CN102892185B - 均衡无线网络能耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种均衡无线网络能耗的方法，本发明在网络节点的每个工作周期开始前，根据上一个周期的负载因子，动态调整节点的退避窗口值以及占空比，增大负载较大节点接入信道的概率及工作时间，从而均衡网络能耗，解决负载不均衡而导致的流量及能耗不均衡问题，延长整个网络的生命期。根据本发明提供的方法可动态调整无线网络中各节点能耗，均衡网络流量及能耗，改善了负载较大节点的性能，大大提高网络的使用寿命，同时该技术方法开销小，成本低，具有良好的实用性，能带来可观的经济效益。

Description

均衡无线网络能耗的方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种均衡无线网络能耗的方法。

背景技术

传感网技术在近年得到了长足的发展，尤其在物联网概念的提出及大规模研究之后。而在以物联网为典型代表的无线网络中，能耗是制约其发展的关键性因素。尤其在以电池供电的无线网络中，如实现地震预警，海洋生态监测等应用中，电池往往是不可更换的，因而使得能耗成为最关键的指标。如何使用有限的能量尽可能延长网络的生命期，涉及到网络各个节点之间的合作和节点本身的能耗局部最优化。因此，在保证数据的正常传输下，如何在实现全局网络能耗最小化，均衡网络中各个节点的能耗，从而延长网络寿命一直以来都是重要的研究方向。

同时，随着各行业对无线网络应用要求的不断提高，各节点之间负载的不均衡性也日益显著。特别在综合应用性质的无线传感器网络中，这种负载的不均衡导致了高负载的节点率先耗尽能量而使得整个网络瘫痪。因此，这些高负载的节点的生命期成了整个网络生命期的瓶颈，均衡整个网络的能耗，延长高负载节点的生命期是延长整个网络的生命期的关键。

经对现有文献检索发现，文献“Energy efficient routing in wireless sensor networks”（C.Schurgers,M.B.Srivastava.MILCOM'01,2001,357-361）（无线传感网中的高能效路由算法）提供了无线传感网中的最小化网络全局能耗，延长网络生命期的方法。该技术试图从网络全局的角度出发，将流量通过不同的路由策略分散到不同的节点上，避免整个网络中个别节点的负载过高而耗能太大，以之来均衡各节点能量消耗从而提高网络生命期。但是该技术从无线网络的网络层能量效率要求和流量均衡要求两方面考虑，仅考虑了路由层的分布式路由，试图从整个网络通过分布式的路由方式来均衡能量，缺乏从节点的底层协议及节点自身的角度考虑。由于该技术中的路由建立开销大且收敛慢，它不适合于电池供电的网络中。

文献“Energy efficient MAC for wireless sensor networks”（P.KOSKELA,M.VALTA,T.FRANTTI.Sensors&Transducers Journal,121(10):133-143,2010）（无线传感网中的高能效MAC算法）提供了一种适用于无线传感器网络中的高能效MAC算法。该技术通过更正节点的时间漂移及节点的采样率来调整节点的工作占空比从而通过占空比的调整来达到降低网络能耗和延长网络寿命的目的。但是该技术仅考虑了占空比的调整，没有考虑节点负载的不均衡性对占空比的影响，从而无法解决负载不均衡网络中高负载节点的能耗瓶颈问题。单次占空比的调整与网络全局的能耗均衡并无确定关系，因此该技术并不适用于负载不均衡网络中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种均衡无线网络能耗的方法。本发明根据节点当前负载动态调节节点的退避窗口长度以及占空比大小，实现了无线网络中以增加轻负载节点的空闲能耗为代价，降低重负载节点的退避能耗，从而均衡了整个网络的能耗，增大各类节点乃至于整个网络的生命期，具有技术复杂度低，效率极高，易实现等优点，特别适用于节点使用电池供电的无线网络业务。

本发明是通过以下技术方案实现的，根据本发明的一个方面，提供一种均衡无线网络能耗的方法，包括以下步骤：

第一步，在每一个睡眠-工作周期T的活跃期开始后，节点正常收发数据包，同时进行所收发数据包的处理；

第二步，该周期结束时，根据第一步的记录，计算节点此时的负载因子；

第三步，根据负载因子，计算节点最佳退避窗口长度和最佳占空比；

第四步，在节点下一个工作-睡眠周期开始前，修改节点占空比为第三步得到的最佳占空比，同时将占空比定时器的时间设置为T×D，节点开始工作；其中：T为节点睡眠-工作周期，D是第三步得到的最佳占空比值；

第五步，修改当前的最佳退避窗口长度为第三步得到的最佳退避窗口长度，并在工作周期内以最佳退避窗口长度参与信道竞争；

第六步，等待占空比定时器溢出，关闭节点收发机，同时重新启动占空比定时器并设定时间为T×(1-D)；

第七步：等待占空比定时器溢出，打开节点收发机并记录节点当前的占空比，清空第一步中记录数据包信息的数据库并返回第一步。

优选地，第一步中所述的数据包的处理是：在节点发送数据包后，记录发送的数据包的编号，并记录尚未发送的缓存中的数据包数目。

优选地，第二步中所述的负载因子是：

$f_p=\frac{N}{N+\mathrm{MT}},$

其中：N为上个睡眠-工作周期T内记录的数据包数目，M是当前时刻缓存内的数据包数目。

优选地，第三步中所述的最佳退避窗口长度是：2ⁿ，其中：n为整数。n由流量参数f_p决定如下：

其中：f_p是当前的负载因子，W_m为最大退避窗口长度（常量），表示下取整，max{a,b}表示取a与b的较大值。

优选地，第三步中所述的最佳占空比是：

D=(1.5-f_p)d，

其中：f_p是当前的负载因子，D是最佳占空比值，d为当前占空比。

优选地，第五步所述的参与信道竞争，包括以下步骤：

步骤1）节点首先退避w个时隙，然后检测信道是否空闲，其中：w∈[0,W-1]，W是当前周期的最佳退避窗口长度；

步骤2）若检测到信道空闲，则节点发送数据，本轮信道竞争结束；否则返回步骤1），并将W的值增加为原来的2倍，重新参与信道竞争。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：从单个节点自身出发，根据自身的负载大小动态调节自身参与网络竞争的力度。负载较重节点通过实时动态调整自身的退避窗口值，增大自身接入信道的概率并且减少竞争次数及时间，有效降低竞争开销。同时，各节点通过动态调节当前占空比为最佳占空比，从而一方面保证了节点有足够的时间发送数据包，另一方面也限制了节点的活跃时间，使得负载较重及较轻节点的能耗尽可能达到均衡，延长负载较重节点的生命期，从而保证了整个网络生命期的最大化。

附图说明：

图1是实施例的无线网络拓扑示意图。

图2是分别采用本实施例方法和现有技术中固定的退避窗口长度和占空比方法得到的重负载节点的节能比较示意图。

图3是分别采用本实施例方法和现有技术中固定的退避窗口长度和占空比方法得到的整个网络的平均节能比较示意图。

图4是分别采用本实施例方法和现有技术中固定的退避窗口长度和占空比方法得到的整个网络的生命期比较示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例的无线网络示意图如图1所示，该网络是由12个节点和1个中心节点组成的星型拓扑结构，其中所有边缘节点将数据汇集到中心节点，该中心节点的通信范围覆盖了其余所有节点。每个边缘节点均可与其余边缘节点竞争信道从而与中心节点进行通信。在该实施例中，节点1-2配置了较重负载，而节点3~12则具有相同的较轻负载。本实施例要通过动态调整节点1和节点2的负载大小来调整其退避窗口长度和占空比值，从而达到均衡网络能耗的目的。

本实施例包括以下步骤：

第一步，在每一个睡眠-工作周期T的活跃期开始后，节点正常收发数据包，同时进行所收发数据包的处理。

所述的数据包的处理是：在节点发送数据包后，记录发送的数据包的编号，并记录尚未发送的缓存中的数据包编号。

本实施例中该睡眠-工作周期长度为T=1s，该周期内记录数据包编号范围为：882~890；

尚未发送的缓存中的数据包数目为：891~892；

第二步，该周期结束时，根据第一步的记录，计算节点此时的负载因子。

所述的节点负载因子是：

$f_p=\frac{N}{N+\mathrm{MT}},$

其中：N为最近睡眠-工作周期T内记录的数据包数目，M是当前时刻缓存内的数据包数目。本实施例中，根据第一步中的参数N,M,T，得到负载因子f_p=0.8。

第三步，根据负载因子，计算节点最佳退避窗口长度和最佳占空比。

所述的最佳退避窗口长度是：W=2ⁿ，其中：n为整数。n由负载因子f_p决定如下：

其中：f_p是当前的负载因子，W_m为最大退避窗口长度（常量），表示下取整，max{a,b}表示取a与b的较大值。

本实施例中根据当前节点的负载因子0.8以及最大退避窗口长度64，得到最佳退避窗口长度为32。

所述的最佳占空比是：

D=(1.5-f_p)d，

其中：f_p是当前的负载因子，D是最佳占空比值，d为当前占空比。本实施例得到的最佳占空比值为0.25。

第四步，在节点下一个工作-睡眠周期开始前，修改节点占空比为第三步得到的最佳占空比0.25，同时将占空比定时器的时间设置为T×D=0.25s，节点开始工作。其中：T为节点睡眠-工作周期（本实施例为1s），D是第三步得到的最佳占空比值。

第五步，修改当前的最佳退避窗口长度为第三步得到的最佳退避窗口长度W=32，并在工作周期内以最佳退避窗口长度参与信道竞争。

所述的信道竞争，包括以下步骤：

步骤1）节点首先退避w个时隙，然后检测信道是否空闲，其中：w∈[0,31]，31=W-1是当前周期的最佳退避窗口长度减1；

步骤2）若检测到信道空闲，则节点发送数据，本轮信道竞争结束；否则返回步骤1），并将W的值增加为64，重新参与信道竞争。

第六步，等待占空比定时器溢出，关闭节点收发机，同时重新启动占空比定时器并设定时间为T×(1-D)=0.75s。

第七步，等待占空比定时器溢出，打开节点收发机并记录节点当前的占空比0.25，清空第一步中记录数据包信息的数据库并返回第一步。

图2比较了分别采用本实施例中的自适应调整退避窗口长度及占空比的方法和现有技术中固定的退避窗口长度和占空比方法时网络中重负载节点（节点1及节点2）的能耗。可以看出，当采用自适应调整退避窗口长度及占空比的方法时，节点1及节点2的平均能耗性能有了显著改善，特别在节点1及节点2的负载较重的情况。同时，由图2可以看出，无论节点1及节点2的负载如何，即使在节点1和节点2的负载较轻，或者与其余节点负载一致的情况下，采用根据本发明提供的方法也可有效改善节点1及节点2的能耗性能。换言之，该均衡网络节点能耗的方法也可用于负载均衡的网络中降低数据包的平均能耗，提高节点的能量利用率。

图3比较了分别采用本实施例中的自适应调整退避窗口长度及占空比的方法和现有技术中固定的退避窗口长度和占空比方法时网络中所有节点的平均能耗。由该图可知：根据本发明提供的方法比现有技术而言，当节点1及节点2的负载从小逐渐增大的时候，整个网络的能耗性均能得到极大改善。特别在节点1及节点2的负载较轻或者与其余节点一致的时候，能耗改善非常显著，进一步说明了根据本发明提供的方法可用于负载均衡的网络中，而且可极大降低数据包的平均能耗，性能十分优越。

图4比较了分别采用本实施例中的自适应调整退避窗口长度及占空比的方法和现有技术中固定的退避窗口长度和占空比方法时的网络生命期。由该图可知：采用根据本发明提供的方法使得该无线网络的生命期得到了大幅改善，特别在节点1及节点2的负载较重时。因此，根据本发明提供的方法在所有网络中，特别是负载不均衡网络中，可降低数据包的平均能耗，延长无线网络的生命期，具有优越的均衡网络能耗的性能。

Claims (6)

1.一种均衡无线网络能耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在每一个睡眠-工作周期T的活跃期开始后，节点收发数据包，同时进行所收发数据包的处理；

第二步，该周期结束时，根据第一步的记录，计算节点此时的负载因子；

第三步，根据负载因子，计算节点最佳退避窗口长度和最佳占空比；

第四步，在节点下一个工作-睡眠周期开始前，修改节点占空比为第三步得到的最佳占空比，同时将占空比定时器的时间设置为T×D，节点开始工作；其中：T为节点睡眠-工作周期，D是第三步得到的最佳占空比值；

第五步，修改当前的最佳退避窗口长度为第三步得到的最佳退避窗口长度，并在工作周期内以最佳退避窗口长度参与信道竞争；

第六步，等待占空比定时器溢出，关闭节点收发机，同时重新启动占空比定时器并设定时间为T×(1-D)；

第七步：等待占空比定时器溢出，打开节点收发机并记录节点当前的占空比，并返回第一步。

2.根据权利要求1所述的均衡无线网络能耗的方法，其特征是，第一步中所述的数据包的处理是：在节点发送数据包后，记录发送的数据包的编号，并记录尚未发送的缓存中的数据包数目。

3.根据权利要求1所述的均衡无线网络能耗的方法，其特征是，第二步中所述的负载因子是：

$f_p=\frac{N}{N+\mathrm{MT}},$

其中：N为上个睡眠-工作周期T内记录的数据包数目，M是当前时刻缓存内的数据包数目。

4.根据权利要求1所述的均衡无线网络能耗的方法，其特征是，第三步中所述的最佳退避窗口长度是：2ⁿ，其中：n为整数；n由流量参数f_p决定如下：

其中：f_p是当前的负载因子，W_m为最大退避窗口长度(常量)，表示下取整，max{a,b}表示取a与b的较大值。

5.根据权利要求1所述的均衡无线网络能耗的方法，其特征是，第三步中所述的最佳占空比是：

D＝(1.5-f_p)d，

其中：f_p是当前的负载因子，D是最佳占空比值，d为当前占空比。

6.根据权利要求1所述的均衡无线网络能耗的方法，其特征是，第五步所述的信道竞争，包括以下步骤：

步骤1)节点首先退避w个时隙，然后检测信道是否空闲，其中：w∈[0,W-1]，W是当前周期的最佳退避窗口长度；

步骤2)若检测到信道空闲，则节点发送数据，本轮信道竞争结束；否则返回步骤1)，并将W的值增加为原来的2倍，重新参与信道竞争。