CN114666880B - 一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法。周期性休眠唤醒机制会引发很大的端到端延迟，这对延迟敏感无线传感网络来说是致命的。本发明提出了一种根据剩余能量系数提高远基站区域节点占空比和传输半径的方法。远基站区域节点综合考虑自身剩余能量和端到端延迟后得到一个剩余能量系数ε。ε会将节点的剩余能量划分为两部分，一部分用于提高占空比，另一部分用于扩大传输半径。实验结果表明此时得到的占空比和传输半径的值是使得端到端延迟最优的值。对于节点剩余能量的充分利用，提高了网络的能量利用率。近基站节点保持初始的占空比和传输半径不变，保证了网络寿命。

Description

一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，特别涉及一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法。

背景技术

无线传感网络中的传感器节点一般使用电池供电，且通常部署在条件恶劣或人类很难进入的环境中，因此替换节点或补充节点能量的操作是难以实现的，一旦电池能量用尽，节点就会失效。大量研究显示处于工作状态下节点的能耗是处于休眠状态下节点能耗的100甚至1000倍。周期性休眠唤醒机制是目前无线传感网络中最节能的方式之一，其策略是网络中每个节点独立安排自己周期性的休眠和唤醒，节点只在需要通信时处于工作状态，而在其余时间均处于休眠，从而极大地减少了能量消耗。通常将节点在一个周期内处于工作状态的时间长度与整个周期时间长度的比值称为占空比。

无线传感网络为所有基于传感器的系统和应用提供高效的数据感知和采集功能，其主要任务是对紧急事件的检测，尤其是在一些特殊应用场景下，如森林火灾监测、火山爆发预测等。这些应用对网络延迟有着较高的要求，如果不能及时的将异常事件发送给基站，就会造成严重的人身财产安全损失。由于节点并不是时时刻刻都处于工作状态，因此发送节点不得不等待传输范围内的下一跳节点醒来，这会带来较长的睡眠延迟。无线传感网络节点之间通过多跳路由的方式将数据传输到基站，在每一跳上会累积睡眠延迟，最终会导致端到端延迟十分严重，这对上述如森林火灾监测等延迟敏感无线传感网络来说是致命的。

在以往对延迟敏感无线传感网络的研究中主要存在下述两点不足：(1)大多数研究都是针对每一跳中继节点的睡眠延迟进行优化的，这些策略在端到端延迟上往往并不是最优甚至有时效果并不理想。(2)很少有研究能够保持高的网络寿命的同时大幅度的减少端到端延迟。其困难在于：从减少网络延迟的角度出发，就需要使节点更多地处于工作状态，即提高节点占空比，但这又会增加节点的能量消耗，降低网络寿命。反之,要提高网络寿命就要减少节点的占空比,从而增大了延迟。这种矛盾在以往的研究中都没有得到较好的解决。

综上所述，本文拟研究一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法，在保证网络寿命的前提下，减少端到端延迟，提高网络性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法，在保证网络寿命的同时最小化端到端延迟。

将无线传感网络中距离基站为1跳的节点所在的区域称为近基站区域，距离基站为1跳以上的节点所在的区域称为远基站区域。无线传感网络节点之间通过多跳路由方式将所有数据传送给基站节点，这种“多对一”数据传输模式导致近基站区域需要承担更大的通信负载，容易过早耗尽自身的能量而死亡。研究表明，当网络死亡时，远基站区域还剩余高达80％的能量。在本发明中，远基站区域节点综合考虑自身剩余能量和端到端延迟，得到一个使得端到端延迟最优的剩余能量系数ε。ε会将节点的剩余能量划分为两部分，一部分用于提高占空比，另一部分用于扩大传输半径。较大的传输半径不仅可以降低一跳延迟，还可以减少数据包到达基站所需的跳数，从而更有效地降低端到端延迟。近基站区域节点保持初始占空比和传输半径不变，因此本发明并不会增加近基站区域节点的能量消耗，不会损害网络寿命。

确定节点的剩余能量系数ε的具体方法如下：

步骤1：设节点的初始占空比为λ，初始传输半径为r，初始情况下剩余能量系数ε_x＝0；

步骤2：计算节点的端到端延迟：

距离基站x米处的远基站区域节点的端到端延迟Ψ_tot的计算方法为：

其中σ为网络中的节点密度，S_x为节点的转发区域的面积，其计算方法为：

步骤3：计算节点的剩余能量：

距离基站x米处的远基站区域节点的剩余能量/>的计算方法为：

其中分别为距离基站为x米处的节点发送与接收的数据量，k是使得x+kr<R的正整数，r为节点的传输半径，R为网络半径，p为包接受率，/> 分别为距离基站为x_near米处节点发送与接收的数据量， x_near是指距离基站最近节点到基站的距离；为节点发送一个数据包的能量消耗，/>为节点接收一个数据包的能量消耗，/>为节点空闲等待状态的能量消耗；

步骤4：依据剩余能量和剩余能量系数提高节点的占空比：

距离基站x米处的远基站区域节点的占空比/>通过以下公式计算得到：

其中P_t为节点发送数据的功率，P_r为节点接收数据的功率，P_w为节点空闲等待的功率，T为一个周期的时间长度，z为节点发送和接收数据所需的周期个数；

步骤5：依据剩余能量和剩余能量系数提高节点的传输半径：

通过提高远基站区域节点的发射功率来调整其传输半径，距离基站x米处的远基站区域节点的发射功率通过以下公式计算得到：

其中为一个传感器节点所能达到的最大发射功率，/> t_b为节点发送一个信标帧的时间长度；t_d为节点发送一个数据包的时间长度；t_a为节点处于活跃状态的时间长度，t_s为节点处于睡眠状态的时间长度，t_a＝3t_b+t_d，t_s＝T-t_a；根据可调整的发射功率和给定的包接受率可以求出节点新的传输半径，如下式所示：

其中d₀为基准距离，PL(d₀)为基准距离下的损耗值，n表示路径损耗指数；

步骤6：按照所述步骤2的方法重新计算节点的端到端延迟Ψ_x；

如果Ψ_x<Ψ_tot，则Ψ_tot＝Ψ_x，ε＝ε_x；

如果Ψ_x≧Ψ_tot，不做任何处理；

步骤7：ε_x＝ε_x+Δε，Δε为一个很小的步长值，重复所述步骤3-步骤6，直至ε_x>1；

步骤8：得到使得端到端延迟近似最优的剩余能量系数ε；

有益效果

本发明公开了一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法来同时满足网络寿命和延迟最小这两大重要网络性能指标。本发明中节点综合考虑自身剩余能量和端到端延迟，根据在远基站区域设置剩余能量系数ε来提高远基站区域节点的占空比和传输半径，结果表明此时得到的占空比和传输半径的值是使得端到端延迟近似最优的值。对于节点剩余能量的充分利用，提高了网络的能量利用率。而对于近基站节点，保持初始的占空比和传输半径不变，由于网络寿命取决于网络中能量消耗最大节点的寿命，因而不会影响网络寿命。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为不同区域中节点的能量消耗；

图3为不同区域中节点能量剩余情况；

图4为当初始占空比λ为0.2时不同ε值下的端到端延迟；

图5为当初始占空比λ为0.2时采用本发明方法和传统方法的网络各处的端到端延迟；

图6为不同初始占空比下采用本发明方法的网络各处的端到端延迟；

图7为不同初始占空比下采用本发明方法和传统方法的网络能量利用率。

具体实施方式

下面将结合附图和实例，对本发明做进一步的说明。

在本实例中，N(N＝800)个传感器节点均匀的分布在以R(R＝300米)为半径的平面圆形区域内，基站节点位于网络的中心。节点的初始发射功率为-17dBm，接收功率和空闲等待功率为-20dBm。

本发明涉及一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法，通过调整远基站区域节点的占空比和传输半径来降低网络延迟。远基站区域的节点综合考虑自身剩余能量和端到端延迟，得到一个使得端到端延迟最优的剩余能量系数ε。ε会将节点的剩余能量划分为两部分，一部分用于提高占空比，所需剩余能量为/>另一部分用于扩大传输半径，所需剩余能量为/>对于近基站区域的节点保持初始的占空比和传输半径不变，从而保证网络寿命。

参见图1，本发明方法至少包含如下步骤：

确定节点的剩余能量系数ε的具体方法如下：

步骤1：设节点的初始占空比为λ，初始传输半径为r，初始情况下剩余能量系数ε_x＝0；

步骤2：计算节点的端到端延迟：

距离基站x米处的远基站区域节点的端到端延迟Ψ_tot的计算方法为：

其中σ为网络中的节点密度，S_x为节点的转发区域的面积，其计算方法为：

步骤3：计算节点的剩余能量：

距离基站x米处的远基站区域节点的剩余能量/>的计算方法为：

其中分别为距离基站为x米处的节点发送与接收的数据量，k是使得x+kr<R的正整数，r为节点的传输半径，R为网络半径，p为包接受率，/> 分别为距离基站为x_near米处节点发送与接收的数据量， x_near是指距离基站最近节点到基站的距离；为节点发送一个数据包的能量消耗，/>为节点接收一个数据包的能量消耗，/>为节点空闲等待状态的能量消耗；

步骤4：依据剩余能量和剩余能量系数提高节点的占空比：

距离基站x米处的远基站区域节点的占空比/>通过以下公式计算得到：

其中P_t为节点发送数据的功率，P_r为节点接收数据的功率，P_w为节点空闲等待的功率，T为一个周期的时间长度，z为节点发送和接收数据所需的周期个数；

步骤5：依据剩余能量和剩余能量系数提高节点的传输半径：

通过提高远基站区域节点的发射功率来调整其传输半径，距离基站x米处的远基站区域节点的发射功率通过以下公式计算得到：

其中为一个传感器节点所能达到的最大发射功率，/> t_b为节点发送一个信标帧的时间长度；t_d为节点发送一个数据包的时间长度；t_a为节点处于活跃状态的时间长度，t_s为节点处于睡眠状态的时间长度，t_a＝3t_b+t_d，t_s＝T-t_a；根据可调整的发射功率和给定的包接受率可以求出节点新的传输半径，如下式所示：

其中d₀为基准距离，PL(d₀)为基准距离下的损耗值，n表示路径损耗指数；

步骤6：按照所述步骤2的方法重新计算节点的端到端延迟Ψ_x；

如果Ψ_x<Ψ_tot，则Ψ_tot＝Ψ_x，ε＝ε_x；

如果Ψ_x≧Ψ_tot，不做任何处理；

步骤7：ε_x＝ε_x+Δε，Δε为一个很小的步长值，重复所述步骤3-步骤6，直至ε_x>1；

步骤8：得到使得端到端延迟近似最优的剩余能量系数ε；

图1给出了不同区域中节点的能量消耗情况。很明显能量消耗与初始占空比λ密切相关，网络中近基站区域的能量消耗是远基站区域能量消耗的4倍左右，尤其是当节点初始占空比较高时，近基站区域的节点能量消耗非常严重，而远基站区域节点剩余大量的能量，参见图2。

图3给出了当初始占空比λ为0.2时不同ε值下的端到端延迟。当ε＝0时，意味着剩余能量全部用于提高占空比；当ε＝1时，意味着剩余能量全部用于扩大传输半径。当ε从0～1遍历时，从图中可以看出必然会得到一个最佳的ε，这时的端到端延迟最小。

图4给出了当初始占空比λ为0.2时采用本发明方法和传统方法的网络各处的端到端延迟。由图中观察可以得出，相比于传统方法，本发明方法能够减少端到端延迟约7.07％—75.68％，离基站越远的区域，剩余能量越大，采用本发明方法的端到端延迟优化效果越明显。

图5给出了不同初始占空比下采用本发明方法的网络各处的端到端延迟。当网络初始占空比越大，网络各处的端到端延迟就越低。

图6给出了采用本发明方法和传统方法的网络能量利用率。能量利用率是指网络死亡时,网络剩余的能量与网络初始总能量的比值。本发明方法的能量利用率为27％—72％左右，传统方法的能量利用率为16％—56％左右，可见本发明方法显著的提高了网络能量利用率。

Claims (1)

1.一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法，其特征在于：将无线传感网络中距离基站为1跳的节点所在的区域称为近基站区域，将距离基站为1跳以上的节点所在的区域称为远基站区域；对于剩余能量充裕的远基站区域的节点，设置剩余能量系数ε，ε会将远基站区域节点的剩余能量/>划分为两部分，一部分用于提高占空比，所需剩余能量为/>另一部分用于扩大传输半径，所需剩余能量为/>对于能量消耗紧张的近基站区域节点保持初始的占空比和传输半径不变；

确定节点的剩余能量系数ε的具体方法如下：

步骤1：设节点的初始占空比为λ，初始传输半径为r，初始情况下剩余能量系数ε_x＝0；

步骤2：计算节点的端到端延迟：

距离基站x米处的远基站区域节点的端到端延迟Ψ_tot的计算方法为：

其中σ为网络中的节点密度，S_x为节点的转发区域的面积，其计算方法为：

步骤3：计算节点的剩余能量：

距离基站x米处的远基站区域节点的剩余能量/>的计算方法为：

其中分别为距离基站为x米处的节点发送与接收的数据量，k是使得x+kr<R的正整数，r为节点的传输半径，R为网络半径，p为包接受率，/> 分别为距离基站为x_near米处节点发送与接收的数据量， x_near是指距离基站最近节点到基站的距离；为节点发送一个数据包的能量消耗，/>为节点接收一个数据包的能量消耗，/>为节点空闲等待状态的能量消耗；

步骤4：依据剩余能量和剩余能量系数提高节点的占空比：

距离基站x米处的远基站区域节点的占空比/>通过以下公式计算得到：

其中P_t为节点发送数据的功率，P_r为节点接收数据的功率，P_w为节点空闲等待的功率，T为一个周期的时间长度，z为节点发送和接收数据所需的周期个数；

步骤5：依据剩余能量和剩余能量系数提高节点的传输半径：

通过提高远基站区域节点的发射功率来调整其传输半径，距离基站x米处的远基站区域节点的发射功率通过以下公式计算得到：

其中为一个传感器节点所能达到的最大发射功率，/> t_b为节点发送一个信标帧的时间长度；t_d为节点发送一个数据包的时间长度；t_a为节点处于活跃状态的时间长度，t_s为节点处于睡眠状态的时间长度，t_a＝3t_b+t_d，t_s＝T-t_a；根据可调整的发射功率和给定的包接受率可以求出节点新的传输半径，如下式所示：

其中d₀为基准距离，PL(d₀)为基准距离下的损耗值，n表示路径损耗指数；

步骤6：按照所述步骤2的方法重新计算节点的端到端延迟Ψ_x；

如果Ψ_x<Ψ_tot，则Ψ_tot＝Ψ_x，ε＝ε_x；

如果Ψ_x≧Ψ_tot，不做任何处理；

步骤7：ε_x＝ε_x+Δε，Δε为一个很小的步长值，重复所述步骤3-步骤6，直至ε_x>1；

步骤8：得到使得节点端到端延迟近似最优的剩余能量系数ε。