本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能與功耗調(diào)整方法。

背景技術(shù)：

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常使用電池供電，且電量十分有限，因此，延長節(jié)點(diǎn)和整個(gè)傳感網(wǎng)的工作壽命是網(wǎng)絡(luò)部署者關(guān)注的重要目標(biāo)。圍繞延長網(wǎng)絡(luò)壽命的技術(shù)方向從技術(shù)特點(diǎn)方面可分為三大類，分別是節(jié)能、外部能量收集、無線充電。

其中，節(jié)能方法是指通過減少傳感器節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間或單位工作量的能耗來延長其生命期的方法。而在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、拓?fù)?、初始能量等諸多方面均相同的情況下，路由和流量分配對于網(wǎng)絡(luò)的性能和壽命影響巨大。所以，對路由和流量分配進(jìn)行優(yōu)化是很有效的調(diào)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能和功耗的手段。

當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于網(wǎng)絡(luò)層的拓?fù)洳渴鸷土髁糠峙浞矫娴墓?jié)能研究根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)區(qū)分，可分為能量空洞避免、節(jié)能路由、移動(dòng)Sink等幾大類。但三者都有較明顯的局限性。能量空洞避免類僅僅以能量均衡為目標(biāo)，不能兼顧網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，節(jié)點(diǎn)逐漸死亡過程中如何優(yōu)化全網(wǎng)壽命并未充分研究；節(jié)能路由及調(diào)度類，單純節(jié)能，無法兼顧性能，并且部分算法需要啟發(fā)式求解，近似比和復(fù)雜度較難取舍；移動(dòng)Sink類僅適用于具備Sink節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)條件的場景，并且采集數(shù)據(jù)量突然增大時(shí)對移動(dòng)速度有更高要求。

但是，考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)某些應(yīng)用場景或遇到某些突發(fā)情況時(shí)，如災(zāi)難救助、火山監(jiān)測、森林防火等，對于網(wǎng)絡(luò)性能尤其是網(wǎng)絡(luò)可靠性有較高要求，亟需傳感網(wǎng)具有一定彈性，可以以較低復(fù)雜度在低功耗低性能至高功耗高性能運(yùn)行狀態(tài)之間進(jìn)行選擇和變換的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能與功耗調(diào)整方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能與功耗調(diào)整方法，以解決上述問題。

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能與功耗調(diào)整方法，包括：

節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)初始化，節(jié)點(diǎn)根據(jù)約束條件生成潛在父子關(guān)系和其關(guān)系的鄰接矩陣，節(jié)點(diǎn)間發(fā)送消息建立網(wǎng)絡(luò)；

設(shè)置合理調(diào)節(jié)因子，根據(jù)選用的無線協(xié)議和硬件設(shè)置鏈路容量上限，將流量需求、鄰接矩陣代入模型；

使用凸優(yōu)化方法循環(huán)求解直到得到函數(shù)最優(yōu)解；

得到各鏈路流量分配和目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值。

進(jìn)一步，該模型表示為：

s.t.

d_s≥0，表達(dá)傳感網(wǎng)中任何非Sink節(jié)點(diǎn)s向其父節(jié)點(diǎn)傳遞的流量與節(jié)點(diǎn)s所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)來的流量之差為s自身進(jìn)行數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生的流量；

表示任何節(jié)點(diǎn)下面所帶的子節(jié)點(diǎn)無論多少級(jí)，匯聚的流量不能超過鏈路容量閾值c；

x_ji≥0，表示相鄰節(jié)點(diǎn)間流量非負(fù)；

表示節(jié)點(diǎn)至少有一個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)作為自身的父節(jié)點(diǎn)；

式中，k為節(jié)點(diǎn)總數(shù)；x_ij表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的流量，其中i和j是任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)；c為最大收發(fā)鏈路容量；e為周期性采集頻率，單位：字節(jié)/秒；d_s為節(jié)點(diǎn)出流量；a，b為調(diào)節(jié)因子。

進(jìn)一步，對普通節(jié)點(diǎn)建立該模型時(shí)，d_s＝e；對Sink建立該模型時(shí)，Sink節(jié)點(diǎn)匯集全網(wǎng)流量，d_s＝-e×k。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的模型為凸優(yōu)化模型，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能與功耗可調(diào)模型，該方法通過節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方式及流量分配進(jìn)行優(yōu)化，具有較低計(jì)算復(fù)雜度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的流程圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例鄰接矩陣adj的示意圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例節(jié)點(diǎn)關(guān)系和流量分配1(a＝1，b＝1)的示意圖；

圖4是本發(fā)明一實(shí)施例節(jié)點(diǎn)關(guān)系和流量分配2(a＝0，b＝1)的示意圖；

圖5是本發(fā)明一實(shí)施例節(jié)點(diǎn)關(guān)系和流量分配3(a＝1，b＝0)的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但應(yīng)當(dāng)說明的是，這些實(shí)施方式并非對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所作的功能、方法、或者結(jié)構(gòu)上的等效變換或替代，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本實(shí)施例提供了一種性能與功耗可調(diào)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型(方法)，描述和使用該模型時(shí)需要用到的變量如下：

用G＝(N,E)表示有向傳感網(wǎng)絡(luò)，其中N是節(jié)點(diǎn)集，E是邊集，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為k個(gè)。

x_ij表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的流量，其中i和j是任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)。

最大收發(fā)鏈路容量c，周期性采集頻率e(單位：字節(jié)/秒)。

d_s為節(jié)點(diǎn)出流量。有向傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分為sink節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)，對普通節(jié)點(diǎn)建立該模型時(shí)，d_s＝e；而sink節(jié)點(diǎn)匯集全網(wǎng)流量，d_s＝-e×k。

調(diào)節(jié)因子a，b，增大a，b會(huì)使得表達(dá)式項(xiàng)權(quán)重增大，從而使該項(xiàng)優(yōu)化效果更加顯著。

這個(gè)模型如下所示：

s.t.

d_s≥0；(表達(dá)傳感網(wǎng)中任何非Sink節(jié)點(diǎn)s向其父節(jié)點(diǎn)傳遞的流量與節(jié)點(diǎn)s所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)來的流量之差為s自身進(jìn)行數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生的流量)。

(表示任何節(jié)點(diǎn)下面所帶的子節(jié)點(diǎn)無論多少級(jí)，匯聚的流量不能超過鏈路容量閾值c)。

x_ji≥0；(表示相鄰節(jié)點(diǎn)間流量非負(fù))。

(表示節(jié)點(diǎn)至少有一個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)作為自身的父節(jié)點(diǎn))。

該模型可基于RPL協(xié)議部署，也可以基于其他協(xié)議部署。

模型應(yīng)用步驟如下：

1.節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)初始化，節(jié)點(diǎn)根據(jù)約束條件生成潛在父子關(guān)系和其關(guān)系的鄰接矩陣，節(jié)點(diǎn)間發(fā)送消息建立網(wǎng)絡(luò)；

2.設(shè)置合理調(diào)節(jié)因子，根據(jù)選用的無線協(xié)議和硬件設(shè)置鏈路容量上限，將流量需求、鄰接矩陣代入模型；

3.使用凸優(yōu)化方法循環(huán)求解直到得到函數(shù)最優(yōu)解；

4.得到各鏈路流量分配和目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值。

參圖1至圖5所示，下面對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能與功耗可調(diào)模型的具體應(yīng)用舉例說明。其依據(jù)以下步驟實(shí)現(xiàn)(具體操作步驟參考圖1)：

步驟1：模型應(yīng)用的初始化

步驟1.1：節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)初始化

以8個(gè)節(jié)點(diǎn)為例應(yīng)用該模型求解流量分配。對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)就行初始化(以節(jié)點(diǎn)無高度差的簡單情況為例)。

假設(shè)各節(jié)點(diǎn)平面坐標(biāo)為v1(0，0)，v2(-1，1)，v3(1，1)，v4(1，-1)，v5(-2，2)，v6(0，2)，v7(2，0)，v8(0，-2)。

按照模型約束條件建立節(jié)點(diǎn)間潛在父子關(guān)系(父節(jié)點(diǎn)距離Sink節(jié)點(diǎn)比子節(jié)點(diǎn)近且子節(jié)點(diǎn)最多只能與距自己最近的五個(gè)節(jié)點(diǎn)建立關(guān)系)，得e1(1，2)，e2(1，3)，e3(1，4)，e4(2，5)，e5(2，6)，e6(3，6)，e7(3，7)，e8(4，7)，e9(4，8)。

將無連接的節(jié)點(diǎn)間和節(jié)點(diǎn)自身之間的置為零，有連接的節(jié)點(diǎn)間置1，得節(jié)點(diǎn)鄰接矩陣adj如圖2所示。

步驟1.2：節(jié)點(diǎn)組建網(wǎng)絡(luò)

(此處以根據(jù)RPL協(xié)議組網(wǎng)為例)從Sink節(jié)點(diǎn)起，依次向外發(fā)送DIO消息，傳遞有關(guān)的拓?fù)湫畔?。?dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)收到DIO消息后，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)、DAG特征、廣播路徑開銷等決定是否加入該網(wǎng)絡(luò)。若加入，則該節(jié)點(diǎn)收到的DIO消息來源為其父節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的Rank值，并向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送DAO消息表示確認(rèn)，DAO消息包含其路由前綴。或者節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送DIS消息請求網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，其潛在父?jié)點(diǎn)發(fā)送DIO消息給該節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可根據(jù)是否加入決定是否發(fā)送DAO消息給潛在父節(jié)點(diǎn)。最終生成一個(gè)DODAG。

步驟1.3：網(wǎng)絡(luò)保活

由于資源受限，在LLN中采用“keepalive”機(jī)制是不合理的。RPL中采用Trickle定時(shí)器管理，控制DIO消息的發(fā)送速率，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)消息數(shù)量減少，當(dāng)檢測到不一致消息時(shí)，加快DIO消息的發(fā)送速率以解決問題。

步驟2：變量的輸入

步驟2.1：假設(shè)采用802.15.4協(xié)議，頻率為2.4GHz，其鏈路容量c＝250kbps；

步驟2.2：輸入采集頻率e＝10(kb/s)，表達(dá)實(shí)際工作中傳感器的性能需求，d_s＝e(Sink除外)；

步驟2.3：輸入綠色因子a＝1，b＝1，調(diào)節(jié)權(quán)重；

步驟2.4：代入矩陣adj。(見圖2)

步驟3：運(yùn)算過程

步驟3.1：令k＝1，j_k＝2；

步驟3.2：代入以上變量，運(yùn)用凸優(yōu)化算法求解，若有最優(yōu)解記為并進(jìn)入3，若無最優(yōu)解則k＝k+1重復(fù)2；

步驟3.3：求出集合A的元素，如A為空集，則即為原問題最優(yōu)解；否則，4；

步驟3.4：取t屬于A，再次求解。t得到目標(biāo)函數(shù)值若小于k，則k＝t，回到2。否則繼續(xù)取p為集合A中的下一個(gè)元素，直到k的目標(biāo)函數(shù)值最小。得到和最優(yōu)流量分配x_ij；

步驟4：結(jié)果的輸出(節(jié)點(diǎn)關(guān)系和流量分配見圖3)；

輸出目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值y和各節(jié)點(diǎn)流量值x_ij；

此時(shí)，最優(yōu)值y＝120.16。

改變調(diào)節(jié)因子，令a＝0，b＝1，其余條件不變，重新進(jìn)行上述計(jì)算過程，得結(jié)果：

此時(shí)，最優(yōu)值y＝120。

改變調(diào)節(jié)因子，令a＝1，b＝0，其余條件不變，重新進(jìn)行上述計(jì)算過程，得結(jié)果：

此時(shí)，最優(yōu)值y＝0.07。

由上可見，由于模型中調(diào)節(jié)因子a右側(cè)式值易偏小，應(yīng)用該模型時(shí)應(yīng)根據(jù)使用目的合理設(shè)置調(diào)節(jié)因子a，b的值。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實(shí)施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。