CN107969022A - 无线传感器网络采用动态占空比减小数据传输延迟的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线传感器网络采用动态占空比以减小数据传输延迟的方法。在周期性工作与睡眠轮换工作模式的无线传感器网络数据传输中，数据传输延迟的主要构成是睡眠延迟，即发送数据节点有数据发送时，需要等候中继节点醒来的时间。本发明方法依据传感器网络近基站能量消耗高，而远基站能量有剩余的能量消耗特征，通过采取在近基站区域采用较小的占空比，而在远基站区域采用较大的占空比方法，从而能够在不降低网络寿命的前提下大幅度的减少网络数据传输延迟。本以明方法的创新点在于突破了以往策略中采用相同占空比的方法，并准确给出了网络不同区域的占空比的值，与以往策略相比，在不降低网络寿命的情况下，大幅度的减少了网络延迟。

Description

无线传感器网络采用动态占空比减小数据传输延迟的方法

技术领域

本发明属于无线网络数据传输领域，特别涉及到如何选择合适的占空比使得数据传输延迟最小化的方法。

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数据传输，因为快速的将传感器节点的信息传输到基站具有重要的意义。而延迟的数据传输可能会导致严重的事故。比如在火灾等应用中，需要将感知的消息快速向基站报告。

在无线传感器网络的数据传输中，由于传感器节点采用周期性工作与睡眠轮换的工作模式。当网络进行数据传输时，将那些在发送数据节点通信距离内，且比数据发送节点距离基站更近的节点的集合称为中继节点集合。数据传输时，从数据包产生到基站收到所需要的时间称为端到端延迟(或简称延迟).影响延迟的因素很多,主要有数据包到达基站的距离,距离越远,则数据包需要更多的跳数到达基站,而每一跳都会有转发延迟,因而延迟越大.而影响延迟的一个重要因素是节点的占空比。占空比是指节点在一个睡眠\工作周期中,工作时间与整个周期的比例。可见占空比越大,则节点工作的时间越长,从而当节点有数据需要传送时,找到醒来的中继节点的概率越高,从而延迟越小。反之，当节点有数据需要传送时，由于发送数据节点的中继节点都处于睡眠状态时，则发送数据节点必须等待有中继节点醒来才能发送数据。由于中继节点处于睡眠状态而导致数据发送节点需要等待而造成的延迟称为睡眠延迟。在无线传感器网络中，睡眠延迟是延迟中最主要的延迟。由于节点的一个占空比周期长度一般长达数秒，甚至数十秒，节点的占空比一般为1/10,1/100。因而节点的大部分时间都在睡眠状态，因而，节点的睡眠延迟往往是以秒为单位，而数据传送所需要时间仅为毫秒级。因而节点的睡眠延迟相对于数据传输延迟来说相关几个数量级，是延迟和最主要因素。显然提高节点的占空比能够有效的减少睡眠延迟，但是,由于节点处于工作状态下的能量消耗是睡眠状态下能量消耗的100-1000倍,因而占空比越大,节点的能量消耗越大,因而严重影响其寿命。

在以往研究中，传感器网络所有节点都采用相同的占空比，在这种网络情况下，要减少网络延迟就必须提高节点的占空比，但是提高节点的占空比就必然降低了网络寿命。因而，如何取得在减少网络延迟并保持高的网络寿命问题上一直存在难以解决的困难。本发明依据无线传感器网络的能量消耗情况创新性的提出了采用不等占空比的方法来减少网络延迟的前提下并保持高的网络寿命。在无线传感器网络中，由于近基站区域的节点承担了更多的数据发送，因而其能量消耗大，而远基站区域的节点却有大量的能量剩余。基于这种情况，如果仅增大远基站区域节点的占空比，而近基站区域的占空比保持与以往策略不变。这样，远基站区域节点的延迟就会减少，从而导致整个网络的端到端延迟都会减少，这样就能够在不降低网络寿命的前提下，减少网络延迟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线传感器网络采用动态占空比以减小数据传输延迟的方法，以解决现有协议中存在的网络延迟与网络寿命之间所存在的制约关系的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种无线传感器网络采用动态占空比以减小数据传输延迟的方法。本发明方法的优势在于对远基站区域的节点采用较大的占空比，而对近基站区域的节点采用以往策略相同的占空比。以往研究显示：当节点有数据发送时，需要等候到有使数据传输距离向基站前进的中继节点醒来时，才进行数据传输，如果没有满足要求的中继节点醒来，则继续等待，直到有满足要求的中继节点醒来后进行数据传送。由于增大节点占空比能够减少延迟，从而本发明方法能够减少数据传输的延迟。

本发明方法至少包括以下步骤：

首先对数据在节点转发过程中的延迟进行分析，得出影响节点数据转发延迟的因素以及这些因素与延迟之间的关系，

对于距离基站x米处的任意节点，节点所采用的占空比如下式所示。

其中ν＝(ι_s+ι_r)S_p+(2ι_s-ι_t)S_al+(ι_s-ι_r-ι_t)S_d；ε表示距离基站最近节点所采用的占空比；ι_r表示节点接收数据量的能量消耗功率且取值为0.0588W；ι_t表示节点发送数据时的能量消耗功率且取值为0.0511W；S_p表示前导数据持续时间且取值为0.26ms；S_al表示ACK窗口响应持续时间且取值为0.26ms；S_d表示数据包发送所需时间且取值为0.93ms。t表示一个占空比周期的时间长度。κ、ν仅是计算的结果，无物理意义。是距离基站为x米处的节点接收的数据量，其计算方法为：

γ是节点一跳向基站方向前进的距离的期望值。R是网络半径，表示距离基站最近节点距离为x₀米处节点接收的数据量；表示距离基站为x米处的节点发送的数据量。

因此，本发明所提供方法充分利用非热区节点的剩余能量，提高非热区节点的占空比，从而缩短网络延迟；而对于热区节点，依旧采用和以往策略相同的占空比机制进行信息传输，这样，整个网络就可以实现在保证不缩短网络寿命的情况下尽量降低网络延迟，提高网络性能。

有益效果

1.提出了一种新颖的动态占空比调节(DDC)方法来同时满足节能和延迟最小这两大重要网络性能指标。在以往的路由策略中，由于远基站区域的节点负载小，故能量存在大量剩余而不得到利用，因而在DDC方法中，在远基站区域采用较大的占空比，这样节点在转发数据时，其延迟就会随之减小。虽然大的占空比消耗了更多的能量，但由于远基站区域的能量有剩余，因而这部分剩余能量的充分利用对网络寿命没有任何影响，反而提高了能量有效利用率。在近基站区域，由于其能量本身紧张，因而在DDC方法中，采用较小的占空比，从而在节省能量，保持高的网络寿命。DDC方法从整体上来看，可以在提高能量有效利用率的同时，缩短网络的延迟。

2.通过我们大量的仿真模拟研究，本发明做提供的DDC方法可以同时对网络中的延迟和能量利用效率性能进行提高。与以往研究相比较，本发明方法可以充分利用原本在网络死亡时非热区所剩余的大量能量，能量利用效率可以高达80％以上。同时，它可以缩短10％-20％的网络延迟。最重要的是，在提高网络性能的基础上，DDC方法并没有以缩短网络寿命为代价，这是在以往研究中所没有实现的。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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。在附图中：

图1是本发明优选实施例的动态占空比调节(DDC)方法流程示意图；

图2是本发明优选实施例在节点发送半径为80m，保证网络其它参数均相同的情况下，不同策略下的网络端到端延迟对比折线图；

图3是本发明优选实施例在保证网络寿命相同以及网络中其他参数均相同的情况下，采用不同策略时整个网络的平均端到端延迟对比图；

图4是本发明优选实施例在保证网络其他参数均相同，不同策略下的能量消耗对比情况折线图；

图5是本发明优选实施例在保证网络中其它参数网络死亡时，在不同策略下网络中所剩余能量的条形对比统计图；

图6为本发明优选实施例在保证网络其他参数均相同的情况下，不同策略下的网络寿命对比图；

图7为本发明优选实施例在保证网络寿命的前提下，在不同初始占空比ε下可以增大远基站节点的占空比的情况；

图8为本发明优选实施例的节点不同占空比情况下数据发送的延迟情况；

图9为本发明优选实施例在保证网络寿命的前提下，提高远基站区域节点占空比后的网络端到端延迟对比折线图；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进行一步的说明。

图1是本发明所提供的动态占空比调节(DDC)方法的流程示意图；即本发明方法在对远基站区域的节点采用较大的占空比，而对近基站区域的节点采用以往策略相同的占空比，从而达到在网络寿命不发生改变的情况下，缩短数据传输延迟和提高能量使用效率的目的。

参见图1，本发明所提供DDC方法至少包含如下步骤：

对于距离基站x米处的任意节点，节点所采用的占空比如下式所示。

其中ν＝(ι_s+ι_r)S_p+(2ι_s-ι_t)S_al+(ι_s-ι_r-ι_t)S_d；ε表示距离基站最近节点所采用的占空比；ι_r表示节点接收数据量的能量消耗功率且取值为0.0588W；ι_t表示节点发送数据时的能量消耗功率且取值为0.0511W；S_p表示前导数据持续时间且取值为0.26ms；S_al表示ACK窗口响应持续时间且取值为0.26ms；S_d表示数据包发送所需时间且取值为0.93ms。t表示一个占空比周期的时间长度。κ、ν仅是计算的结果，无物理意义。是距离基站为x米处的节点接收的数据量，其计算方法为：

γ是节点一跳向基站方向前进的距离的期望值。R是网络半径，表示距离基站最近节点距离为x₀米处节点接收的数据量；表示距离基站为x米处的节点发送的数据量。

由此计算出远基站各个区域的占空比，从而得出网络的最优占空比参数；

图2是在节点发送半径为80m，保证网络其它参数均相同的情况下，不同策略的网络端到端延迟对比折线图；由图中观察可以得出，相对于以往采用相同占空比的策略，本发明的策略能够减少端到端延迟约7.56％-23.16％。

图3是本发明优选实施例在保证网络寿命相同以及网络中其他参数均相同的情况下，采用不同策略时整个网络的平均端到端延迟对比图；由图中可以看出，本发明方法能够在保持相同网络寿命的情况下,减少整个网络平均端到端延迟达4.16％-9.79％。

图4是本发明优选实施例在保证网络其他参数均相同，不同策略下的能量消耗对比情况折线图；从图中可以看出，本发明策略在近基站区域的能量消耗与以往策略相同，而由于提高了远基站区域节点的占空比，从而本发明所提供方法在远基站区域的能量消耗高于以往策略。但是，从以往研究可以看到，在网络死亡时，远基站区域的节点仍有大量的能量剩余，因而本发明方法在远基站区域所使用能量的提高并不会对网络寿命造成影响，相反还可以在缩短网络延迟的基础上充分利用剩余能量，提高整个网络的能量使用效率。

图5是本发明优选实施例在保证网络中其它参数均相同且在网络死亡时，不同策略下网络中所剩余能量的条形对比统计图；从图中可以看出，使用本发明策略后，网络的能量利用率分别增加了18.99％、6.76％和19.28％。

图6为本发明优选实施例在保证网络延迟与以往策略相同的情况下，不同策略下的网络寿命对比图；如果本发明的方法的延迟与以往策略相同，就可以降低近基站区域节点的占空比，这样就能够提高网络寿命。从图中的实验结果可以看出，相对于以往的策略，本发明的策略能够网络寿命提高25％-50％。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络采用动态占空比减小数据传输延迟的方法，其特征在于对远基站区域的节点采用较大的占空比，而对近基站区域的节点采用以往策略相同的占空比。以往研究显示：当节点有数据发送时，需要等候到使数据传输距离向基站前进r₀的中继节点醒来时，才进行数据传输，如果没有满足要求的中继节点醒来，则继续等待，直到有满足前进距离大于r₀的中继节点醒来后进行数据传送。由于增大节点占空比能够减少延迟，从而本发明方法能够减少数据传输的延迟。

2.根据权利要求1所述的方法。对于距离基站x米处的任意节点，节点所采用的占空比如下式所示。

其中ν＝(ι_s+ι_r)S_p+(2ι_s-ι_t)S_al+(ι_s-ι_r-ι_t)S_d；ε表示距离基站最近节点所采用的占空比；ι_r表示节点接收数据量的能量消耗功率且取值为0.0588W；ι_t表示节点发送数据时的能量消耗功率且取值为0.0511W；S_p表示前导数据持续时间且取值为0.26ms；S_al表示ACK窗口响应持续时间且取值为0.26ms；S_d表示数据包发送所需时间且取值为0.93ms。t表示一个占空比周期的时间长度。κ、ν仅是计算的结果，无物理意义。是距离基站为x米处的节点接收的数据量，其计算方法为：

γ是节点一跳向基站方向前进的距离的期望值。R是网络半径，表示距离基站最近节点距离为x₀米处节点接收的数据量；表示距离基站为x米处的节点发送的数据量。

3.根据权利要求2所述的方法。图7给出了在不同初始占空比ε的情况下，在不降低网络寿命的前提下，可以增大远基站节点的占空比的情况。从图中可以看出，当距离基站最近节点的占空比ε＝0.1时，远基站节点的占空比可以设置为比较大的占空比，距离基站50米处的节点，其占空比可以设置为0.41044，是初始占空比的4倍多，而距离基站最远处的节点，其占空比为：0.49567。而当距离基站最近节点的占空比ε＝0.6时，距离基站50米处的节点，其占空比可以设置为0.74543，而距离基站最远处的节点，其占空比为：0.7844。

图8给出了节点不同占空比情况下数据发送的延迟情况。从图8可以看出，当节点的占空比增大时，数据发送的延迟显著下降。因而本发明的方法由于增大了远基站区域节点的占空比，因而使节点的数据发送延迟能够得到显著的下降。如图9所示，从图中可以看出，由于本发明方法提高了远基站区域节点的占空比，从而使得远基站区域节点的传送延迟减少，从而导致整个数据包发送的端到端延迟减少。说明了本发明方法的有效性。