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申请/专利权人：韩山师范学院;广东汕头幼儿师范高等专科学校

摘要：一种IPv6网络‑无线供能传感器网络跨网IPv6包广播方法，首先，给出了IPv6网络‑无线供能传感器网络跨网网络模型；然后，描述了6WPSN的工作过程、每个IPv6包的广播过程以及网关和节点的具体操作步骤；在此基础上，提出了以最大化网络效用为目标，以IPv6包广播时延为约束的优化问题，通过求解该优化问题，可获得：每组IPv6包的个数、每个IPv6包的分片个数和数据速率等三个参数的最优值。本发明可提高网络的效用。

主权项：1.一种IPv6网络-无线供能传感器网络跨网IPv6包广播方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1建立系统模型，过程如下：1.1构建网络模型网络模型由IPv6网络、WPSN、无线充电站WC以及网关G组成，IPv6网络和WPSN之间通过网关G相互连接，WPSN由R1,R2,...,RM共M个节点组成，M个节点以网关G为中心，形成一个星型网络，无线充电站布置在WPSN周围，负责为WPSN节点供能，网关G外接电源，电能充足；流经网关G的数据流分为“上行数据流”和“下行数据流”，上行数据流指的是从WPSN节点汇聚到网关G的感知数据；下行数据流指的是网关G向WPSN节点广播的IPv6包，在下行数据流中，网关G负责接收来自控制端的IPv6包，并通过无线广播的方式将IPv6包传递给所有WPSN节点；每个WPSN节点配备一根天线，无线充电和收发数据不能同时进行；1.2构建误码率模型以di表示网关G与节点Ri之间的距离，以G,Ri表示G与Ri之间的链路，在采用直序扩频技术和偏移正交相移键控调制模式的无线信道中，链路G,Ri的误码率bi为： 其中，BN是噪声带宽，r是数据速率，Q·是高斯尾部积分函数，有： 且ψ·是接收信噪比，有：ψdi＝Pt-Plostd0-10μlog10did0-Pth3上式中，Pt是网关G的发射功率，Plostd0是链路G,Ri中单位距离下的功率损耗，通常d0＝1m，μ是功率衰减系数，取值范围为2至4之间的整数，Pth是接收功率阈值，只有当Ri的接收功率不小于Pth时才能正常接收数据；以lH，lM，lFCS，ld分别表示WPSN数据包的物理层头部长度，MAC层头部长度，帧校验序列长度和有效载荷长度，则WPSN数据包的长度lp＝lH+lM+ld+lFCS，于是，在链路G,Ri上传输一个数据包的成功概率为： 1.3构建能耗模型考虑WPSN节点的能耗，以和分别表示Ri发送1比特和接收1比特的能耗；以U表示节点处于发送状态或接收状态时的工作电压，ITx和IRx分别表示节点处于发送状态和接收状态时的电流强度，t表示节点发送或接收1比特的时间，t＝1r，得到 和 1.4构建无线充电模型以Pih表示Ri的充电功率，以表示Ri接收到来自充电站q的射频信号的强度,q＝1,2,...,Q，Q表示充电站的数量，当Q＝1时，根据Friss方程计算得到，即 其中，Gs和Gr分别表示充电站和节点的天线增益，λ是电磁波的波长，Ps是充电站的发射功率，Lp是偏振衰减，Di,q表示Ri与充电站q之间的距离，ε是一个极小的数值，它确保当Di,q＝0时，即充电站与节点位置相重叠时，公式7的分母不为0；以η表示节点能量捕获电路的“射频-电能”转换效率，则Ri的充电功率： 当Q1时，对于Ri来说，每个充电站的射频信号具有不同的衰减和相移，这与Ri和充电站q之间的距离Di,q有关，此时，Ri从充电站q所接收到的信号表示为如下复数： 于是，得到Ri的总充电功率为： 2建立6WPSN协议，过程如下：2.16WPSN协议的工作过程分为如下两个阶段：第一阶段：充电阶段，首先，网关G根据所需传输的IPv6包的数量、节点当前的剩余能量以及节点的目标能量水平，估算网络的充电时间；其次，网关G向充电站广播充电控制指令CCI并在充电控制指令中指定充电时长，即充电的起始时间点和结束时间点，充电站接收到充电控制指令之后，按指定的起始时间点和结束时间点发射射频信号为节点充电；第二阶段：广播IPv6包阶段，充电阶段完成之后，网关向节点广播接收控制指令RCI，在该指令中指明每组IPv6包的个数，IPv6包的分片个数，以及编码向量，网关G逐一向节点广播IPv6包，直到所有节点成功接收到所有IPv6包为止，首先，网关G在广播每个IPv6包之前需要先将其分割为N个分片，并将每个分片单独封装在一个WPSN数据包中，即每个IPv6包被重新封装为N个WPSN数据包，IPv6包需要分片的原因是IPv6包的长度大于WPSN节点所能支持的数据包长度；其次，网关G向节点广播每个IPv6包的N个分片，在接收端，每当节点正确接收到每个IPv6包的N个分片之后，就能还原原始的IPv6包，如此反复，直到所有IPv6包被所有节点正确接收为止；2.2WPSN协议广播每个IPv6包的过程在6WPSN协议中采用了线性网络编码技术，将每个IPv6包的N个分片编码为Nc个线性无关的编码包，NNc，根据线性网络编码的特性，只要节点接收到Nc个编码包中的任意N个，就能通过解码操作还原N个原始分片，并进一步还原原始IPv6包；在广播每个IPv6包的过程中，为了使M个节点都能正确接收到至少N个编码包，6WPSN协议采用“多轮广播”方案，同时，为了确保节点所收到的编码包线性无关，每个编码包仅广播一次，以表示Ri当前所需的编码包个数，以Yj表示第j轮网关G需要广播的编码包个数，则显然，2.3网关和节点的操作流程；2.3.1网关G的操作流程：步骤2.3.1.1.G求解优化问题获得每组最优的IPv6包数量n，每个IPv6包分片个数N，以及数据速率r；步骤2.3.1.2.计算网络的充电时间Tc，然后发送充电控制指令CCI给Q个充电站，充电站接收到充电控制指令之后，开始为节点充电，持续时间为Tc；步骤2.3.1.3.计算编码包的总个数Nc，然后，将N个分片编码为Nc个编码包并暂存在发送队列中；步骤2.3.1.4.G采用最低速率r0向M个节点广播接收控制指令RCI，在该指令中指明IPv6包的个数n，IPv6包的分片个数N，以及编码向量CV，置ntemp＝n；步骤2.3.1.5.G判断ntemp是否等于0，若是，则转向步骤2.3.1.9；步骤2.3.1.6.G置Y＝N；步骤2.3.1.7.G以数据速率r将发送队列中前Y个编码包逐一广播给M个节点，然后将这Y个编码包清除以释放存储空间；步骤2.3.1.8.G接收来自M个节点的ACK包或NACK包，并记录在表格中，G判断表中的ACK个数是否等于M，若是，则置ntemp＝ntemp-1，返回步骤2.3.1.5；若否，则查看NACK中的信息，以获得下一轮所需传输的数据包个数，置返回步骤2.3.1.7；步骤2.3.1.9.结束；2.3.2节点Ri的操作流程，i＝1,2,...,M：步骤2.3.2.1.Ri从周围的充电站中获取能量，持续时间为Tc；步骤2.3.2.2.Ri接收来自网关G的接收控制指令CCI，并在该指令中获得本次拟接收的IPv6包个数n，每个IPv6包的分片个数N，以及编码向量CV参数，置ntemp＝0；步骤2.3.2.3.Ri接收来自网关G的编码包并进行CRC校验，若不存在误码，则暂存在接收队列中；否则，丢弃；步骤2.3.2.4.Ri判断接收队列中的编码包个数X是否等于N，若X＝N，则停止接收并在本轮广播结束之后向网关G回复一个包含自身当前剩余能量的ACK；同时，将N个编码包还原为原始的IPv6包；若X≠N且本轮广播尚未结束，则返回步骤2.3.2.3；若X≠N且本轮广播刚好结束，则置并向网关G回复一个包含值的NACK，返回步骤2.3.2.3；步骤2.3.2.5.Ri置ntemp＝ntemp+1，向协议栈上层递交IPv6包并清空接收队列，判断ntemp是否等于n，若否，返回步骤2.3.2.3；步骤2.3.2.6.结束；得到n个IPv6包广播的时间线，Tr表示接收控制命令所持续的时间，Ti表示第i轮广播所持续的时间，TiAck表示第i轮广播之后接收ACK或NACK所持续的时间，i＝1,2,...。

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