本发明涉及一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法包括以下步骤：S1：确定传感器数据流的组成形式以及其在网络中的传输流程；S2：根据网络链路质量建立数据流重传反馈模型，并分析网络对整体数据流的服务能力；S3：对原始数据流以及重传数据流进行优先级调度，确定分配给原始数据流的服务带宽；S4：分析传感器输入数据流在整个端到端网络系统中的延迟组成，得到其固定时延以及可变时延的组成成分；S5：计算由网络服务能力造成的网络端到端可变时延；S6：得到待分析数据流的端到端网络的时延上界。本方法不仅保证了工业无线通信的实时性，还能在网络搭建之初对网络端到端通信延迟进行定量分析，有助于控制工业无线通信的实时性。
1.一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：确定传感器数据流的组成形式以及其在网络中的传输流程；
S2：根据网络链路质量建立数据流重传反馈模型，并分析网络对整体数据流的服务能力；
S3：对原始数据流以及重传数据流进行优先级调度，确定分配给原始数据流的服务带宽；
S4：分析传感器输入数据流在整个端到端网络系统中的延迟组成，得到其固定时延以及可变时延的组成成分；
S5：计算由网络服务能力造成的网络端到端可变时延；
2.根据权利要求1所述的一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法，其特征在于：在步骤S1中，首先确定待分析数据流的组成成分r(平均速率)、b(最大数据突发量)，以及数据流在网络中的传输流程，形成数据流传输流程图，包括：S11：根据数据流上传周期以及突发数据量确定数据流到达曲线；
S12：流程图按照待分析数据流在传输过程中经过的无线链路以及转发路由依次形成；
S13：给流程图中的每个网络设备进行编号，分析每一个设备的输入输出数据流αi的组成ri和bi，或把整个端到端网络等效为一个服务系统，确定其等效输入数据流。
3.根据权利要求1所述的一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法，其特征在于：在步骤S2中，根据无线信道特性及相关标准规定，确定待分析网络为数据流提供的服务带宽以及分配的时隙，确定数据传输流程图中每一级设备为其子设备提供的服务延迟曲线，并根据网络链路质量(主要是信道误码率)建立数据流重传模型，包括：S21：根据IEEE802.15.4标准规定的传输机制以及作用在无线信道上的重传机制，求出分配的网络为每个时隙分配的最小服务速率RTS；
S22：对无线信道建立重传反馈模型，确定由链路有损而导致的重传数据流对网络的反馈作用，确定重传数据流到达曲线。
4.根据权利要求1所述的一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法，其特征在于：在步骤S3中，对原始数据流以及重传数据流进行优先级调度，确定分配给原始数据流的服务带宽，包括：S31：在设备端，根据数据流重传次数对数据流进行优先级调度，对重传次数较大的数据流赋予更高的权值，保证数据流的实时性；
S32：根据S31中分配的权值大小对原始数据流以及重传数据流进行优先级调度，分配合适的带宽比例；
S33：按照步骤S1中取得的网络传输流程中每一个设备端的数据流到达曲线，合理划分网络时隙，以保证数据流在传输过程不会因网络服务能力有限而产生丢包以及实时性数据的可靠性传输，并确定网络基于速率-延迟的服务曲线；
S34：重复上述过程，得到数据流传输流程中，每一个设备为数据流分配的保留带宽，即网络中各个设备为数据流提供的服务曲线。
5.根据权利要求1所述的一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法，其特征在于：在步骤S4中，确定待分析数据的在传输过程中的延迟组成，根据数据流传输过程以及IEEE 802.15.4标准规定，构建如下的网络端到端的延迟表达式：其中，n为发送一个完整数据包所需要的分片数量，t为一次分片重组所需时间，为数据流经过流程图中的m个转发设备所产生的发送时延，C为IEEE 802.15.4标准规定的服务能力，其值250kbps，表达式的前两项为固定时延，主要与数据包长度与无线信道特性有关；Tiv则表示传输数据流经过网络流程图中第(i+1)个转发设备时所产生的可变时延。
6.根据权利要求1所述的一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法，其特征在于：在步骤S5中，计算由网络服务能力造成的网络端到端可变时延，包括：S51：根据网络路由机制确定端到端的传输机制、分片重组机制，建立网络服务模型，求解模型服务曲线；
S52：根据无线信道特性(信道误码率)计算出数据包传输成功的概率，进而根据S51中确认的传输机制确定传输一次数据包所需要的期望传输次数；
S53：确定数据流在流程图中各个设备处的可变延迟，给出计算公式：
其中，Ti为服务延迟，Ri为最小服务速率,bi为最大数据突发
S54：由S51、S52确定在一定误码率情况下端到端系统的可变延迟。
7.根据权利要求1所述的一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法，其特征在于：在步骤S6中，根据步骤S4和步骤S5，得到待分析数据流在有损链路情况下基于重传反馈的网络端到端时延上界值，重复以上过程，得到基于重传反馈计算无线传感器网络端到端延迟上界的目的。
基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法。
背景技术
[0002] 近年来，无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)技术发展迅速，并被广泛用于军事应用、自然环境监测、工业生产监测、医疗保健和智能家居等各个方面，是当前的研究热点之一。但是无线传感器网络由于受环境影响，无线链路相对不稳定，无线链路通常需要以多跳的方式进行数据传输，并且由于大量无线传感器网络的应用都需要提供实时保证性服务，对无线传感器网络端到端的延迟上界的研究也就成了关键问题之一。
[0003] 目前对无线传感器网络的研究，主要集中在基于IEEE802.15.4当中的介质访问子层展开的研究，对网络延迟的分析主要是采用随机排队理论、概率论等方法研究，没有考虑与实际网络的拟合程度，实际应用要求的是网络的稳定性及确定性，而不存在某个概率的确定性。网络演算作为一种新的定量分析网络中的确定性排队理论的工具，自Chang和Cruz开创以来，已成功用于TCP网络拥塞、接入以及拓扑控制、实时工业以太网分析、传感器网络的性能分析，并取得了令人满意的结果。
[0004] 然而对于无线传感器网络的确定性延迟研究还存在以下问题：(1)在分析网络最低服务能力时，没有考虑重传机制对于网络有效服务能力的影响；(2)在分配网络带宽资源时，较少考虑到采集终端数据流输入速率与网络服务能力的关联。(3)目前针对无线传感器网络演算建立的模型较为单一，没有考虑到由于网络链路质量而造成的丢包重传对于网络的反馈作用，重传数据流和原始数据流竞争造成的延迟也没有一个具体的分析模型。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法，该方法通过确定传感器数据流采集上传周期、数据流报文大小以及网络的最小服务能力，考虑到在实际环境中信道误码率而造成的重传数据对于网络的负反馈作用，不仅能够在网络构建之初对网络资源进行合理分配，并且能够更加精确的确定网络传输延迟上界。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端时延上界评估方法，该方法包括以下步骤：
[0008] S1：确定传感器数据流的组成形式以及其在网络中的传输流程；
[0009] S2：根据网络链路质量建立数据流重传反馈模型，并分析网络对整体数据流的服务能力；
[0010] S3：对原始数据流以及重传数据流进行优先级调度，确定分配给原始数据流的服务带宽；
[0011] S4：分析传感器输入数据流在整个端到端网络系统中的延迟组成，得到其固定时延以及可变时延的组成成分；
[0012] S5：计算由网络服务能力造成的网络端到端可变时延；
[0013] S6：得到待分析数据流的端到端网络的时延上界。
[0014] 进一步，在步骤S1中，首先确定待分析数据流的组成成分r(平均速率)、b(最大数据突发量)，以及数据流在网络中的传输流程，形成数据流传输流程图，包括：
[0015] S11：根据数据流上传周期以及突发数据量确定数据流到达曲线；
[0016] S12：流程图按照待分析数据流在传输过程中经过的无线链路以及转发路由依次形成；
[0017] S13：给流程图中的每个网络设备进行编号，分析每一个设备的输入输出数据流αi的组成ri和bi，或把整个端到端网络等效为一个服务系统，确定其等效输入数据流。
[0018] 进一步，在步骤S2中，根据无线信道特性及相关标准规定，确定待分析网络为数据流提供的服务带宽以及分配的时隙，确定数据传输流程图中每一级设备为其子设备提供的服务延迟曲线，并根据网络链路质量(主要是信道误码率)建立数据流重传模型，包括：
[0019] S21：根据IEEE802.15.4标准规定的传输机制以及作用在无线信道上的重传机制，求出分配的网络为每个时隙分配的最小服务速率RTS；
[0020] S22：对无线信道建立重传反馈模型，确定由链路有损而导致的重传数据流对网络的反馈作用，确定重传数据流到达曲线。
[0021] 进一步，在步骤S3中，对原始数据流以及重传数据流进行优先级调度，确定分配给原始数据流的服务带宽，包括：
[0022] S31：在设备端，根据数据流重传次数对数据流进行优先级调度，对重传次数较大的数据流赋予更高的权值，保证数据流的实时性；
[0023] S32：根据S31中分配的权值大小对原始数据流以及重传数据流进行优先级调度，分配合适的带宽比例；
[0024] S33：按照步骤S1中取得的网络传输流程中每一个设备端的数据流到达曲线，合理划分网络时隙，以保证数据流在传输过程不会因网络服务能力有限而产生丢包以及实时性数据的可靠性传输，并确定网络基于速率-延迟的服务曲线；
[0025] S34：重复上述过程，得到数据流传输流程中，每一个设备为数据流分配的保留带宽，即网络中各个设备为数据流提供的服务曲线。
[0026] 进一步，在步骤S4中，确定待分析数据的在传输过程中的延迟组成，根据数据流传输过程以及IEEE 802.15.4标准规定，构建如下的网络端到端的延迟表达式：
[0027]
[0028] 其中，n为发送一个完整数据包所需要的分片数量，t为一次分片重组所需时间，为数据流经过流程图中的m个转发设备所产生的发送时延，C为IEEE 802.15.4标准规定的服务能力，其值250kbps，表达式的前两项为固定时延，主要与数据包长度与无线信道特性有关；Tiv则表示传输数据流经过网络流程图中第(i+1)个转发设备时所产生的可变时延。
[0029] 进一步，在步骤S5中，计算由网络服务能力造成的网络端到端可变时延，包括：
[0030] S51：根据网络路由机制确定端到端的传输机制、分片重组机制，建立网络服务模型，求解模型服务曲线；
[0031] S52：根据无线信道特性(信道误码率)计算出数据包传输成功的概率，进而根据S51中确认的传输机制确定传输一次数据包所需要的期望传输次数；
[0032] S53：确定数据流在流程图中各个设备处的可变延迟，给出计算公式：
[0033] 其中，Ti为服务延迟，Ri为最小服务速率,bi为最大数据突发量；
[0034] S54：由S51、S52确定在一定误码率情况下端到端系统的可变延迟。
[0035] 进一步，在步骤S6中，根据步骤S4和步骤S5，得到待分析数据流在有损链路情况下基于重传反馈的网络端到端时延上界值，重复以上过程，得到基于重传反馈计算无线传感器网络端到端延迟上界的目的。
[0036] 本发明的有益效果在于：本发明提供的方法在一般网络演算模型基础上，考虑到重传数据流对原始数据流的资源竞争状况，对重传数据流重新划分服务带宽，在保障原始数据流优先级的情况下，优先保障重传次数高的数据流的实时性。这不仅保证了工业无线通信的实时性，还能在网络搭建之初对网络端到端通信延迟进行定量分析，有助于控制工业无线通信的实时性。
附图说明
[0037] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0038] 图1为本发明提供的基于重传反馈的无线传感网络端到端时延上界评估方法的流程图；
[0039] 图2为本发明提供的基于重传反馈的无线传感器网络传输模型；
[0040] 图3为本发明提供的无线传感器网络重传反馈模型及网络演算原理图；
[0041] 图4为本发明提供的实施例的无线信道传输规范原理图。
具体实施方式
[0042] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0043] 本实施例中的无线传感器网络拓扑图如图2，其配置如下：无线传感器网络工作在IEEE802.15.4规定的2.4G频段下，信道为对称模型。以一个网络中的链路为例，网络链路为非理想链路，主要体现为存在一定的信道误码率。设定输入数据流数据流的到达速率为0.2kbps，其中每个数据包大小为127bytes，若数据帧传输过程中出现丢包错报的情况，根据是否收到ACK确认帧判断是否需要重传。
[0044] 本发明一种基于重传反馈的无线传感器网络端到端延迟上界的计算方法，其流程图如图1所示，该方法具体步骤如下：
[0045] 步骤一：确定无线网络传感器数据流的流向及组成成分，画出其流程图，见图2，然后根据流程图求出在网络中每一个设备处数据流的输入输出形式，或将整个网络等效为一个服务系统，求解系统的输入输出形式。具体实现过程如下：
[0046] 1)对于流程图2中的无线传感器网络输入流，根据数据包到达速率以及网络具体情况，确定实时数据流在网络设备1处到达曲线α1＝0.2t+0.1；
[0047] 2)确定网络路由模式，判断路由机制使用的链路层路由机制还是网络层路由机制，根据不同的路由机制确定不同的服务分析模型；
[0048] 3)若无线网络使用的是网络层路由机制，由于在传输过程数据包使用的是IP地址，而对于分片数据包而言，通常IP地址封装在首个分片数据包中，同一个IP数据包的后续分片数据包根据分片标识符以及分片偏移量确认分片数据包类型以及分批按次序。对于这种类型的网络采用的是在每一跳过程中对数据包进行分片重组以及校验，若数据包出错则需要重新传输。在这种情况下，须确认在每一个网络设备端数据流的输入输出曲线；
[0049] 4)若无线网络使用的是链路层路由机制，传输过程中数据包使用的是MAC层封装的MAC地址，即每一个分片数据包都携带有网络设备能够识别的地址。对于这种类型的网络，将整个网络等效为一个端到端服务系统，在输入端对数据包进行分片，在输出端对数据包进行重组校验，若数据包出错，则整个数据包需重新传送。在这种情况下，整个端到端系统的输入流到达曲线即为网络设备1处数据流到达曲线。
[0050] 步骤二，根据网络链路质量(主要是信道误码率)建立数据流重传反馈模型，并分析网络服务能力；根据无线信道特性及相关规定，确定待分析网络为数据流提供的服务带宽以及分配的时隙，确定数据传输流程图中每一级设备为其子设备提供的服务延迟曲线。具体实现过程如下：
[0051] 1)首先确认一个时隙内网络设备能够有效传输的MAC层最大数据帧传输量。由于IEEE802.15.4规定的MAC层最大传输帧长为127个字节，对于分片的数据包而言，需确认一个时隙内能够传输最大数据帧的时间，给出其计算公式：进而确认单个时隙内
传输最大数据帧的数量 式中TS为分配时隙的大小，通过下文对链路信道模型的分析可以得出其中，MPDUmax为MAC最大传输帧长度，C为2.4G频段最大传输速率(250kbps)，LIFS表明MAC帧长不小于144bits，Renum表示重传次数，μ为1表示需要重传，为0则不需要重传，ack代表MacACKDuration这一常量；
[0052] 2)若1)所余时隙不能够传输一个最大数据帧则采用如图4所示的传输模式进行传输，首先给出计算剩余时隙大小的公式： ΔIFS视数据帧长度是否大于aMaxSIFSFrameSize决定，采用长帧间隔或者短帧间隔。根据上述过程最终求解出单时隙节点的最小服务速率
[0053] 3)确定网络流程图中各个网络设备提供的服务带宽和数据流在网络设备中服务延迟。由所求得的RTS和步骤一中所求的任意网络设备处节点的平均等效输入速率ri的关系可以得出，为保证网络服务质量对每个网络设备分配的最小时隙数量应不小于平均等效输入速率，这里取最小值 进而确定任意网络设备处所能提供的最小服务速率Ri＝Ni×RTS以及数据流在此设备处的服务延迟Ti＝BI-Ni×TS，也就确定了在重传反馈模型中为原始数据流和重传数据流提供的总的服务曲线；
[0054] 4)如图3所示，对无线信道建立重传反馈模型，确定重传数据流对网络的反馈作用，确定重传数据流到达曲线。数据重传反馈模型包括以下几个部分：作用在网络设备输入端的反馈回路、重传数据包可能经历的反馈延迟以及表征为原始数据流和重传数据流的汇聚流提供服务能力的确定性服务曲线。对于反馈回路而言，考虑到IEEE 802.15.4为保证数据可靠性传输，通常会根据是否收到确认帧来判断是否需要重传。这里设置最大等待时间为w，则延迟过程的服务曲线为 由于无线链路的不稳定性，重传数据包可能需要再次重传，设定最大重传次数为N。
[0055] 步骤三，对原始数据流以及重传数据流进行优先级调度，确定分配给原始数据流的服务带宽，具体实现过程如下：
[0056] 1)确定重传反馈模型的服务曲线。网络中存在不同类别的重传数据包，分别为一次重传数据包、二次重传数据包……N次重传数据包(N为最大重传次数)，为保障数据包的实时性，优先对重传次数较多的数据包进行处理，即第i-1次重传数据包的优先级小于第i次重传数据包的优先级。由于网络设备为所有数据流汇聚流提供的服务曲线为Ri，根据网络演算剩余服务曲线相关定理可求解网络设备为每一条数据流提供的服务曲线，给出计算公式：
[0057] 2)确定重传数据流的到达曲线。引入反馈状态延迟矩阵A可确定每一条重传数据流在重传反馈模型可能经历的延迟。给出其公式
[0058]
[0059]
[0060] 式中，p为信道交叉概率，由公式(2)、(3)可得出任意重传数据流的到达曲线：
[0061]
[0062] 步骤四：确定待分析数据流在网络端到端系统中的延迟组成。根据数据流在网络中的流程以及IEEE 802.15.4标准规定，确定待分析数据流的延迟组成：
[0063] 表达式中前两项为网络固定延迟， 为数据流在转发节点处的可变延迟，具体计算公式为：
[0064] 步骤五：确定在一定信道影响下可变延迟的上界。考虑到无线信道对数据传输的延迟，设定信道误码率为pe，则可以得出本实例数据包传输成功的概率p＝1-(1-pe)，则由概率p以及可变延迟公式可得出在存在一定信道影响下数据包的可变延迟：
[0065]
[0066] 通过以上步骤，得出了待分析数据流在端到端网络中的延迟上界，得到了基于重传反馈评估无线传感器网络端到端延迟上界的目的。
[0067] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
