[发明专利]一种无线传感网络占空比自适应调整方法

说明书

技术领域

本申请涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种无线传感网络占空比自适应调整方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成。传感器节点大多以电池供电，电池容量较小且更换困难，导致能量成为限制网络生存时间的瓶颈。所以在WSNs的MAC层协议设计中，能量是其考虑的重点，此外还需考虑的重要因素有延迟时间、数据速率和可靠性等。

为了提高节点能效，WSNs中的通信协议IEEE802.15.4引入了占空比的概念，并将其定义为信标间隔周期中活跃期长度(Superframe Duration，SD)与当前整个信标间隔周期长度(Beacon Interval,BI)的比值，如公式(1)所示：

DC=SDBI---(1)]]>

SD＝SD₀×2^SO symbols   (2)

BI＝SD₀×2^BO symbols   (3)

其中，BI是信标间隔，SD是超帧持续时间，SO(Superframe order)和BO(Beacon order)分别是超帧指数和信标指数，占空比(Duty Cycle,DC)可由SO与BO的差值决定。

占空比使节点周期分为侦听和睡眠两种状态，在提高节点能效的同时也增大了端到端时延，因此调整占空比可以权衡节点的功率消耗和端到端时延性能，满足不同应用的需求。

基于流量的占空比自适应调整方法提出，由簇头节点根据普通节点上报的流量情况采用线性方式调整普通节点的占空比。当节点流量变大时，增大节点的占空比以延长活跃期时间，进行数据通信；当节点流量变小时，减小节点的占空比以延长休眠时间，减少不必要的空闲侦听。这种增大或者减小占空比是以线性的方式进行的，比如，当前节点流量较大而节点的占空比较小时，在下一个周期占空比增大10％，或者SO增加1(相当于BO减小1，与占空比增大50％等效)，若在接下来的几个周期内占空比不足以应对较大流量的情况仍没有得到改善，占空比会依次线性增大10％。

现有技术中的占空比自适应调整方法具有以下缺点：

首先，簇头节点根据普通节点上报的节点流量情况采用线性方式调整周期和占空比。这种线性调整占空比的方式，在线性调整幅度较小时不能应对流量快速变化的情况，而线性调整幅度较大时又不够精确，无法最佳匹配当时的流量情形。

其次，普通节点需要周期性的上报自身流量情况；簇头节点根据上报的流量对普通节点的占空比进行自适应调整；然后簇头节点将调整信息广播给普通节点。而根据对目前主流的低功耗RF芯片各工作状态功率消耗的测定结果来看，节点发送和接收状态的功率消耗是空闲状态的数十倍，因此减少普通节点收发数据的频率比单纯减少空闲侦听更加有效。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种无线传感网络占空比自适应调整方法，其特征在于，

通过网络分簇算法将网络中各局部的节点分簇，使得整个网络形成由一个或者一个以上簇组成的树形拓扑，所述网络中的各簇是一个周边局域网络(PAN)；

其中，所述方法按照周期性方式进行，所述各簇的周期长度固定；

每个PAN子网由一个作为簇头节点的网络协调器负责管理，各簇之间的数据流量由各簇的簇头节点负责传递；

各簇内其他传感器节点为普通节点，所述普通节点采用基于强化学习的预测方法，预测下一周期实现节点自身性能最佳的占空比；

所述簇头节点还用于收集对应簇内普通节点采集的数据并上传网络，同时维持网内节点同步。

在本申请一具体实施例中，所述普通节点的一个周期分为预测、同步、数据和睡眠四个阶段，其中所述预测和同步阶段的时间长度固定，所述数据和睡眠阶段的长度可调整。

在本申请一具体实施例中，所述普通节点根据所述基于强化学习的预测方法预测得到的最佳占空比决定各个数据阶段的时间长度。