CN102821409B - 一种优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，包括以下步骤：无线传感器节点能耗与生存时间的评估步骤，包括建立无线传感器节点的能源模型和生存时间模型，分别用于描述该节点的能量供应和消耗状态以及节点生存状态，两个模型联合提供评估该节点生存时间；无线传感器节点能耗与服务质量的评估步骤，包括建立无线传感器节点的服务质量评价模型和无线传输能效评价模型，分别用于描述无线传感器节点的服务质量等级和无线传输的能量效率，两个模型联合提供该节点的无线传输能效与服务质量评估；通过上述步骤建立以最优化无线传感器节点生存时间为目标的服务质量保障。

Description

一种优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法

技术领域

本发明涉及无线通信和无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法。

背景技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）作为信息科学领域中，新兴学科与传统学科进行领域间学术交叉的结果，由大量分布式传感节点组成的面向任务的网络，它综合了微机电技术、传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。WSN具有十分广阔的应用前景，在军事国防，工农业控制，城市管理、生物医疗，环境监测、抢险救灾，防恐反恐，危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值.

WSN通常具有如下特点：1）WSN通常部署于人工操作困难的环境中；2）WSN中包含的节点数量通常很庞大；3）每个传感器节点通常只能有限地获取能源供应。一旦某个节点能源耗尽，必将导致该节点失效；更进一步地，如果该节点位于WSN路由关键位置处，还可能导致整个WSN的失效。因此，传感器节点的生存时间是影响WSN实用化的关键因素。

诸多研究成果表明，WSN中能耗主要来自于信息的无线传输过程，其中，信息的无线发送的能耗在总能耗中的比例高达70%。现有WSN在无线传输技术方面基本沿用传统无线传输技术，但是，需要注意的是，传统无线传输技术是以服务质量（Quality of Service，QoS）为核心目标设计和优化的，对传输能效的考虑不足。对于WSN的特殊应用需求而言（以少量数据为主，对数据传输准确性以及能效要求很高，但是对传输时延的敏感性较低），其无线传输能量效率存在较大不足，从而限制了WSN节点的生存时间。此外，现有的优化方法仅仅考虑了固定能源的情形（例如容量受限的电池等），对于能够以一定速率再生的能源（例如太阳能电池板等）没有涉及。

目前，还没有针对WSN的优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，能够在保障WSN中传感器节点无线信息传输的QoS的前提下，对其生存时间进行优化。

为了达到以上目的，本发明实施例公开了一种优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，包括以下步骤：

无线传感器节点能耗与生存时间的评估步骤，包括建立无线传感器节点的能源模型和生存时间模型，分别用于描述该节点的能量供应和消耗状态以及节点生存状态，两个模型联合提供评估该节点生存时间；

无线传感器节点能耗与服务质量的评估步骤，包括建立无线传感器节点的服务质量评价模型和无线传输能效评价模型，分别用于描述无线传感器节点的服务质量等级和无线传输的能量效率，两个模型联合提供该节点的无线传输能效与服务质量评估；

以最优化无线传感器节点生存时间为目标的服务质量保障步骤，通过能效模型结合所述无线传感器节点能耗与生存时间的评估步骤和无线传感器节点能耗与服务质量的评估步骤，在无线传感器节点生存时间和服务质量等级之间建立定量关系，提供以最优化无线传感器节点生存时间为目标的服务质量保障。

进一步，作为一种优选，无线传感器节点能源模型为固定容量可充电电源和/或再生速率受限的可再生能源。

进一步，作为一种优选，固定容量可充电电源为电池。

进一步，作为一种优选，再生速率受限的可再生能源为光电转换电源。

进一步，作为一种优选，无线传感器节点生存时间模型为在给定能耗、电源容量以及再生能源速率的条件下，传感器节点能够正常工作的时间预测模型。

进一步，作为一种优选，无线传感器节点服务质量评价模型包括时变的传输容量模型和业务数据排队模型，并通过这两个模型对服务质量中丢包率和传输时延进行定量分析。

进一步，作为一种优选，无线传输能效评价模型包括无线衰落信道下数据传输的容量与该传输所消耗能量之间的定量联系。

进一步，作为一种优选，数据传输容量与该传输岁消耗能量之间的定量联系，采用了基于平均接收互信息率的物理层抽象模型。

进一步，作为一种优选，无线传感器节点生存时间和服务质量等级之间的定量关系，以无线数据传输的能效为中间变量，建立无线传感器节点生存时间与服务质量之间的定量关系。

进一步，作为一种优选，以最优化无线传感器节点生存时间为目标的服务质量保障方法，通过在无线传感器节点生存时间与服务质量的定量关系中，引入生存时间最大以及服务质量降级概率最大值的约束条件，从而建立最优化模型，导出最优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方案。

本发明能够在保障WSN中传感器节点无线信息传输的QoS的前提下，对其生存时间进行优化。该优化和保障过程中，核心目标是在满足WSN传输的QoS基本需求的前提下，使得传感器节点由于能源耗尽而使得其生存时间终止的概率最小。最终改善和解决WSN应用中的能效瓶颈问题。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明实施例涉及的WSN传感器节点的能源与生存时间模型示意图；

图2为本发明实施例涉及的WSN传感器节点的无线传输能效模型示意图；

图3为本发明实施例涉及的WSN传感器节点的QoS模型示意图；

图4为本发明实施例流程图。

具体实施方式

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

WSN节点能耗与生存时间的评估：

如图1所示，WSN节点能源包含容量固定的储能单元（例如充电电池）和再生速率受限的能源再生单元（例如太阳能光电转换器）。能源再生单元的能源再生速率R_recharge是随周围环境变化而变化的随机过程；储能单元的最大容量是Emax；节点工作的能耗速率R_consume是随节点工作状态而变化。所以，WSN节点能耗与生存时间模型如下，

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{life}}=\underset{t}{\arg }\{E\left(t\right)\≥0\}\\ E\left(t\right)=\min \{E_{\max }+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}[R_{\mathrm{rech}\arg e}\left(\mathrm{\τ}\right)-R_{\mathrm{consume}}\left(\mathrm{\τ}\right)]\mathrm{d\τ},E_{\max }\}\end{array}\right.---\left(1\right)$

WSN节点能耗与QoS的评估，其中包括WSN传感器节点的无线传输能效和QoS模型。

WSN传感器节点的无线传输能效模型如图2所示。信道衰落因子H和信道背景噪声功率N是随无线信道状态变化的随机过程，对于接收节点，该参数可以根据信道估计算法捕获其具体取值。对于给定的调制编码方式（Modulation and Coding Scheme，MCS）以及信号发射功率P_T，对应的无线数据传输的误比特率P_e可以通过基于平均接收互信息率的物理层抽象模型进行准确估算，

P_e(t)=RBIR_Mapping[P_T(t),MCS(t),H(t),N(t)](2)

因此，对于某一时刻t，收发节点之间可以正确有效传输的数据速率为，

C(t)=N_MCS[1-P_e(t)]              (3)

这里，N_MCS表示给定MCS条件下单位时间最大可以传输的比特数目。由此定义无线传输能效为，

$\mathrm{\η}\left(t\right)=\frac{C\left(t\right)}{P_T\left(t\right)}---\left(4\right)$

该能效参数表征在一定无线信道状态下，单位能耗可以提供的数据传输速率，单位是比特每焦耳（bit per Joule，b/J）。

WSN传感器节点的QoS模型如图3所示。传感器节点采集的数据速率为R_source，所采集的数据存入传感器节点缓存，然后等待无线传输资源进行传输。QoS的降级发生在如下情形中：

1）如果缓存溢出，将发生数据丢失和QoS的降级；

2）如果数据在无线传输中发生错误，将发生数据丢失和QoS降级；

3）对于某些具有时延保障需求的数据，如果其在缓存中排队的时间超过所需求时间延迟，该数据将被丢弃，发生QoS的降级。

这里需要注意的是：

1）以现有的技术和设备条件，传感器节点完全可以以很低的代价实现足够大的缓存空间，从而完全避免缓存溢出引起的QoS降级；

2）对于无时间延迟限制的数据传输，通过重传机制，可以将无线传输中数据的突发错误概率降到很低的水平，避免突发错误引起的QoS降级。

因此，本发明实施例针对的是第三种情形下的QoS保障。由式(4)可得，对于给定的无线信道状态以及发射功率，传感器节点的无线传输速率可以确定；令Q(t)表示同时刻数据缓存队列中排队等候数据的长度，则新加入队列的数据等候时间为，

$T_{\mathrm{wait}}\left(t\right)=\frac{Q\left(t\right)}{P_T\left(t\right)\mathrm{\η}\left(t\right)}---\left(5\right)$

新数据所需的传输时间为，

$T_{\mathrm{trans}}\left(t\right)=\frac{L\left(t\right)}{P_T\left(t\right)\mathrm{\η}\left(t\right)}---\left(6\right)$

假定新加入队列数据QoS所需的时间延迟为T_max，则QoS降级的情形是，

T_trans(t)+T_wait(t)>T_max                  (7)

以最优化WSN节点生存时间为目标的QoS保障方法。

如图4所示，S1、建立无线传感器节点能源模型，S2、建立无线传感器节点生存时间模型，S3、建立WSN节点能耗与生存时间的定量关系；S4、建立服务质量评价模型，S5、建立无线传输能效评价模型，S6、建立能效与QoS等级的定量关系；S7、建立生存时间与服务质量之间的定量联系，从而建立如下的优化模型，

其中，由于传感器节点能耗主要来自于无线传输，所以，

R_consume(t)≈P_T(t)                        (9)

S8、以最优化无线传感器节点生存时间为目标的服务质量保障方法，对于式(8)所示的最优化问题，借助变分理论求解最优化的发射功率P_T(t)的分配机制，从而实现以最优化WSN节点生存时间为目标的QoS保障方法。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，其特征在于，包括以下步骤：

无线传感器节点能耗与生存时间的评估步骤，包括建立无线传感器节点的能源模型和生存时间模型，分别用于描述该节点的能量供应和消耗状态以及节点生存状态，两个模型联合提供评估该节点生存时间；

无线传感器节点能效与服务质量的评估步骤，包括建立无线传感器节点的服务质量评价模型和无线传输能效评价模型，分别用于描述无线传感器节点的服务质量等级和无线传输的能量效率，两个模型联合提供该节点的无线传输能效与服务质量评估；

以最优化无线传感器节点生存时间为目标的服务质量保障步骤，通过能效模型结合所述无线传感器节点能耗与生存时间的评估步骤和无线传感器节点能效与服务质量的评估步骤，在无线传感器节点生存时间和服务质量等级之间建立定量关系，提供以最优化无线传感器节点生存时间为目标的服务质量保障。

2.根据权利要求1所述的优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，其特征在于，所述无线传感器节点能源模型为固定容量可充电电源和/或再生速率受限的可再生能源。

3.根据权利要求2所述的优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，其特征在于，所述固定容量可充电电源为电池。

4.根据权利要求2所述的优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，其特征在于，所述再生速率受限的可再生能源为光电转换电源。

5.根据权利要求1所述的优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，其特征在于，所述无线传感器节点生存时间模型为在给定能耗、电源容量以及再生能源速率的条件下，传感器节点能够正常工作的时间预测模型。

6.根据权利要求1所述的优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，其特征在于：所述无线传感器节点服务质量评价模型包括时变的传输容量模型和业务数据排队模型，并通过这两个模型对服务质量中丢包率和传输时延进行定量分析。

7.根据权利要求1所述的优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，其特征在于，所述无线传输能效评价模型包括无线衰落信道下数据传输的容量与该传输所消耗能量之间的定量联系。

8.根据权利要求7所述的优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，其特征在于：所述数据传输容量与该传输岁消耗能量之间的定量联系，采用了基于平均接收互信息率的物理层抽象模型。

9.根据权利要求1所述的优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，其特征在于，所述无线传感器节点生存时间和服务质量等级之间的定量关系，以无线数据传输的能效为中间变量，建立无线传感器节点生存时间与服务质量之间的定量关系。

10.根据权利要求1所述的优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方法，其特征在于，所述以最优化无线传感器节点生存时间为目标的服务质量保障方法，通过在无线传感器节点生存时间与服务质量的定量关系中，引入生存时间最大以及服务质量降级概率最大值的约束条件，从而建立最优化模型，导出最优化无线传感器节点生存时间的服务质量保障方案。