CN110933713B - 一种工业无线传感器网络的通信实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业无线传感器网络的通信实现方法，该方法包括：各设备节点在无数据发送时，不监听信道；若有数据发送，需将数据划分为等长的多个短数据包，送入待发送队列，并开始监听信道，获取当前的干扰功率Z(t)；从待发送队列取出一数据包，并获取当前的干扰功率Z(t+1)；计算预期可能引入的干扰功率Z_N(t+1)；计算应当采用的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)，使得发送数据包总功率E(t+1)最小；以发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)发送数据包。本发明通过构建新的功率和速率控制策略，降低了设备功耗，能够满足低延迟和完全分散的信道多路访问需求。

Description

一种工业无线传感器网络的通信实现方法

技术领域

本发明涉及工业无线传感器网络通信领域，尤其涉及一种工业无线传感器网络的多路访问控制方法。

背景技术

未来的工业无线传感器网络将由大量低成本设备组成，这些设备与接入点或相邻设备采用无线方式进行动态通信，以较小的数据包来传输对延迟敏感的数据。

在设备密集的场景中，因无线传感器设备的流量在时间上表现为稀疏地间歇性传送，若无线信道上采用传统的避免干扰的策略(如基于时隙和基于CSMA的策略)，进行多路访问控制将出现高时延和时延抖动问题，该问题会对需要及时交付，但数据量少且间歇性传送的应用程序造成严重影响。

若采用容忍干扰的策略，各个设备在发送前，需要通过大量计算来确定发送功率和发送速率，来减少干扰造成的影响，但设备受体积和环境等因素的影响，其携带的电量十分有限，设备在利用信道进行传输前，需要进行大量运算，会使得设备难以长时间的维持工作。

可见，现有技术中存在无线传感器设备在进行多路访问控制时难以同时兼顾降低功耗和减少时延及时延抖动的问题。

上述问题是本领域技术人员期望克服的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提出了一种高效的工业无线传感器网络的多路访问控制方法。该方法使用一种新的功率和速率控制策略，在无线传感器设备在进行多路访问控制时，解决难以同时兼顾降低功耗和减少时延及时延抖动的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明一实施例提供一种工业无线传感器网络的通信实现方法，包括以下步骤：

步骤1，各设备节点在无数据发送时，不监听信道；

步骤2，各设备节点若有数据发送，需将数据划分为等长的多个短的数据包，送入待发送队列，同时开始监听信道，获取当前的干扰功率Z(t)；

步骤3，从待发送队列取出一个待发送数据包，同时获取当前的干扰功率Z(t+1)；

步骤4，计算发送数据包时，预期可能引入的干扰功率Z_N(t+1)；

步骤5，计算发送数据包时，应当采用的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)，使得发送数据包总功率E(t+1)最小；

步骤6，按照步骤5中计算出的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)来发送数据包；

步骤7，若待发送队列中还有待发送的数据包，转至步骤3，若待发送队列中没有待发送的数据包，退出。

本发明的一个实施例中，所述步骤4中的Z_N(t+1)，其计算公式如下：

Z_N(t+1)＝Z_S(t+1)+γ×Z_D(t+1)

Z_S(t+1)＝(1-α)×Z_S(t)+α×Z(t+1)

Z_D(t+1)＝(1-β)×Z_D(t)+β×|Z_S(t+1)-Z(t+1)|

其中，Z_S(t+1)是新的加权平均干扰功率，Z_S(t)是上一次加权平均干扰功率，若发送的数据包是第一个，Z_S(t)取值为初次监听信道的干扰功率Z(t)。Z_D(t+1)是新的加权平均干扰功率的偏差，Z_D(t)是上一次加权平均干扰功率的偏差，α，β和γ是调整因子，0≤α，β<1，0≤γ。

本发明的一个实施例中，所述步骤5中的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)，其计算公式如下：

其中，E(t+1)为发送数据包使用的总功率，Y为数据包的长度，W为信道带宽，N_o为高斯白噪声的功率谱密度，P_max为设备发送数据时允许的最大功率，T_max为允许的发送时延最大值，R_max为允许的最大发送速率，该公式需要采用协同优化算法进行计算，获取在功率，发送时延，发送速率受限的情况下，采用某个发送功率P(t+1)时，发送该数据包需要花费的功耗E(t+1)最小。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的工业无线传感器网络的通信实现方法，提出了一种高效的多路访问控制方法，构建新的功率和速率控制策略，降低了设备功耗，能够满足低延迟和完全分散的信道多路访问需求。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种工业无线传感器网络的通信实现方法的流程图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为本发明一实施例提供的一种工业无线传感器网络的通信实现方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

如图1所示，在步骤S110中，各设备节点在无数据发送时，不监听信道；

如图1所示，在步骤S120中，各设备节点若有数据发送，需将数据划分为等长的多个短的数据包，送入待发送队列，同时开始监听信道，获取当前的干扰功率Z(t)；

如图1所示，在步骤S130中，从待发送队列取出一个待发送数据包，同时获取当前的干扰功率Z(t+1)；

如图1所示，在步骤S140中，计算发送数据包时，预期可能引入的干扰功率Z_N(t+1)；

如图1所示，在步骤S150中，计算发送数据包时，应当采用的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)，使得发送数据包总功率E(t+1)最小；

如图1所示，在步骤S160中，按照步骤S150中计算出的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)来发送数据包；

如图1所示，在步骤S170中，判断待发送队列中是否还有待发送的数据包，若还有待发送的数据包，转至步骤S130，若没有待发送的数据包，转至结束。

在图1所示本发明实施例所提供的技术方案中，通过提出一种高效的多路访问控制方法，构建新的功率和速率控制策略，降低了设备功耗，能够满足低延迟和完全分散的信道多路访问需求。

以下对图1所示实施例的各个步骤的具体实现进行详细阐述：

在步骤S110中，各设备节点在无数据发送时，不监听信道。

本发明的一个实施例中，该步骤中各设备节点在无数据发送时，不监听信道，通过此方式减少因不必要的监听而引起的设备能量消耗。

在步骤S120中，各设备节点若有数据发送，需将数据划分为等长的多个短的数据包，送入待发送队列，同时开始监听信道，获取当前的干扰功率Z(t)。

本发明的一个实施例中，该步骤中将数据划分为等长的多个短的数据包，还包括：

在设备密集的场景中，因存在严重干扰问题，若发送的数据包较长，传输过程中产生差错的概率会变大，一旦产生差错，重传会引起额外的信道开销、时延和时延抖动，通过将数据划分为等长的多个短的数据包，可有效避免此类问题；

将数据划分为等长的多个短的数据包，存在划分后的最后一个数据包与其它划分后的数据包长度不一致问题，为使划分的数据包采取一致的方式进行发送，需要对划分后的最后一个数据包进行填充，保持与其它划分的数据包长度一致。

在步骤S130中，从待发送队列取出一个待发送数据包，同时获取当前的干扰功率Z(t+1)。

本发明的一个实施例中，该步骤中再次获取当前的干扰功率Z(t+1)，其目的是为其后步骤S140中预期可能引入的干扰功率Z_N(t+1)准备计算样本。

在步骤S140中，计算发送数据包时，预期可能引入的干扰功率Z_N(t+1)。

本发明的一个实施例中，该步骤中Z_N(t+1)计算公式如下：

Z_N(t+1)＝Z_S(t+1)+γ×Z_D(t+1)

Z_S(t+1)＝(1-α)×Z_S(t)+α×Z(t+1)

Z_D(t+1)＝(1-β)×Z_D(t)+β×|Z_S(t+1)-Z(t+1)|

其中，Z_S(t+1)是新的加权平均干扰功率，Z_S(t)是上一次加权平均干扰功率，若发送的数据包是第一个，Z_S(t)取值为初次监听信道的干扰功率Z(t)。Z_D(t+1)是新的加权平均干扰功率的偏差，Z_D(t)是上一次加权平均干扰功率的偏差，α，β和γ是调整因子，0≤α，β<1，0≤γ。

本发明的一个实施例中，该步骤中Z_N(t+1)通过加权平均干扰功率Z_S(t+1)和加权平均干扰功率的偏差Z_D(t+1)在调整因子(α，β和γ)的作用下计算得出，既考虑到当前信道干扰情况，又考虑到历史信道干扰情况，通过适当调高预期可能引入的干扰功率Z_N(t+1)，使Z_N(t+1)更加平滑，避免剧烈抖动，根据香农公式，Z_N(t+1)的提高会降低信道的最大信道传输速率，为避免其带来负面影响，可适当提高发送功率，以避免传输中产生差错，引起重传，带来额外的信道开销、时延和时延抖动。

本发明的一个实施例中，该步骤中调整因子(α，β和γ)在一应用场景中取典型值α＝0.115，β＝0.22和γ＝4。

在步骤S150中，计算发送数据包时，应当采用的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)，使得发送数据包总功率E(t+1)最小。

本发明的一个实施例中，该步骤中发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)的计算公式如下：

其中，E(t+1)为发送数据包使用的总功率，Y为数据包的长度，W为信道带宽，N_o为高斯白噪声的功率谱密度，P_max为设备发送数据时允许的最大功率，T_max为允许的发送时延最大值，R_max为允许的最大发送速率。

本发明的一个实施例中，该步骤中发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)的计算，还包括：

上述公式需要采用协同优化算法进行计算，获取在功率，发送时延，发送速率受限的情况下，采用某个发送功率P(t+1)时，发送该数据包需要花费的功耗E(t+1)最小值，通过梯度下降的方法，在约束条件控制下能很快找到功耗E(t+1)最小值时使用的发送功率P(t+1)。

在步骤S160中，按照步骤S150中计算出的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)来发送数据包。

本发明的一个实施例中，该步骤中发送数据包之前，还需在数据包前插入前导码，因每个数据包的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)均有可能不同，为利于数据包接收，需将时钟信号和定界信号利用前导码插入其中。

在步骤S170中，判断待发送队列中是否还有待发送的数据包，若还有待发送的数据包，转至步骤S130，若没有待发送的数据包，转至结束。

本发明的一个实施例中，该步骤中转至步骤S130，实现对后续划分的数据包的发送，直至划分后的数据包依次发送完毕。

综上所述，本发明实施例提供的方法，对信道的多路访问提出一种高效的控制方法，构建新的功率和速率控制策略，降低了设备功耗，满足工业无线传感器网络低延迟和完全分散的信道多路访问需求。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (1)

1.一种用于工业无线传感器网络的通信实现方法，其特征在于，包括：

各设备节点在无数据发送时，不监听信道；

各设备节点若有数据发送，需将数据划分为等长的多个短的数据包，送入待发送队列，同时开始监听信道，获取当前的干扰功率Z(t)；

从待发送队列取出一个待发送数据包，同时获取当前的干扰功率Z(t+1)；

计算发送数据包时，预期可能引入的干扰功率Z_N(t+1)；

计算发送数据包时，应当采用的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)，使得发送数据包总功率E(t+1)最小；

按照发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)发送数据包；

按照上述规则，重新计算干扰功率Z_N(t+1)、发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)，依次将待发送队列中数据包发送完毕；

所述预期可能引入的干扰功率Z_N(t+1)，还包括：

根据下述公式计算预期可能引入的干扰功率Z_N(t+1)：

Z_N(t+1)＝Z_S(t+1)+γ×Z_D(t+1)

Z_S(t+1)＝(1-α)×Z_S(t)+α×Z(t+1)

Z_D(t+1)＝(1-β)×Z_D(t)+β×|Z_S(t+1)-Z(t+1)|

其中，Z_S(t+1)是新的加权平均干扰功率，Z_S(t)是上一次加权平均干扰功率，若发送的数据包是第一个，Z_S(t)取值为初次监听信道的干扰功率Z(t)，Z_D(t+1)是新的加权平均干扰功率的偏差，Z_D(t)是上一次加权平均干扰功率的偏差，α，β和γ是调整因子，0≤α，β<1，0≤γ；

所述使发送数据包总功率E(t+1)最小的发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)，还包括：

根据下述公式计算发送功率P(t+1)和发送速率R(t+1)：

其中，E(t+1)为发送数据包使用的总功率，Y为数据包的长度，W为信道带宽，N_o为高斯白噪声的功率谱密度，P_max为设备发送数据时允许的最大功率，T_max为允许的发送时延最大值，R_max为允许的最大发送速率，该公式需要采用协同优化算法进行计算，获取在功率，发送时延，发送速率受限的情况下，采用某个发送功率P(t+1)时，发送该数据包需要花费的功耗E(t+1)最小。

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