于等于K，則確定該次傳輸成功，接收到的碼元可以被成功解碼得到原始數(shù)據(jù)；否則，確定該次傳輸失敗；4)、利用指數(shù)移動加權(quán)平均方法Rp+1＝(1-λ)Rp+λ(K-Lp)調(diào)整下次待傳輸?shù)娜哂啻a的個數(shù)，根據(jù)調(diào)整的冗余碼個數(shù)設(shè)置下次傳輸需要的傳輸路徑的條數(shù)為K+「Rp+1，然后返回步驟2)進(jìn)行下一次的原始數(shù)據(jù)的傳輸，其中，Rp+1為第p+1次源節(jié)點向基站節(jié)點傳輸?shù)娜哂啻a的個數(shù)，λ為指數(shù)移動加權(quán)平均記憶深度的常量，0<λ<1，符號“「”為向上取整符號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的容錯方法，其特征在于所述的 節(jié)點不相交的傳輸路徑指從源節(jié)點到基站節(jié)點之間的任意兩條傳輸路徑都沒有相交的 傳感器節(jié)點。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的容錯方法，其特征在于所述的 步驟4)中A = 0.25。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的容錯方法，優(yōu)點在于源節(jié)點是通過多條節(jié)點互不相交的傳輸路徑來傳輸原始數(shù)據(jù)的，使得當(dāng)某個中間的傳感器節(jié)點或者單條傳輸路徑的傳輸失敗時，對原始數(shù)據(jù)的傳輸成功的影響也很小，保證了原始數(shù)據(jù)的正確傳輸；在源節(jié)點端，源節(jié)點對信息碼進(jìn)行糾刪編碼，這樣只要丟失的信息在糾刪碼的糾錯范圍內(nèi)時，基站節(jié)點端均能夠恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)，也更利于數(shù)據(jù)的傳輸；本發(fā)明方法根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的鏈路狀態(tài)，通過利用指數(shù)加權(quán)平均方法來動態(tài)的改變傳輸所需要的傳輸路徑條數(shù)，提高了系統(tǒng)容錯能力，同時提高了碼元傳輸?shù)某晒β?，減小了傳輸時總的通信量，這樣就能達(dá)到利用最少的傳輸路徑達(dá)到最大的傳輸成功率。
文檔編號H04W28/02GK101448281SQ20081016375
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者鵬 夏, 徐勇軍, 朱紅松, 陳彥明 申請人:寧波中科集成電路設(shè)計中心有限公司