[發明專利]一種無線傳感器網絡的節點能量自適應管理策略

有效

• 申請號: 201210418441.4
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN102958109A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 唐昊;周雷;蘇紅;孫晶;李慧子;毛沙;任玲
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H04W28/14
• 分類號: H04W28/14;H04W52/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡節能技術領域，特別涉及節點工作模式以及數據包分片大小選擇的單個無線傳感器網絡的節點能量自適應管理策略。

背景技術

無線傳感器網絡與傳統的網絡不同，通常是由幾百甚至幾千個傳感器節點組成，采用多跳傳輸進行無線通信。傳感器節點的體積微小，一般由電池供電，導致其攜帶的能量非常有限。而傳感器節點通常布設在惡劣的環境或者無人區域，在傳感器節點能量耗盡之后很難對節點進行更換。如果網絡中的一些節點因能量耗盡而失效，特別是關鍵節點的死亡會造成網絡覆蓋面積的減小，無法保證網絡的連通性和可靠性。因此有限的節點電源能量是阻礙無線傳感器網絡發展和應用的關鍵問題。

無線傳感器節點主要由感知模塊、數據處理模塊及無線通信模塊組成。通過將傳感器分成處理單元，感知單元和收發器單元，這幾個單元分別都有自己的工作狀態，各單元不同的工作狀態的特定組合組成了節點的工作模式。在實際應用環境中，節點沒必要一直處于運行狀態，在大多情況下可以處以空閑或者睡眠狀態，當需要再次使用的時候將其喚醒。如果使節點一直處于運行狀態，雖然能夠很好的處理數據，但會導致能量的大量浪費。同時當發生數據傳輸時，根據無線信道的質量，合理選擇數據包的大小能提高數據包發送的成功率，使節點能量得到高效地利用，同時也減少了能量的浪費。因此合理選擇節點的工作模式和自適應選擇發送數據包的大小可以高效地利用節點能量。無線傳感器網絡的節點能量自適應管理策略就是將節點能量問題建模成馬爾可夫決策過程模型，再利用強化學習算法得出最優策略，在不同的信道狀態選擇不同的工作模式和數據傳輸方式，以最小化由每個數據包的能量消耗、緩沖區溢出、傳感器節點工作模式切換的能量消耗以及分片代價組成的整體代價，提高單個節點的能量利用效率。

現實中的無線傳感器節點存在以下問題：

1、傳感器節點的體積微小，一般由電池供電，導致其攜帶的能量非常有限，且一般布設在偏遠或者危險的區域，節點因能量耗盡死亡后不易更換。如果網絡中有關鍵節點因為死亡而脫離了網絡，會使整個網絡的覆蓋面積減小，使其他節點收集到的信息無法傳送給監控人員，影響整個網絡的連通性和準確性。

2、傳感器節點有多種工作模式，沒有必要使節點時時刻刻處于工作狀態，如果不需要節點各組件進入工作狀態，可以使節點某些組件進入空閑或者睡眠狀態，需要時將其再次喚醒。節點各組件的不同工作狀態可以組合成不同的工作模式，選擇合適的工作模式可以有效減少節點的能量消耗。

3、無線信道的質量對于節點數據傳輸的成功率有很大的影響。當網絡中無線信道質量較好時，應該盡可能多的傳輸數據。當信道質量比較差時，傳輸多個完整的數據包會容易導致數據包傳輸成功率大大降低，這樣容易導致因為數據重傳而引起能量消耗，因此可以采用虛擬分片技術，選擇傳輸較少的數據分片幀或者延遲傳輸。

發明內容

本發明提出一種無線傳感器網絡的節點能量自適應管理策略，以合理調節節點的工作模式以及選擇發送合適大小的數據包，提高網絡節點的能量利用率。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種無線傳感器網絡的節點能量自適應管理策略，其特征在于，具體包括以下步驟：

（1）衡量當前無線信道的狀態：

將連續的無線信道離散化，在時間片i，無線傳感器節點通過與接收節點交換控制信息完成連接，無線傳感器節點通過分析封裝在控制信息中的反饋信號獲得無線衰減信道的當前狀態，通過將接收到的瞬時信噪比γ劃分為k個區間，當接收到的信噪比落在γ_k-1到γ_k區間，則認為信道狀態為k，假設信道狀態轉移發生在一個時間片的邊界，并且只轉移到相鄰狀態之間；

（2）檢測當前節點自身緩沖區狀態：

傳感器節點在時間片i，感知和接收從其它相鄰節點轉發而來的數據按相同的數學分布到達節點緩沖區中，節點緩沖區中的數據包的個數即為緩沖區狀態；

（3）強化學習算法：

①傳感器節點主要由處理器單元，感知單元和收發器單元組成，將這三個不同的組成單元構成節點8種不同的工作模式，結合節點自身的緩沖區狀態以及當前無線信道狀態，傳感器節點決策以選擇合理的節點工作模式和數據傳輸的方式，發送節點通過相關路由控制協議與接收節點通信；