本發(fā)明屬于軟件自定義無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及一種軟件自定義無線網(wǎng)絡(luò)中基于可調(diào)占空比的快速傳播方法。

背景技術(shù)：

各種數(shù)字設(shè)備連接到云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)以及霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量如今呈爆炸性方式增長。霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，為了提高邊緣接入設(shè)備的智能化，使用無線軟件定義網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量的設(shè)備更新、升級和重新配置，讓部署的設(shè)備獲得新的活力。大數(shù)據(jù)的一個(gè)重要應(yīng)用是擴(kuò)散程序代碼，程序代碼擴(kuò)展到設(shè)備的過程是大數(shù)據(jù)采集的逆操作。程序代碼從數(shù)據(jù)采集中心擴(kuò)散到網(wǎng)絡(luò)邊緣的過程在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種很有前途的平臺，被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。在一個(gè)智能軟件自定義無線網(wǎng)絡(luò)中，許多傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在被監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)感知來自周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，然后將感測的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站?；緩陌l(fā)送消息的設(shè)備接收到信息后，對設(shè)備進(jìn)行更新或重新配置軟件。與傳統(tǒng)的工業(yè)自動化系統(tǒng)相比，使用有線通信，智能無線軟件定義網(wǎng)絡(luò)帶來顯著的優(yōu)勢，包括降低成本，更高的靈活性和自組織能力，從而顯著提高了工業(yè)效率和生產(chǎn)力。

廣播是軟件自定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本操作。給定一個(gè)基站，目標(biāo)是利用最小傳輸廣播方式將數(shù)據(jù)包傳遞給所有節(jié)點(diǎn)并使得傳輸延遲最小，這個(gè)問題被稱為最小傳輸廣播。在許多應(yīng)用例如火警報(bào)警系統(tǒng)中中，往往對通信傳輸延遲有非常嚴(yán)格的要求。然而，在這樣的環(huán)境下也對軟件自定義無線網(wǎng)絡(luò)的代碼擴(kuò)散性設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限，傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用循環(huán)式，在休眠和活躍兩個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行切換。由于節(jié)點(diǎn)的占空比類型，程序代碼需要在網(wǎng)絡(luò)中傳輸多個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，最小傳輸廣播問題在有占空比的網(wǎng)絡(luò)中是很難的。其次，壽命和延遲之間的權(quán)衡問題是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。由于節(jié)點(diǎn)的占空比要大到能夠?qū)⒊绦虼a快速傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)的占空比應(yīng)該盡可能小，以延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。因此，如何減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，同時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間是一個(gè)挑戰(zhàn)性的問題。

目前，關(guān)于軟件自定義無線網(wǎng)絡(luò)廣播方面的研究根據(jù)不同的應(yīng)用需求分為以下幾種：

(1)最小傳輸廣播問題。主要考慮如何減少廣播次數(shù)。在以往的方案中，考慮節(jié)點(diǎn)始終處于活躍狀態(tài)，因此減少傳輸次數(shù)就要找到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最小連通支配集使得集合中的節(jié)點(diǎn)可以覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這樣，只需向某個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播一次程序代碼則網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都可以接收程序代碼。(2)最小等待時(shí)間的廣播調(diào)度。在這些方案中，不僅減少了節(jié)點(diǎn)的能量消耗，而且還減少了傳輸程序代碼的時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種軟件自定義無線網(wǎng)絡(luò)中基于可調(diào)占空比的快速傳播方法，用于快速傳播并減少傳輸次數(shù)和降低傳輸延遲，其特征在于：在能及時(shí)接收程序代碼前提下調(diào)整節(jié)點(diǎn)占空比至最小值，對于遠(yuǎn)離基站節(jié)點(diǎn)利用其剩余能量增加節(jié)點(diǎn)的占空比以傳降低輸延遲。

廣播性能取決于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的占空比，較大的占空比帶來更高的監(jiān)控性能但同時(shí)也會使得節(jié)點(diǎn)能耗增加而加速網(wǎng)絡(luò)死亡，因此，在保證能及時(shí)接收程序代碼前提下將節(jié)點(diǎn)占空比調(diào)整至最小值，可以在不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯鹿?jié)約網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

距離基站較近區(qū)域節(jié)點(diǎn)能耗較大，將這部分區(qū)域稱為熱區(qū)，則遠(yuǎn)離基站區(qū)域稱為非熱區(qū)，非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)能量消耗較少因此在網(wǎng)絡(luò)死亡時(shí)仍有大量的能量剩余，這些節(jié)點(diǎn)的占空比可以增加，使得一次廣播就能讓多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到程序，達(dá)到快速傳播的目的，同時(shí)占空比的提高可以減少傳輸延遲，動態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)占空比可以實(shí)現(xiàn)更好更全面的廣播性能，提高程序代碼擴(kuò)散性的同時(shí)不影響網(wǎng)絡(luò)壽命。

若節(jié)點(diǎn)初始能量為E_init，節(jié)點(diǎn)v_i距離基站i米遠(yuǎn)，則在數(shù)據(jù)工作周期為τ_c、活躍周期即占空比為τ_a的情況下，節(jié)點(diǎn)剩余能量可以計(jì)算為:

其中，是節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)能量消耗；是發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的能量消耗，是接收功率消耗，是傳輸功率消耗，θ_d是分組持續(xù)時(shí)間，θ_p和θ_a分別是前導(dǎo)時(shí)間和ACK窗口時(shí)間節(jié)點(diǎn)，v_i的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)量分別表示為和

若熱區(qū)節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量分別為和距離基站i米遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)v_i的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)量分別表示為和節(jié)點(diǎn)v_i活躍期表示為熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的活躍期表示為則可以被計(jì)算為：

上式中，

距離基站i米遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)用v_i表示，若有N_k個(gè)活動時(shí)間槽數(shù)目為k的節(jié)點(diǎn)(k的取值范圍是在工作周期T中)，表示這N_k個(gè)節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)的集合，是集合中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，是這N_k個(gè)節(jié)點(diǎn)的集合，則且|Γ_k|＝N_k，其中則傳輸次數(shù)Ψ可以計(jì)算為：

同樣的，若距離基站i米遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)用v_i表示，若有N_k個(gè)活動時(shí)間槽數(shù)目為k的節(jié)點(diǎn)，表示這N_k個(gè)節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)的集合，是集合中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，是集合中節(jié)點(diǎn)的最大活躍時(shí)隙，是這N_k個(gè)節(jié)點(diǎn)的集合，Ω＝{γ₁,γ₂,γ₃,...,γ_T}，可知且|Γ_k|＝N_k，其中則傳輸延遲Φ可以計(jì)算為：

綜上所述，本發(fā)明采用的可調(diào)占空比的方法能夠在保證及時(shí)接收程序代碼前提下調(diào)整節(jié)點(diǎn)占空比至最小值，也就是在不影響數(shù)據(jù)傳輸延遲的前提下節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量消耗。由于非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)死亡時(shí)依然有大量剩余能量，因此考慮對于非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)利用其剩余能量增加節(jié)點(diǎn)的占空比，占空比的提高使得一次廣播就能讓多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到程序，達(dá)到快速傳播的目的，占空比與廣播次數(shù)和數(shù)據(jù)延遲呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，由此可知對于節(jié)點(diǎn)占空比的提高能夠達(dá)到減少傳輸次數(shù)和降低傳輸延遲的目的，同時(shí)，熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的占空比并未改變因此不會對網(wǎng)絡(luò)壽命造成影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明所述方法下占空比與廣播次數(shù)的關(guān)系；

圖3為本發(fā)明所述方法下占空比與傳輸延遲的關(guān)系；

圖4為利用非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)剩余能量用于增加占空比的示意圖；

圖5為本發(fā)明方法中網(wǎng)絡(luò)不同位置節(jié)點(diǎn)的能量消耗；

圖6為在本發(fā)明方法中網(wǎng)絡(luò)不同位置節(jié)點(diǎn)調(diào)整占空比的數(shù)值大小；

圖7為使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法兩種方案下的能耗；

圖8為使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法在不同占空比下的能耗對比圖；

圖9為使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法在不同占空比下的網(wǎng)絡(luò)壽命對比圖；

圖10為使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法在不同占空比下的能量有效利用率對比圖；

圖11為在|T|＝20情況下使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法的廣播次數(shù)對比圖；

圖12為在|T|＝60情況下使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法的廣播次數(shù)對比圖；

圖13為在|T|＝20情況下使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法的傳輸延遲對比圖；

圖14為在|T|＝60情況下使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法的傳輸延遲對比圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

一種軟件自定義無線網(wǎng)絡(luò)中基于可調(diào)占空比的快速傳播方法，如圖1所示，用于減少傳輸次數(shù)和降低傳輸延遲，在能及時(shí)接收程序代碼前提下調(diào)整節(jié)點(diǎn)占空比至最小值，對于遠(yuǎn)離基站節(jié)點(diǎn)利用其剩余能量增加節(jié)點(diǎn)的占空比以傳降低輸延遲。

廣播性能取決于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的占空比，較大的占空比帶來更高的監(jiān)控性能但同時(shí)也會使得節(jié)點(diǎn)能耗增加而加速網(wǎng)絡(luò)死亡，因此，在保證能及時(shí)接收程序代碼前提下將節(jié)點(diǎn)占空比調(diào)整至最小值，可以在不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯鹿?jié)約網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

距離基站較近區(qū)域節(jié)點(diǎn)能耗較大，將這部分區(qū)域稱為熱區(qū)，則遠(yuǎn)離基站區(qū)域稱為非熱區(qū)，非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)能量消耗較少因此在網(wǎng)絡(luò)死亡時(shí)仍有大量的能量剩余，這些節(jié)點(diǎn)的占空比可以增加，以減少傳輸延遲，動態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)占空比可以實(shí)現(xiàn)更好更全面的廣播性能，提高程序代碼擴(kuò)散性的同時(shí)不影響網(wǎng)絡(luò)壽命。

圖1為本發(fā)明方法的總體結(jié)構(gòu)圖，顯示了形成的整個(gè)廣播網(wǎng)絡(luò)。在圖1中s表示基站，是數(shù)據(jù)采集中心，v₁,v₂,...,v₁₉表示編號為1-19的普通傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)字表示節(jié)點(diǎn)的活動時(shí)隙?？紤]節(jié)約能源的情況下，在節(jié)點(diǎn)不需要接收程序代碼時(shí)最好對節(jié)點(diǎn)設(shè)置睡眠-喚醒機(jī)制。每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用異步占空比模型，占空比在兩個(gè)連續(xù)期間內(nèi)重新開始。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有活動或睡眠兩種模式。每個(gè)工作循環(huán)被劃分成相同長度的時(shí)隙。因此，一個(gè)工作循環(huán)可以用時(shí)隙表示為{0，1，2，3，…，}。若一個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作周期為3，工作周期被視為三個(gè)時(shí)隙，它們是0，1和2。每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇活動時(shí)隙，基站發(fā)送程序代碼到鄰居節(jié)點(diǎn)，然后將程序代碼從這些鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送到外部節(jié)點(diǎn)，直到程序代碼達(dá)到網(wǎng)絡(luò)邊界。

圖2顯示了占空比與廣播次數(shù)的關(guān)系。廣播性能取決于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的占空比，較大的占空比帶來更高的監(jiān)控性能。從圖2中可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)占空比的增加廣播次數(shù)逐漸減少，并且在不同網(wǎng)絡(luò)半徑情況下效果相同。

圖3顯示了占空比與廣播延遲的關(guān)系?？梢钥闯?，廣播和傳輸延遲的數(shù)目隨節(jié)點(diǎn)占空比的增加而減小。節(jié)點(diǎn)的占空比越大，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播程序代碼時(shí)，節(jié)點(diǎn)接收程序代碼的的概率就越高，而廣播次數(shù)和傳輸延遲則越低。

圖4是利用非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)剩余能量用于增加占空比的示意圖。從圖4可以看出，非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的占空比高于熱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的占空比，這是因?yàn)檎伎毡鹊奶岣邥?dǎo)致能耗增加，而熱區(qū)節(jié)點(diǎn)能夠增加會加速網(wǎng)絡(luò)死亡，因此我們只是考慮提升非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的占空比，這就在降低延遲的同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)壽命不受影響。根據(jù)上述分析，在非熱點(diǎn)區(qū)域存在大量的能量，剩下的能量可以用來增加節(jié)點(diǎn)的占空比。在以往的方法中，不同區(qū)域的節(jié)點(diǎn)的占空比是相同的。但本發(fā)明方法中動態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)占空比的方法可以實(shí)現(xiàn)更好更全面的廣播性能。因此，本發(fā)明方法能夠提高程序代碼的擴(kuò)散性而不影響網(wǎng)絡(luò)壽命。

圖5顯示了本發(fā)明方法中網(wǎng)絡(luò)不同位置節(jié)點(diǎn)的能量消耗?？梢钥闯?，靠近基站的節(jié)點(diǎn)能量消耗高于遠(yuǎn)離基站節(jié)點(diǎn)的能量消耗。因此在非熱區(qū)有足夠的能量能夠用于提高占空比，以減少傳輸次數(shù)和降低傳輸延遲。

圖6為在本發(fā)明方法中網(wǎng)絡(luò)不同位置節(jié)點(diǎn)調(diào)整占空比的數(shù)值大小。在本發(fā)明方法中，遠(yuǎn)離基站節(jié)點(diǎn)的占空比取決于其剩余能量。可以看出，遠(yuǎn)離基站節(jié)點(diǎn)的占空比高達(dá)1，但離基站較近區(qū)域節(jié)點(diǎn)的占空比卻是較低的。這也再次證實(shí)了本發(fā)明方法中所想的利用剩余能量提高占空比方法是十分行之有效的。

圖7給出了使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法兩種方案下的能耗?？梢钥闯觯?1)靠近基站節(jié)點(diǎn)的能量消耗高于遠(yuǎn)離基站節(jié)點(diǎn)的能量消耗。(2)在本發(fā)明方法中最大的能耗與基于近似水平方法最大能量消耗相同。(3)在本發(fā)明方法中非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的能量消耗高于基于近似水平方法中非熱點(diǎn)區(qū)域節(jié)點(diǎn)的能量消耗。原因是在本發(fā)明方法中節(jié)點(diǎn)的占空比是根據(jù)節(jié)點(diǎn)能量剩余值進(jìn)行調(diào)整。如果遠(yuǎn)離基站的節(jié)點(diǎn)有大量的能量剩余，節(jié)點(diǎn)的占空比可以增加很多。在本文中，占空比是活躍期和休眠期的比值。節(jié)點(diǎn)的占空比越大，能量消耗越大。在本發(fā)明方法中，熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的能量消耗并不會高于基于近似水平方法，可知，本發(fā)明方法可以保證網(wǎng)絡(luò)的生命周期不受影響。

在圖8和圖9中分別給出了使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法在不同占空比下的能耗和網(wǎng)絡(luò)壽命?？偰芰肯碾S占空比的增大而增大。在本發(fā)明方法下網(wǎng)絡(luò)壽命并不低于基于近似水平方法下的網(wǎng)絡(luò)壽命，但從圖10可以看出，利用本發(fā)明方法使得能量有效利用率大于基于近似水平方法。原因是，本發(fā)明方法利用遠(yuǎn)離基站節(jié)點(diǎn)的剩余能量增加占空比，因此非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)能量消耗增大，使得本發(fā)明方法的能量有效利用率大于基于近似水平方法。這表明，本發(fā)明方法具有更好的性能。

在|T|＝20，|T|＝60兩種情況下使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法的廣播次數(shù)分別在圖11和圖12中顯示?？梢钥闯?，在本發(fā)明方法下傳輸數(shù)小于基于近似水平方法。兩種方法的廣播次數(shù)都隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而增加。很明顯，這是因?yàn)閨T|是事先確定的，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以作為許多工作周期節(jié)點(diǎn)覆蓋。程序代碼被傳播到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，從而增加廣播的數(shù)量。

在|T|＝20和|T|＝60兩種情況下使用本發(fā)明方法和基于近似水平方法的傳輸延遲分別在圖13和圖14中顯示，可以看出，使用本發(fā)明方法的傳輸延遲是低于基于近似水平方法的。

綜上所述，本發(fā)明所述方法能夠在保證及時(shí)接收程序代碼前提下調(diào)整節(jié)點(diǎn)占空比至最小值，對于遠(yuǎn)離基站節(jié)點(diǎn)利用其剩余能量增加節(jié)點(diǎn)的占空比以傳降低輸延遲和減少廣播次數(shù)。