[发明专利]无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络中节点数据存储和转发领域，特别涉及一种节点缓存阈值的设定更新和基于该缓存阈值的数据缓存转发控制系统及方法。

背景技术

无线传感器网络集信息获取、处理和传输为一体，为人类研究物理世界、获取物理世界的信息，提供了一种全新和有效的方式，在环境监测、灾害预报等领域将发挥重要的作用。随着物联网技术的提出和发展，无线传感器网络作为物联网的一项支撑技术，获得了更大的关注。数据的获取是无线传感器网络研究与应用的主要目的之一，数据的传输则是无线传感器网络应用的基础，而能量问题则是目前无线传感器网络应用中最大的一个瓶颈。

传感器节点在收到或者采集到数据以后，一般来说，有三种操作可以选择。第一个选择是转发，即将数据转发给下一跳节点；第二个选择是本地缓存处理，即利用本地的存储能力进行一定时间的存储，在必要的时候还进行一些对数据的处理工作，比如进行数据的重新编码等；第三种选择是丢包，即当节点本地不具备数据缓存和转发能力，即将数据丢弃的一种消极处理方式。第三种选择是设计网络协议和节点本地处理程序所尽量避免的。当无线传感器网络面向的应用实时性要求不高的时候，在延迟可以容忍的情况下，减少数据丢包是提高传感器网络可用性的主要关注点。避免数据丢包主要是增大数据转发的能力，而当数据转发的能力不足的情况下，则要利用本地的存储能力进行辅助。不过在数据转发和缓存之间存在以下需要权衡的问题：

1）数据转发频率高，造成能量消耗过大。如果节点产生或收到数据不做缓存（或者做较短时间的缓存），就立刻将数据转发出去，这样会造成数据转发频率过高。试验证明，传感器网络的数据发送和接收耗费了节点大部分的能量，而节点在进行发送和接收之前的准备工作，比如状态切换等工作、信道感知、冲突检测等，也大量地消耗了能量。在一次数据转发过程（或称之为会话）中，在满足其他条件的情况下，尽可能多的传输数据，以便减少能量的开销；

2）节点缓存数据过多，造成缓存溢出可能性增大。如果节点产生或收到数据以后，在对传输能力和未来到达的数据没有做出合适的预测和计算之前进行过多的数据存储，则可能造成在下一次数据进行传输之前，因为缓存内的数据过多而造成缓存溢出，新产生或者新收到的数据就会丢包。

因此，传感器节点能够自动、自适应地确定数据缓存和转发的时机是十分有必要的，本发明正是基于该考虑而产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统及方法，其可实现传感器节点数据的自适应聚合，减少数据频繁传输所带来的丢包问题。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种无线传感器网络节点数据缓存转发控制系统，所述的节点包括：

数据接收模块，在接收其它节点传输过来的数据或者自身传感器部件感知到的数据以后，将数据存放到节点缓存；所述控制系统包括：

数据接收与缓存监控模块，在数据接收模块接收其它节点传输过来的数据或者自身传感器部件感知到的数据以后启动，首先统计本次数据接收速率，预测下一次数据接收速率，并将该预测值转发给缓存阈值计算模块；所述数据接收与缓存监控模块还检测缓存内的数据量是否达到或超过缓存阈值，如果缓存数据量超过缓存阈值则启动数据转发启动模块；

数据转发启动模块，用于启动节点的信道检测模块，该信道检测模块检测传输信道是否空闲，并将空闲状态返回数据转发启动模块，若信道忙，等待时间常数后重新启动信道检测模块，直至信道空闲；若信道空闲则启动数据转发模块和链路速率统计模块，所述数据转发模块将节点缓存内的数据依次传送给下一跳节点，并在数据转发结束后发送停止链路速率统计信令给链路速率统计模块；

链路速率统计模块，收到数据转发启动模块的信令以后，开始统计本次数据转发的状态，在收到停止统计信令以后，结束统计，并计算本次数据转发的链路速率值，并将该值发给链路稳定性预测模块；

链路稳定性预测模块，用新收到的链路速率值计算和预测下一次数据转发的数据速率，发给缓存阈值计算模块；

缓存阈值计算模块，重新计算并更新缓存阈值。

上述数据接收与缓存监控模块中设定有统计历史数据接收速率的滑动窗口，设定接收速率的滑动窗口的预测函数，计算预测下一个工作周期内数据接收速率，并发送给缓存阈值计算模块；所述链路稳定性预测模块中设定统计历史数据转发速率的滑动窗口，设定转发速率的滑动窗口的预测函数，计算预测下一次数据转发速率；所述缓存阈值计算模块通过计算比较前述预测得到的数据接收速率和数据转发速率关系，对定义的缓存阈值进行更新。