專利名稱：均衡無線網絡能耗的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種無線通信技術領域的方法，具體是一種均衡無線網絡能耗的方法。
背景技術：
傳感網技術在近年得到了長足的發展，尤其在物聯網概念的提出及大規模研究之后。而在以物聯網為典型代表的無線網絡中，能耗是制約其發展的關鍵性因素。尤其在以電池供電的無線網絡中，如實現地震預警，海洋生態監測等應用中，電池往往是不可更換的，因而使得能耗成為最關鍵的指標。如何使用有限的能量盡可能延長網絡的生命期，涉及到網絡各個節點之間的合作和節點本身的能耗局部最優化。因此，在保證數據的正常傳輸下，如何在實現全局網絡能耗最小化，均衡網絡中各個節點的能耗，從而延長網絡壽命一直以來都是重要的研究方向。 同時，隨著各行業對無線網絡應用要求的不斷提高，各節點之間負載的不均衡性也日益顯著。特別在綜合應用性質的無線傳感器網絡中，這種負載的不均衡導致了高負載的節點率先耗盡能量而使得整個網絡癱瘓。因此，這些高負載的節點的生命期成了整個網絡生命期的瓶頸，均衡整個網絡的能耗，延長高負載節點的生命期是延長整個網絡的生命期的關鍵。經對現有文獻檢索發現，文獻“Energy efficient routing in wireless sensornetworks” (C. Schurgers, Μ. B. Srivastava. MILCOM' 01, 2001, 357-361)(無線傳感網中的高能效路由算法)提供了無線傳感網中的最小化網絡全局能耗，延長網絡生命期的方法。該技術試圖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，避免整個網絡中個別節點的負載過高而耗能太大，以之來均衡各節點能量消耗從而提高網絡生命期。但是該技術從無線網絡的網絡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，試圖從整個網絡通過分布式的路由方式來均衡能量，缺乏從節點的底層協議及節點自身的角度考慮。由于該技術中的路由建立開銷大且收斂慢，它不適合于電池供電的網絡中。文獻“Energyefficient MAC for wireless sensor networks” (P. K0SKELA, M.VALTA, T. FRANTTI. Sensors&Transducers Journal, 121 (10) : 133-143，2010)(無線傳感網中的高能效MAC算法)提供了一種適用于無線傳感器網絡中的高能效MAC算法。該技術通過更正節點的時間漂移及節點的采樣率來調整節點的工作占空比從而通過占空比的調整來達到降低網絡能耗和延長網絡壽命的目的。但是該技術僅考慮了占空比的調整，沒有考慮節點負載的不均衡性對占空比的影響，從而無法解決負載不均衡網絡中高負載節點的能耗瓶頸問題。單次占空比的調整與網絡全局的能耗均衡并無確定關系，因此該技術并不適用于負載不均衡網絡中
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，提供一種均衡無線網絡能耗的方法。本發明根據節點當前負載動態調節節點的退避窗口長度以及占空比大小，實現了無線網絡中以增加輕負載節點的空閑能耗為代價，降低重負載節點的退避能耗，從而均衡了整個網絡的能耗，增大各類節點乃至于整個網絡的生命期，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，根據本發明的一個方面，提供一種均衡無線網絡能耗的方法，包括以下步驟第一步，在每一個睡眠-工作周期T的活躍期開始后，節點正常收發數據包，同時進行所收發數據包的處理；第二步，該周期結束時，根據第一步的記錄，計算節點此時的負載因子；第三步，根據負載因子，計算節點最佳退避窗口長度和最佳占空比； 第四步，在節點下一個工作-睡眠周期開始前，修改節點占空比為第三步得到的最佳占空比，同時將占空比定時器的時間設置為TXD，節點開始工作；其中T為節點睡眠-工作周期，D是第三步得到的最佳占空比值；第五步，修改當前的最佳退避窗口長度為第三步得到的最佳退避窗口長度，并在工作周期內以最佳退避窗口長度參與信道競爭；第六步，等待占空比定時器溢出，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TX (I-D)；第七步等待占空比定時器溢出，打開節點收發機并記錄節點當前的占空比,清空第一步中記錄數據包信息的數據庫并返回第一步。優選地，第一步中所述的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，并記錄尚未發送的緩存中的數據包數目。優選地，第二步中所述的負載因子是
「 I rNfn =-,
p N+ MT其中N為上個睡眠-工作周期T內記錄的數據包數目，M是當前時刻緩存內的數據包數目。優選地，第三步中所述的最佳退避窗口長度是2n，其中n為整數。η由流量參數
fp決定如下
= max (3, [log (//〔)]},其中fp是當前的負載因子，Wm為最大退避窗口長度(常量)，「I表示下取整，max {a, b}表示取a與b的較大值。優選地，第三步中所述的最佳占空比是D= (I. 5-fp)d,其中fp是當前的負載因子，D是最佳占空比值，d為當前占空比。優選地，第五步所述的參與信道競爭，包括以下步驟步驟I)節點首先退避w個時隙，然后檢測信道是否空閑，其中we
，W是當前周期的最佳退避窗口長度；
步驟2)若檢測到信道空閑，則節點發送數據，本輪信道競爭結束；否則返回步驟I )，并將W的值增加為原來的2倍，重新參與信道競爭。與現有技術相比，本發明的有益效果是從單個節點自身出發，根據自身的負載大小動態調節自身參與網絡競爭的力度。負載較重節點通過實時動態調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爭次數及時間，有效降低競爭開銷。同時，各節點通過動態調節當前占空比為最佳占空比，從而一方面保證了節點有足夠的時間發送數據包，另一方面也限制了節點的活躍時間，使得負載較重及較輕節點的能耗盡可能達到均衡，延長負載較重節點的生命期，從而保證了整個網絡生命期的最大化。
圖I是實施例的無線網絡拓撲示意圖。圖2是分別采用本實施例方法和現有技術中固定的退避窗口長度和占空比方法得到的重負載節點的節能比較示意圖。·圖3是分別采用本實施例方法和現有技術中固定的退避窗口長度和占空比方法得到的整個網絡的平均節能比較示意圖。圖4是分別采用本實施例方法和現有技術中固定的退避窗口長度和占空比方法得到的整個網絡的生命期比較示意圖。
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I所示，該網絡是由12個節點和I個中心節點組成的星型拓撲結構，其中所有邊緣節點將數據匯集到中心節點，該中心節點的通信范圍覆蓋了其余所有節點。每個邊緣節點均可與其余邊緣節點競爭信道從而與中心節點進行通信。在該實施例中，節點1-2配置了較重負載，而節點Γ12則具有相同的較輕負載。本實施例要通過動態調整節點I和節點2的負載大小來調整其退避窗口長度和占空比值，從而達到均衡網絡能耗的目的。本實施例包括以下步驟第一步，在每一個睡眠-工作周期T的活躍期開始后，節點正常收發數據包，同時進行所收發數據包的處理。所述的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，并記錄尚未發送的緩存中的數據包編號。本實施例中該睡眠-工作周期長度為T=ls，該周期內記錄數據包編號范圍為882 890 ；尚未發送的緩存中的數據包數目為89廣892 ；第二步，該周期結束時，根據第一步的記錄，計算節點此時的負載因子。所述的節點負載因子是
權利要求
1.一種均衡無線網絡能耗的方法，其特征在于，包括以下步驟 第一步，在每一個睡眠-工作周期T的活躍期開始后，節點正常收發數據包，同時進行所收發數據包的處理； 第二步，該周期結束時，根據第一步的記錄，計算節點此時的負載因子； 第三步，根據負載因子，計算節點最佳退避窗口長度和最佳占空比； 第四步，在節點下一個工作-睡眠周期開始前，修改節點占空比為第三步得到的最佳占空比，同時將占空比定時器的時間設置為TXD，節點開始工作；其中T為節點睡眠-工作周期，D是第三步得到的最佳占空比值； 第五步，修改當前的最佳退避窗口長度為第三步得到的最佳退避窗口長度，并在工作周期內以最佳退避窗口長度參與信道競爭； 第六步，等待占空比定時器溢出，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TX (I-D)； 第七步等待占空比定時器溢出，打開節點收發機并記錄節點當前的占空比，清空第一步中記錄數據包信息的數據庫并返回第一步。
2.根據權利要求I所述的均衡無線網絡能耗的方法，其特征是，第一步中所述的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，并記錄尚未發送的緩存中的數據包數目。
3.根據權利要求I所述的均衡無線網絡能耗的方法，其特征是，第二步中所述的負載因子是 f — N p N+ MT ’ 其中N為上個睡眠-工作周期T內記錄的數據包數目，M是當前時刻緩存內的數據包數目。
4.根據權利要求I所述的均衡無線網絡能耗的方法，其特征是，第三步中所述的最佳退避窗口長度是2n，其中n為整數。η由流量參數fp決定如下 = max {3，「log(/,m)]}， 其中fp是當前的負載因子，Wm為最大退避窗口長度(常量)，「I表示下取整，max{a，b}表示取a與b的較大值。
5.根據權利要求I所述的均衡無線網絡能耗的方法，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是當前的負載因子，D是最佳占空比值，d為當前占空比。
6.根據權利要求I所述的均衡無線網絡能耗的方法，其特征是，第五步所述的信道競爭，包括以下步驟 步驟I)節點首先退避w個時隙，然后檢測信道是否空閑，其中w e
，W是當前周期的最佳退避窗口長度； 步驟2)若檢測到信道空閑，則節點發送數據，本輪信道競爭結束；否則返回步驟1)，并將W的值增加為原來的2倍，重新參與信道競爭。
全文摘要
本發明提供一種均衡無線網絡能耗的方法，本發明在網絡節點的每個工作周期開始前，根據上一個周期的負載因子，動態調整節點的退避窗口值以及占空比，增大負載較大節點接入信道的概率及工作時間，從而均衡網絡能耗，解決負載不均衡而導致的流量及能耗不均衡問題，延長整個網絡的生命期。根據本發明提供的方法可動態調整無線網絡中各節點能耗，均衡網絡流量及能耗，改善了負載較大節點的性能，大大提高網絡的使用壽命，同時該技術方法開銷小，成本低，具有良好的實用性，能帶來可觀的經濟效益。
文檔編號H04W52/02GK102892185SQ20121026176
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月26日 優先權日2012年7月26日
發明者何晨, 肖卓凌, 蔣鈴鴿 申請人:上海交通大學