專利名稱：均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法。
背景技術(shù)：
傳感網(wǎng)技術(shù)在近年得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，尤其在物聯(lián)網(wǎng)概念的提出及大規(guī)模研究之后。而在以物聯(lián)網(wǎng)為典型代表的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，能耗是制約其發(fā)展的關(guān)鍵性因素。尤其在以電池供電的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，如實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警，海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中，電池往往是不可更換的，因而使得能耗成為最關(guān)鍵的指標(biāo)。如何使用有限的能量盡可能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命期，涉及到網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的合作和節(jié)點(diǎn)本身的能耗局部最優(yōu)化。因此，在保證數(shù)據(jù)的正常傳輸下，如何在實(shí)現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)能耗最小化，均衡網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命一直以來(lái)都是重要的研究方向。 同時(shí)，隨著各行業(yè)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求的不斷提高，各節(jié)點(diǎn)之間負(fù)載的不均衡性也日益顯著。特別在綜合應(yīng)用性質(zhì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，這種負(fù)載的不均衡導(dǎo)致了高負(fù)載的節(jié)點(diǎn)率先耗盡能量而使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，這些高負(fù)載的節(jié)點(diǎn)的生命期成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命期的瓶頸，均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長(zhǎng)高負(fù)載節(jié)點(diǎn)的生命期是延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期的關(guān)鍵。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)“Energy efficient routing in wireless sensornetworks” (C. Schurgers, Μ. B. Srivastava. MILCOM' 01, 2001, 357-361)(無(wú)線傳感網(wǎng)中的高能效路由算法)提供了無(wú)線傳感網(wǎng)中的最小化網(wǎng)絡(luò)全局能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期的方法。該技術(shù)試圖從網(wǎng)絡(luò)全局的角度出發(fā)，將流量通過(guò)不同的路由策略分散到不同的節(jié)點(diǎn)上，避免整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)的負(fù)載過(guò)高而耗能太大，以之來(lái)均衡各節(jié)點(diǎn)能量消耗從而提高網(wǎng)絡(luò)生命期。但是該技術(shù)從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層能量效率要求和流量均衡要求兩方面考慮，僅考慮了路由層的分布式路由，試圖從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分布式的路由方式來(lái)均衡能量，缺乏從節(jié)點(diǎn)的底層協(xié)議及節(jié)點(diǎn)自身的角度考慮。由于該技術(shù)中的路由建立開(kāi)銷大且收斂慢，它不適合于電池供電的網(wǎng)絡(luò)中。文獻(xiàn)“Energyefficient MAC for wireless sensor networks” (P. K0SKELA, M.VALTA, T. FRANTTI. Sensors&Transducers Journal, 121 (10) : 133-143，2010)(無(wú)線傳感網(wǎng)中的高能效MAC算法)提供了一種適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的高能效MAC算法。該技術(shù)通過(guò)更正節(jié)點(diǎn)的時(shí)間漂移及節(jié)點(diǎn)的采樣率來(lái)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的工作占空比從而通過(guò)占空比的調(diào)整來(lái)達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。但是該技術(shù)僅考慮了占空比的調(diào)整，沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)載的不均衡性對(duì)占空比的影響，從而無(wú)法解決負(fù)載不均衡網(wǎng)絡(luò)中高負(fù)載節(jié)點(diǎn)的能耗瓶頸問(wèn)題。單次占空比的調(diào)整與網(wǎng)絡(luò)全局的能耗均衡并無(wú)確定關(guān)系，因此該技術(shù)并不適用于負(fù)載不均衡網(wǎng)絡(luò)中
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法。本發(fā)明根據(jù)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的退避窗口長(zhǎng)度以及占空比大小，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中以增加輕負(fù)載節(jié)點(diǎn)的空閑能耗為代價(jià)，降低重負(fù)載節(jié)點(diǎn)的退避能耗，從而均衡了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗，增大各類節(jié)點(diǎn)乃至于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期，具有技術(shù)復(fù)雜度低，效率極高，易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于節(jié)點(diǎn)使用電池供電的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法，包括以下步驟第一步，在每一個(gè)睡眠-工作周期T的活躍期開(kāi)始后，節(jié)點(diǎn)正常收發(fā)數(shù)據(jù)包，同時(shí)進(jìn)行所收發(fā)數(shù)據(jù)包的處理；第二步，該周期結(jié)束時(shí)，根據(jù)第一步的記錄，計(jì)算節(jié)點(diǎn)此時(shí)的負(fù)載因子；第三步，根據(jù)負(fù)載因子，計(jì)算節(jié)點(diǎn)最佳退避窗口長(zhǎng)度和最佳占空比； 第四步，在節(jié)點(diǎn)下一個(gè)工作-睡眠周期開(kāi)始前，修改節(jié)點(diǎn)占空比為第三步得到的最佳占空比，同時(shí)將占空比定時(shí)器的時(shí)間設(shè)置為T(mén)XD，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始工作；其中T為節(jié)點(diǎn)睡眠-工作周期，D是第三步得到的最佳占空比值；第五步，修改當(dāng)前的最佳退避窗口長(zhǎng)度為第三步得到的最佳退避窗口長(zhǎng)度，并在工作周期內(nèi)以最佳退避窗口長(zhǎng)度參與信道競(jìng)爭(zhēng)；第六步，等待占空比定時(shí)器溢出，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)，同時(shí)重新啟動(dòng)占空比定時(shí)器并設(shè)定時(shí)間為T(mén)X (I-D)；第七步等待占空比定時(shí)器溢出，打開(kāi)節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)并記錄節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的占空比,清空第一步中記錄數(shù)據(jù)包信息的數(shù)據(jù)庫(kù)并返回第一步。優(yōu)選地，第一步中所述的數(shù)據(jù)包的處理是在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包后，記錄發(fā)送的數(shù)據(jù)包的編號(hào)，并記錄尚未發(fā)送的緩存中的數(shù)據(jù)包數(shù)目。優(yōu)選地，第二步中所述的負(fù)載因子是
「 I rNfn =-,
p N+ MT其中N為上個(gè)睡眠-工作周期T內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)包數(shù)目，M是當(dāng)前時(shí)刻緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)包數(shù)目。優(yōu)選地，第三步中所述的最佳退避窗口長(zhǎng)度是2n，其中n為整數(shù)。η由流量參數(shù)
fp決定如下
= max (3, [log (//〔)]},其中fp是當(dāng)前的負(fù)載因子，Wm為最大退避窗口長(zhǎng)度(常量)，「I表示下取整，max {a, b}表示取a與b的較大值。優(yōu)選地，第三步中所述的最佳占空比是D= (I. 5-fp)d,其中fp是當(dāng)前的負(fù)載因子，D是最佳占空比值，d為當(dāng)前占空比。優(yōu)選地，第五步所述的參與信道競(jìng)爭(zhēng)，包括以下步驟步驟I)節(jié)點(diǎn)首先退避w個(gè)時(shí)隙，然后檢測(cè)信道是否空閑，其中we
，W是當(dāng)前周期的最佳退避窗口長(zhǎng)度；
步驟2)若檢測(cè)到信道空閑，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，本輪信道競(jìng)爭(zhēng)結(jié)束；否則返回步驟I )，并將W的值增加為原來(lái)的2倍，重新參與信道競(jìng)爭(zhēng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是從單個(gè)節(jié)點(diǎn)自身出發(fā)，根據(jù)自身的負(fù)載大小動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身參與網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)的力度。負(fù)載較重節(jié)點(diǎn)通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的退避窗口值，增大自身接入信道的概率并且減少競(jìng)爭(zhēng)次數(shù)及時(shí)間，有效降低競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)銷。同時(shí)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)當(dāng)前占空比為最佳占空比，從而一方面保證了節(jié)點(diǎn)有足夠的時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)包，另一方面也限制了節(jié)點(diǎn)的活躍時(shí)間，使得負(fù)載較重及較輕節(jié)點(diǎn)的能耗盡可能達(dá)到均衡，延長(zhǎng)負(fù)載較重節(jié)點(diǎn)的生命期，從而保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命期的最大化。


圖I是實(shí)施例的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D。圖2是分別采用本實(shí)施例方法和現(xiàn)有技術(shù)中固定的退避窗口長(zhǎng)度和占空比方法得到的重負(fù)載節(jié)點(diǎn)的節(jié)能比較示意圖。·圖3是分別采用本實(shí)施例方法和現(xiàn)有技術(shù)中固定的退避窗口長(zhǎng)度和占空比方法得到的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均節(jié)能比較示意圖。圖4是分別采用本實(shí)施例方法和現(xiàn)有技術(shù)中固定的退避窗口長(zhǎng)度和占空比方法得到的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期比較示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)一步描述本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例本實(shí)施例的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖I所示，該網(wǎng)絡(luò)是由12個(gè)節(jié)點(diǎn)和I個(gè)中心節(jié)點(diǎn)組成的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中所有邊緣節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)匯集到中心節(jié)點(diǎn)，該中心節(jié)點(diǎn)的通信范圍覆蓋了其余所有節(jié)點(diǎn)。每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)均可與其余邊緣節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道從而與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在該實(shí)施例中，節(jié)點(diǎn)1-2配置了較重負(fù)載，而節(jié)點(diǎn)Γ12則具有相同的較輕負(fù)載。本實(shí)施例要通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)I和節(jié)點(diǎn)2的負(fù)載大小來(lái)調(diào)整其退避窗口長(zhǎng)度和占空比值，從而達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。本實(shí)施例包括以下步驟第一步，在每一個(gè)睡眠-工作周期T的活躍期開(kāi)始后，節(jié)點(diǎn)正常收發(fā)數(shù)據(jù)包，同時(shí)進(jìn)行所收發(fā)數(shù)據(jù)包的處理。所述的數(shù)據(jù)包的處理是在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包后，記錄發(fā)送的數(shù)據(jù)包的編號(hào)，并記錄尚未發(fā)送的緩存中的數(shù)據(jù)包編號(hào)。本實(shí)施例中該睡眠-工作周期長(zhǎng)度為T(mén)=ls，該周期內(nèi)記錄數(shù)據(jù)包編號(hào)范圍為882 890 ；尚未發(fā)送的緩存中的數(shù)據(jù)包數(shù)目為89廣892 ；第二步，該周期結(jié)束時(shí)，根據(jù)第一步的記錄，計(jì)算節(jié)點(diǎn)此時(shí)的負(fù)載因子。所述的節(jié)點(diǎn)負(fù)載因子是
權(quán)利要求
1.一種均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法，其特征在于，包括以下步驟 第一步，在每一個(gè)睡眠-工作周期T的活躍期開(kāi)始后，節(jié)點(diǎn)正常收發(fā)數(shù)據(jù)包，同時(shí)進(jìn)行所收發(fā)數(shù)據(jù)包的處理； 第二步，該周期結(jié)束時(shí)，根據(jù)第一步的記錄，計(jì)算節(jié)點(diǎn)此時(shí)的負(fù)載因子； 第三步，根據(jù)負(fù)載因子，計(jì)算節(jié)點(diǎn)最佳退避窗口長(zhǎng)度和最佳占空比； 第四步，在節(jié)點(diǎn)下一個(gè)工作-睡眠周期開(kāi)始前，修改節(jié)點(diǎn)占空比為第三步得到的最佳占空比，同時(shí)將占空比定時(shí)器的時(shí)間設(shè)置為T(mén)XD，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始工作；其中T為節(jié)點(diǎn)睡眠-工作周期，D是第三步得到的最佳占空比值； 第五步，修改當(dāng)前的最佳退避窗口長(zhǎng)度為第三步得到的最佳退避窗口長(zhǎng)度，并在工作周期內(nèi)以最佳退避窗口長(zhǎng)度參與信道競(jìng)爭(zhēng)； 第六步，等待占空比定時(shí)器溢出，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)，同時(shí)重新啟動(dòng)占空比定時(shí)器并設(shè)定時(shí)間為T(mén)X (I-D)； 第七步等待占空比定時(shí)器溢出，打開(kāi)節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)并記錄節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的占空比，清空第一步中記錄數(shù)據(jù)包信息的數(shù)據(jù)庫(kù)并返回第一步。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法，其特征是，第一步中所述的數(shù)據(jù)包的處理是在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包后，記錄發(fā)送的數(shù)據(jù)包的編號(hào)，并記錄尚未發(fā)送的緩存中的數(shù)據(jù)包數(shù)目。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法，其特征是，第二步中所述的負(fù)載因子是 f — N p N+ MT ’ 其中N為上個(gè)睡眠-工作周期T內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)包數(shù)目，M是當(dāng)前時(shí)刻緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)包數(shù)目。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法，其特征是，第三步中所述的最佳退避窗口長(zhǎng)度是2n，其中n為整數(shù)。η由流量參數(shù)fp決定如下 = max {3，「log(/,m)]}， 其中fp是當(dāng)前的負(fù)載因子，Wm為最大退避窗口長(zhǎng)度(常量)，「I表示下取整，max{a，b}表示取a與b的較大值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法，其特征是，第三步中所述的最佳占空比是 D= (I. 5-fp) d, 其中fp是當(dāng)前的負(fù)載因子，D是最佳占空比值，d為當(dāng)前占空比。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法，其特征是，第五步所述的信道競(jìng)爭(zhēng)，包括以下步驟 步驟I)節(jié)點(diǎn)首先退避w個(gè)時(shí)隙，然后檢測(cè)信道是否空閑，其中w e
，W是當(dāng)前周期的最佳退避窗口長(zhǎng)度； 步驟2)若檢測(cè)到信道空閑，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，本輪信道競(jìng)爭(zhēng)結(jié)束；否則返回步驟1)，并將W的值增加為原來(lái)的2倍，重新參與信道競(jìng)爭(zhēng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種均衡無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能耗的方法，本發(fā)明在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的每個(gè)工作周期開(kāi)始前，根據(jù)上一個(gè)周期的負(fù)載因子，動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的退避窗口值以及占空比，增大負(fù)載較大節(jié)點(diǎn)接入信道的概率及工作時(shí)間，從而均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，解決負(fù)載不均衡而導(dǎo)致的流量及能耗不均衡問(wèn)題，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期。根據(jù)本發(fā)明提供的方法可動(dòng)態(tài)調(diào)整無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能耗，均衡網(wǎng)絡(luò)流量及能耗，改善了負(fù)載較大節(jié)點(diǎn)的性能，大大提高網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，同時(shí)該技術(shù)方法開(kāi)銷小，成本低，具有良好的實(shí)用性，能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)H04W52/02GK102892185SQ20121026176
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月26日
發(fā)明者何晨, 肖卓凌, 蔣鈴鴿 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)