專利名稱：：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際能量模型及功率優(yōu)化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量模型，具體地說是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際能量模型及功率優(yōu)化控制方法。
背景技術(shù)：
：在典型的多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，分布于網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)通常將數(shù)據(jù)匯聚于位于網(wǎng)絡(luò)中心的數(shù)據(jù)接收站。在這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，離數(shù)據(jù)接收站較近的節(jié)點(diǎn)通常要轉(zhuǎn)發(fā)來自離數(shù)據(jù)接收站較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)包，從而消耗更多的能量。此外整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的范圍以及節(jié)點(diǎn)密度的擴(kuò)大會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗更加不平衡，從而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命的衰減。為了評(píng)估和優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命，需要一個(gè)能夠詳細(xì)并精確描述節(jié)點(diǎn)能量消耗的模型。提高網(wǎng)絡(luò)能量效率的基本前提是準(zhǔn)確的描述每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量是如何被消耗的。然而之前被提出的絕大多數(shù)方案都是基于理想化的節(jié)點(diǎn)能量模型。這些節(jié)點(diǎn)能量模型并非能夠準(zhǔn)確的描述能量的實(shí)際消耗情況，例如節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率被假設(shè)為無限大。對(duì)于CC2420在射頻收發(fā)過程中電流消耗，目前沒有該類傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收裝置的能量模型。這類傳感器節(jié)點(diǎn)配備了多個(gè)發(fā)送功率級(jí)，客觀存在的能量模型是典型的IEEE802.15.4射頻收發(fā)芯片能量模型。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際能量模型及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率優(yōu)化控制方法，本發(fā)明基于對(duì)無線傳感器射頻接收器的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，提出了一種具有代表性的能量模型。這些節(jié)點(diǎn)能量模型能夠準(zhǔn)確的描述能量的實(shí)際消耗情況。本發(fā)明并根據(jù)這些節(jié)點(diǎn)能量模型提出了功率優(yōu)化控制方法，以使成功發(fā)送一個(gè)包所消耗的能量達(dá)到最小。本發(fā)明對(duì)這類能量模型普遍適用。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來樣實(shí)現(xiàn)的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際能量模型，其特征在于該實(shí)際能量模型基于LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的整個(gè)過程，包括發(fā)送端和接受端的能量模型；發(fā)送端能量消耗模型是接受端能量消耗模型是:五耽0',",丄—)=五股(W，丄一)+五耽—FM,丄」用+K"Vl^)成功傳送數(shù)據(jù)包和確認(rèn)包，其能量模型為Eq"(/,c/，Z一liSUCCeSS)=五尸/)」Dif十五/DLf—7x('〕+五漢_￡>0,，厶—)(3)(4)+五耽一漢(0+五2XJ+五7X一/DLf+尸Z)數(shù)據(jù)包傳送失敗,其能量模型為￡漢,(W，丄一I尸f):a^(/,fif,丄-)X五漢—Z5("丄podt)+五漢—SE(O+五&股C^Le加)+五5E一7Y(0|用=a^m，』)x一五股—D(丄—)+五耽_QSC+五QSC)+五。5C_股確認(rèn)包傳送失敗,其能量模型為五"M,z一I司K"，丄—)X五股乂"一K):K"丄—)X五股一Z)(丄—)+五股一2X(0+五7X—+五7X-耽(0.(5)(6)(7)(8)(9)一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率優(yōu)化控制方法，其特征在于它包括以下步驟A)根據(jù)具體的無線通信環(huán)境以及數(shù)據(jù)包長度，確定所需要的最優(yōu)發(fā)送功率級(jí)；B)用公式(4)-(9)計(jì)算發(fā)送端和接收端所消耗的總能量；C)利用公式(1)和(3)得到發(fā)送端能量消耗^Ccc^)和接受端能量消耗D)優(yōu)化發(fā)送功率級(jí)，以使成功發(fā)送一個(gè)包所消耗的能量達(dá)到最小，得到功率控制方法。在本發(fā)明中，基于對(duì)ChipconCC2420無線傳感器射頻接收器的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，提出了具有代表性的能量模型。本發(fā)明提出的針對(duì)這類能量模型的推導(dǎo)方法是普遍適用的。只要給出射頻接收器的狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間，發(fā)射功率值及其能量消耗，相對(duì)應(yīng)的能量模型就可以推導(dǎo)出來。此外,基于這個(gè)能量模型，本發(fā)明提出了功率優(yōu)化控制方法是優(yōu)化發(fā)送功率級(jí)，以使成功發(fā)送一個(gè)包所消耗的能量達(dá)到最小。圖1是CC2420芯片發(fā)送端成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)電流消耗情況圖；圖2是三種可能情況下發(fā)送端和接收端工作模式流程圖3(a)是成功傳送一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)發(fā)送端所消耗的總能量與傳送距離的關(guān)系圖；圖3(b)是在功率控制方案下發(fā)送端與接收端的能量消耗，圖，其中Z，f35字節(jié)，路徑衰減指數(shù)n=2.5;圖4是對(duì)射頻芯片CC2420測量消耗的測量電路圖。具體實(shí)施例方式1、無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗模型的建立1、1射頻芯片CC2420發(fā)送端與接收端的能量消耗測量電路圖，測量結(jié)果見表1至表3。表l:發(fā)送功率級(jí)與標(biāo)準(zhǔn)電流消耗<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2芯片發(fā)送端工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)間及相關(guān)能量消耗<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>PD:關(guān)閉模式TX:發(fā)送模式RX:接收模式Idle:空閑模式表3芯片接收端工作模式轉(zhuǎn)換時(shí)間及相關(guān)能量消耗<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>1、2.能量公式推倒一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際能量模型，該實(shí)際能量模型基于LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的整個(gè)過程，包括發(fā)送端和接受端的能量模型。根據(jù)MAC協(xié)議，我們知道要成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包需要發(fā)送端到接收端數(shù)據(jù)包的成功傳輸以及接收端到發(fā)射端確認(rèn)包的成功傳輸。當(dāng)有一次傳輸失敗時(shí)都應(yīng)重新發(fā)送本次數(shù)據(jù)包或確認(rèn)包。因此發(fā)送端和接受端各自的能量消耗模型是發(fā)送端能量消耗模型是接受端能量消耗模型是:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(3)這里，ISMCcew)和ISwcce^)表示成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送端與接收端所需要的能量。五^,,(.|尸尸)，五収j(.i尸F(xiàn))，￡ra,—(.1^P)and五股".I尸F(xiàn))，五耽f(-l尸F(xiàn))，￡漢—f(.I爿F)和五股表示當(dāng)數(shù)據(jù)包或確認(rèn)包傳輸失敗的情況下，發(fā)送端與接收端所消耗高的能量。根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及CC2420芯片說明書丄戸c8x(ll+丄"必+丄麵)bits(2)地址域4^=4至IJ20bytes，可變長數(shù)據(jù)負(fù)載^。,。=15至lj133bytes這里的i表示發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包的功率級(jí)或接受端發(fā)送確認(rèn)包的功率級(jí)，如圖1所示，發(fā)射功率級(jí)從0dBm至U-25dBm。以上兩個(gè)能量模型公式將無線信道特征化為指數(shù)路徑衰減模型(exponentpathlossmodel)。接受端所接受到的信號(hào)功率綜合考慮了信號(hào)傳輸距離，低速無線個(gè)域網(wǎng)(LR-WPAN)調(diào)制方式以及CC2420接受端的設(shè)計(jì)工藝。本發(fā)明測量了LR-WPAN芯片CC2420的電流消耗，圖1繪制出了發(fā)送端發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)的測量結(jié)果。該圖1的頂端描述的是該射頻芯片發(fā)送從開始到結(jié)束的整個(gè)工作模式轉(zhuǎn)換圖。其中，TX表示數(shù)據(jù)包發(fā)送狀態(tài)(Transmit),RX表示數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)(Receive),Idle表示空閑狀態(tài)，PD表示關(guān)閉狀態(tài)(PowerDown)。圖1中央描述了該射頻芯片在每個(gè)穩(wěn)定工作模式及轉(zhuǎn)換模式下的電流消耗。該圖中有8個(gè)不同曲線，它們代表了從0dBm到-25dBm不同的發(fā)射功率級(jí)。該圖的底部給出了發(fā)送端的時(shí)序圖。由圖1所示，從TX到RX的模式轉(zhuǎn)換需要12個(gè)符號(hào)周期。同時(shí)StartofFrameDelimiter(SFD)信號(hào)的時(shí)序圖也在圖中給出，該SFD信號(hào)用于觸發(fā)測量并使整個(gè)測量過程與芯片工作過程同步化。為了計(jì)算整個(gè)成功發(fā)包過程芯片的能量消耗，穩(wěn)定工作模式以及轉(zhuǎn)換工作模式下的能量消耗都應(yīng)當(dāng)考慮在內(nèi)。根據(jù)圖2的芯片工作模式轉(zhuǎn)換圖，可得成功傳送數(shù)據(jù)包和確認(rèn)包能量模型。本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的整個(gè)過程，對(duì)發(fā)送端和接受端都給出了能量模型。情況一成功傳送數(shù)據(jù)包和確認(rèn)包。為了成功傳送一個(gè)數(shù)據(jù)包，發(fā)送端需要完成圖2所示的工作流程。此情況的發(fā)生概率是基于多種因素決定，即發(fā)送功率i，傳送距離d,數(shù)據(jù)包長度、d和確認(rèn)包長度^^。因此，其能量模型為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>五股("",丄——固)=腿+￡腿—収(O+￡欣—D(丄-)這里，五PZ)/D丄五，五/Z)LS7T。)，五7X収(O，五M/DL五，五7X皿五五皿￡P(guān)D(5)是分別表示在不同種工作模式下轉(zhuǎn)換所消耗的能:五rx￡>(),五mj(O,^Vx,—是分別表示在發(fā)送或接受數(shù)據(jù)包以及確認(rèn)包的模式下所消耗的能量。情況二數(shù)據(jù)包傳送失敗。在這種情況下，接收端未能正確的接收數(shù)據(jù)包。根據(jù)低速無線個(gè)域網(wǎng)(LR-WPAN)的MAC協(xié)議，此時(shí)接收端將會(huì)空閑并且不會(huì)發(fā)送確認(rèn)包。同時(shí)發(fā)送端將監(jiān)聽信道持續(xù)空閑7;一,，然后重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。因此，其能量模型為￡CTf(/,flf，丄萍」PF):A^(/,cU戸Jx(6)(7)表示數(shù)據(jù)包發(fā)送錯(cuò)誤的次數(shù)，^fj(0,￡是分別表示在不同種工作模式下轉(zhuǎn)換所消耗的能量。五&,(')，^^c(o表示在^鵬。w時(shí)間段所消耗的能量。情況三確認(rèn)包傳送失敗。在這種情況下，當(dāng)接收端正確接受數(shù)據(jù)包后發(fā)送確認(rèn)包,但發(fā)送端未能正確接收確認(rèn)包。因此，其能量模型為五7X一D("丄pod:)++五耽J(A^X)+五股—7X(0U,丄—l司《("丄一)x五耽—￡>(丄一)+五股—(0+五漢—X("丄^CX)+五漢_OT(0](8)(9)2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率優(yōu)化控制方案根據(jù)具體的無線通信環(huán)境以及數(shù)據(jù)包長度，確定所需要的參數(shù)；用公式(4)-(9)計(jì)算發(fā)送端和接收端所消耗的總能量；利用公式(1)和(3)得到發(fā)送端能量消耗^.(.IS^^)和接受端能量消耗E".—a^);優(yōu)化發(fā)送功率級(jí)，以使成功發(fā)送一個(gè)包所消耗的能量達(dá)到最小，得到功率控制方法。圖3(a)描述了當(dāng)路徑衰減指數(shù)pathlossexponentn=4以及包長度為35字節(jié)時(shí)，發(fā)送端用不同發(fā)送功率級(jí)成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量。由圖可見，當(dāng)傳送距離增加時(shí)，由于誤包率的指數(shù)上升導(dǎo)致了重傳及能量消耗的指數(shù)上升。這里所提出的功率優(yōu)化控制方案是優(yōu)化發(fā)送功率級(jí)，以使成功發(fā)送一個(gè)包所消耗的能量達(dá)到最小。因此，圖3(b)描述了通過利用功率控制方案發(fā)送端和接收端所消耗的最小能量。在本發(fā)明中，基于對(duì)ChipconCC2420無線傳感器射頻接收器的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，提出了具有代表性的能量模型。本發(fā)明提出的針對(duì)這類能量模型的推導(dǎo)方法是普遍適用的。只要給出射頻接收器的狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間，發(fā)射功率值及其能量消耗，相對(duì)應(yīng)的能量模型就可以推導(dǎo)出來。此外，基于這個(gè)能量模型，本發(fā)明提出了功率優(yōu)化控制方法是優(yōu)化發(fā)送功率級(jí)，以使成功發(fā)送一個(gè)包所消耗的能量達(dá)到最小。權(quán)利要求1、一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際能量模型，其特征在于該實(shí)際能量模型基于LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的整個(gè)過程，包括發(fā)送端和接受端的能量模型；發(fā)送端能量消耗模型是ETX(i，d，Lpack)＝ETX(i，d，Lpack|Success)+ETX_F(i，d，Lpack|PF)+ETX_F(i，d，Lpack|AF)(1)接受端能量消耗模型是ERX(i，d，Lpack)＝ERX(i，d，Lpack|Success)+ERX_F(i，d，Lpack|PF)+ERX_F(i，d，Lpack|AF)(3)式中，ETX(·|Success)和ERX(·|Success)表示成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送端與接收端所需要的能量。ETX_F(·|PF)，ERX_F(·|PF)，ETX_F(·|AF)andERX_F(·|AF)ETX_F(·|PF)，ERX_F(·|PF)，ETX_F(·|AF)和ERX_F(·|AF)表示當(dāng)數(shù)據(jù)包或確認(rèn)包傳輸失敗的情況下，發(fā)送端與接收端所消耗高的能量。成功傳送數(shù)據(jù)包和確認(rèn)包，其能量模型為ETX(i，d，Lpack|Success)＝EPD_IDLE+EIDLE_TX(i)+ETX_D(i，Lpack)+ETX_RX(i)+ERX_A(LACK)+ERX_IDLE+EIDLE_PD(4)ERX(i，d，Lpack|Success)＝EPD_IDLE+EIDLE_RX(i)+ERX_D(Lpack)+ERX_TX(i)+ETX_A(i，LACK)+ETX_IDLE+EIDLE_PD(5)數(shù)據(jù)包傳送失敗，其能量模型為ETX_F(i，d，Lpack|PF)＝NPF(i，d，Lpack)×[ETX_D(i，Lpack)+ETX_SE(i)+ESense(Ttimeout)+ESE_TX(i)](6)ERX_F(i，Lpack|PF)＝NPF(i，d，Lpack)×[ERX_D(Lpack)+ERX_OSC+EOSC(Ttimeout)+EOSC_RX](7)確認(rèn)包傳送失敗，其能量模型為ETX_F(i，d，Lpack|AF)＝NAF(i，d，Lpack)×[ETX_D(i，Lpack)+ETX_RX(i)+ERX_A(LACK)+ERX_TX(i)](8)ERX_F(i，Lpack|AF)＝NAF(i，d，Lpack)×[ERX_D(Lpack)+ERX_TX(i)+ETX_A(i，LACK)+ETX_RX(i)](9)全文摘要本發(fā)明公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際能量模型及功率優(yōu)化控制方法，該能量模型基于對(duì)ChipconCC2420無線傳感器射頻接收器的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，具有代表性。本發(fā)明提出的針對(duì)這類能量模型的推導(dǎo)方法是普遍適用的。只要給出射頻接收器的狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間，發(fā)射功率值及其能量消耗，相對(duì)應(yīng)的能量模型就可以推導(dǎo)出來。此外，基于這個(gè)能量模型，本發(fā)明提出了功率優(yōu)化控制方法是優(yōu)化發(fā)送功率級(jí)，以使成功發(fā)送一個(gè)包所消耗的能量達(dá)到最小。文檔編號(hào)H04W52/04GK101605389SQ20091003350公開日2009年12月16日申請(qǐng)日期2009年6月22日優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日發(fā)明者許慧中申請(qǐng)人:南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院