CN106878958A - 软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法。该方法考虑利用节点剩余能量增加节点的占空比，使得一次广播就能让多个节点接收到程序，达到快速传播的目的。占空比的提高在保证网络寿命的同时使得传输次数和传输延迟得到降低。节点能量消耗与占空比存在正相关关系，占空比增加又会使得传输延迟得到降低，由于网络死亡时距离基站较远的区域仍存在大量能量，充分利用这些剩余能量提高这部分区域中节点的占空比，使其能够及时接收程序代码，这就在保证传输次数和传输延迟都能得到降低的情况下，而不会对网络寿命造成影响。

Description

软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法

技术领域

本发明属于软件自定义无线网络领域，特别涉及一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法。

背景技术

各种数字设备连接到云计算网络以及雾计算网络导致数据量如今呈爆炸性方式增长。雾计算网络中，为了提高边缘接入设备的智能化，使用无线软件定义网络进行大量的设备更新、升级和重新配置，让部署的设备获得新的活力。大数据的一个重要应用是扩散程序代码，程序代码扩展到设备的过程是大数据采集的逆操作。程序代码从数据采集中心扩散到网络边缘的过程在无线传感器网络领域中得到了广泛的应用。无线传感器网络是一种很有前途的平台，被广泛应用于军事和民用领域。在一个智能软件自定义无线网络中，许多传感器节点被部署在被监视区域内，传感器节点感知来自周围环境的数据，然后将感测的数据发送到基站。基站从发送消息的设备接收到信息后，对设备进行更新或重新配置软件。与传统的工业自动化系统相比，使用有线通信，智能无线软件定义网络带来显着的优势，包括降低成本，更高的灵活性和自组织能力，从而显着提高了工业效率和生产力。

广播是软件自定义无线传感器网络的基本操作。给定一个基站，目标是利用最小传输广播方式将数据包传递给所有节点并使得传输延迟最小，这个问题被称为最小传输广播。在许多应用例如火警报警系统中中，往往对通信传输延迟有非常严格的要求。然而，在这样的环境下也对软件自定义无线网络的代码扩散性设计提出了严峻的挑战。首先，传感器节点的能量有限，传感器节点通常采用循环式，在休眠和活跃两个状态之间进行切换。由于节点的占空比类型，程序代码需要在网络中传输多个节点。因此，最小传输广播问题在有占空比的网络中是很难的。其次，寿命和延迟之间的权衡问题是一项艰巨的任务。由于节点的占空比要大到能够将程序代码快速传输到网络中的所有节点，并且节点的占空比应该尽可能小，以延长网络的生存期。因此，如何减少网络传输延迟，同时保持网络的生存时间是一个挑战性的问题。

目前，关于软件自定义无线网络广播方面的研究根据不同的应用需求分为以下几种：

(1)最小传输广播问题。主要考虑如何减少广播次数。在以往的方案中，考虑节点始终处于活跃状态，因此减少传输次数就要找到一个网络的最小连通支配集使得集合中的节点可以覆盖整个网络，这样，只需向某个节点广播一次程序代码则网络中的所有节点都可以接收程序代码。(2)最小等待时间的广播调度。在这些方案中，不仅减少了节点的能量消耗，而且还减少了传输程序代码的时间。

发明内容

本发明提供了一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法，用于快速传播并减少传输次数和降低传输延迟，其特征在于：在能及时接收程序代码前提下调整节点占空比至最小值，对于远离基站节点利用其剩余能量增加节点的占空比以传降低输延迟。

广播性能取决于网络中节点的占空比，较大的占空比带来更高的监控性能但同时也会使得节点能耗增加而加速网络死亡，因此，在保证能及时接收程序代码前提下将节点占空比调整至最小值，可以在不影响数据传输的前提下节约网络能量消耗。

距离基站较近区域节点能耗较大，将这部分区域称为热区，则远离基站区域称为非热区，非热区节点能量消耗较少因此在网络死亡时仍有大量的能量剩余，这些节点的占空比可以增加，使得一次广播就能让多个节点接收到程序，达到快速传播的目的，同时占空比的提高可以减少传输延迟，动态调整节点占空比可以实现更好更全面的广播性能，提高程序代码扩散性的同时不影响网络寿命。

若节点初始能量为E_init，节点v_i距离基站i米远，则在数据工作周期为τ_c、活跃周期即占空比为τ_a的情况下，节点剩余能量可以计算为:

其中， 是节点感知数据能量消耗；是发送一个数据包的能量消耗，是接收功率消耗，是传输功率消耗，θ_d是分组持续时间，θ_p和θ_a分别是前导时间和ACK窗口时间节点，v_i的发送和接收数据量分别表示为和

若热区节点发送和接收数据包的数量分别为和距离基站i米远的节点v_i的发送和接收数据量分别表示为和节点v_i活跃期表示为热区节点的活跃期表示为则可以被计算为：

上式中，

距离基站i米远的节点用v_i表示，若有N_k个活动时间槽数目为k的节点(k的取值范围是在工作周期T中)，表示这N_k个节点邻居节点的集合，是集合中的节点数目，是这N_k个节点的集合，则且|Γ_k|＝N_k，其中则传输次数Ψ可以计算为：

同样的，若距离基站i米远的节点用v_i表示，若有N_k个活动时间槽数目为k的节点，表示这N_k个节点邻居节点的集合，是集合中的节点数目，是集合中节点的最大活跃时隙，是这N_k个节点的集合，Ω＝{γ₁,γ₂,γ₃,...,γ_T}，可知且|Γ_k|＝N_k，其中则传输延迟Φ可以计算为：

综上所述，本发明采用的可调占空比的方法能够在保证及时接收程序代码前提下调整节点占空比至最小值，也就是在不影响数据传输延迟的前提下节约网络能量消耗。由于非热区节点在网络死亡时依然有大量剩余能量，因此考虑对于非热区节点利用其剩余能量增加节点的占空比，占空比的提高使得一次广播就能让多个节点接收到程序，达到快速传播的目的，占空比与广播次数和数据延迟呈负相关关系，由此可知对于节点占空比的提高能够达到减少传输次数和降低传输延迟的目的，同时，热区节点的占空比并未改变因此不会对网络寿命造成影响。

附图说明

图1为本发明方法的总体结构图；

图2为本发明所述方法下占空比与广播次数的关系；

图3为本发明所述方法下占空比与传输延迟的关系；

图4为利用非热区节点剩余能量用于增加占空比的示意图；

图5为本发明方法中网络不同位置节点的能量消耗；

图6为在本发明方法中网络不同位置节点调整占空比的数值大小；

图7为使用本发明方法和基于近似水平方法两种方案下的能耗；

图8为使用本发明方法和基于近似水平方法在不同占空比下的能耗对比图；

图9为使用本发明方法和基于近似水平方法在不同占空比下的网络寿命对比图；

图10为使用本发明方法和基于近似水平方法在不同占空比下的能量有效利用率对比图；

图11为在|T|＝20情况下使用本发明方法和基于近似水平方法的广播次数对比图；

图12为在|T|＝60情况下使用本发明方法和基于近似水平方法的广播次数对比图；

图13为在|T|＝20情况下使用本发明方法和基于近似水平方法的传输延迟对比图；

图14为在|T|＝60情况下使用本发明方法和基于近似水平方法的传输延迟对比图。

具体实施方式

下面将结合实例和附图对本发明做进一步的说明。

一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法，如图1所示，用于减少传输次数和降低传输延迟，在能及时接收程序代码前提下调整节点占空比至最小值，对于远离基站节点利用其剩余能量增加节点的占空比以传降低输延迟。

广播性能取决于网络中节点的占空比，较大的占空比带来更高的监控性能但同时也会使得节点能耗增加而加速网络死亡，因此，在保证能及时接收程序代码前提下将节点占空比调整至最小值，可以在不影响数据传输的前提下节约网络能量消耗。

距离基站较近区域节点能耗较大，将这部分区域称为热区，则远离基站区域称为非热区，非热区节点能量消耗较少因此在网络死亡时仍有大量的能量剩余，这些节点的占空比可以增加，以减少传输延迟，动态调整节点占空比可以实现更好更全面的广播性能，提高程序代码扩散性的同时不影响网络寿命。

图1为本发明方法的总体结构图，显示了形成的整个广播网络。在图1中s表示基站，是数据采集中心，v₁,v₂,...,v₁₉表示编号为1-19的普通传感器节点，每个节点中的数字表示节点的活动时隙。考虑节约能源的情况下，在节点不需要接收程序代码时最好对节点设置睡眠-唤醒机制。每个节点采用异步占空比模型，占空比在两个连续期间内重新开始。每个节点有活动或睡眠两种模式。每个工作循环被划分成相同长度的时隙。因此，一个工作循环可以用时隙表示为{0，1，2，3，…，}。若一个节点的工作周期为3，工作周期被视为三个时隙，它们是0，1和2。每个节点随机选择活动时隙，基站发送程序代码到邻居节点，然后将程序代码从这些邻居节点发送到外部节点，直到程序代码达到网络边界。

图2显示了占空比与广播次数的关系。广播性能取决于网络中节点的占空比，较大的占空比带来更高的监控性能。从图2中可以看出，随着节点占空比的增加广播次数逐渐减少，并且在不同网络半径情况下效果相同。

图3显示了占空比与广播延迟的关系。可以看出，广播和传输延迟的数目随节点占空比的增加而减小。节点的占空比越大，当一个节点广播程序代码时，节点接收程序代码的的概率就越高，而广播次数和传输延迟则越低。

图4是利用非热区节点剩余能量用于增加占空比的示意图。从图4可以看出，非热区节点的占空比高于热点节点的占空比，这是因为占空比的提高会导致能耗增加，而热区节点能够增加会加速网络死亡，因此我们只是考虑提升非热区节点的占空比，这就在降低延迟的同时保证网络寿命不受影响。根据上述分析，在非热点区域存在大量的能量，剩下的能量可以用来增加节点的占空比。在以往的方法中，不同区域的节点的占空比是相同的。但本发明方法中动态调整节点占空比的方法可以实现更好更全面的广播性能。因此，本发明方法能够提高程序代码的扩散性而不影响网络寿命。

图5显示了本发明方法中网络不同位置节点的能量消耗。可以看出，靠近基站的节点能量消耗高于远离基站节点的能量消耗。因此在非热区有足够的能量能够用于提高占空比，以减少传输次数和降低传输延迟。

图6为在本发明方法中网络不同位置节点调整占空比的数值大小。在本发明方法中，远离基站节点的占空比取决于其剩余能量。可以看出，远离基站节点的占空比高达1，但离基站较近区域节点的占空比却是较低的。这也再次证实了本发明方法中所想的利用剩余能量提高占空比方法是十分行之有效的。

图7给出了使用本发明方法和基于近似水平方法两种方案下的能耗。可以看出，(1)靠近基站节点的能量消耗高于远离基站节点的能量消耗。(2)在本发明方法中最大的能耗与基于近似水平方法最大能量消耗相同。(3)在本发明方法中非热区节点的能量消耗高于基于近似水平方法中非热点区域节点的能量消耗。原因是在本发明方法中节点的占空比是根据节点能量剩余值进行调整。如果远离基站的节点有大量的能量剩余，节点的占空比可以增加很多。在本文中，占空比是活跃期和休眠期的比值。节点的占空比越大，能量消耗越大。在本发明方法中，热区节点的能量消耗并不会高于基于近似水平方法，可知，本发明方法可以保证网络的生命周期不受影响。

在图8和图9中分别给出了使用本发明方法和基于近似水平方法在不同占空比下的能耗和网络寿命。总能量消耗随占空比的增大而增大。在本发明方法下网络寿命并不低于基于近似水平方法下的网络寿命，但从图10可以看出，利用本发明方法使得能量有效利用率大于基于近似水平方法。原因是，本发明方法利用远离基站节点的剩余能量增加占空比，因此非热区节点能量消耗增大，使得本发明方法的能量有效利用率大于基于近似水平方法。这表明，本发明方法具有更好的性能。

在|T|＝20，|T|＝60两种情况下使用本发明方法和基于近似水平方法的广播次数分别在图11和图12中显示。可以看出，在本发明方法下传输数小于基于近似水平方法。两种方法的广播次数都随着网络规模的增大而增加。很明显，这是因为|T|是事先确定的，随着节点数量的增加，一个节点可以作为许多工作周期节点覆盖。程序代码被传播到网络中的所有节点，从而增加广播的数量。

在|T|＝20和|T|＝60两种情况下使用本发明方法和基于近似水平方法的传输延迟分别在图13和图14中显示，可以看出，使用本发明方法的传输延迟是低于基于近似水平方法的。

综上所述，本发明所述方法能够在保证及时接收程序代码前提下调整节点占空比至最小值，对于远离基站节点利用其剩余能量增加节点的占空比以传降低输延迟和减少广播次数。

Claims (5)

1.一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法，用于快速传播并减少传输次数和降低传输延迟，其特征在于：保证能及时接收程序代码前提下调整节点占空比至最小值，对于远离基站节点利用其剩余能量增加节点的占空比以传降低输延迟，实现快速传播；

在保证能及时接收程序代码前提下将节点占空比调整至最小值，可以在不影响数据传输的前提下节约网络能量消耗；

距离基站较近区域节点能耗较大，将这部分区域称为热区，则远离基站区域称为非热区，利用非热区节点能量剩余来提高占空比在达到快速传播的目的的同时减少传输延迟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若节点初始能量为E_init，节点v_i距离基站i米远，则在数据工作周期为τ_c、活跃周期即占空比为τ_a的情况下，节点剩余能量可以计算为:

其中， 是节点感知数据能量消耗；是发送一个数据包的能量消耗，是接收功率消耗，是传输功率消耗，θ_d是分组持续时间，θ_p和θ_a分别是前导时间和ACK窗口时间节点，v_i的发送和接收数据量分别表示为和

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，若热区节点发送和接收数据包的数量分别为和距离基站i米远的节点v_i的发送和接收数据量分别表示为和节点v_i活跃期表示为热区节点的活跃期表示为则可以被计算为：

上式中，

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，距离基站i米远的节点用v_i表示，若有N_k个活动时间槽数目为k的节点(k的取值范围是在工作周期T中)，表示这N_k个节点邻居节点的集合，是集合中的节点数目，是这N_k个节点的集合，则且|Γ_k|＝N_k，其中则传输时间Ψ可以计算为：

$\mathrm{\Ψ}=\underset{k=0}{\overset{\left|T\right|-1}{\Σ}}\left|{\mathrm{\γ}}_k\right|$

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：距离基站i米远的节点用v_i表示，若有N_k个活动时间槽数目为k的节点，表示这N_k个节点邻居节点的集合，是集合中的节点数目，是集合中节点的最大活跃时隙，是这N_k个节点的集合，Ω＝{γ₁,γ₂,γ₃,...,γ_T}，可知且|Γ_k|＝N_k，其中，则传输延迟Φ可以计算为：