CN106793042A - 无线能量通信网络下的睡眠调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线能量通信的睡眠调度方法，普通传感器节点有睡眠和激活二种状态，二种状态之间可以有序切换。对于获得的能量与剩余电池能量之和还不足以供应即将到来的能量消耗，这些节点将会进入睡眠状态，期间不需要进行数据的采集和上传；剩下的能量充足节点将执行CKN算法，设置合适的k值，让部分节点睡眠部分节点激活，激活的节点将进行数据的监测和传输工作，并最终上传到基站。整个过程中，所有节点接受的能量在剩余的时候都可以转换存储到电池中，以供下次节点消耗。本发明利用了可再生能源作为能量的获取来源，通过无线能量发射以及存储的方式来维持网络工作，调整无线能量传输和数据传输时间分配率，确定最好的能量利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线能量通信网络下的睡眠调度方法，属于通信设备睡眠调度技术领域。
背景技术
工业无线传感器网络(IWSNs)正逐渐被应用到各行各业，由于传感器节点价格低、外形小、方便，对于那些由于建筑物和环境障碍物隐蔽处太多而无法部署常规有线传感器网络的工业环境来说，无疑是最理想的选择。利用无线设备自组织形成网络，检测复杂环境的状态。无线传感技术的出现引起了全世界范围的关注，被称为二十一世纪最具影响力的技术之一。
然而，无线设备的能量不足成为限制其发展的重要因素，无线传感器节点被布置在复杂环境下，其自身电池能量有限，频繁更换电池的花费是昂贵的也是不切实际的。因此，在满足传感器节点正常工作的前提下，延长无线传感器网络的生命周期逐渐成为当前热门的研究话题。无线能量传输(WET)技术的提出就是为了解决该类问题，利用可再生资源，如太阳能电热板，风力发电等，转化成可利用资源。以及一种新兴的无线能量通信网络(WPCN)，在下行链路广播无线能量包，然后采用TDMA在上行链路发送信息回到混合介入点。通过联合优化分配无线功率和信息能量传输时间，研究网络吞吐量的最大化。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无线能量通信网络下的睡眠调度方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种无线能量通信网络下的睡眠调度方法，包括如下步骤：
步骤一：根据能量条件判断普通传感器节点在接下来一个周期的状态是睡眠还是激活；
步骤二：根据吞吐量需求执行CKN算法，选择激活状态的普通传感器节点进入睡眠状态；
步骤三：根据激活状态的普通传感器节点无线能量利用率和吞吐量确定最佳的时间分配率τ；
步骤四：在一个间期T内，对于睡眠状态的普通传感器节点，将混合接入点发送的能量存储于电池中；对于激活状态的普通传感器节点，将混合接入点发送的剩余能量存储于电池中，并重新进入步骤一。
所述步骤一中能量条件为如果普通传感器节点获得的传输能量和电池剩余能量之和都不足以供应正常工作的能量消耗，那么该普通传感器节点进入睡眠状态。
所述步骤二包括如下步骤：
2a:任意激活状态的普通传感器节点Su会随机的选择一个数值ranku，广播ranku并且收集邻居节点的ranku放入到集合Ru中；
2b:节点Su将集合Ru进行广播，同时收集来自其他邻居节点的集合；
2c：如果节点Su及其邻居节点所拥有的邻居节点个数都大于k，则节点Su将其邻居节点中rank＜ranku放入集合C中；
2d：如果集合C中的节点连通并且每个节点都至少有k个邻居节点，那么节点Su便可以进入睡眠状态。
所述普通传感器节点无线能量利用率μ的计算方法如下：其中，Eu为普通传感器节点一个周期内有效利用的能量，Eh为普通传感器节点一个周期内获得的无线能量，Pc为普通传感器节点工作时能量消耗功率，Es为存储到普通传感器节点电池中的能量，Q为获得来自混合接入点发出的能量功率，τ为时间分配率。
所述Q＝α×Pr＝α×Pt×D-α×GA，其中，α为能量转换效率，Pr为发射的能量功率，Pt为接收的能量功率，D为普通传感器节点距离混合接入点的距离，GA为发射接收的结合信号强度。
通过计算无线能量利用率μ最大值，得到时间分配率τ的最优值。
通过设置不同的k值来调整从激活状态进入睡眠状态的普通传感器节点的数量。
有益效果：本发明提供的无线能量通信网络下的睡眠调度方法，有益效果如下：
1)、本发明方法使用可再生资源作为传感器节点的能量供应来源，有效避免节点频繁更换电池，降低操作的复杂度充分利用可再生资源。
2)、本发明方法可以满足用户在特殊时间段对于网络高吞吐量的要求，通过合理调节能量数据传输的时间τ和激活节点的数量k值控制网络吞吐量变化。
3)、本发明方法通过改变τ去调整获得的能量和能量消耗，使二者近似达到平衡状态，此时整个网络能量的利用率达到最高。
附图说明
图1为整个网络睡眠激活节点的分布以及能量流数据流的走向图；
图2为无线能量传输和数据信息传输时间分配示意图；
图3为睡眠调度算法步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，整个无线能量通信网络包括：多个普通传感器节点，多个混合接入点，普通传感器节点与混合接入点均匀布置为整个无线能量通信网络。其中，混合接入点获取可再生资源，并配备无线能量发射器，通过调整天线角度和传输时间来控制能量包发射。同时混合接入点也具有基站节点功能，收集网络中各节点采集的信息，汇总然后上报用户，是一个信息发布和汇聚的终端。
大量的普通传感器节点被随机布置在网络区域中，这些节点配备无线能量接收器，可以接受来自混合接入点发射的无线能量，用作自身工作能量消耗，也可以转换存储到电池中。普通传感器节点具有多种检测功能的传感器，可以定期采集数据并上传到混合接入点。另外，普通传感器节点有激活和睡眠二种状态，睡眠节点不进行数据采集和传输，激活节点正常工作。
如图2所示，普通传感器节点获得来自混合接入点发出的能量功率Q计算公式如下：Q＝α×Pr＝α×Pt×D-α×GA，其中，α为能量转换效率，Pr为发射的能量功率，Pt为接收的能量功率，D为普通传感器节点距离混合接入点的距离，GA为发射接收的结合信号强度。在一个周期T内，普通传感器节点的无线能量传输时间为τT和数据信息传输时间为(1-τ)T，普通传感器节点无线能量利用率μ的计算方法如下：其中，Eu为普通传感器节点一个周期内有效利用的能量，Eh为普通传感器节点一个周期内获得的无线能量，Pc为普通传感器节点工作时能量消耗功率，Es为存储到普通传感器节点电池中的能量，τ为时间分配率。
普通传感器节点要处于激活状态就要满足Eu≤Eh，当τ的值从零开始增加时，如果τ的值过小，普通传感器节点将无法供应足够的能量从而睡眠，节点无线能量利用率也很低；如果τ的值过大，能量传输时间很长，但是节点没有足够的时间去工作，大部分能量将无法被利用，节点的能量利用率也会很低。所以，在τ的增加过程中，会出现一个最优值，此时无线能量利用率最高。
如图3所示，一种无线能量通信网络下的睡眠调度方法，包括如下步骤：
步骤一：根据能量条件判断普通传感器节点在接下来一个周期的状态是睡眠还是激活；
混合接入点可以通过天线朝各个方向发射能量包，所有的普通传感器节点都具备无限能量接收器，可以转换接收来自空气中的能量包。接收的能量可以用来供应普通传感器节点的工作能量消耗，也可以被转换存储到节点自身携带的电池中。每个节点会根据当前能量供求关系，确定自己接下来一个周期的状态。
如果普通传感器节点获得的能量和电池剩余能量之和都不足以供应正常工作的能量消耗，那么该节点会选择进入睡眠状态。睡眠状态的节点能量消耗很少，大部分的时间都可以用来转换能量存储于电池中，以备下一个周期的使用。其他能量充足的节点将会进入步骤二再次判断。
步骤二：根据吞吐量需求执行CKN算法，选择激活状态的普通传感器节点进入睡眠状态；
经过步骤一筛选得到可以进入激活状态的普通传感器节点，但大多数时候并没有重大事件发生，不需要大量节点处于激活状态，部分节点可以选择进入睡眠状态，以备事件发生时有足够能量支撑大量节点激活。
通过控制CKN睡眠调度算法的k值，来调节网络中睡眠节点的数量，其中k值越大，睡眠节点越少，相应的网络吞吐量就会越大。对于符合CKN睡眠规则并且具有较高优先级的节点将会选择进入睡眠状态，剩余的节点则会进入激活状态。
CKN算法中关于要应用的k个邻居节点连通情况定义如下：
(i)每个节点至少连通有k个处于激活状态的邻居节点。
(ii)网络中所有处于激活状态的节点都是连通的。
在CKN算法中，任意激活状态的普通传感器节点Su会随机的选择一个数值ranku，广播ranku并且收集邻居节点的ranku放入到集合Ru中。然后节点Su将集合Ru进行广播，同时收集来自其他邻居节点的集合。
如果节点Su及其邻居节点所拥有的邻居节点个数都大于k，则节点Su将其邻居节点中rank＜ranku放入集合C中。如果集合C中的节点连通并且每个节点都至少有k个邻居节点，那么节点Su便可以进入睡眠状态。因此，当k值较小时，网络中有较多的激活节点会处于工作状态；相反当k值变大时，网络中会有更多的节点进入睡眠状态。
步骤三：根据激活状态的普通传感器节点无线能量利用率和吞吐量确定最佳的时间分配率τ；
决定一个周期内能量传输和数据传输的时间分配率τ，当τ的值较小时，能量传输的时间较短，反而数据传输的时间较长，大多数节点的能量供应都会不足，这样会导致大量节点进入睡眠状态，整个网络不能正常通信工作；当τ的值过大时，能量传输的时间足够，数据传输的时间较少，导致数据包上传的数量不足，同时能量的利用率也会相对较低，大部分能量将无法被利用，造成能量的大量浪费。因此，根据网络的整体能量利用率和吞吐量，确定最佳的能量传输时间和数据传输时间分配率τ是很有必要的。
步骤四：在一个间期T完成后，处于激活状态的普通传感器节点将会通过路由树逐层将采集到的数据上传到混合接入点；对于睡眠状态的普通传感器节点，将混合接入点发送的能量存储于电池中；对于激活状态的普通传感器节点，将混合接入点发送的剩余能量存储于电池中，并重新进入步骤一。
当一个周期完成后，处于激活状态的普通传感器节点将会通过路由树逐层将采集到的数据上传到混合接入点，同时，所有普通传感器节点更新当前剩余能量。睡眠状态的节点将会直接转换获得的能量存储到自身电池中直到充满。激活状态的节点先利用获得的能量进行工作，如果获得的能量不足以支持节点能量消耗，将会利用电池中存储的能量；如果获得的能量在数据传输完后还有剩余，同样会被转换存储到电池中直至充满。然后继续下一个周期。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种无线能量通信网络下的睡眠调度方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：根据能量条件判断普通传感器节点在接下来一个周期的状态是睡眠还是激活；
步骤二：根据吞吐量需求执行CKN算法，选择激活状态的普通传感器节点进入睡眠状态；
步骤三：根据激活状态的普通传感器节点无线能量利用率和吞吐量确定最佳的时间分配率τ；
步骤四：在一个间期T内，对于睡眠状态的普通传感器节点，将混合接入点发送的能量存储于电池中；对于激活状态的普通传感器节点，将混合接入点发送的剩余能量存储于电池中，并重新进入步骤一。
2.根据权利要求1所述的无线能量通信网络下的睡眠调度方法，其特征在于：所述步骤一中能量条件为如果普通传感器节点获得的传输能量和电池剩余能量之和都不足以供应正常工作的能量消耗，那么该普通传感器节点进入睡眠状态。
3.根据权利要求1所述的无线能量通信网络下的睡眠调度方法，其特征在于：所述步骤二包括如下步骤：
2a:任意激活状态的普通传感器节点Su会随机的选择一个数值ranku，广播ranku并且收集邻居节点的ranku放入到集合Ru中；
2b:节点Su将集合Ru进行广播，同时收集来自其他邻居节点的集合；
2c：如果节点Su及其邻居节点所拥有的邻居节点个数都大于k，则节点Su将其邻居节点中rank＜ranku放入集合C中；
2d：如果集合C中的节点连通并且每个节点都至少有k个邻居节点，那么节点Su便可以进入睡眠状态。
4.根据权利要求1所述的无线能量通信网络下的睡眠调度方法，其特征在于：所述普通传感器节点无线能量利用率μ的计算方法如下：其中，Eu为普通传感器节点一个周期内有效利用的能量，Eh为普通传感器节点一个周期内获得的无线能量，Pc为普通传感器节点工作时能量消耗功率，Es为存储到普通传感器节点电池中的能量，Q为获得来自混合接入点发出的能量功率，τ为时间分配率。
5.根据权利要求4所述的无线能量通信网络下的睡眠调度方法，其特征在于：所述Q＝α×Pr＝α×Pt×D-α×GA，其中，α为能量转换效率，Pr为发射的能量功率，Pt为接收的能量功率，D为普通传感器节点距离混合接入点的距离，GA为发射接收的结合信号强度。
6.根据权利要求5所述的无线能量通信网络下的睡眠调度方法，其特征在于：通过计算无线能量利用率μ最大值，得到时间分配率τ的最优值。
7.根据权利要求3所述的无线能量通信网络下的睡眠调度方法，其特征在于：通过设置不同的k值来调整从激活状态进入睡眠状态的普通传感器节点的数量。
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