CN112672395A - 一种满足区分服务期望延迟需求的混杂传感器节点部署策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种满足区分服务期望延迟需求的混杂传感器节点部署策略。对于给定的网络半径为R的无线传感器网络，网络中存在紧急与普通数据二类数据，给定的紧急数据的最大期望延迟要求dΘ，对于普通数据延迟是可容忍的。本发明提出了一种普通节点与小耳朵节点混杂部署策略以降低部署成本并满足延迟需求的策略。本专利首先依据R计算出紧急数据需要路由的跳数，再依据dΘ计算出每跳允许的最大期望延迟，然后得到满足延迟需求的最小部署小耳朵节点数量，并且采用区分服务路由的方法，使得能够在满足延迟需求的前提下减少部署成本。

Description

一种满足区分服务期望延迟需求的混杂传感器节点部署策略
技术领域
本发明属于传感器节点部署优化方面相关领域，特别涉及一种满足区分服务期望延迟需求的混杂传感器节点部署策略的方法。
背景技术
数据收集是物联网最重要的功能之一，并且它已经被广泛地研究。随着微处理器技术，5G和5G+技术的进步，人类获取数据的能力得到充分地提升。在由无人机组成的网络中，传感器节点能够按需地部署在危险的和人类不可进入的区域来实现目标监测。使用这种方式，感知设备的部署更快速和便捷。但是，在每个网络中，我们仍然面临着如何快速收集数据的问题。从MAC角度减少数据路由的延迟是一个更好的策略，并且目前在MAC上已经有相当多的研究。B-MAC协议是一种基本的MAC协议。基于这一协议，研究人员提出很多改进的协议。这些研究主要关注能量消耗和延迟之间的权衡。增大占空比来减少延迟是一个简单并且有效的方法。但这个方法缩短了节点的寿命，很难被采用。
区分服务策略能够有效地节省成本并且满足应用的需求。该方法被广泛地研究。Zhang等人提出数据路由中的数据完整性和延迟区分服务路由策略。使用这个策略避免了在混合方法中由于沿着一条单独的路径路由而导致这条路径能耗高的缺点。一些MAC协议提供优先级的区分服务机制。这类机制主要存在于接收者发起的协议中。有最高优先级的发送者有权先发送数据。这就实现了区分服务。但是，缺点是这需要
Figure BDA0002784042100000011
个Tx信标的时间来为每次数据传输选择优先级。这会导致延迟的增加。为了解决这一问题，Liu shu等人提出数据区分服务的一种基于动态等待计时器的MAC协议。每次预留的Tx信标的数量会根据上次实际的Tx信标数动态地调整。这能够有效地减少等待时间，因而有效地减少延迟。
所有之前的研究目标是通过设计协议和机制来减少延迟。实际上，提升硬件的设计来减少延迟是一种有效的方法。基于唤醒无线电的无线传感器网络属于这样一种方法。配置上唤醒无线电硬件的节点避免了普通节点的转发延迟，能够有效地减少延迟。并且唤醒无线电硬件工作的功率很小，小于主无线电工作功率的1000倍，能够在原有方法的基础上降低能量消耗，提升网络寿命。然而，硬件的加入会使得网络的部署成本提升。如何在满足应用的延迟需求的同时最小化网络的部署成本是目前需要解决的一个关键问题。
发明内容
本发明提供一种满足区分服务期望延迟需求的混杂传感器节点部署策略的方法，从而实现了在满足不同应用需求的同时，减少网络的部署成本，克服了在以往协议中网络延迟较大，能量消耗较多，部署成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种满足区分服务期望延迟需求的混杂传感器节点部署策略的方法。对于给定的网络半径为R的无线传感器网络，为满足监测的需求，其最小部署传感器节点数量为N0。网络中存在紧急与普通数据二类数据，给定的紧急数据的最大期望延迟要求dΘ，对于普通数据延迟无要求。
设节点采用的发送半径为r,则可以计算出网络中最远距离节点产生的数据到达基站所需的跳数为
Figure BDA0002784042100000021
由于紧急数据的最大允许延迟为dΘ，则单跳期望允许延迟为
Figure BDA0002784042100000022
为减少成本，设网络初始状态下部署的传感器节点全部为普通节点，其数量为N0。转发区域的面积为
Figure BDA0002784042100000023
则可以得到一个节点S的转发节点数量
Figure BDA0002784042100000024
发送紧急数据到小耳朵节点的可能性
Figure BDA0002784042100000025
可以得到这时的紧急数据的期望延迟
Figure BDA0002784042100000026
其中，δ表示小耳朵节点所占的比例。在初始情况下，δ＝0。dσ为等待普通节点醒来所需的时间，σ表示时隙数，dw为小耳朵节点被唤醒所需的时间，dc为发送者需要发送数据且接收者处于醒来状态时创建连接的时间。
如果
Figure BDA0002784042100000027
则此时就是最佳的部署方案，部署小耳朵节点的最佳比例δ0＝δ。
否则，如果
Figure BDA0002784042100000028
则说明紧急数据的延迟太大，需要增大小耳朵节点的部署数量。因而，我们将转发节点中的一个普通节点换成小耳朵节点。
这时，在该位置处小耳朵节点所占的比例
Figure BDA0002784042100000029
再计算紧急数据的期望延迟dl。如果满足
Figure BDA00027840421000000210
就停止；如果不满足，就再继续将其中一个普通节点替换为小耳朵节点，直到满足不等式
Figure BDA00027840421000000211
为不同类型的数据提供区分服务的方法如下：数据发送节点如果有紧急数据需要发送，则检查其转发节点，若有普通节点处于活跃状态，则选择普通节点转发数据；否则选择小耳朵节点进行数据转发。而对于普通数据，只选择普通节点进行数据路由。
有益效果
本发明提出了为减少网络部署成本的延迟区分服务路由策略的方法。在网络中全为普通节点的策略下，节点采用均匀部署的方式。当节点密度和网络半径确定后，节点数量是固定的。在本发明中，不同位置处的节点密度是不同的。节点密度与传输半径有关，通过调节传输半径可以减少节点的数量。进而使得部署成本也有所降低。在网络中全为小耳朵节点的策略下，由于网络中部署节点的数量还受到小耳朵唤醒半径的限制，因而所需数量不少于全为普通节点的策略。并且小耳朵硬件的配置需要额外的成本，因而部署成本也更多。本发明将其中一部分节点替换为普通节点使得节点数量和部署成本有所减少。通过调节小耳朵节点所占比例能够使得节点传输数据的延迟满足应用的延迟要求。
本发明能够满足应用的延迟需求，并且能够减少网络中部署节点的数量和网络的部署成本。理论分析结果显示本发明能够在其它性能被保障的前提下，和全为普通节点的策略相比减少节点数量达94.97％-97.69％，减少部署成本达97.44％-97.67％；和全为小耳朵节点的策略相比减少节点数量达97.48％-98.84％，减少部署成本达98.85％-98.95％。本发明通过区分服务的方法调节两类节点承担的数据量来减少节点的能量消耗，进而提升了网络寿命，网络寿命提升率达39.45％。
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为DDSR策略得到网络最佳部署方案的流程图。
图2为DDSR策略中节点转发区域的示意图。
图3为DDSR策略和全为普通节点策略下节点数量的比值。
图4为DDSR策略和全为小耳朵节点策略下节点数量的比值。
图5为DDSR策略和全为普通节点策略下部署成本的比值。
图6为在DDSR策略和全为小耳朵节点策略下部署成本的比值。
图7为采用区分服务路由方法前后网络寿命的对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本发明中传感器节点分为两种类型，包括配置了唤醒无线电硬件的小耳朵节点和没有配置唤醒无线电硬件的普通节点。普通节点采用占空比的工作模式，不能在睡眠状态下接收或发送数据。由于唤醒无线电硬件的存在，小耳朵节点不采用占空比机制。唤醒无线电硬件的功率非常低，并且会一直处于工作状态。接收者的主无线电会被唤醒无线电硬件唤醒。主无线电被唤醒后，将进行数据操作。当数据操作结束时，主无线电转为睡眠状态。
在没有小耳朵节点的无线传感器网络中，转发延迟相当大，特别是在节点密度小的网络中，该现象更为明显。那么，在转发节点数少，占空比小的网络中，转发延迟占据了总延迟的主要部分。为了减少数据路由的延迟，为节点配置上唤醒无线电硬件是一种更好的方法。在基于唤醒无线电的无线传感器网络中，节点在没有数据传输时保持睡眠状态。当有数据传输时会被唤醒无线电硬件唤醒。因而，在数据传输产生的延迟之外的延迟为唤醒主无线电的延迟。这部分延迟远小于一个时隙，而转发延迟往往为多个时隙的时间。因此，唤醒主无线电的延迟远小于转发延迟。为节点配置上唤醒无线电硬件能够极大地减少数据路由的延迟。但是，和普通节点相比，小耳朵节点配置上了额外的唤醒无线电硬件。这就使得网络的部署成本有所增加。
在本实施例中，本发明所述方法简称为延迟区分服务路由协议(delaydifferentiatedservices routing,DDSR)，简称DDSR协议。
本发明提供一种满足区分服务期望延迟需求的混杂传感器节点部署策略的方法，从而实现了在满足不同应用需求的同时，减少网络的部署成本，克服了在以往协议中网络延迟较大，部署成本较高的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种满足区分服务期望延迟需求的混杂传感器节点部署策略的方法，参见图1，至少包括以下步骤：
首先得到在混合部署策略下传输紧急数据的期望延迟，计算方式如下所示。
对于给定的网络半径为R的无线感器网络，为满足监测的需求，其最小部署传感器节点数量为N0。网络中存在紧急与普通数据二类数据，给定的紧急数据的最大期望延迟要求dΘ，对于普通数据延迟无要求。设节点采用的发送半径为r,则可以计算出网络中最远距离节点产生的数据到达基站所需的跳数为
Figure BDA0002784042100000041
由于紧急数据的最大允许延迟为dΘ，则单跳期望允许延迟为
Figure BDA0002784042100000042
为减少成本，设网络初始状态下部署的传感器节点全部为普通节点，其数量为N0。转发区域的面积为
Figure BDA0002784042100000043
则可以得到一个节点S的转发节点数量
Figure BDA0002784042100000044
发送紧急数据到小耳朵节点的可能性
Figure BDA0002784042100000045
Figure BDA0002784042100000046
可以得到这时的紧急数据的期望延迟
Figure BDA0002784042100000047
其中，δ表示小耳朵节点所占的比例。在初始情况下，δ＝0。dσ为等待普通节点醒来所需的时间，σ表示时隙数，dw为小耳朵节点被唤醒所需的时间，dc为发送者需要发送数据且接收者处于醒来状态时创建连接的时间。
如果
Figure BDA0002784042100000048
则此时就是最佳的部署方案，部署小耳朵节点的最佳比例δ0＝δ。
否则，如果
Figure BDA0002784042100000049
则说明紧急数据的延迟太大，需要增大小耳朵节点的部署数量。因而，我们将转发节点中的一个普通节点换成小耳朵节点。
这时，在该位置处小耳朵节点所占的比例
Figure BDA0002784042100000051
再计算紧急数据的期望延迟dl。如果满足
Figure BDA0002784042100000052
就停止；如果不满足，就再继续将其中一个普通节点替换为小耳朵节点，直到满足不等式
Figure BDA0002784042100000053
下面我们将对本发明的策略和全为普通节点以及全为小耳朵节点策略的性能进行对比。
对于全部部署普通传感器节点的策略，其所需部署的普通传感器节点数量为Na；若全部部署带有唤醒无线电的小耳朵节点，其数量为Nb。对于网络中的节点全为普通节点时网络的节点密度为ρa,全为小耳朵节点时网络的节点密度为ρb,可得Na＝ρaπR2，Nb＝ρbπR2。
在本专利中的部署方案下，部署节点的数量
Figure BDA0002784042100000054
其中，距离基站xm远处的节点密度
Figure BDA0002784042100000055
该位置处转发区域的面积
Figure BDA0002784042100000056
Figure BDA0002784042100000057
转发区域的示意图如图2所示，阴影部分表示发送节点的转发区域。每个普通节点的成本为cn,每个小耳朵节点的成本为cw。网络部署总成本
Figure BDA0002784042100000058
Figure BDA0002784042100000059
在图3-7中，参数的取值情况如下，N0＝5000,R＝2000,dc＝0.0001,dw＝0.00015,ρa＝0.001，ρb＝0.002。
图3给出了DDSR策略和全为普通节点的策略相比，网络部署节点数量的减少率。随着传输半径的增加，比值逐渐减少。传输半径的增加会使得转发节点数量显著地增加。虽然转发区域的面积也会增加，但传输半径的变化对其影响较小。因而，导致DDSR策略下节点密度的增加。从而使得节点数量增加，减少率降低。从图中可以看出，和全为普通节点的策略相比，DDSR策略能够有效地减少网络部署节点数量，且传输半径越小，效果越明显。
图4给出了在DDSR策略和全为小耳朵节点的策略相比，网络部署节点数量的减少率。从图中可以看出，和全为小耳朵节点的策略相比，DDSR策略能够有效地减少网络部署的节点数量。并且在相同的条件下，减少率要高于和全为普通节点的策略相比的情况。这是由于此时小耳朵节点的唤醒半径小于传输半径，为了确保通信的顺利进行，网络的节点密度较大，节点数量较多。因而采用DDSR策略后节点数量减少较明显。
图5给出了传输半径为50m时，DDSR策略和全为普通节点的策略相比，网络部署成本的减少率。应用的延迟要求越高，减少率越小。原因是为了满足较高的延迟要求，DDSR策略会增加小耳朵节点所占的比例。而小耳朵节点的成本高于普通节点，这样就会使得部署成本增加。从而导致减少量较少，减少率较低。
图6给出了传输半径为50m时，DDSR策略和全为小耳朵节点的策略相比，网络部署成本的减少率。时隙数的减少能够导致减少率的增加。这是因为时隙数的减少意味着普通节点占空比的增加，传输延迟的减少。这样，在DDSR策略中为较少的节点配置上唤醒无线电硬件就可以确保延迟要求。因而减少了这部分额外的硬件开销，从而导致部署成本的减少，两个策略对比下的减少率更高。
从图5和图6都可以看出，和全为普通节点以及全为小耳朵节点的策略相比，DDSR策略能够有效地减少部署成本，而且时隙数越小，应用对紧急数据的延迟要求越低，效果越明显。
为不同类型的数据提供区分服务的方法如下：数据发送节点如果有紧急数据需要发送，则检查其转发节点，若有普通节点处于活跃状态，则选择普通节点转发数据；否则选择小耳朵节点进行数据转发。而对于普通数据，只选择普通节点进行数据路由。如果此时没有普通节点处于醒来的状态，则等待有普通节点醒来后再进行数据的转发。使用此方法中，小耳朵节点承担的数据量
Figure BDA0002784042100000061
普通节点承担的数据量
Figure BDA0002784042100000062
其中，距离sink x m处的每个节点均摊情况下的数据量
Figure BDA0002784042100000063
λ表示数据产生率，
Figure BDA0002784042100000064
表示一个数据包包含的数据量，u表示紧急数据所占的比例。
普通节点在一个周期内的能量消耗
Figure BDA0002784042100000065
小耳朵节点在一个周期内的能量消耗
Figure BDA0002784042100000066
其中，α为数据包接收速率，β为数据包发送速率，Ψ为节点接收数据的功率，Ω为发送数据的功率，X为普通节点处于空闲状态的功率，eear为小耳朵硬件处于工作状态的功率，t为一个周期持续的时间。
图7给出了紧急数据所占比例为0.8，小耳朵节点所占比例为0.6，时隙数为20，每个节点的初始能量为0.5J，一个周期持续的时间为0.1s，发送数据包的功率为617.1mW，接收数据包的功率为303.6mW，普通节点处于空闲状态的功率为230mW，小耳朵硬件工作的功率为0.005mW，一个数据包包含的数据量为40bit,数据接收速率为30Mbps，数据发送速率为37Mbps时，采用区分服务方法前后网络寿命的变化图。从图中可以看出，采用区分服务方法后网络寿命有了明显的提升。而且数据产生率越大，效果越明显。这是由于在采用区分服务方法前，数据产生率越大，节点需要承担的总的数据量越多，小耳朵节点和普通节点承担的平均数据量的差值更大，网络寿命会受到影响。采用区分服务方法后，会使得小耳朵节点和普通节点承担的平均数据量都有所减少，进而减少能量消耗，提升网络寿命。

Claims (3)

1.本发明公开了一种满足区分服务期望延迟需求的混杂传感器节点部署策略。其特征在于，对于给定的网络半径为R的无线传感器网络，为满足监测的需求，其最小部署传感器节点数量为N0。网络中存在紧急与普通数据二类数据，给定的紧急数据的最大期望延迟要求dΘ，对于普通数据延迟无要求。本专利的二个重要特征要于：一是采用混杂的节点部署方案，即在网络中同时部署普通传感器节点与小耳朵节点，从而既能够满足数据收集的延迟需求又能够减少部署成本；二是采用区分服务路由的方法以均匀分担路由的数据量以减轻小耳朵节点的负载，避免小耳朵节点承担的数据量过大而影响寿命。
2.根据权利要求1所述的采用混杂的节点部署方案，其特征在于：设节点采用的发送半径为r,则可以计算出网络中最远距离节点产生的数据到达基站所需的跳数为
Figure FDA0002784042090000011
由于紧急数据的最大允许延迟为dΘ，则单跳期望允许延迟为
Figure FDA0002784042090000012
为减少成本，设网络初始状态下部署的传感器节点全部为普通节点，其数量为N0。距离基站xm远处节点的转发区域的面积为
Figure FDA0002784042090000013
则可以得到一个节点S的转发节点数量
Figure FDA0002784042090000014
发送紧急数据到小耳朵节点的可能性
Figure FDA0002784042090000015
可以得到这时的紧急数据的期望延迟
Figure FDA0002784042090000016
其中，δ表示小耳朵节点所占的比例。在初始情况下，δ＝0。dσ为等待普通节点醒来所需的时间，σ表示时隙数，dw为小耳朵节点被唤醒所需的时间，dc为发送者需要发送数据且接收者处于醒来状态时创建连接的时间。
如果
Figure FDA0002784042090000017
则此时就是最佳的部署方案，所需部署的小耳朵节点的最佳比例δ0＝δ。
否则，如果
Figure FDA0002784042090000018
则说明紧急数据的延迟太大，需要增大小耳朵节点的部署数量。因而，我们将转发节点中的一个普通节点换成小耳朵节点。
这时，小耳朵节点所占比例
Figure FDA0002784042090000019
再计算紧急数据的期望延迟dl。如果满足
Figure FDA00027840420900000110
就停止；如果不满足，就再继续将其中一个普通节点替换为小耳朵节点，直到满足不等式
Figure FDA00027840420900000111
3.根据权利要求1所述的采用区分服务路由的方法，其特征在于：数据发送节点如果有紧急数据需要发送，则检查其转发节点，若有普通节点处于活跃状态，则选择普通节点转发数据；否则选择小耳朵节点进行数据转发。而对于普通数据，只选择普通节点进行数据路由。
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