[發明專利]一種無線傳感網絡中延時約束下的能耗控制方法

在審

• 申請號: 201310000973.0
• 申請日: 2013-01-04
• 公開（公告）號: CN103052131A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 郭振格;何源
• 申請（專利權）人: 無錫儒安科技有限公司
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W52/02
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 馬曉亞

技術領域

本發明涉及無線自組織網絡與傳感器網絡領域，尤其涉及一種無線傳感網絡中延時約束下的能耗控制方法。

背景技術

無線傳感網絡（Wireless?SensorNetwork，簡稱WSN）的傳感器節點一般由傳感器、處理器、存儲器、供電裝置、天線和驅動裝置構成。由于傳感器節點存儲空間有限且通常部署在難以接近的環境，且需要天線模塊頻繁的把采集數據傳輸到網絡基站并以使用電池為主要的能量來源，所以，在無線傳感網絡中，能耗問題是其核心問題。隨著微電子技術和晶體技術的進步，傳感器節點上處理器模塊和傳感器模塊的能耗變得很低，能耗主要用于天線通信模塊，因此，降低天線通信模塊的能耗是延長傳感器網絡壽命的重點。

從表1可以看出近幾年已結束運行的無線傳感網絡系統的最長網絡壽命是6個月，因此如何降低網絡通信的能耗成為務須解決的問題。

表1無線傳感網絡典型應用系統的網絡壽命

在無線傳感網絡中，通過實驗發現節點能耗的多少與天線模塊開啟時間長短有關。以常用傳感器節點TelosB的CC2420天線模塊為例，表2列出了CC2420在不同模式下的能耗。由表2可以看出，當天線處于接收和發送狀態時能耗很大，而處于空閑狀態和關閉狀態情況下，其能耗是相當少的。所以，在無線傳感網絡中如何控制傳感器節點天線開啟的時間是低能耗協議涉及的一個熱門研究話題。

表2CC2420天線能耗指標

在實際部署中有相當多的無線傳感網絡位于無人看管地區，且使用能量有限的電池來提供能量。因此，為了能維持系統的正常運作，大多網絡采用“占空比”機制（Duty?Cycle，占空比=喚醒時間/整個工作周期）來節省能耗。比如在LPL（Low?Power?Listening，低功率偵聽）機制下，節點周期性的睡眠和喚醒，并使節點多數時間處于睡眠狀態來節省能量。在LPL機制下，數據包的成功傳輸需要發送節點和接收節點同時處于喚醒狀態，為了能夠可靠地實現傳輸，發送節點在數據包發送之前必須發送一個比接收節點的睡眠時間稍長的“幀頭”（Preamble）。使用幀頭可減少接收節點的“空閑等待時間”（Idle?Listening），并把部分能耗轉移到發送節點。但是，“幀頭”帶來了較多的網絡延時。考慮到網絡對傳輸時間的限制，原始LPL機制并不能滿足網絡對端到端傳輸延時的要求，低能耗LPL無線傳感網絡中節點能耗和延時之間的均衡問題有待優化處理。

發明內容

本發明的目的在于提出一種既能滿足網絡對延時要求，又能降低網絡的整體能耗的無線傳感網絡中延時約束下的能耗控制方法。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

一種無線傳感網絡中延時約束下的能耗控制方法，包括：

當無線傳感網絡中有數據包要從源節點傳輸到基站時，源節點產生正常數據包用以傳輸數據包，產生先驅者數據包用以選擇傳輸路徑上的節點；

根據所選擇的傳輸路徑上的節點到基站的距離來確定傳輸路徑上的節點的延時約束；

根據傳輸路徑上的節點的延時約束計算傳輸路徑上的節點的最佳睡眠時間，將該最佳睡眠時間應用到占空比自適應調節機制（Duty?Cycle?Gearing，DC-Gear）中，得到新的占空比進行數據包的傳輸；

當所有數據包都傳輸到基站后，將傳輸路徑上所有節點的工作周期恢復成初始狀態。

其中，傳輸路徑上所有節點的工作周期分為兩部分：睡眠時間和喚醒時間，節點的占空比為喚醒時間/工作周期。

其中，根據所選擇的傳輸路徑上的節點到基站的距離來確定傳輸路徑上各節點的延時約束具體為：令ξ表示網絡對節點的延時需要，h表示從源節點到基站的距離，ETX表示代替用“跳”表示的距離，在網絡延時約束下分配到每一跳的最大延時時間為：