[發(fā)明專利]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量均衡方法

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• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN112423361A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 應(yīng)蓓華;葉建波;韓梅;鄭仰程
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 浙江千克知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33246
• 代理人: 吳輝輝

1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量均衡方法，本地節(jié)點的編號記為i，則相對于本地節(jié)點，前節(jié)點的編號記為i-1，后節(jié)點的編號記為i+1， i為大于或等于1的自然數(shù)，距離匯聚節(jié)點最近的節(jié)點即編號為i =1的節(jié)點，其特征在于，

對于除編號為i =1的節(jié)點之外的其它節(jié)點，上一次通信若有的話，則下一次通信基于上一次通信的能耗情況來調(diào)整自身的算法等級，即：

若當(dāng)前輪次的通信的前節(jié)點能耗大于本地節(jié)點能耗，則將本地節(jié)點的算法等級提高一級以供下一次通信執(zhí)行，直到調(diào)至最高等級的算法，反之則將節(jié)點的算法等級降低一級以供下一次通信執(zhí)行，直到最低等級，即不執(zhí)行壓縮；

算法等級是指節(jié)點中備選壓縮算法的等級，根據(jù)壓縮比進(jìn)行等級劃分，其中，壓縮比定義為壓縮后數(shù)據(jù)量與原始數(shù)據(jù)量之比，壓縮比數(shù)值越低，算法等級越高，最低等級為不執(zhí)行壓縮；

能量均衡方法包括決策執(zhí)行部分，包括以下幾個步驟，Sink即指匯聚節(jié)點：

步驟01：節(jié)點完成部署以及組網(wǎng)初始化后，節(jié)點開始采集原始數(shù)據(jù)并將處理后的數(shù)據(jù)逐跳傳輸至Sink，此為上行通信，完成首輪數(shù)據(jù)通信，此輪中，各節(jié)點均按照等級最低的算法執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，即不執(zhí)行任何壓縮；

在上行通信過程中，各節(jié)點記錄下其鄰居節(jié)點的編號，以便在后續(xù)步驟中進(jìn)行信息交換；

步驟02：能量均衡模塊從應(yīng)用層中獲取相關(guān)信息；

所涉及的信息包括：數(shù)據(jù)類型和精度要求，相應(yīng)地保存于微處理器的存儲單元內(nèi)，可以通過用戶接口預(yù)先設(shè)置，也可以取自射頻模塊提供的控制幀信息；

步驟03：根據(jù)應(yīng)用層提供的相關(guān)信息，能量均衡模塊獲取預(yù)設(shè)的壓縮算法集中的算法等級；

若算法分級采用離線方式進(jìn)行，則從微處理器的存儲單元內(nèi)直接讀取結(jié)果；若采用在線分級，則需在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行初期的算法分級完成后，獲取算法等級；

步驟04：能量均衡模塊從網(wǎng)絡(luò)傳輸層及其下層獲取相關(guān)信息；

所涉及的信息包括發(fā)射功率、接收功率、數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)重傳率、MCU計算功率和中繼數(shù)據(jù)量，其中，發(fā)射功率和數(shù)據(jù)重傳率由網(wǎng)絡(luò)傳輸層決定，其數(shù)值取自消息幀，由射頻模塊提供；接收功率、數(shù)據(jù)傳輸速率和MCU計算功率取決于節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)，相關(guān)信息預(yù)置于微處理器的存儲單元內(nèi)，通過物理層逐級上行傳送；中繼數(shù)據(jù)量取自上行通信的數(shù)據(jù)幀，通過物理層逐級上行傳送；

步驟05：能量均衡模塊根據(jù)已知參量，計算首輪數(shù)據(jù)通信中本地節(jié)點所耗能量；

節(jié)點i所耗總能量簡化為：

（式1）

其中，為節(jié)點間通信距離下，射頻模塊的發(fā)射功率；為射頻模塊的接收功率；為節(jié)點i所需發(fā)送的原始數(shù)據(jù)總長度（以字節(jié)為單位）；為節(jié)點發(fā)送1個字節(jié)數(shù)據(jù)所需的時間，由數(shù)據(jù)傳輸速率決定；為節(jié)點i的數(shù)據(jù)重傳率，該數(shù)值反映出節(jié)點多跳路由中通信信道的質(zhì)量，數(shù)值越大，表示接收誤碼率越高，通信信道越惡劣；N為節(jié)點總個數(shù)，亦作為節(jié)點的最大編號，由于節(jié)點編號隨節(jié)點距離Sink的跳數(shù)依次增大，故編號為N的節(jié)點即為距離Sink最遠(yuǎn)端的節(jié)點，而此節(jié)點的通信能耗僅包含發(fā)射能耗；

步驟06：能量均衡模塊將計算得到的當(dāng)前輪次的節(jié)點總能耗下行傳送至物理層，并通過消息幀下行通信至后節(jié)點；

此步驟結(jié)束后，除距離Sink最近的節(jié)點（i =1）外，其他節(jié)點均可獲知自身和其下一跳鄰居節(jié)點在當(dāng)前輪次的數(shù)據(jù)傳送過程中消耗的總能量，從而執(zhí)行步驟07；

步驟07：能量均衡模塊根據(jù)當(dāng)前輪次的前節(jié)點能耗，給出下一輪數(shù)據(jù)處理的最優(yōu)決策，并將該結(jié)果發(fā)送至同層的數(shù)據(jù)壓縮模塊，同時下行至物理層；

若當(dāng)前輪次的前節(jié)點能耗大于本地節(jié)點能耗，則將本地節(jié)點的算法等級提高一級，直到調(diào)至最高等級；反之則將節(jié)點的算法等級降低一級，直到最低等級；

步驟08：能量均衡模塊從數(shù)據(jù)壓縮模塊獲取相關(guān)信息；

所涉及的信息包括：壓縮比和壓縮時間；收到來自能量均衡模塊的最優(yōu)決策后，數(shù)據(jù)壓縮模塊啟動下一輪的數(shù)據(jù)處理，并將執(zhí)行算法后的壓縮比和壓縮時間反饋至能量均衡模塊；

步驟09：能量均衡模塊從網(wǎng)絡(luò)傳輸層及其下層獲取相關(guān)信息；

所涉及的信息包括發(fā)射功率、接收功率、數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)重傳率、MCU計算功率和中繼數(shù)據(jù)量；接收功率、數(shù)據(jù)傳輸速率、MCU計算功率由節(jié)點硬件決定，故可視為恒定常量；而發(fā)射功率、數(shù)據(jù)重傳率和中繼數(shù)據(jù)量的變化則相對頻繁，需在每輪能量均衡中獲取最新數(shù)據(jù)；

步驟10：能量均衡模塊根據(jù)已知參量，計算新一輪數(shù)據(jù)通信中本地節(jié)點所耗能量；

若節(jié)點的算法等級最低，則根據(jù)式1計算節(jié)點能耗；否則，節(jié)點將根據(jù)式2計算其能耗，此時的喚醒能耗同樣不予考慮：

（式2）

其中，為微處理器MCU的功率；為在已知精度要求e下，節(jié)點壓縮1個字節(jié)數(shù)據(jù)的時間開銷；為節(jié)點i在已知精度要求e下，算法獲得的壓縮比；

步驟11：能量均衡模塊根據(jù)應(yīng)用層信息的變化情況，決定跳轉(zhuǎn)步驟，啟動下一輪能量均衡過程。