基于动态反馈的网络数据实时收集方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络近实时数据传输领域，涉及面向点对多点的扩散网络中实时数据快速收集方法，尤其涉及基于动态反馈的网络数据实时收集方法。
背景技术
无线传感器网络是由大量传感器节点随机分布在某一特定区域通过无线通信技术自组织方式构成的网络，其目的就是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内的环境和事件。它具有部署灵活，分布式以及成本低等特点，目前已广泛应用在军事、工业和医疗等民用领域，如生态环境监测、基础设施保护，事件定位，目标跟踪等。无线传感器网络部署方式灵活方便，功能强大，其核心功能是网络中感知数据的收集，因此它常被部署在恶劣或特殊环境中进行监测数据的收集。
网络编码在擦除信道特别是无线传感器网络的数据收集中应用广泛，例如随机网络编码(RNC)、LT Codes、Growth Codes等编码方式，人们通常利用网络编码提高数据收集的效率与网络吞吐量，无速率编码被证明适合应用擦除信道或有损信道数据传输场景下进行数据收集。在多播场景中，加入随机线性编码，并利用冗余网络容量可以提高收集成功概率和鲁棒性；对于某些P2P的中内容分发场景，随机策略下的网络编码也得到应用。
一般基于网络编码技术的数据收集协议按收集的时效性通常分为两类，一类是延时数据收集协议，一类是快速数据收集协议。其中延时收集协议以LT Code为代表，它们关注的点是数据的安全存储与恢复；快速数据收集协议以Growth Codes为代表，快速收集协议着重于数据的安全收集与恢复。这些网络编码协议适用于多点感知与单点收集的网络模型，而在单点数据扩散与多点收集网络模型下适应性差。目前对这种网络模型下的收集协议研究较少，在这种网络模型下对实时数据的收集协议研究更少。传统的点对多点无线通信网络一般由一台中央监控节点(源节点)与多台远程终端节点(接收节点)组成，它们之间用多台转发层节点(中转节点)作为中转站，这种结构常常在军事通讯、水文气象分析等场景下被使用，中央监控节点产生并转发数据，数据产生后需要被快速的收集使用，这样实时的数据才会变得有意义。由于传统网络编码协议的设计并不适用于点对多点的网络收集模型，假如使用网络编码协议例如LT Code、Growth Codes会存在数据收集效率低、冗余数据包过多等缺点，并且收集末期“优惠券收集”问题会增大数据的收集延迟。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具备低收集延迟、高收集效率的适用于点对多点网络收集模型下的基于动态反馈的网络数据实时收集方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
本发明涉及的一种基于动态反馈的网络实时数据收集方法，包括以下步骤：
S1.布置节点至检测区域，节点包括源节点、接收端节点和中转节点，源节点内设有分层数据包，中转节点内设有简单码字缓存X与复杂码字缓存Y；
S2.源节点根据环境配置计算反馈时机，将反馈时机存储于反馈序列中；
S3.源节点将反馈序列添加到分层数据包中并发送分层数据包，中转节点接收到分层数据包后进行分层；
S4.源节点和中转节点对编码度值d进行初始化，中转节点初始化简单码字缓存X与复杂码字缓存Y，源节点产生源数据并将源数据切分为N个码字；
S5.源节点随机挑选缓存区码字进行编码操作，并把编码完成的数据包随机选择一个邻居节点进行交换，源节点在交换中得到中转节点的反馈数据包，根据反馈数据包执行前期严格过滤、后期概率过滤，得到发送候选包集合C，并在新的度时刻转换序列中得到本轮要发送的度值d；
S6.源节点随机生成一个候选度值б，若候选度б≤d，б值不变，否则，另б＝d，并且，源节点根据候选度值б在码字集合C中随机选取不重复的码字进行编码，并随机挑选邻居节点进行码字交换；
S7.中转节点接收到源节点发送的码字后，对码字进行译码，并将译码结果缓存在X缓存或Y缓存中；
S8.判断当前轮次是否到达延迟效应时刻，若到达延迟效应时刻，中转节点将数据包交换方式改为Pull模式，与邻居节点交换并进入下一步，若没有到达延迟效应时刻，中转节点选择度值编码数据包并进行转发，判断转发轮次是否到达反馈时刻，若没有到达反馈时刻则返回S5，若到达反馈时刻，进入下一步；
S9.当接收端节点未收齐所有码字包时，返回S5，当接收端节点收齐所有码字包时，收集过程结束。
优选地，所述步骤S2中，源节点根据环境配置计算反馈时机，环境配置包括源节点个数、接收端节点个数和数据包个数。
优选地，所述步骤S2中，反馈时机的计算利用马尔科夫算法与反馈时机概率矩阵进行求解，其具体步骤包括：
S2.1.假设当前转发层层级为l，中转节点平均邻居数为n，邻居节点中层级比自己高的邻居数为k，当第r轮次交换后，反馈包到达的层级为Xr，得到马尔科夫链的转移概率
并计算得到状态方程矩阵p：
其中，ηi,j表示状态的转移，表示状态i转移到状态j的概率。
S2.2.计算单位轮次后，各个码字传播层级期望的变化(P-I)X：
直到传输的0层为1时，说明当前数据包已经传输到源端节点；
S2.3.解以上方程，得出转发层需要的码字反馈时间序列。
优选地，所述步骤S3中，中转节点的分层具体包括：
S3.1.源节点产生一个分层数据包，其中分层数据包中携带的是一个递增的层级数据i，将其发送给邻居节点；
S3.2.邻居节点取出分层数据包中的i，将自己的层级设置为i，更新分层数据包，设置数据包中的层级信息i＝i+1，并且将这个数据包广播给自己的邻居节点；
S3.3.邻居节点如果已经接收过分层数据包，那么直接把这个数据包丢弃，否则执行返回步骤S3.2；
S3.4.重复步骤S3.2和S3.3，直到所有的转发层节点都得到层级信息。
优选地，所述S5中源节点随机挑选缓存区码字进行编码操作时，挑选步骤包括：
S5.1.设当前网络模型中的网络丢包率为α、源端节点数量为Sn，Sn默认为1、源数据包数量N、中转节点数量Fn，转发层中平均解码数为r′，计算得到中转节点在成功解码r′时收到一个度为d的数据包成功解码的概率ρr′,d，
S5.2.计算期望解码序列Rd为：
S5.3.加入反馈消息后，根据前期严格过滤、后期概率过滤准则，得到度为j时需要的理想码字数量为Aj，计算得到度转换时刻序列为：
K为对应转发轮次，Fn为中转节点的数量，∈为强度系数，
S5.3.源节点随机选择编码的数据包S，数据包S的度满足degree(S)≤j。
优选地，所述S8中，延迟效应时刻的推导步骤如下：
S8.1.设每个中转节点内的独立存储转发空间为C，本轮次交换的邻居节点缺失码字数量为m，在度分布中随机选择的度为d，那么当d≤C-m时，可得本轮编码出的码字为无用数据包的概率是：
S8.2.由理想解码序列
优选地，所述S1中，布置节点至检测区域时，源节点放置在区域边缘位置，接收端节点部署在区域另一侧，在源节点与接收端节点之间随机布置中转节点。
本发明与现有技术相比，存在的以下有益效果：
本发明利用无线传感器网络中的反馈信道，产生反馈信息并动态作用于中央节点与转发层节点，利用马尔科夫算法优化反馈时机，降低反馈信息带来的洪泛效应，并使用新的度时刻转换序列去优化网络中的数据包度值，使得实时数据的传输收集效率提高，延迟效应降低，并且提高了信道利用率，减少了网络中冗余码字数量。同时，动态调节的方式使系统鲁棒性增加，对不同环境的适应性相较于传统方法而言得到提高。
附图说明
附图1是本发明方法的总体实现框图。
附图2是抽象网络模型架构图。
附图3是网络反馈层级关系图。
附图4是转发层-源反馈数据包结构图。
附图5是转发层-转发层Pull数据包结构图。
附图6是源分层数据包结构图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本实施例面向无线网络传输中点对多点网络模型下的实时数据的快速收集。
参照附图1所示，本发明涉及的一种基于动态反馈的网络实时数据收集方法，包括以下步骤：
S1.布置节点至检测区域，节点包括源节点、接收端节点和中转节点，源节点内设有分层数据包，源节点放置在区域边缘位置，接收端节点部署在区域另一侧，在源节点与接收端节点之间随机布置中转节点，参照附图2所示；其中，中转节点内设有简单码字缓存X与复杂码字缓存Y。
S2.源节点根据环境配置计算反馈时机，环境配置包括源节点个数、接收端节点个数和数据包个数，源节点将反馈时机存储于反馈序列中，其中，反馈时机的计算利用马尔科夫算法与反馈时机概率矩阵进行求解，其具体步骤包括：
S2.1.假设当前转发层层级为l，中转节点平均邻居数为n，邻居节点中层级比自己高的邻居数为k，当第r轮次交换后，反馈包到达的层级为Xr，得到马尔科夫链的转移概率
并计算得到状态方程矩阵p：
其中，ηi,j表示状态的转移，表示状态i转移到状态j的概率。
S2.2.计算单位轮次后，各个码字传播层级期望的变化(P-I)X：
直到传输的0层为1时，说明当前数据包已经传输到源端节点；
S2.3.解以上方程，得出转发层需要的码字反馈时间序列。
S3.为了加速反馈数据包的反馈速度，本实施例加入网络反馈分层的概念，源节点将反馈序列添加到分层数据包中并发送分层数据包，中转节点接收到分层数据包后进行分层，中转节点的分层具体包括：
S3.1.源节点产生一个分层数据包，其中分层数据包的结构如附图6所示，分层数据包中携带的是一个递增的层级数据i，将其发送给邻居节点；
S3.2.邻居节点取出分层数据包中的i，将自己的层级设置为i，更新分层数据包，设置数据包中的层级信息i＝i+1，并且将这个数据包广播给自己的邻居节点；
S3.3.邻居节点如果已经接收过分层数据包，那么直接把这个数据包丢弃，否则执行返回步骤S3.2；
S3.4.重复步骤S3.2和S3.3，直到所有的转发层节点都得到层级信息，最终得到如图3所示的网络反馈层级关系图。
S4.源节点和中转节点对编码度值d进行初始化，初始化的d值为1，中转节点初始化简单码字缓存X与复杂码字缓存Y，源节点产生源数据并将源数据切分为N个码字，设其中一个码字为Ni。
S5.源节点随机挑选缓存区码字进行编码操作，挑选步骤包括：
S5.1.设当前网络模型中的网络丢包率为α、源端节点数量为Sn，Sn默认为1、源数据包数量N、中转节点数量Fn，转发层中平均解码数为r′，计算得到中转节点在成功解码r′时收到一个度为d的数据包成功解码的概率ρr′,d，
S5.2.计算期望解码序列Rd为：
S5.3.加入反馈消息后，根据前期严格过滤、后期概率过滤准则，得到度为j时需要的理想码字数量为Aj，计算得到度转换时刻序列为：
K为对应转发轮次，Fn为中转节点的数量，∈为强度系数，
S5.3.源节点随机选择编码的数据包S，数据包S的度满足degree(S)≤j。
源节点把编码完成的数据包随机选择一个邻居节点进行交换，并在交换中得到中转节点的反馈数据包，根据反馈数据包执行前期严格过滤、后期概率过滤，得到发送候选包集合C，并在新的度时刻转换序列中得到本轮要发送的度值d；
S6.源节点随机生成一个候选度值б，若候选度б≤d，б值不变，否则，另б＝d，并且，源节点根据候选度值б在码字集合C中随机选取不重复的码字进行编码，并随机挑选邻居节点进行码字交换；
S7.中转节点接收到源节点发送的码字后，执行D型解码器对对码字进行译码，并将译码结果缓存在X缓存或Y缓存中；
S8.判断当前轮次是否到达延迟效应时刻，延迟效应时刻的推导步骤如下：
S8.1.设每个中转节点内的独立存储转发空间为C，本轮次交换的邻居节点缺失码字数量为m，在度分布中随机选择的度为d，那么当d≤C-m时，可得本轮编码出的码字为无用数据包的概率是：
S8.2.由理想解码序列
若到达延迟效应时刻，中转节点将数据包交换方式改为Pull模式，与邻居节点交换，如附图5所示，为Pull数据包结构图，当转为pull模式时，请求类型会变为1，请求数据包id的位置设为本次请求所需的id，然后进入下一步；
若没有到达延迟效应时刻，中转节点为普通模式，中转节点选择度值编码数据包并进行转发，即请求类型为0，请求数据包id位置被占位符替代，邻居节点本轮假如收到的是请求包，那么Nbit对应就是请求数据包中携带的请求id对应数据包，然后判断转发轮次是否到达反馈时刻，若没有到达反馈时刻则返回S5，若到达反馈时刻，那么就会对自身解码情况进行反馈，并按照层级反向反馈，提升反馈速度，反馈数据包结构如图4所示，包含层级、以及Nbit的解码情况，当转发到比自己高一级的层级时，会将改变为当前层级值，并继续转发，直到转发到源端，源端更新自己的过滤网，在下一轮的转发中使用，然后进入下一步；
S9.当接收端节点未收齐所有码字包时，返回S5，当接收端节点收齐所有码字包时，收集过程结束，停止本代数据的传输。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。
