本發(fā)明屬于無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點休眠節(jié)能術(shù)。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、分布是信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，在軍事偵察、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)自動化、商業(yè)應(yīng)用等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。由于現(xiàn)在節(jié)點能量供應(yīng)問題沒有得到很好的解決，節(jié)點本身不能補充能量或補充不足，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要首先考慮節(jié)能，其次為可擴張性，最后才考慮到網(wǎng)絡(luò)效率，如網(wǎng)絡(luò)的公平性、實用性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。在事件驅(qū)動型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了保持一定的冗余性和可靠性，通常將大量傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，而查詢?nèi)蝿?wù)會引發(fā)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)多個節(jié)點同時對目標進行信息收集并傳送數(shù)據(jù)。s-mac協(xié)議提出讓節(jié)點進行同步休眠的方法來節(jié)省能量，通過鄰居節(jié)點來協(xié)商一致性休眠調(diào)度機制，因而在同步休眠周期結(jié)束后多個節(jié)點可能會同時監(jiān)測到一個事件，競爭信道以發(fā)送數(shù)據(jù)，易造成事件發(fā)生區(qū)域的節(jié)點同時競爭頻繁，需要較長時間來調(diào)整競爭窗口值，造成通信時延增大，且時延會在每跳中積累，同時各節(jié)點的休眠時長固定，不能動態(tài)改變。t-mac協(xié)議針對s-mac協(xié)議存在通信延遲累加等問題進行改進，如果在規(guī)定時間內(nèi)未發(fā)生激活事件，則節(jié)點認為信道空閑，進入休眠狀態(tài)，而且每一幀中的活躍時間可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量動態(tài)調(diào)整以增加休眠時間，但在低負載時,ta監(jiān)聽帶來的能量損耗、早睡等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提供給一種在事件驅(qū)動型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可降低分組碰撞概率和提高節(jié)點能量效率的自適應(yīng)休眠方法，通過節(jié)點隨機選擇不同休眠深度來獲取不同的休眠時間，以緩解鄰近區(qū)域內(nèi)節(jié)點結(jié)束休眠后同時進行數(shù)據(jù)傳輸所引起的分組碰撞，減少了調(diào)整競爭窗口值的時間，并降低因空閑監(jiān)聽和額外偵聽信道造成的能量消耗，并建立馬爾科夫鏈模型來分析休眠深度間隔時間的優(yōu)化值。

為解決上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括：將時間劃分為連續(xù)的幀后，幀內(nèi)分為活動階段和休眠階段。處于活動階段的節(jié)點在mtslot時間內(nèi)一直空閑且無數(shù)據(jù)需發(fā)送，則進入休眠過程，以降低節(jié)點的能量消耗。節(jié)點進入休眠階段時將隨機選擇一個休眠深度n(0≤n≤n-1)，則休眠時間為t0+ntδ，其中t0為基本休眠時間，tδ為休眠深度的間隔時間，在休眠階段內(nèi)節(jié)點關(guān)閉無線通信模塊并緩存采集到的數(shù)據(jù)。若在休眠結(jié)束后收到上層發(fā)來的需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包或目的節(jié)點為自身的cts幀，則節(jié)點進入退避過程來發(fā)送該數(shù)據(jù)，否則進入等待過程。

在離散馬爾科夫鏈模型中，節(jié)點的活動階段可包括傳輸、等待和退避等過程。由于接收狀態(tài)時節(jié)點消耗能量與等待和退避狀態(tài)消耗能量近似，為簡化分析可設(shè)定接收數(shù)據(jù)可在節(jié)點處于等待過程中完成，可不單獨考慮接收狀態(tài)。退避過程可用隨機過程b(t)表示，且離散時間t和t+1表示兩個連續(xù)的時隙tslot，與回退計數(shù)器的計數(shù)值相對應(yīng)。用隨機過程j(t)可表示節(jié)點在t時刻所處的退避級數(shù)(0,1,...,m)，其中m為最大退避級數(shù)，并設(shè)定在退避過程中每個分組發(fā)送失敗的概率p為獨立且恒定的，則可用隨機過程{j(t),b(t)}表示節(jié)點的退避過程。每個狀態(tài)的概率用pb(i,k)(0≤i≤m,0≤k≤wi-1)表示，則可用markov鏈表示該退避過程，其中i為退避級數(shù)，k為退避計數(shù)器的值，wi為退避次數(shù)為i時退避窗口。進入等待狀態(tài)的節(jié)點，若有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)移到退避狀態(tài)。由于信源產(chǎn)生數(shù)據(jù)服從參數(shù)為λ的泊松分布，因而在一個時隙里節(jié)點從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)移到退避狀態(tài)的概率為若經(jīng)過m個時隙后節(jié)點仍然沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則將進入到休眠狀態(tài)。由于等待過程中某個時隙保持等待狀態(tài)的概率是獨立且恒定的，因此節(jié)點的等待過程也可用markov鏈表示。若休眠狀態(tài)sn結(jié)束時有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則將由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)移到退避狀態(tài)，且轉(zhuǎn)移概率為若無數(shù)據(jù)發(fā)送，則將進入等待狀態(tài)，轉(zhuǎn)移概率為α0αδⁿ，其中由于只有當休眠狀態(tài)結(jié)束時才可會改變自身狀態(tài)，可將結(jié)束休眠時的時隙用以表示該休眠過程以簡化分析。進入傳輸狀態(tài)的節(jié)點直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后才能改變自身狀態(tài)。在傳輸結(jié)束時，若有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則由傳輸狀態(tài)轉(zhuǎn)移到每一個退避級數(shù)為0的退避狀態(tài)的概率為其中k為傳輸過程所需的平均時隙。因而在傳輸結(jié)束時沒有數(shù)據(jù)需發(fā)送，則由傳輸狀態(tài)轉(zhuǎn)移到等待狀態(tài)的概率為可知在設(shè)定條件下，級聯(lián)后節(jié)點從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另外一種狀態(tài)的概率是獨立且恒定的，則上述過程可級聯(lián)后為一個圖1所示的markov鏈。

本文對節(jié)點在任何時隙內(nèi)可能存在的各個狀態(tài)用離散markov鏈進行描述，通過該模型求得在穩(wěn)態(tài)時節(jié)點停留在不同狀態(tài)的概率分別為：

pt(i)＝(1-p^m+1)pb(0,0)

由于在平穩(wěn)狀態(tài)時markov鏈應(yīng)滿足則節(jié)點處于退避級數(shù)為0且退避計時器為0的狀態(tài)的概率為：

由于不論退避級數(shù)為多少，只要退避計時器為0，則傳感器節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)，則該節(jié)點在任意時隙的發(fā)送概率可表示為在節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的時候，若相鄰n-1個節(jié)點中至少有一個節(jié)點也發(fā)送數(shù)據(jù)則發(fā)生碰撞，而且當目的節(jié)點處于休眠時發(fā)送數(shù)據(jù)也失敗，因此該節(jié)點在任意時隙發(fā)送失敗的概率可表示為：

由式(3)和式(4)構(gòu)成非線性方程組，可得τ和p。

由于計算平均時延時超出重傳次數(shù)而被丟棄的幀不予考慮，則在退避過程或等待過程中數(shù)據(jù)幀到達發(fā)送節(jié)點的緩沖器隊首至目的節(jié)點成功接收的平均時延為一次成功的發(fā)送需要的平均時隙數(shù)和時隙的平均長度的乘積，可表示為其中ptr＝1-(1-τ)ⁿ為至少有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，ps＝[nτ(1-τ)^n-1]/ptr為在系統(tǒng)不空閑的條件下有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)成功的概率，ts和tc分別為采用rts/cts機制時數(shù)據(jù)成功發(fā)送和數(shù)據(jù)發(fā)送時沖突所耗費的時間。

由于節(jié)點個數(shù)和節(jié)點撒播范圍決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本空間布局，因此當節(jié)點撒播范圍a和節(jié)點個數(shù)r得到確定后，可得均勻分布狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點密度ρ。可知當某個節(jié)點結(jié)束休眠轉(zhuǎn)入活動狀態(tài)，將進行通信前應(yīng)保證在其載波監(jiān)聽范圍內(nèi)上個休眠深度的節(jié)點已通信基本結(jié)束，則休眠間隔時間應(yīng)滿足下式，將n值代入可得tδ的最小值。

其中d1為通信距離，d2為載波監(jiān)聽距離。

由于在接收過程和等待過程節(jié)點所消耗的功率大致相同，則將上述過程中消耗的功率設(shè)為pi，用ps表示休眠時消耗的功率，用pt表示發(fā)送數(shù)據(jù)時消耗的功率，則在一個時隙中所消耗的平均能量為

設(shè)定l為在一個data包內(nèi)的平均有效載荷量，，則在一個時隙內(nèi)節(jié)點處于成功發(fā)送data中有效數(shù)據(jù)的概率是markov鏈中處于發(fā)送成功部分且長度為l/(r·tslot)的各狀態(tài)概率之和，其中r為傳輸速率，則在一個時隙里平均成功發(fā)送的數(shù)據(jù)量為sslot＝lpb(0,0)(1-p^m+1)[72]。單位能量平均成功發(fā)送的有效數(shù)據(jù)量se(單位為bit/mj)可用通過se＝sslot/eslot進行計算。節(jié)點進行較長的休眠可避免串擾和空閑偵聽帶來的能量浪費，但同時降低了系統(tǒng)的吞吐率并增加了發(fā)送延遲。因此在本文中將單位能量平均成功發(fā)送的有效數(shù)據(jù)量作為選取休眠間隔時間tδ的依據(jù)。當將不同tδ值代入式(2.69)中可得到對應(yīng)的se。當se取最大值時說明節(jié)點使用能量用于發(fā)射數(shù)據(jù)包的效率最高，此時tδ為優(yōu)化值。

附圖說明

圖1二維離散時間馬爾科夫鏈模型

圖2tδ對se的影響

圖3不同節(jié)點密度下分組傳輸失敗概率

圖4不同節(jié)點密度下系統(tǒng)吞吐率

圖5不同節(jié)點密度下節(jié)點平均能耗

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施實例對本發(fā)明作進一步的說明。

在仿真軟件平臺glomosim中進行性能分析比較，將本發(fā)明提出的基于隨機休眠深度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)休眠方法(rsd)添加到s-mac協(xié)議中，改進其休眠方式，并對改進前后進行網(wǎng)絡(luò)性能的分析比較。傳感器節(jié)點隨機分布在200m×200m矩形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，且每個節(jié)點的平均報文到達時間間隔服從參數(shù)為λ＝1的泊松分布，仿真時間為600s。節(jié)點的通信距離d1為70m，載波監(jiān)聽距離d2為100m。當節(jié)點分布密度ρ設(shè)為10^-3/m²時，可得到不同的最大休眠深度n下休眠深度間隔時間的理論最小值，如下表所示：

當最大休眠深度n為6時將不同tδ值得到對應(yīng)的se，如圖2所示。在文中為簡化分析該機制的馬爾科夫鏈模型，因此未單獨考慮接收狀態(tài)以及統(tǒng)計睡眠調(diào)度和同步等控制開銷，同時在數(shù)據(jù)傳輸時未考慮分組碰撞情形，則由模型分析得出的理論值與網(wǎng)絡(luò)仿真值存在差異。當tδ＝72ms時，理論值se取最大值3.82時對應(yīng)的仿真值也近乎最大，說明休眠深度間隔時間的理論值滿足設(shè)計要求，此時可視為節(jié)點使用能量用于發(fā)射數(shù)據(jù)包的效率最高。同時tδ超過所對應(yīng)的最小值36ms滿足式(6)條件，可將其作為優(yōu)化值應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)仿真中。

圖3顯示了節(jié)點密度對分組傳輸失敗概率的影響。當節(jié)點密度較小時，節(jié)點在傳輸覆蓋區(qū)域內(nèi)相鄰節(jié)點較少，因而在分組發(fā)送過程中碰撞的概率也較低。而隨著節(jié)點密度的提高，通過增加競爭窗口已不能滿足節(jié)點數(shù)量較多的需求，導(dǎo)致分組碰撞也更加頻繁，分組傳輸失敗概率也隨之增加。但采用本發(fā)明可讓節(jié)點隨機選擇不同的休眠深度，使得鄰近區(qū)域內(nèi)節(jié)點分批結(jié)束休眠狀態(tài)，從而盡量避免大量節(jié)點在結(jié)束休眠后同時進入退避狀態(tài)準備分組發(fā)送，因此其碰撞概率的情況比s-mac有明顯緩解。

圖4顯示了在不同節(jié)點密度情況下的系統(tǒng)吞吐率狀況?？梢钥闯鰏-mac協(xié)議與采用本發(fā)明改進后在密度較小時吞吐率基本相同。隨著節(jié)點數(shù)量的增加導(dǎo)致碰撞概率增加，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的情形加劇，系統(tǒng)吞吐率都有所下降。但使用本發(fā)明可使處于休眠狀態(tài)的節(jié)點輪番蘇醒進入退避狀態(tài)準備分組發(fā)送，在很大程度上降低了沖突概率，緩解數(shù)據(jù)幀的碰撞以有效地利用信道，從而有效提高了飽和吞吐率。

圖5給出了不同節(jié)點密度下節(jié)點平均能量消耗的性能比較。在節(jié)點密度較低時，多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的通信距離隨著節(jié)點密度的提高而減小，從而允許網(wǎng)絡(luò)內(nèi)更多節(jié)點對同時進行通信，減少活動時間以進入休眠狀態(tài)。但隨著節(jié)點密度進一步增加，當鄰近區(qū)域內(nèi)各節(jié)點同時產(chǎn)生數(shù)據(jù)，由于競爭沖突和隱藏終端的問題導(dǎo)致大量重傳和丟包，從而使得節(jié)點能耗增大。