CN101909350B - 实现无线网络中最大化生命期的方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的实现无线网络中最大化生命期的方法，本发明在节点的工作/睡眠周期开始时，根据最近T时间内的流量参数，对占空比值和信道竞争窗口值进行修改，从而解决流量不均衡网络中流量较大节点的退避耗能过大以及相同占空比情况下的不公平竞争问题。本发明方法可均衡无线网络中各节点能耗，改善了流量较大节点的丢包性能，大大提高网络的使用寿命，还可以提高整个网络的吞吐量，同时还具有开销小和易实现等特点，能带来可观的经济效益。

Description

实现无线网络中最大化生命期的方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种实现无线网络中最大化生命期的方法。

背景技术

近年来，随着无线通信、传感器、嵌入式系统等技术的不断发展，由电池供电节点组成的无线网络广泛应用于日常工作生产的各个方面，如无线传感网等。与传统的Ad hoc网络相比，这些电池供电节点组成的无线网络对节点能耗有更加苛刻的要求，所以如何最大化网络的生命期是网络设计者所需要优先考虑的问题。

与此同时，随着无线网络应用的不断拓展和深入，许多无线网络的应用对网络中部分节点数据率的要求也越来越高。如在一个综合各种不同性能需求的无线传感器网络或者对不同目标进行监测的无线传感器网络中，不同节点的数据率将有明显的差别。如何均衡这种数据率，保障信息的时效性以及保证数据包的投递率成为无线网络中的一个重要评价指标，尤其在不同节点的数据率相差显著的应用中。

经对现有文献检索发现，文献“On Optimal Path and Source Redundancy for AchievingQoS and Maximizing Lifetime of Query-Based Wireless Sensor Networks”(A.P.Speer，I.R.Chen.MASCOTS′06，2006，51-60)(基于查询的无线传感器网络中保障QoS性能以及最大化网络生命期的最佳路径及源冗余研究)提供了基于查询的无线传感网中网络生命期和QoS的性能提高的方法。该技术通过从网络全局的角度出发，将流量通过不同的路由策略分散到不同的节点上，以之来均衡能量消耗从而提高网络生命期，并且均衡流量提高网络吞吐量。但是该技术从无线网络的能量效率要求和流量均衡要求两方面考虑，仅考虑了路由层的分布式路由，试图从整个网络的角度通过路由方式来均衡能量，缺乏从节点自身的角度考虑。由于新路由的收敛较慢且及开销大，不适合于能量有限的网络中，该方法仅能均衡流量而在能量效率方面的效果却不好。

现有技术中有的根据根据节点上一轮竞争的成败来调整本轮CSMA/CA(带冲突避免的载波侦听多址接入)的最大退避数，并以新的最大退避数参与下一轮的竞争。该方法试图通过前一次信道接入的成败来调整本次信道竞争的概率，提高负载重的节点的信道接入概率，从而提高能效增大网络生命期，均衡网络流量并提高吞吐量。但是该方法并不根据节点自身的流量大小来做出相应调整，只着眼于某次CSMA/CA的成败，方法便受到了应用的限制。影响上一轮竞争的成败的因素很多，其中由于CSMA-CAA的随机数退避机制，信道竞争的成败具有很大的随机性。因此单次竞争的成败与整个节点的流量和节点全局并无确定关系。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种实现无线网络中最大化生命期的方法。本发明根据节点当前流量动态调节节点的信道竞争窗以及占空比大小，实现了有效降低无线网络中流量较大节点的退避能耗以及流量较小节点的空闲能耗从而增大各类节点乃至于整个网络的生命期，同时均衡流量从而提高数据包投递率的目的，具有技术复杂度低，效率极高，易实现等优点，特别适用于节点使用电池供电的无线网络业务。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，节点发送数据，进行记录数据包的处理和更新记录的处理，并将最近的T时间内节点发送的数据包数以及当前时刻缓存内的数据包数作为该节点此时的流量参数。

所述的记录数据包的处理是：在节点发送数据包后，记录发送的数据包的编号和数据包的发送时间。

所述的更新记录的处理是：增加新发送的数据包以及删除已过时的数据包记录项。

第二步，根据节点此时的流量参数，得到节点当前最佳信道竞争窗口值和最佳占空比值。

所述的最佳信道竞争窗口值是：2ⁿ-1，其中：n为整数。

所述的最佳占空比值是：中：

$D=\frac{\mathrm{tF}+R}{S},$ $F=\frac{\mathrm{dN}}{T}+M,$

D是最佳占空比值，t为数据包的平均服务时间，R为随机数因子，S为节点睡眠-工作周期，d为当前占空比，M是当前时刻缓存内的数据包数目，F是当前的流量参数。

第三步，在节点下一个工作/睡眠周期开始时，将节点的占空比修改为第二步得到的最佳占空比，同时将占空比定时器的时间设置为S×D，节点开始工作，其中：S为节点睡眠-工作周期，D是第二步得到的最佳占空比值。

第四步，节点将当前的信道竞争窗口值修改为第二步得到的最佳信道竞争窗口值，并以最佳信道竞争窗口值进行竞争。

所述的竞争，包括以下步骤：

1)节点等待w个退避时隙，检测信道是否空闲，其中：w∈[0，C]，C是当前的信道竞争窗口值W减1的差值与最佳信道竞争窗口值中的较小值；

2)当信道空闲，则节点接入信道并发送数据，本轮竞争结束；否则，返回1)，并令W＝2(C+1)，重新进行竞争。

第五步，占空比定时器溢出，关闭节点收发机，同时重新启动占空比定时器并设定时间为S×(1-D)，节点睡眠直到定时器溢出，打开节点收发机。

第六步，记录节点当前的占空比，返回第一步，进行节点下一轮的数据发送。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：着眼于节点自身性能的优化，从节点的角度出发，通过基于节点当前的流量有效调节各节点自身的信道竞争窗口值以及占空比值，最佳占空比可保证节点以最适合的活跃时间来发送数据包，因此可节省能量，增大网络生命期；通过修改竞争窗口值一方面可以节省大流量节点的竞争能耗，增大网络生命期，另一方面可以提高大流量节点的信道竞争成功率，从而提高网络的吞吐量。

附图说明

图1是实施例的无线网络示意图。

图2是分别采用本实施例方法和现有技术中固定的信道竞争窗口值和占空比方法得到的整个网络的节能比较示意图。

图3是分别采用本实施例方法和现有技术中固定的信道竞争窗口值和占空比方法得到的节点1的节能比较示意图。

图4是分别采用本实施例方法和现有技术中固定的信道竞争窗口值和占空比方法得到的整个网络的吞吐量比较示意图。

图5是分别采用本实施例方法和现有技术中固定的信道竞争窗口值和占空比方法得到的整个网络的数据传输率比较示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例的无线网络示意图如图1所示，网络是由6个节点和一个网络协调节点组成的星型拓扑结构，其中中间节点是网络协调节点，设置在区域的中央。每个节点可通过CSMA/CA与其余节点竞争信道从而与网络协调点进行通信。节点1拥有较大的负载，而节点2～6则具有相同的较小负载。本实施例要通过动态调整节点1的流量大小来调整其信道竞争窗口值和占空比值，以达到该网络最大化生命期的目的。

本实施例包括以下步骤：

第一步，节点在发送数据包，同时进行记录数据包的处理和更新记录的处理，并将最近的10s内节点发送的数据包数据作为该节点此时的流量参数。

本实施例中记录数据包的处理是：编号：100；发送时间：123s；

本实施例中更新距离的处理是：

增加该数据包项到记录中，此时记录的数据包编号为88～100；

从记录中删除10s前，即113s前的数据包编号：8889；

则此时的记录：90～100；

流量参数：11。

第二步，根据节点此时的流量参数，得到节点当前最佳信道竞争窗口值和最佳占空比值。

本实施例中流量参数和最佳信道竞争窗口值的关系如表1所示：

表1

10s内的流量参数	节点对应的信道竞争窗口值
		0～8	63
8～16	31
		16～40	15

由表1可知，本实施例中根据当前节点的流量参数11，得到最佳信道竞争窗口值为31。

所述的最佳占空比值是：

$D=\frac{\mathrm{tF}+R}{S},$

其中：D是最佳占空比值，t为数据包的平均服务时间，R为随机数因子，S为节点睡眠-工作周期，F是当前的流量参数。

本实施例得到的最佳占空比值为0.25。

第三步，在节点下一个工作/睡眠周期开始时，将节点的占空比修改为第二步得到的最佳占空比0.25，同时将占空比定时器的时间设置为S×D＝0.25s，节点开始工作，其中：S为节点睡眠-T作周期(本实施例为1s)，D是第二步得到的最佳占空比值。

第四步，节点将当前的信道竞争窗口值修改为第二步得到的最佳信道竞争窗口值31，并以最佳信道竞争窗口值进行竞争。

所述的竞争，包括以下步骤：

1)节点等待w个退避时隙，检测信道是否空闲，其中，w∈[0，C]，C是当前的信道竞争窗口值W＝8减1的差值7与最佳信道竞争窗口值31中的较小值，本实施例中C＝7；

2)当信道空闲，则节点接入信道并发送数据，本轮竞争结束；否则，新的信道竞争窗口值W＝2(C+1)＝16，返回1)。

第五步，占空比定时器溢出，关闭节点收发机，同时重新启动占空比定时器并设定时间为S×(1-D)＝0.75s，节点睡眠直到定时器溢出，打开节点收发机。

第六步，记录节点当前的占空比为0.25，返回第一步，进行节点下一轮的数据发送。

当分别采用本实施例方法(自适应)和现有技术中固定的信道竞争窗口值和占空比方法(固定)得到的整个网络的节能比较示意图如图2所示，节点1的节能比较示意图如图3所示，由图2和图3可知：对于流量较大节点以及整个网络而言，采用本实施例方法能有效降低节点1发送每个包的平均能耗。由于节点1数据流量超过了其余节点，其耗能也相比于其余节点最大，因此节点1的生命期为整个网路寿命的瓶颈。采用了流量自适应的信道竞争窗选择及占空比动态调节机制以后，成功节省了节点1的能量，延长了节点1以及整个网络的生命期。

当分别采用本实施例方法(自适应)和现有技术中固定的信道竞争窗口值和占空比方法(固定)得到的整个网络的吞吐量比较示意图如图4所示，由该图可知：本实施例方法比现有技术而言，当节点1的负载逐渐增大的时候，整个网络吞吐量都大大提高，这在对数据吞吐量要求相对较高但流量不均衡的无线网络有可以得到广泛应用。

当分别采用本实施例方法(自适应)和现有技术中固定的信道竞争窗口值和占空比方法(固定)得到的整个网络的数据传输率比较示意图如图5所示，由该图可知：当节点1的流量较大时，采用现有技术会导致节点1竞争到的发送时隙数不足以发送其所有的数据，便会发生丢包的事件；但是采用本实施例方法，可以均衡发送数据包的机会，这样流量较大节点占有更多时间发送数据包，从而使得整个网络数据包的成功递交率都大大提高。

Claims (5)

1.一种实现无线网络中最大化生命期的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，节点发送数据，进行记录数据包的处理和更新记录的处理，并将最近的T时间内节点发送的数据包数以及当前时刻缓存内的数据包数作为该节点此时的流量参数；

第二步，根据节点此时的流量参数，得到节点当前最佳信道竞争窗口值和最佳占空比值；

第三步，在节点下一个工作/睡眠周期开始时，将节点的占空比修改为第二步得到的最佳占空比值，同时将占空比定时器的时间设置为S×D，节点开始工作，其中：S为节点睡眠-工作周期，D是第二步得到的最佳占空比值；

第四步，节点将当前的信道竞争窗口值修改为第二步得到的最佳信道竞争窗口值，并以最佳信道竞争窗口值进行竞争；

第五步，占空比定时器溢出，关闭节点收发机，同时重新启动占空比定时器并设定时间为S×(1-D)，节点睡眠直到定时器溢出，打开节点收发机；

第六步，记录节点当前的占空比，返回第一步，进行节点下一轮的数据发送。

2.根据权利要求1所述的实现无线网络中最大化生命期的方法，其特征是，第一步中所述的记录数据包的处理是：在节点发送数据包后，记录发送的数据包的编号和数据包的发送时间。

3.根据权利要求1所述的实现无线网络中最大化生命期的方法，其特征是，第一步中所述的更新记录的处理是：增加新发送的数据包以及删除已过时的数据包记录项。

4.根据权利要求1所述的实现无线网络中最大化生命期的方法，其特征是，第二步中所述的最佳占空比值是：

$D=\frac{\mathrm{tF}+R}{S},$

其中： $F=\frac{\mathrm{dN}}{T}+M,$

D是最佳占空比值，t为数据包的平均服务时间，R为随机数因子，S为节点睡眠-工作周期，d为当前占空比，M是当前时刻缓存内的数据包数目，F是当前的流量参数，N为最近周期内记录的数据包数目。

5.根据权利要求1所述的实现无线网络中最大化生命期的方法，其特征是，第四步所述的竞争，包括以下步骤：

1）节点等待w个退避时隙，检测信道是否空闲，其中：w∈[0,C]，C是当前的信道竞争窗口值W减1的差值与最佳信道竞争窗口值中的较小值；

2）当信道空闲，则节点接入信道并发送数据，本轮竞争结束；否则返回1），并令W=2(C+1)，重新进行竞争。

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