實現無線網絡中最大化生命期的方法

專利名稱：實現無線網絡中最大化生命期的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種無線通信技術領域的方法，具體是一種實現無線網絡中最大 化生命期的方法。
背景技術：
近年來，隨著無線通信、傳感器、嵌入式系統等技術的不斷發展，由電池供電節點 組成的無線網絡廣泛應用于日常工作生產的各個方面，如無線傳感網等。與傳統的Ad hoc 網絡相比，這些電池供電節點組成的無線網絡對節點能耗有更加苛刻的要求，所以如何最 大化網絡的生命期是網絡設計者所需要優先考慮的問題。與此同時，隨著無線網絡應用的不斷拓展和深入，許多無線網絡的應用對網絡中 部分節點數據率的要求也越來越高。如在一個綜合各種不同性能需求的無線傳感器網絡或 者對不同目標進行監測的無線傳感器網絡中，不同節點的數據率將有明顯的差別。如何均 衡這種數據率，保障信息的時效性以及保證數據包的投遞率成為無線網絡中的一個重要評 價指標，尤其在不同節點的數據率相差顯著的應用中。經對現有文獻檢索發現，文獻“On Optimal Path and Source Redundancy for AchievingQoS and Maximizing Lifetime of Query-Based Wireless Sensor Networks" (A. P. Speer, I. R. Chen. MASCOTS' 06，2006，51-60)(基于查詢的無線傳感器網 絡中保障QoS性能以及最大化網絡生命期的最佳路徑及源冗余研究)提供了基于查詢的 無線傳感網中網絡生命期和QoS的性能提高的方法。該技術通過從網絡全局的角度出發， 將流量通過不同的路由策略分散到不同的節點上，以之來均衡能量消耗從而提高網絡生命 期，并且均衡流量提高網絡吞吐量。但是該技術從無線網絡的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，試圖從整個網絡的角度通過路由方式來均 衡能量，缺乏從節點自身的角度考慮。由于新路由的收斂較慢且及開銷大，不適合于能量有 限的網絡中，該方法僅能均衡流量而在能量效率方面的效果卻不好。現有技術中有的根據根據節點上一輪競爭的成敗來調整本輪CSMA/CA(帶沖突避 免的載波偵聽多址接入)的最大退避數，并以新的最大退避數參與下一輪的競爭。該方法 試圖通過前一次信道接入的成敗來調整本次信道競爭的概率，提高負載重的節點的信道接 入概率，從而提高能效增大網絡生命期，均衡網絡流量并提高吞吐量。但是該方法并不根據 節點自身的流量大小來做出相應調整，只著眼于某次CSMA/CA的成敗，方法便受到了應用 的限制。影響上一輪競爭的成敗的因素很多，其中由于CSMA-CAA的隨機數退避機制，信道 競爭的成敗具有很大的隨機性。因此單次競爭的成敗與整個節點的流量和節點全局并無確 定關系。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中存在的上述不足，提供一種實現無線網絡中最 大化生命期的方法。本發明根據節點當前流量動態調節節點的信道競爭窗以及占空比大小，實現了有效降低無線網絡中流量較大節點的退避能耗以及流量較小節點的空閑能耗從 而增大各類節點乃至于整個網絡的生命期，同時均衡流量從而提高數據包投遞率的目的， 具有技術復雜度低，效率極高，易實現等優點，特別適用于節點使用電池供電的無線網絡業務。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟第一步，節點發送數據，進行記錄數據包的處理和更新記錄的處理，并將最近的T 時間內節點發送的數據包數以及當前時刻緩存內的數據包數作為該節點此時的流量參數。所述的記錄數據包的處理是在節點發送數據包后，記錄發送的數據包的編號和 數據包的發送時間。所述的更新記錄的處理是增加新發送的數據包以及刪除已過時的數據包記錄 項。第二步，根據節點此時的流量參數，得到節點當前最佳信道競爭窗口值和最佳占 空比值。所述的最佳信道競爭窗口值是2n_l，其中n為整數。所述的最佳占空比值是中 D是最佳占空比值，t為數據包的平均服務時間，R為隨機數因子，S為節點睡 眠_工作周期，d為當前占空比，M是當前時刻緩存內的數據包數目，F是當前的流量參數。第三步，在節點下一個工作/睡眠周期開始時，將節點的占空比修改為第二步得 到的最佳占空比，同時將占空比定時器的時間設置為SXD，節點開始工作，其中S為節點 睡眠_工作周期，D是第二步得到的最佳占空比值。第四步，節點將當前的信道競爭窗口值修改為第二步得到的最佳信道競爭窗口 值，并以最佳信道競爭窗口值進行競爭。所述的競爭，包括以下步驟1)節點等待w個退避時隙，檢測信道是否空閑，其中w e
，C是當前的信道 競爭窗口值W減1的差值與最佳信道競爭窗口值中的較小值；2)當信道空閑，則節點接入信道并發送數據，本輪競爭結束；否則，返回1)，并令W =2(C+1)，重新進行競爭。第五步，占空比定時器溢出，關閉節點收發機，同時重新啟動占空比定時器并設定 時間為SX (I-D)，節點睡眠直到定時器溢出，打開節點收發機。第六步，記錄節點當前的占空比，返回第一步，進行節點下一輪的數據發送。與現有技術相比，本發明的有益效果是著眼于節點自身性能的優化，從節點的角 度出發，通過基于節點當前的流量有效調節各節點自身的信道競爭窗口值以及占空比值， 最佳占空比可保證節點以最適合的活躍時間來發送數據包，因此可節省能量，增大網絡生 命期；通過修改競爭窗口值一方面可以節省大流量節點的競爭能耗，增大網絡生命期，另一 方面可以提高大流量節點的信道競爭成功率，從而提高網絡的吞吐量。


圖1是實施例的無線網絡示意圖。圖2是分別采用本實施例方法和現有技術中固定的信道競爭窗口值和占空比方 法得到的整個網絡的節能比較示意圖。圖3是分別采用本實施例方法和現有技術中固定的信道競爭窗口值和占空比方 法得到的節點1的節能比較示意圖。圖4是分別采用本實施例方法和現有技術中固定的信道競爭窗口值和占空比方 法得到的整個網絡的吞吐量比較示意圖。圖5是分別采用本實施例方法和現有技術中固定的信道競爭窗口值和占空比方 法得到的整個網絡的數據傳輸率比較示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的方法進一步描述本實施例在以本發明技術方案為前提 下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述 的實施例。實施例本實施例的無線網絡示意圖如圖1所示，網絡是由6個節點和一個網絡協調節點 組成的星型拓撲結構，其中中間節點是網絡協調節點，設置在區域的中央。每個節點可通過 CSMA/CA與其余節點競爭信道從而與網絡協調點進行通信。節點1擁有較大的負載，而節點 2 6則具有相同的較小負載。本實施例要通過動態調整節點1的流量大小來調整其信道 競爭窗口值和占空比值，以達到該網絡最大化生命期的目的。本實施例包括以下步驟第一步，節點在發送數據包，同時進行記錄數據包的處理和更新記錄的處理，并將 最近的IOs內節點發送的數據包數據作為該節點此時的流量參數。本實施例中記錄數據包的處理是編號100 ；發送時間123s ；本實施例中更新距離的處理是增加該數據包項到記錄中，此時記錄的數據包編號為88 100 ；從記錄中刪除IOs前，即113s前的數據包編號8889 ；則此時的記錄90 100 ；流量參數11。第二步，根據節點此時的流量參數，得到節點當前最佳信道競爭窗口值和最佳占 空比值。本實施例中流量參數和最佳信道競爭窗口值的關系如表1所示表 1 由表1可知，本實施例中根據當前節點的流量參數11，得到最佳信道競爭窗口值 為31。所述的最佳占空比值是 其中D是最佳占空比值，t為數據包的平均服務時間，R為隨機數因子，S為節點 睡眠_工作周期，F是當前的流量參數。本實施例得到的最佳占空比值為0. 25。第三步，在節點下一個工作/睡眠周期開始時，將節點的占空比修改為第二步得 到的最佳占空比0. 25，同時將占空比定時器的時間設置為SXD = 0. 25s，節點開始工作，其 中S為節點睡眠-T作周期(本實施例為Is)，D是第二步得到的最佳占空比值。第四步，節點將當前的信道競爭窗口值修改為第二步得到的最佳信道競爭窗口值 31，并以最佳信道競爭窗口值進行競爭。所述的競爭，包括以下步驟1)節點等待w個退避時隙，檢測信道是否空閑，其中，w e W，C]，C是當前的信道 競爭窗口值W = 8減1的差值7與最佳信道競爭窗口值31中的較小值，本實施例中C = 7 ；2)當信道空閑，則節點接入信道并發送數據，本輪競爭結束；否則，新的信道競爭 窗口值 W = 2(C+1) = 16，返回 1)。第五步，占空比定時器溢出，關閉節點收發機，同時重新啟動占空比定時器并設定 時間為SX (I-D) = 0. 75s，節點睡眠直到定時器溢出，打開節點收發機。第六步，記錄節點當前的占空比為0. 25，返回第一步，進行節點下一輪的數據發送。當分別采用本實施例方法(自適應)和現有技術中固定的信道競爭窗口值和占空 比方法(固定)得到的整個網絡的節能比較示意圖如圖2所示，節點1的節能比較示意圖 如圖3所示，由圖2和圖3可知對于流量較大節點以及整個網絡而言，采用本實施例方法 能有效降低節點1發送每個包的平均能耗。由于節點1數據流量超過了其余節點，其耗能 也相比于其余節點最大，因此節點1的生命期為整個網路壽命的瓶頸。采用了流量自適應 的信道競爭窗選擇及占空比動態調節機制以后，成功節省了節點1的能量，延長了節點1以 及整個網絡的生命期。當分別采用本實施例方法(自適應)和現有技術中固定的信道競爭窗口值和占空 比方法(固定)得到的整個網絡的吞吐量比較示意圖如圖4所示，由該圖可知本實施例方 法比現有技術而言，當節點1的負載逐漸增大的時候，整個網絡吞吐量都大大提高，這在對 數據吞吐量要求相對較高但流量不均衡的無線網絡有可以得到廣泛應用。當分別采用本實施例方法(自適應)和現有技術中固定的信道競爭窗口值和占空 比方法(固定)得到的整個網絡的數據傳輸率比較示意圖如圖5所示，由該圖可知當節點 1的流量較大時，采用現有技術會導致節點1競爭到的發送時隙數不足以發送其所有的數據，便會發生丟包的事件；但是采用本實施例方法，可以均衡發送數據包的機會，這樣流量 較大節點占有更多時間發送數據包，從而使得整個網絡數據包的成功遞交率都大大提高。
權利要求
一種實現無線網絡中最大化生命期的方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，節點發送數據，進行記錄數據包的處理和更新記錄的處理，并將最近的T時間內節點發送的數據包數以及當前時刻緩存內的數據包數作為該節點此時的流量參數；第二步，根據節點此時的流量參數，得到節點當前最佳信道競爭窗口值和最佳占空比值；第三步，在節點下一個工作/睡眠周期開始時，將節點的占空比修改為第二步得到的最佳占空比值，同時將占空比定時器的時間設置為S×D，節點開始工作，其中S為節點睡眠 工作周期，D是第二步得到的最佳占空比值；第四步，節點將當前的信道競爭窗口值修改為第二步得到的最佳信道競爭窗口值，并以最佳信道競爭窗口值進行競爭；第五步，占空比定時器溢出，關閉節點收發機，同時重新啟動占空比定時器并設定時間為S×(1 D)，節點睡眠直到定時器溢出，打開節點收發機；第六步，記錄節點當前的占空比，返回第一步，進行節點下一輪的數據發送。
2.根據權利要求1所述的實現無線網絡中最大化生命期的方法，其特征是，第一步中 所述的記錄數據包的處理是在節點發送數據包后，記錄發送的數據包的編號和數據包的 發送時間。
3.根據權利要求1所述的實現無線網絡中最大化生命期的方法，其特征是，第一步中 所述的更新記錄的處理是增加新發送的數據包以及刪除已過時的數據包記錄項。
4.根據權利要求1所述的實現無線網絡中最大化生命期的方法，其特征是，第二步中 所述的最佳信道競爭窗口值是2n-l，其中n為整數。
5.根據權利要求1所述的實現無線網絡中最大化生命期的方法，其特征是，第二步中 所述的最佳占空比值是 D=iF+R/S其中:F=dN/T+MD是最佳占空比值，t為數據包的平均服務時間，R為隨機數因子，S為節點睡眠-工作 周期，d為當前占空比，M是當前時刻緩存內的數據包數目，F是當前的流量參數。
6.根據權利要求1所述的實現無線網絡中最大化生命期的方法，其特征是，第四步所 述的競爭，包括以下步驟1)節點等待w個退避時隙，檢測信道是否空閑，其中e
，C是當前的信道競爭 窗口值W減1的差值與最佳信道競爭窗口值中的較小值；2)當信道空閑，則節點接入信道并發送數據，本輪競爭結束；否則，返回1)，并令W= 2(C+1)，重新進行競爭。
全文摘要
一種無線通信技術領域的實現無線網絡中最大化生命期的方法，本發明在節點的工作/睡眠周期開始時，根據最近T時間內的流量參數，對占空比值和信道競爭窗口值進行修改，從而解決流量不均衡網絡中流量較大節點的退避耗能過大以及相同占空比情況下的不公平競爭問題。本發明方法可均衡無線網絡中各節點能耗，改善了流量較大節點的丟包性能，大大提高網絡的使用壽命，還可以提高整個網絡的吞吐量，同時還具有開銷小和易實現等特點，能帶來可觀的經濟效益。
文檔編號H04W52/02GK101909350SQ20101025239
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者何晨, 呂超, 田軍, 肖卓凌, 蔣鈴鴿 申請人:上海交通大學;富士通株式會社