專利名稱：一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)作為信息科學(xué)領(lǐng)域中，新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科進(jìn)行領(lǐng)域間學(xué)術(shù)交叉的結(jié)果，由大量分布式傳感節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，它綜合了微機(jī)電技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)，通過各類微型傳感器對目標(biāo)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，由嵌入式計(jì)算資源對信息進(jìn)行處理，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠(yuǎn)程用戶。WSN具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在軍事國防，工農(nóng)業(yè)控制，城市管理、生物醫(yī)療，環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)，防恐反恐，危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價(jià)值和實(shí)用價(jià)值. WSN通常具有如下特點(diǎn)1)WSN通常部署于人工操作困難的環(huán)境中；2)WSN中包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量通常很龐大；3)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通常只能有限地獲取能源供應(yīng)。一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)能源耗盡，必將導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)失效；更進(jìn)一步地，如果該節(jié)點(diǎn)位于WSN路由關(guān)鍵位置處，還可能導(dǎo)致整個(gè)WSN的失效。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間是影響WSN實(shí)用化的關(guān)鍵因素。諸多研究成果表明，WSN中能耗主要來自于信息的無線傳輸過程，其中，信息的無線發(fā)送的能耗在總能耗中的比例高達(dá)70%?，F(xiàn)有WSN在無線傳輸技術(shù)方面基本沿用傳統(tǒng)無線傳輸技術(shù)，但是，需要注意的是，傳統(tǒng)無線傳輸技術(shù)是以服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)為核心目標(biāo)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，對傳輸能效的考慮不足。對于WSN的特殊應(yīng)用需求而言(以少量數(shù)據(jù)為主，對數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性以及能效要求很高，但是對傳輸時(shí)延的敏感性較低)，其無線傳輸能量效率存在較大不足，從而限制了 WSN節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間。此外，現(xiàn)有的優(yōu)化方法僅僅考慮了固定能源的情形(例如容量受限的電池等)，對于能夠以一定速率再生的能源(例如太陽能電池板等)沒有涉及。目前，還沒有針對WSN的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，能夠在保障WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)無線信息傳輸?shù)腝oS的前提下，對其生存時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明實(shí)施例公開了一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，包括以下步驟無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與生存時(shí)間的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能源模型和生存時(shí)間模型，分別用于描述該節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)和消耗狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)生存狀態(tài)，兩個(gè)模型聯(lián)合提供評估該節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間；無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與服務(wù)質(zhì)量的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量評價(jià)模型和無線傳輸能效評價(jià)模型，分別用于描述無線傳感器節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量等級和無線傳輸?shù)哪芰啃?，兩個(gè)模型聯(lián)合提供該節(jié)點(diǎn)的無線傳輸能效與服務(wù)質(zhì)量評估；以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間為目標(biāo)的服務(wù)質(zhì)量保障步驟，通過能效模型結(jié)合所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與生存時(shí)間的評估步驟和無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與服務(wù)質(zhì)量的評估步驟，在無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間和服務(wù)質(zhì)量等級之間建立定量關(guān)系，提供以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間為目標(biāo)的服務(wù)質(zhì)量保障。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，無線傳感器節(jié)點(diǎn)能源模型為固定容量可充電電源和/或再生速率受限的可再生能源。
進(jìn)一步,作為一種優(yōu)選,固定容量可充電電源為電池。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，再生速率受限的可再生能源為光電轉(zhuǎn)換電源。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間模型為在給定能耗、電源容量以及再生能源速率的條件下，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠正常工作的時(shí)間預(yù)測模型。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，無線傳感器節(jié)點(diǎn)服務(wù)質(zhì)量評價(jià)模型包括時(shí)變的傳輸容量模型和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)排隊(duì)模型，并通過這兩個(gè)模型對服務(wù)質(zhì)量中丟包率和傳輸時(shí)延進(jìn)行定量分析。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，無線傳輸能效評價(jià)模型包括無線衰落信道下數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘颗c該傳輸所消耗能量之間的定量聯(lián)系。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，數(shù)據(jù)傳輸容量與該傳輸歲消耗能量之間的定量聯(lián)系，采用了基于平均接收互信息率的物理層抽象模型。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間和服務(wù)質(zhì)量等級之間的定量關(guān)系，以無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄橹虚g變量，建立無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間與服務(wù)質(zhì)量之間的
定量關(guān)系。進(jìn)一步，作為一種優(yōu)選，以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間為目標(biāo)的服務(wù)質(zhì)量保障方法，通過在無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間與服務(wù)質(zhì)量的定量關(guān)系中，引入生存時(shí)間最大以及服務(wù)質(zhì)量降級概率最大值的約束條件，從而建立最優(yōu)化模型，導(dǎo)出最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方案。本發(fā)明能夠在保障WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)無線信息傳輸?shù)腝oS的前提下，對其生存時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。該優(yōu)化和保障過程中，核心目標(biāo)是在滿足WSN傳輸?shù)腝oS基本需求的前提下，使得傳感器節(jié)點(diǎn)由于能源耗盡而使得其生存時(shí)間終止的概率最小。最終改善和解決WSN應(yīng)用中的能效瓶頸問題。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，其中圖I為本發(fā)明實(shí)施例涉及的WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的能源與生存時(shí)間模型示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例涉及的WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳輸能效模型示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例涉及的WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的QoS模型示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例流程圖。
具體實(shí)施例方式為使上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些具體實(shí)施方式
僅是舉例說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的情況下，可以對上述方法和系統(tǒng)的細(xì)節(jié)進(jìn)行各種省略、替換和改變。例如，合并上述方法步驟，從而按照實(shí)質(zhì)相同的方法執(zhí)行實(shí)質(zhì)相同的功能以實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)相同的結(jié)果則屬于本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。WSN節(jié)點(diǎn)能耗與生存時(shí)間的評估如圖I所示，WSN節(jié)點(diǎn)能源包含容量固定的儲能單元(例如充電電池)和再生速率受限的能源再生單元(例如太陽能光電轉(zhuǎn)換器)。能源再生單元的能源再生速率Rrahaw是 隨周圍環(huán)境變化而變化的隨機(jī)過程；儲能單元的最大容量是Emax ;節(jié)點(diǎn)工作的能耗速率Rconsume是隨節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)而變化。所以，WSN節(jié)點(diǎn)能耗與生存時(shí)間模型如下，
'= arg{^(/) > 0}
T= mini ^inax + J[Recharge (O - Wconsume (T)KTj^max I
1 Lj(I)WSN節(jié)點(diǎn)能耗與QoS的評估，其中包括WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳輸能效和QoS模型。WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳輸能效模型如圖2所示。信道衰落因子H和信道背景噪聲功率N是隨無線信道狀態(tài)變化的隨機(jī)過程，對于接收節(jié)點(diǎn)，該參數(shù)可以根據(jù)信道估計(jì)算法捕獲其具體取值。對于給定的調(diào)制編碼方式(Modulation and Coding Scheme, MCS)以及信號發(fā)射功率Ρτ，對應(yīng)的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`比特率Pe可以通過基于平均接收互信息率的物理層抽象模型進(jìn)行準(zhǔn)確估算，Pe (t) =RBIR_Mapping [PT (t)，MCS (t)，H (t)，N (t) ] (2)因此，對于某一時(shí)刻t，收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間可以正確有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率為，C (t) =Nmcs [I-Pe (t)]⑶這里，Nks表示給定MCS條件下單位時(shí)間最大可以傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)目。由此定義無線傳輸能效為，7l(/)='y^(4)該能效參數(shù)表征在一定無線信道狀態(tài)下，單位能耗可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率，單位是比特每焦耳(bit per Joule, b/J)。WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的QoS模型如圖3所示。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)速率為R_rce，所采集的數(shù)據(jù)存入傳感器節(jié)點(diǎn)緩存，然后等待無線傳輸資源進(jìn)行傳輸。QoS的降級發(fā)生在如下情形中I)如果緩存溢出，將發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和QoS的降級；2)如果數(shù)據(jù)在無線傳輸中發(fā)生錯(cuò)誤，將發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和QoS降級；3)對于某些具有時(shí)延保障需求的數(shù)據(jù)，如果其在緩存中排隊(duì)的時(shí)間超過所需求時(shí)間延遲，該數(shù)據(jù)將被丟棄，發(fā)生QoS的降級。這里需要注意的是I)以現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備條件，傳感器節(jié)點(diǎn)完全可以以很低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)足夠大的緩存空間，從而完全避免緩存溢出引起的QoS降級；2)對于無時(shí)間延遲限制的數(shù)據(jù)傳輸，通過重傳機(jī)制，可以將無線傳輸中數(shù)據(jù)的突發(fā)錯(cuò)誤概率降到很低的水平，避免突發(fā)錯(cuò)誤引起的QoS降級。因此，本發(fā)明實(shí)施例針對的是第三種情形下的QoS保障。由式(4)可得，對于給定的無線信道狀態(tài)以及發(fā)射功率，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳輸速率可以確定；令9(0表示同時(shí)刻數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列中排隊(duì)等候數(shù)據(jù)的長度，則新加入隊(duì)列的數(shù)據(jù)等候時(shí)間為，
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，其特征在于，包括以下步驟 無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與生存時(shí)間的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能源模型和生存時(shí)間模型，分別用于描述該節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)和消耗狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)生存狀態(tài)，兩個(gè)模型聯(lián)合提供評估該節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間； 無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與服務(wù)質(zhì)量的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量評價(jià)模型和無線傳輸能效評價(jià)模型，分別用于描述無線傳感器節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量等級和無線傳輸?shù)哪芰啃剩瑑蓚€(gè)模型聯(lián)合提供該節(jié)點(diǎn)的無線傳輸能效與服務(wù)質(zhì)量評估； 以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間為目標(biāo)的服務(wù)質(zhì)量保障步驟，通過能效模型結(jié)合所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與生存時(shí)間的評估步驟和無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與服務(wù)質(zhì)量的評估步驟，在無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間和服務(wù)質(zhì)量等級之間建立定量關(guān)系，提供以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間為目標(biāo)的服務(wù)質(zhì)量保障。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，其特征在于，所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)能源模型為固定容量可充電電源和/或再生速率受限的可再生能源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，其特征在于，所述固定容量可充電電源為電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，其特征在于，所述再生速率受限的可再生能源為光電轉(zhuǎn)換電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，其特征在于，所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間模型為在給定能耗、電源容量以及再生能源速率的條件下，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠正常工作的時(shí)間預(yù)測模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，其特征在于所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)服務(wù)質(zhì)量評價(jià)模型包括時(shí)變的傳輸容量模型和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)排隊(duì)模型，并通過這兩個(gè)模型對服務(wù)質(zhì)量中丟包率和傳輸時(shí)延進(jìn)行定量分析。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，其特征在于，所述無線傳輸能效評價(jià)模型包括無線衰落信道下數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘颗c該傳輸所消耗能量之間的定量聯(lián)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)傳輸容量與該傳輸歲消耗能量之間的定量聯(lián)系，采用了基于平均接收互信息率的物理層抽象模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，其特征在于，所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間和服務(wù)質(zhì)量等級之間的定量關(guān)系，以無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄橹虚g變量，建立無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間與服務(wù)質(zhì)量之間的定量關(guān)系。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，其特征在于，所述以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間為目標(biāo)的服務(wù)質(zhì)量保障方法，通過在無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間與服務(wù)質(zhì)量的定量關(guān)系中，引入生存時(shí)間最大以及服務(wù)質(zhì)量降級概率最大值的約束條件，從而建立最優(yōu)化模型，導(dǎo)出最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方案。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間的服務(wù)質(zhì)量保障方法，包括以下步驟無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與生存時(shí)間的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能源模型和生存時(shí)間模型，分別用于描述該節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)和消耗狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)生存狀態(tài)，兩個(gè)模型聯(lián)合提供評估該節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間；無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗與服務(wù)質(zhì)量的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量評價(jià)模型和無線傳輸能效評價(jià)模型，分別用于描述無線傳感器節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量等級和無線傳輸?shù)哪芰啃?，兩個(gè)模型聯(lián)合提供該節(jié)點(diǎn)的無線傳輸能效與服務(wù)質(zhì)量評估；通過上述步驟建立以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間為目標(biāo)的服務(wù)質(zhì)量保障。
文檔編號H04W28/24GK102821409SQ20121029575
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者張金寶, 談?wù)褫x, 張子淇, 丁根明 申請人:北京交通大學(xué)