CN108093488A - 基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法，其特点是：包括基于能量优先度迭代的时隙竞争机制、基于显终端节点集合的数据发送机制和基于节点发射功率的跨层信息交互模式。具有科学合理，适用性强，效率高，信道利用率高，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期等优点。

Description

基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化 方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法。
背景技术
能耗优化技术是无线传感器网络的核心技术之一，对传感器网络的性能有较大影响，为了使无线传感器网络节能高效，许多跨层优化方法被提出。跨层优化方法通过网络协议栈模型中不同层之间的信息交互，在满足各层性能要求的基础上，对网络整体进行优化，从而达到全局性能最优的目的。由于跨层优化方法不再是单一的考虑某个层的性能，而是考虑在多个层之间进行统筹优化，因而研究跨层优化方法是延长节点生命周期的有效途径。
目前跨层优化方法重点在于数据链路层的介质访问控制(Media AccessControl，MAC) 与网络层功率路由之间的统筹优化。MAC协议主要负责时隙的划分以及发生冲突时的退避等工作，其主要有两种工作方式：基于预留方式—时分多址(Time DivisionMultiple Access, TDMA)技术和基于竞争方式—载波侦听多路访问(Carrier SenseMultiple Access,CSMA)技术。功率路由协议主要负责数据传输路径的规划以及发射功率的控制，其功率控制技术主要分为：统一的功率控制技术以及非均匀的功率控制技术。现阶段的跨层优化方法根据网络层路由结构以及功率的划分，对网络中节点的信道进行规划，并通过节点在发送数据时发生的碰撞情况，重新评价信道质量，最终将MAC对信道质量的要求反馈回网络层，进而优化路由结构和发射功率。虽然跨层优化方法能够有效地优化网络的整体性能，但是它依然存在以下问题：
(1)由于功率路由协议对网络中的节点进行分簇，并对簇内节点的功率进行调整，处于不同簇内的成员节点之间无信息交互，因而网络存在严重的显终端问题，甚至在网络组网的初期，由于显终端问题导致数据重发，部分节点甚至因此浪费大量能量，造成局部区域内的节点过早死亡；
(2)网络中的节点成簇以后，若簇内使用TDMA机制，由各自的簇头对簇内成员节点时隙进行划分，节点存储时隙表占用了有限的存储空间，过长的准备时间浪费了大量的能量，在网络后期，簇内节点较少的情况下，TDMA机制效率较差；若簇内使用CSMA机制，由节点自行竞争时隙，在网络初期簇内节点较多的情况下，发生空闲侦听和数据包碰撞的现象严重；
(3)网络层和数据链路层信息交互的实时性关系到网络调整的结果，由于路由的簇结构是逐轮调整的，而传统的跨层优化方法使用信道质量作为跨层信息交互参数，节点评价信道质量需在信息发送结束以后，因此实时性较差，跨层优化的效果受到限制。
发明内容
本发明的目的是，针对由于节点功率不对称导致的显终端问题、簇内节点时隙分配机制效率较低的问题、跨层信息交互实时性较差的问题，提出一种科学合理，适用性强，效率高，信道利用率高，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期的基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法。
本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层协议优化方法，其特征是，它包括的内容有：基于能量优先度迭代的时隙竞争机制、基于显终端节点集合的数据发送机制和基于节点发射功率的跨层信息交互模式。
进一步，所述基于能量优先度迭代的时隙竞争机制是指节点根据自身剩余能量、发送功率、准备发送的数据量，计算自身优先度，并将计算结果小范围广播，同时将计算结果与收到的其他节点的优先度进行比较，按照优先度的顺序依次接入信道，优先度公式为：
其中，Emax为节点的最大储能；Eres为节点当前剩余能量；l为节点准备发送的数据量，收发电路处理1bit数据所消耗的能量为Eelec；向单位面积发送1bit数据时自由传输模型下发射放大电路所消耗的能量为εfs；d为该节点距离目的节点之间的距离；Tsend为数据发送次数，其初始值为1，每重发一次其值加1，d可由在临界条件下的Friis模型求得：
其中，Pt为节点的发送功率；Gt和Gr为天线发送和接收增益；λ为波长；L为损耗因子，通常情况下L≥1；Rt为天线接收信号功率的最小门限；
簇内节点根据公式(1)和公式(2)计算自身优先度，并按照优先度顺序依次接入信道，增强信道利用率以及时隙分配的效率。
进一步，所述基于显终端节点集合的数据发送机制是指节点在初始广播阶段统计自身邻居节点，创建邻居节点集合SNN，节点加入簇以后，统计簇成员节点，创建簇成员集合SCM，在数据发送以前，节点创建显终端节点集合SET，该集合满足：
SET∈(SNN-SNN∩SCM) (3)
基于显终端节点集合的数据发送机制存在三种情况：
情况1：节点在即将发送数据以前，如果侦听到了来自SET的信号，则向簇头发送带请求延迟发送标记位的RTS信息，等信道空闲后再发送自身数据，以避免因显终端导致的重发；
情况2：节点在发送数据时，如果侦听到来自SET的信号，则向簇头发送带暂时中断标记位的数据帧，等信道空闲后再发送剩余数据，以避免发送结束后，发送节点因显终端问题而导致无法接收簇头的ACK信息；
情况3：节点发送成功以后，簇头反馈ACK信息，该节点进入休眠；其他节点侦听到ACK信息后，继续按照公式(1)和公式(2)竞争信道，重复该过程，降低网络受到显终端问题的影响；
进一步，对于所述基于节点发射功率的跨层信息交互模式是指节点根据网络路由结构调整自身发送功率后，在Z-Stack协议中的TX-Power地址下找到发送功率的数值，并根据公式 (1)和公式(2)进行时隙的竞争，从而达到网络层与数据链路层的信息实时交互。
本发明的基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法，在时隙分配阶段：提出了一种基于能量优先度迭代的时隙竞争机制，节点根据自身剩余能量、发送功率、准备发送的数据量等参数，计算自身优先度，将计算结果广播并与收到的其他节点的优先度进行比较，按照优先度的顺序依次接入信道；在数据发送阶段：提出了基于显终端节点集合的数据发送机制，节点在初始广播阶段统计自身邻居节点，创建邻居节点集合，节点加入簇以后，统计簇成员节点，创建簇成员集合，并在数据发送以前，节点创建显终端节点集合，若节点侦听到了来自显终端节点集合内节点的信号，则向簇头发送带请求延迟发送标记位的 RTS信息，等信道空闲后再发送自身数据；若节点在发送数据时，如果侦听到来自显终端节点集合内节点的信号，则向簇头发送带暂时中断标记位的数据帧，等信道空闲后再发送剩余数据；若节点发送成功，则簇头反馈ACK信息，该节点进入休眠；在跨层信息交互模式中：提出一种基于节点发射功率的跨层信息交互模式，节点在Z-Stack协议中的TX-Power地址下找到发送功率的数值，以功率作为跨层信息交互参数。具有科学合理，适用性强，实时性强，信道利用率高，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期等优点。
附图说明
图1为基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法流程图；
图2表示带请求延迟发送标记位的RTS信息帧结构示意图；
图3表示带暂时中断标记位的数据帧结构示意图；
图4表示跨层信息交互模式示意图。
具体实施方式
下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明的基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法，它包括的内容有：基于能量优先度迭代的时隙竞争机制、基于显终端节点集合的数据发送机制和基于节点发射功率的跨层信息交互模式。
对于所述基于能量优先度迭代的时隙竞争机制是指节点根据自身剩余能量、发送功率、准备发送的数据量，计算自身优先度，并将计算结果小范围广播，同时将计算结果与收到的其他节点的优先度进行比较，按照优先度的顺序依次接入信道，优先度公式为：
其中，Emax为节点的最大储能；Eres为节点当前剩余能量；l为节点准备发送的数据量，收发电路处理1bit数据所消耗的能量为Eelec；向单位面积发送1bit数据时自由传输模型下发射放大电路所消耗的能量为εfs；d为该节点距离目的节点之间的距离；Tsend为数据发送次数，其初始值为1，每重发一次其值加1。d可由在临界条件下的Friis模型求得：
其中，Pt为节点的发送功率；Gt和Gr为天线发送和接收增益；λ为波长；L为损耗因子，通常情况下L≥1；Rt为天线接收信号功率的最小门限。
簇内节点根据公式(1)和公式(2)计算自身优先度，并按照优先度顺序依次接入信道，增强信道利用率以及时隙分配的效率。
对于所述基于显终端节点集合的数据发送机制是指节点在初始广播阶段统计自身邻居节点，创建邻居节点集合SNN，节点加入簇以后，统计簇成员节点，创建簇成员集合SCM，在数据发送以前，节点创建显终端节点集合SET，该集合满足：
SET∈(SNN-SNN∩SCM) (3)
基于显终端节点集合的数据发送机制存在三种情况：
情况1：节点在即将发送数据以前，如果侦听到了来自SET的信号，则向簇头发送带请求延迟发送标记位的RTS信息，等信道空闲后再发送自身数据，以避免因显终端导致的重发；
情况2：节点在发送数据时，如果侦听到来自SET的信号，则向簇头发送带暂时中断标记位的数据帧，等信道空闲后再发送剩余数据，以避免发送结束后，发送节点因显终端问题而导致无法接收簇头的ACK信息；
情况3：节点发送成功以后，簇头反馈ACK信息，该节点进入休眠；其他节点侦听到ACK信息后，继续按照公式(1)和公式(2)竞争信道，重复该过程，降低网络受到显终端问题的影响；
对于所述基于节点发射功率的跨层信息交互模式是指节点根据网络路由结构调整自身发送功率后，在Z-Stack协议中的TX-Power地址下找到发送功率的数值，并根据公式(1)和公式(2)进行时隙的竞争，从而达到网络层与数据链路层的信息实时交互。
参照图1给出了基于能量优先度迭代的时隙竞争机制，节点根据自身剩余能量、发送功率、准备发送的数据量，计算自身优先度，并将计算结果小范围广播，同时将计算结果与收到的其他节点的优先度进行比较，按照优先度的顺序依次接入信道，优先度公式为：
其中，Emax为节点的最大储能；Eres为节点当前剩余能量；l为节点准备发送的数据量，收发电路处理1bit数据所消耗的能量为Eelec；向单位面积发送1bit数据时自由传输模型下发射放大电路所消耗的能量为εfs；d为该节点距离目的节点之间的距离；Tsend为数据发送次数，其初始值为1，每重发一次其值加1。d可由在临界条件下的Friis模型求得：
其中，Pt为节点的发送功率；Gt和Gr为天线发送和接收增益；λ为波长；L为损耗因子，通常情况下L≥1；Rt为天线接收信号功率的最小门限。
对于所述基于显终端节点集合的数据发送机制是指节点在初始广播阶段统计自身邻居节点，开始后，在初始广播阶段，进行邻节点发现，每个节点发送自身的单跳邻节点信息给相邻节点，并创建邻居节点集合SNN；节点之间根据剩余能量等信息选举簇头，簇头根据自身到基站的距离等因素，构建各自的簇，并广播簇头当选信息，普通节点根据收到的当选信息，择优选择簇加入，并统计簇成员节点，创建簇成员集合SCM；在数据发送以前，节点创建显终端节点集合SET，该集合满足：
SET∈(SNN-SNN∩SCM) (3)
簇内节点根据公式(1)和公式(2)计算自身优先度，并按照优先度顺序依次接入信道，增强信道利用率以及时隙分配的效率。
对于所述基于显终端节点集合的数据发送机制是指节点在数据传输阶段，根据自身创建的显终端节点集合SET，对照下述三种情况分别进行处理。
情况1：节点在即将发送数据以前，如果侦听到了来自SET的信号，则向簇头发送带请求延迟发送标记位的RTS信息，其信息帧格式如图2所示，等信道空闲后再发送自身数据，以避免因显终端导致的重发；
情况2：节点在发送数据时，如果侦听到来自SET的信号，则向簇头发送带暂时中断标记位的数据帧，其数据帧格式如图3所示，等信道空闲后再发送剩余数据，以避免发送结束后，发送节点因显终端问题而导致无法接收簇头的ACK信息；
情况3：节点发送成功以后，簇头反馈ACK信息，该节点进入休眠；其他节点侦听到ACK信息后，继续按照公式(1)和公式(2)竞争信道，重复该过程，降低网络受到显终端问题的影响；
图4为跨层信息交互模式示意图，节点根据网络路由结构调整自身发送功率后，在Z-Stack 协议中的TX-Power地址下找到发送功率的数值，并根据公式(1)和公式(2)进行时隙的竞争，从而达到网络层与数据链路层的信息实时交互，进一步优化网络参数；
本发明的软件程序依据自动化、网络和计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。

Claims (4)

1.一种基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法，其特征是：它包括基于能量优先度迭代的时隙竞争机制、基于显终端节点集合的数据发送机制和基于节点发射功率的跨层信息交互模式。
2.根据权利要求1所述的基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法，其特征是：所述基于能量优先度迭代的时隙竞争机制是指节点根据自身剩余能量、发送功率、准备发送的数据量，计算自身优先度，并将计算结果小范围广播，同时将计算结果与收到的其他节点的优先度进行比较，按照优先度的顺序依次接入信道，优先度公式为：
<mrow> <mi>p</mi> <mi>r</mi> <mi>i</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>l</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mi>e</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mi>l</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>max</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Emax为节点的最大储能；Eres为节点当前剩余能量；l为节点准备发送的数据量，收发电路处理1bit数据所消耗的能量为Eelec；向单位面积发送1bit数据时自由传输模型下发射放大电路所消耗的能量为εfs；d为该节点距离目的节点之间的距离；Tsend为数据发送次数，其初始值为1，每重发一次其值加1，d可由在临界条件下的Friis模型求得：
<mrow> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>G</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>G</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>L</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>t</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Pt为节点的发送功率；Gt和Gr为天线发送和接收增益；λ为波长；L为损耗因子，通常情况下L≥1；Rt为天线接收信号功率的最小门限；
簇内节点根据公式(1)和公式(2)计算自身优先度，并按照优先度顺序依次接入信道，增强信道利用率以及时隙分配的效率。
3.根据权利要求1所述的基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法，其特征是：所述基于显终端节点集合的数据发送机制是指节点在初始广播阶段统计自身邻居节点，创建邻居节点集合SNN，节点加入簇以后，统计簇成员节点，创建簇成员集合SCM，在数据发送以前，节点创建显终端节点集合，该集合满足：
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基于显终端节点集合的数据发送机制存在三种情况：
情况1：节点在即将发送数据以前，如果侦听到了来自SET的信号，则向簇头发送带请求延迟发送标记位的RTS信息，等信道空闲后再发送自身数据，以避免因显终端导致的重发；
情况2：节点在发送数据时，如果侦听到来自SET的信号，则向簇头发送带暂时中断标记位的数据帧，等信道空闲后再发送剩余数据，以避免发送结束后，发送节点因显终端问题而导致无法接收簇头的ACK信息；
情况3：节点发送成功以后，簇头反馈ACK信息，该节点进入休眠；其他节点侦听到ACK信息后，继续按照公式(1)和公式(2)竞争信道，重复该过程，降低网络受到显终端问题的影响。
4.根据权利要求1所述的基于能量优先度迭代的无线传感器网络显终端回避跨层优化方法，其特征是：所述基于节点发射功率的跨层信息交互模式是指节点根据网络路由结构调整自身发送功率后，在Z-Stack协议中的TX-Power地址下找到发送功率的数值，并根据公式(1)和公式(2)进行时隙的竞争，从而达到网络层与数据链路层的信息实时交互。
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