專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量自適應(yīng)管理策略的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及節(jié)點(diǎn)工作模式以及數(shù)據(jù)包分片大小選擇的單個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量自適應(yīng)管理策略。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，通常是由幾百甚至幾千個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，采用多跳傳輸進(jìn)行無線通信。傳感器節(jié)點(diǎn)的體積微小，一般由電池供電，導(dǎo)致其攜帶的能量非常有限。而傳感器節(jié)點(diǎn)通常布設(shè)在惡劣的環(huán)境或者無人區(qū)域，在傳感器節(jié)點(diǎn)能量耗盡之后很難對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更換。如果網(wǎng)絡(luò)中的一些節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而失效，特別是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的死亡會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的減小，無法保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和可靠性。因此有限的節(jié)點(diǎn)電源能量是阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵問題。 無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要由感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及無線通信模塊組成。通過將傳感器分成處理單元，感知單元和收發(fā)器單元，這幾個(gè)單元分別都有自己的工作狀態(tài)，各單元不同的工作狀態(tài)的特定組合組成了節(jié)點(diǎn)的工作模式。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)沒必要一直處于運(yùn)行狀態(tài)，在大多情況下可以處以空閑或者睡眠狀態(tài)，當(dāng)需要再次使用的時(shí)候?qū)⑵鋯拘?。如果使?jié)點(diǎn)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，雖然能夠很好的處理數(shù)據(jù)，但會(huì)導(dǎo)致能量的大量浪費(fèi)。同時(shí)當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，根據(jù)無線信道的質(zhì)量，合理選擇數(shù)據(jù)包的大小能提高數(shù)據(jù)包發(fā)送的成功率，使節(jié)點(diǎn)能量得到高效地利用，同時(shí)也減少了能量的浪費(fèi)。因此合理選擇節(jié)點(diǎn)的工作模式和自適應(yīng)選擇發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小可以高效地利用節(jié)點(diǎn)能量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量自適應(yīng)管理策略就是將節(jié)點(diǎn)能量問題建模成馬爾可夫決策過程模型，再利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法得出最優(yōu)策略，在不同的信道狀態(tài)選擇不同的工作模式和數(shù)據(jù)傳輸方式，以最小化由每個(gè)數(shù)據(jù)包的能量消耗、緩沖區(qū)溢出、傳感器節(jié)點(diǎn)工作模式切換的能量消耗以及分片代價(jià)組成的整體代價(jià)，提高單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量利用效率?，F(xiàn)實(shí)中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)存在以下問題I、傳感器節(jié)點(diǎn)的體積微小，一般由電池供電，導(dǎo)致其攜帶的能量非常有限，且一般布設(shè)在偏遠(yuǎn)或者危險(xiǎn)的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)因能量耗盡死亡后不易更換。如果網(wǎng)絡(luò)中有關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)因?yàn)樗劳龆撾x了網(wǎng)絡(luò)，會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積減小，使其他節(jié)點(diǎn)收集到的信息無法傳送給監(jiān)控人員，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性和準(zhǔn)確性。2、傳感器節(jié)點(diǎn)有多種工作模式，沒有必要使節(jié)點(diǎn)時(shí)時(shí)刻刻處于工作狀態(tài)，如果不需要節(jié)點(diǎn)各組件進(jìn)入工作狀態(tài)，可以使節(jié)點(diǎn)某些組件進(jìn)入空閑或者睡眠狀態(tài)，需要時(shí)將其再次喚醒。節(jié)點(diǎn)各組件的不同工作狀態(tài)可以組合成不同的工作模式，選擇合適的工作模式可以有效減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。3、無線信道的質(zhì)量對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β视泻艽蟮挠绊?。?dāng)網(wǎng)絡(luò)中無線信道質(zhì)量較好時(shí)，應(yīng)該盡可能多的傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)信道質(zhì)量比較差時(shí)，傳輸多個(gè)完整的數(shù)據(jù)包會(huì)容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)包傳輸成功率大大降低，這樣容易導(dǎo)致因?yàn)閿?shù)據(jù)重傳而引起能量消耗，因此可以采用虛擬分片技術(shù)，選擇傳輸較少的數(shù)據(jù)分片幀或者延遲傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量自適應(yīng)管理策略，以合理調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的工作模式以及選擇發(fā)送合適大小的數(shù)據(jù)包，提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量利用率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量自適應(yīng)管理策略，其特征在于，具體包括以下步驟(I)衡量當(dāng)前無線信道的狀態(tài)將連續(xù)的無線信道離散化，在時(shí)間片i，無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過與接收節(jié)點(diǎn)交換控制信息完成連接，無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過分析封裝在控制信息中的反饋信號(hào)獲得無線衰減信道的當(dāng)前狀態(tài)，通過將接收到的瞬時(shí)信噪比Y劃分為k個(gè)區(qū)間，當(dāng)接收到的信噪比落在Ylrl·到Y(jié) k區(qū)間，則認(rèn)為信道狀態(tài)為k，假設(shè)信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移發(fā)生在一個(gè)時(shí)間片的邊界，并且只轉(zhuǎn)移到相鄰狀態(tài)之間；(2)檢測(cè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)自身緩沖區(qū)狀態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)在時(shí)間片i，感知和接收從其它相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而來的數(shù)據(jù)按相同的數(shù)學(xué)分布到達(dá)節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)中，節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)即為緩沖區(qū)狀態(tài)；(3)強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法①傳感器節(jié)點(diǎn)主要由處理器單元，感知單元和收發(fā)器單元組成，將這三個(gè)不同的組成單元構(gòu)成節(jié)點(diǎn)8種不同的工作模式，結(jié)合節(jié)點(diǎn)自身的緩沖區(qū)狀態(tài)以及當(dāng)前無線信道狀態(tài)，傳感器節(jié)點(diǎn)決策以選擇合理的節(jié)點(diǎn)工作模式和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過相關(guān)路由控制協(xié)議與接收節(jié)點(diǎn)通信；②根據(jù)接收到的控制信息估計(jì)當(dāng)前的無線信道質(zhì)量，引入虛擬分片技術(shù)，將一個(gè)完整的幀分成多個(gè)數(shù)據(jù)片，在信道狀態(tài)比較好的時(shí)候可以選擇多發(fā)送些完整的數(shù)據(jù)包，在信道差的時(shí)候選擇發(fā)送幾個(gè)分片幀，在信道非常差的時(shí)候延遲發(fā)送數(shù)據(jù)包；③在時(shí)間片i，通過發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的控制信息檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)為Si= (gi，bj，其中g(shù)i為信道狀態(tài)，bi為緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)；用％表示在時(shí)間片i下
執(zhí)行的控制行動(dòng),其包括節(jié)點(diǎn)工作模式為Ah ;節(jié)點(diǎn)的傳輸功率為Pu ;節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包
個(gè)數(shù)為Cu ;然后按(I)式計(jì)算節(jié)點(diǎn)所花費(fèi)的立即代價(jià)R
權(quán)利要求
1. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量自適應(yīng)管理策略，其特征在于，具體包括以下步驟 (1)衡量當(dāng)前無線信道的狀態(tài) 將連續(xù)的無線信道離散化，在時(shí)間片i，無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過與接收節(jié)點(diǎn)交換控制信息完成連接，無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過分析封裝在控制信息中的反饋信號(hào)獲得無線衰減信道的當(dāng)前狀態(tài)，通過將接收到的瞬時(shí)信噪比Y劃分為k個(gè)區(qū)間，當(dāng)接收到的信噪比落在Yk區(qū)間，則認(rèn)為信道狀態(tài)為k，假設(shè)信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移發(fā)生在一個(gè)時(shí)間片的邊界，并且只轉(zhuǎn)移到相鄰狀態(tài)之間； (2)檢測(cè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)自身緩沖區(qū)狀態(tài) 傳感器節(jié)點(diǎn)在時(shí)間片i，感知和接收從其它相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而來的數(shù)據(jù)按相同的數(shù)學(xué)分布到達(dá)節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)中，節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)即為緩沖區(qū)狀態(tài)； (3)強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法 ①傳感器節(jié)點(diǎn)主要由處理器單元，感知單元和收發(fā)器單元組成，將這三個(gè)不同的組成單元構(gòu)成節(jié)點(diǎn)8種不同的工作模式，結(jié)合節(jié)點(diǎn)自身的緩沖區(qū)狀態(tài)以及當(dāng)前無線信道狀態(tài)，傳感器節(jié)點(diǎn)決策以選擇合理的節(jié)點(diǎn)工作模式和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過相關(guān)路由控制協(xié)議與接收節(jié)點(diǎn)通信； ②根據(jù)接收到的控制信息估計(jì)當(dāng)前的無線信道質(zhì)量，引入虛擬分片技術(shù)，將一個(gè)完整的幀分成多個(gè)數(shù)據(jù)片，在信道狀態(tài)比較好的時(shí)候可以選擇多發(fā)送些完整的數(shù)據(jù)包，在信道差的時(shí)候選擇發(fā)送幾個(gè)分片幀，在信道非常差的時(shí)候延遲發(fā)送數(shù)據(jù)包； ③在時(shí)間片i，通過發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的控制信息檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)為Si= (gi,匕)，其中g(shù)i為信道狀態(tài)，匕為緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)；用％表示在時(shí)間片i下執(zhí)行的控制行動(dòng)，其包括節(jié)點(diǎn)工作模式為Ai,;節(jié)點(diǎn)的傳輸功率為Pm ;節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為(V ;然后按⑴式計(jì)算節(jié)點(diǎn)所花費(fèi)的立即代價(jià)R Risi-) =+ PJKh,.U1) + β，[An, ι.Αι ι) + φ(I) LJ. t 在式(I)中 第一項(xiàng)f為每處理一個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量，Pi表示在時(shí)間片i時(shí)節(jié)點(diǎn)消耗的功率，包括節(jié)點(diǎn)感知單元、接收器和發(fā)送器的功耗；TP表示一個(gè)時(shí)間片的長(zhǎng)度；υ表示節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)從感知單元感知到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，接收器從相鄰節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，以及發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)A(I^ai)表示在時(shí)間片i由于緩沖區(qū)溢出造成丟失的平均數(shù)據(jù)包數(shù)，P(Ii)表示緩沖區(qū)空白為η的概率A(I^ai) —定程度體現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的速度，當(dāng)D(I^ai)比較大的時(shí)候顯示了信道質(zhì)量不怎么好，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的速度大于接收數(shù)據(jù)的速度；而當(dāng)D(I^ai)小的時(shí)候說明節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)要多余節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)溢出的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)比較小JOtivAi,)表示從工作模式X到工作模式的切換代價(jià)；0表不米取分片傳輸所產(chǎn)生的分片代價(jià)； ④根據(jù)步驟③中所述立即代價(jià)函數(shù)R，利用即時(shí)差分公式Cli，按照(2)式對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)-行動(dòng)對(duì)值函數(shù)Qe (si+1, a)進(jìn)行更新
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量自適應(yīng)管理策略，由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限性，而節(jié)點(diǎn)在不同工作模式所消耗的能量是不一樣的，針對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的這些特點(diǎn)，首先構(gòu)建一種基于信道和緩沖區(qū)狀態(tài)的自適應(yīng)傳輸機(jī)制，其次在普通傳輸機(jī)制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入了數(shù)據(jù)包虛擬分片技術(shù)，形成基于信道和緩沖區(qū)自適應(yīng)分片傳輸機(jī)制，通過將問題建模成馬爾可夫決策過程模型，利用一種智能學(xué)習(xí)優(yōu)化算法求解出最優(yōu)策略，解決了在不同網(wǎng)絡(luò)信道和節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)狀態(tài)下，合理選擇節(jié)點(diǎn)工作模式和數(shù)據(jù)包的分片大小，提高節(jié)點(diǎn)的能量利用效率。
文檔編號(hào)H04W52/02GK102958109SQ20121041844
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者唐昊, 周雷, 蘇紅, 孫晶, 李慧子, 毛沙, 任玲 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)