CN105682201B - 一种用于高效目标监测中的节点占空比自适应设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高效目标监测中的节点占空比自适应设置方法，该方法依据节点与基站之间的距离情况，远基站的节点采用较大的占空比，而近基站区域采用较小的占空比。充分利用了远基站区域的剩余能量，提高了远基站区域节点的占空比。当提高节点的感知占空比时，能够减少目标监测的漏检率与检测延迟，而提高节点的通信占空比时，能够减少目标监测的传输延迟，从而有效的提高了目标监测质量，并提高了传感器网络的能量利用率。

Description

一种用于高效目标监测中的节点占空比自适应设置方法

技术领域

本发明属于无线网络数据目标监测领域，特别涉及一种用于高效目标监测中的节点占空比自适应设置方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，可以广泛的运用到工业监测，农业，民用，环境监测，战场，海洋，火灾等各种特殊环境与应用中，被认为是未来的重要物联网络的关键基础技术之一。无线传感器网络的一个重要应用是监测目标，比如在战场中，传感器网络部署在敌人可能经过的区域，当敌方的坦克，战车经过时能够快速向控制中心报告。而无线传感器网络的目标监测中存在的关键问题如下：

移动目标监测质量问题。显著对移动目标的监测来说，其监测质量问题是至关重的一个关键。应用要求目标监测的质量越高越好。但是，目标监测的质量越高，系统所付出的成本则越大，其监测效率并一定高。系统的监测效率可以表示为系统所付出的成本与监测时间的比值。由于传感器网络节点的构造简单，成本低廉，通过电池供电。因而其能量极其有限，如何有效的利用节点的能量，从而使得网络的寿命最长是其关键的一个性能指标。为延长网络寿命，传感器网络一般采用节点周期性工作的方式来节省能量。即节点周期性的工作，在一个周期内并不是一直处于工作状态，而工作一段时间后，再睡眠一段时间。其工作状态时间与一个周期的时间的比值称之为占空比。显然，占空比越大，则节点处于工作的比例越大，如果占空比为1，则节点一直处于工作状态，而没的睡眠。由于节点工作时所消耗的能量为睡眠状态的1000倍以上，因而为延长网络寿命，要尽可能的让节点的占空比越小越好。但是，节点的占空比越小，则意味着节点处于睡眠的时间越长，因而目标经过时，节点处于睡眠状态的概率越高，则目标就不能被监测出来。导致目标可能穿越传感网络的监测区域都没有被监测出来，导致严重的事故。目标监测质量的性能指标主要包括如下：

(1)检测延迟，是指目标进入瞬间到被传感器检测到的瞬间之间的时间间隔。

(2)传输延迟，是指当一个目标被检测到之后，传输警报到达基站所需的时间。

(3)目标的漏检率，指目标经过监测区域时未被传感器节点检测到的概率。

(4)网络寿命，网络寿命代表网络中第一个节点死亡所经历的时间。

现有研究中，网络中所有节点的占空比是一样的，一旦确定了网络的占空比后，所有节点都采用相同的占空比工作。因而，当网络死亡时，据有关的研究的结果，远基站区域还剩余高达90％的能量。

发明内容

本发明提供了一种用于高效目标监测中的节点占空比自适应设置方法，通过依据节点剩余能量情况来自适应改变节点的占空比时间，从而充分利用远基站区域中节点的剩余能量，在保证网络寿命的同时，提高了目标监测质量。

由于无线传感器网络中，所有节点的数据都需要传送给基站，因而基站节点承担了更多的数据转发，因而其能量消耗远高于远基站的节点。而网络寿命定义为网络中第一个节点死亡的时间。

在通常的无线传感器网络中，传感器节点采用周期性工作与睡眠轮换的工作模式。节点处于工作状态与整个周期时间的比例叫占空比。当节点处于睡眠状态时，节点的能量消耗非常小，因而能够延长网络寿命。而节点处于工作状态时，才能对目标进行监测，但这时节点的能量消耗大，因而其寿命低。

一种用于高效目标监测中的节点占空比自适应设置方法，在无线传感器网络中，以距离基站之间的距离远近来设置各节点的占空比，距离基站越远的节点，节点的感知占空比或通信占空比越大，距离基站越近的节点，节点的感知占空比或通信占空比越小

一方面，使得距离基站越远的区域节点选择的感知占空比大于现有方法中的感知占空比，距离基站越远，节点的感知占空比越大，从而越能够提高目标监测质量，减少漏检率与目标检测延迟；另一方面，利用远基站区域剩余的能量提高这些区域节点的通信占空比，通信占空比越大，则能够减少目标监测的目标传输延迟。从而使得本发明的方法能够有效提高目标监测质量。

依据节点剩余能量增大节点的感知占空比时，距离基站x米的节点与距离基站最近处的节点的感知占空比的比值按下式确定：

其中，ω_R表示节点接收一个数据包所需功率，ε_sen表示节点感知时的能量消耗功率；ε_s表示节点睡眠时功耗，t_sen表示节点的感知周期时间，t_com表示节点的通信周期时间；表示距离基站x_min米处节点的感知占空比；

分别表示节点与基站之间距离为x米时，发送与接收的数据包数量；

r表示节点发射半径，R表示网络半径；

表示节点与基站之间距离为x_min米时，接收的数据包数量：x_min是指距离基站最近节点距离基站的距离；

表示距离基站x米处发送数据所用的时间，表示距离基站x米处接收送数据所用的时间：

S_p表示前导数据持续时间，S_al表示ACK窗口响应持续时间，S_d表示数据包发送所需时间，ε_t表示节点传输功耗；ε_r表示节点接收功耗，表示节点的通信占空比；

表示距离基站x_min米处的节点发送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处的节点接收送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处的节点发送一个数据包所消耗的能量。

依据节点剩余能量增大节点的通信占空比时，距离基站x米的节点与距离基站最近处的节点的通信占空比的比值按下式确定：

其中，β＝ε_s(S_p+2S_al+S_d)+2ε_rS_p-ε_tS_d-ω_R，离基站x_min米处节点的通信占空比。

本发明方法相对于以往方法提高了节点的占空比，提高了目标监测的质量；同时，本发明方法充分利用了远基站区域的剩余能量，有效的提高了传感器网络的能量利用率。

有益效果

本发明公开了一种用于高效目标监测中的节点占空比自适应设置方法，巧妙的利用网络中各节点的剩余能量情况，选择不同的占空比(感知占空比与通信占空比)，从而保证在提高目标监测质量的前提下不影响网络寿命。由于占网络绝大部分的非热区能量有剩余，所以可以充分利用这部分能量增长节点的感知和通信设备工作时间的比例，使节点有更长的处于感知或者通信的时间，就能够提高节点的检测质量，例如：提高目标检测率，降低检测延迟，传输延迟。而对热区的节点采取与以往研究相同的占空比。这样，从整体上来看：热区节点处于工作状态的占空比较小；离基站越远的节点因工作状态的占空比较大，其检测质量越高。而非热区的节点占整个网络的比例非常大，因此较大幅度的提高了网络的检测质量。而网络寿命取决于热区节点的寿命，因而，在整个网络加权占空比相等的情况下，可以使得本发明的方法中的网络寿命也较长。

附图说明

图1为应用本发明所述方法所得到的不同距离处的节点的感知占空比示意图；

图2为应用本发明所述方法所得到的不同距离处的节点的通信占空比示意图；

图3为应用本发明所述方法和现有采用相同占比方法网络死亡时剩余能量比例的对比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明

一种用于高效目标监测中的节点占空比自适应设置方法，在无线传感器网络中，以距离基站之间的距离远近来设置各节点的占空比，距离基站越远的节点，节点的感知占空比或通信占空比越大，距离基站越近的节点，节点的感知占空比或通信占空比越小

一方面，使得距离基站越远的区域节点选择的感知占空比大于现有方法中的感知占空比，距离基站越远，节点的感知占空比越大，从而越能够提高目标监测质量；另一方面，利用远基站区域剩余的能量提高这些区域节点的通信占空比，通信占空比越大，则能够减少目标监测的目标传输延迟。从而使得本发明的方法能够有效提高目标监测质量。

依据节点剩余能量增大节点的感知占空比时，

距离基站x米的节点与距离基站最近处的节点的感知占空比的比值按下式确定：

其中，ω_R表示节点接收一个数据包所需功率，ε_sen表示节点感知时的能量消耗功率；ε_s表示节点睡眠时功耗，t_sen表示节点的感知周期时间，t_com表示节点的通信周期时间；表示距离基站x_min米处节点的感知占空比；

分别表示节点与基站之间距离为x米时，发送与接收的数据包数量；

r表示节点发射半径，R表示网络半径；

表示节点与基站之间距离为x_min米时，接收的数据包数量：x_min是指距离基站最近节点距离基站的距离；

表示距离基站x米处发送数据所用的时间，表示距离基站x米处接收送数据所用的时间：

S_p表示前导数据持续时间，S_al表示ACK窗口响应持续时间，S_d表示数据包发送所需时间，ε_t表示节点传输功耗；ε_r表示节点接收功耗，表示节点的通信占空比；

表示距离基站x_min米处的节点发送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处的节点接收送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处的节点发送一个数据包所消耗的能量。

依据节点剩余能量增大节点的通信占空比时，距离基站x米的节点与距离基站最近处的节点的通信占空比的比值按下式确定：

其中，β＝ε_s(S_p+2S_al+S_d)+2ε_rS_p-ε_tS_d-ω_R，离基站x_min米处节点的通信占空比。

本发明方法相对于以往方法提高了节点的占空比，提高了目标监测的质量；同时，本发明方法充分利用了远基站区域的剩余能量，有效的提高了传感器网络的能量利用率。

图1给出了网络中，应用本发明所述方法所得到的距离基站不同距离处的节点感知占空比的情况，从图1可以看出在R＝500m,λ＝0.1的网络中，网络最远处节点的感知占空比分别是最近处节点感知占空比的3.5倍(当)和1.4倍(当)，可见本发明所述方法能够大大增加节点的感知占空比，从而可以显著的提高检测性能。

图2给出了网络中，应用本发明所述方法距离基站不同距离处的通信占空比的情况，从图1可以看出在R＝500m，λ＝0.1的网络中，网络最远处节点的通信占空比是最近处节点的2.6倍(当)，1.4倍(当)以及1.1倍(当)。可见本发明所述方法能够大大增加节点的通信占空比，从而提高了检测性能。

网络死亡是指第一个节点死亡时，在本实例中取前2％的节点死亡的时间为网络死亡时间，以克服由于能量消耗的不均衡造成极个别节点过早死亡的偶然情况。从图3中可以看出，在采用相同占空比的方法中，当网络死亡时，网络的剩余能量高达38％没有得到利用。因而本发明的方法采用可调占空比策略，充分利用网络的能量，从图3可以看出，在本发明的方法中，网络的剩余能量在20％以下。本发明的方法大大提高了网络的能量利用率。

Claims (2)

1.一种用于高效目标监测中的节点占空比自适应设置方法，其特征在于，在无线传感器网络中，以距离基站之间的距离远近来设置各节点的占空比，距离基站越远的节点，节点的感知占空比或通信占空比越大，距离基站越近的节点，节点的感知占空比或通信占空比越小；

依据节点剩余能量增大节点的感知占空比时，距离基站x米的节点与距离基站最近处的节点的感知占空比的比值按下式确定：

其中，ω_R表示节点接收一个数据包所需功率，ε_sen表示节点感知时的能量消耗功率；ε_s表示节点睡眠时功耗，t_sen表示节点的感知周期时间，t_com表示节点的通信周期时间；表示距离基站x_min米处节点的感知占空比；

分别表示节点与基站之间距离为x米时，发送与接收的数据包数量；

r表示节点发射半径，R表示网络半径；

表示节点与基站之间距离为x_min米时，接收的数据包数量：x_min是指距离基站最近节点距离基站的距离；

表示距离基站x米处发送数据所用的时间，表示距离基站x米处接收送数据所用的时间：

S_p表示前导数据持续时间，S_al表示ACK窗口响应持续时间，S_d表示数据包发送所需时间，ε_t表示节点传输功耗；ε_r表示节点接收功耗，表示节点的通信占空比；

表示距离基站x_min米处的节点发送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处的节点接收送数据所用的时间，表示距离基站x_min米处的节点发送一个数据包所消耗的能量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，依据节点剩余能量增大节点的通信占空比时，距离基站x米的节点与距离基站最近处的节点的通信占空比的比值按下式确定：

其中，β＝ε_s(S_p+2S_al+S_d)+2ε_rS_p-ε_tS_d-ω_R，离基站x_min米处节点的通信占空比。