[发明专利]一种无线传感网络中延时约束下的能耗控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线自组织网络与传感器网络领域，尤其涉及一种无线传感网络中延时约束下的能耗控制方法。

背景技术

无线传感网络（Wireless SensorNetwork，简称WSN）的传感器节点一般由传感器、处理器、存储器、供电装置、天线和驱动装置构成。由于传感器节点存储空间有限且通常部署在难以接近的环境，且需要天线模块频繁的把采集数据传输到网络基站并以使用电池为主要的能量来源，所以，在无线传感网络中，能耗问题是其核心问题。随着微电子技术和晶体技术的进步，传感器节点上处理器模块和传感器模块的能耗变得很低，能耗主要用于天线通信模块，因此，降低天线通信模块的能耗是延长传感器网络寿命的重点。

从表1可以看出近几年已结束运行的无线传感网络系统的最长网络寿命是6个月，因此如何降低网络通信的能耗成为务须解决的问题。

表1无线传感网络典型应用系统的网络寿命

在无线传感网络中，通过实验发现节点能耗的多少与天线模块开启时间长短有关。以常用传感器节点TelosB的CC2420天线模块为例，表2列出了CC2420在不同模式下的能耗。由表2可以看出，当天线处于接收和发送状态时能耗很大，而处于空闲状态和关闭状态情况下，其能耗是相当少的。所以，在无线传感网络中如何控制传感器节点天线开启的时间是低能耗协议涉及的一个热门研究话题。

表2CC2420天线能耗指标

在实际部署中有相当多的无线传感网络位于无人看管地区，且使用能量有限的电池来提供能量。因此，为了能维持系统的正常运作，大多网络采用“占空比”机制（Duty Cycle，占空比=唤醒时间/整个工作周期）来节省能耗。比如在LPL（Low Power Listening，低功率侦听）机制下，节点周期性的睡眠和唤醒，并使节点多数时间处于睡眠状态来节省能量。在LPL机制下，数据包的成功传输需要发送节点和接收节点同时处于唤醒状态，为了能够可靠地实现传输，发送节点在数据包发送之前必须发送一个比接收节点的睡眠时间稍长的“帧头”（Preamble）。使用帧头可减少接收节点的“空闲等待时间”（Idle Listening），并把部分能耗转移到发送节点。但是，“帧头”带来了较多的网络延时。考虑到网络对传输时间的限制，原始LPL机制并不能满足网络对端到端传输延时的要求，低能耗LPL无线传感网络中节点能耗和延时之间的均衡问题有待优化处理。

发明内容

本发明的目的在于提出一种既能满足网络对延时要求，又能降低网络的整体能耗的无线传感网络中延时约束下的能耗控制方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种无线传感网络中延时约束下的能耗控制方法，包括：

当无线传感网络中有数据包要从源节点传输到基站时，源节点产生正常数据包用以传输数据包，产生先驱者数据包用以选择传输路径上的节点；

根据所选择的传输路径上的节点到基站的距离来确定传输路径上的节点的延时约束；

根据传输路径上的节点的延时约束计算传输路径上的节点的最佳睡眠时间，将该最佳睡眠时间应用到占空比自适应调节机制（Duty Cycle Gearing，DC-Gear）中，得到新的占空比进行数据包的传输；

当所有数据包都传输到基站后，将传输路径上所有节点的工作周期恢复成初始状态。

其中，传输路径上所有节点的工作周期分为两部分：睡眠时间和唤醒时间，节点的占空比为唤醒时间/工作周期。

其中，根据所选择的传输路径上的节点到基站的距离来确定传输路径上各节点的延时约束具体为：令ξ表示网络对节点的延时需要，h表示从源节点到基站的距离，ETX表示代替用“跳”表示的距离，在网络延时约束下分配到每一跳的最大延时时间为：