[发明专利]一种基于有限队列长度排队模型的多跳无线唤醒方法

权利要求书

1.一种基于有限队列长度排队模型的多跳无线唤醒方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据节点类型建立三种不同的基于有限队列长度的树型网络节点丢包率预测模型；具体包括：

使用考虑数据包到达速率服从泊松分布的马尔可夫链M/G/1/2队列模型，将其扩展到树型网络中，并使用C_T次短暂的CCA空闲信道检测对信道状态进行评估，当检测到信道繁忙时能快速进行退避；考虑到终端节点和中继节点收发数据的不同之处，得到采用单个数据包传输和动态CCA优化的PST机制的终端节点丢包率模型A：

采用多个数据包连续传输和动态CCA优化的PCT机制的终端节点丢包率模型：

其中N是节点数量，M是重传次数，α_c是当前节点的丢包率，α_b是上一跳节点的丢包率，T_CCA是执行一次CCA所需要的时间，T_wuc是发送唤醒请求所需要的时间，S_MCU＝T_on+T_h+T_l+T_SIFS+T_ack是微控制器MCU成功发送数据并接收到ACK所需要的延迟，λ_c是当前节点的数据包到达率，E[Γ_c]是忙碌时期时当前节点队列中平均数据包数量，是上一跳节点执行M+1次退避后数据被丢掉的概率，cg_sum是当前节点执行PST所需要的平均CCA次数，E[Γ_b]是下一跳节点队列中平均数据包数量，是下一跳节点执行M+1次退避后数据被丢掉的概率，bg_sum是下一跳节点执行动态CCA优化机制所需要的平均CCA次数，T_h是发送数据包头部所需要的时间，T_l是发送数据包有效负载所需要的时间；

E[Γ_c]计算为其中a_0c是数据包在当前节点队列中平均停留时间，因为节点在接收数据的过程中也会自身产生数据，所以采用PST机制的计算为：

采用PCT机制的计算为：

其中G_k计算为：

E[D_HoLc]是节点执行CCA和退避所需要的平均时间，表示为：

终端节点只执行数据上传，所以不需要考虑上一跳节点的影响，而中继节点不仅需要考虑到上一跳和同级节点的影响，也需要考虑下一跳节点的影响，所以中继节点的丢包率模型B表示为：

其中，α_d是下一跳节点的丢包率，dg_sum是上一跳节点执行动态CCA优化机制PST所需要的平均CCA次数，E[Γ_d]是上一跳节点队列中平均数据包数量，而采用多个数据包连续传输和动态CCA优化的PCT机制的终端节点丢包率模型B表示为：

PST机制中a_0c计算为：

PCT机制中a_0c计算为：

靠近sink节点的中继节点只需要考虑上一跳和同级节点的影响，但是节点缓存的数据包数量可能已经到达上限，需要额外考虑这方面的因素，PST机制下这些中继节点的丢包率模型C计算为：

其中overflow是未接收到的数据包部分，计算为：

同理，采用PCT机制的节点丢包率计算为：

PST机制中a_0c计算为：

PCT机制中a_0c计算为：

S2：节点根据丢包率预测模型估算无线网络中终端节点和中继节点监测到信道繁忙造成的丢包率α、数据延迟时间T_A、总能耗E_A和节点数据处理速度λ_service；具体包括：

根据步骤S1中所述三种不同的基于有限队列长度的树型网络节点丢包率预测模型，节点的每跳传输延迟T_t计算为：

T_t＝(1-α^M+1)(S_WUR+S_MCU)+α^M+1D_WUR

数据包的传输总延迟等于每跳所需延迟之和，同理每跳的能量消耗计算为：

E_t＝(1-α^M+1)(E_WUR+E_MCU)+α^M+1H_WUR

其中S_MCU＝T_on+T_h+T_l+T_SIFS+T_ack是微控制器MCU成功发送数据并接收到ACK所需要的延迟，E_MCU＝E_on+E_h+E_l+E_SIFS+E_ack是数据发送成功并接收到ACK所消耗的能量，其中T_on是节点从睡眠状态切换到正常工作状态所需要的延迟，T_h是发送数据包头部所需要的时间，T_l是发送数据包有效载荷所需要的时间，T_SIFS是最短帧间隔，T_ack是接收ACK所需要的时间，E_on是节点从睡眠状态切换到正常工作状态所消耗的能量，E_h是发送数据包头部所消耗的能量，E_l是发送数据包有效载荷所消耗的能量，E_SIFS是空闲状态消耗的能量，E_ack是接收ACK所消耗的能量；

S_WUR是唤醒请求成功发送所需要的延迟，计算为：

D_WUR是由于信道忙碌而未发出唤醒请求所需要的延迟，计算为：

E_WUR是唤醒请求发送成功所消耗的能量，计算为：

H_WUR是由于信道忙碌而未发出唤醒请求所消耗的能量，计算为：

其中I_CCA是执行CCA时WuR的电流，V是供电电压，E_wuc是发送唤醒请求所消耗的能量，CW是退避时间上限，T_BO是退避单位时间，E_BO是退避单位时间所消耗的能量，E_CCA是执行CCA消耗的能量；

节点数据包处理速度计算为：

其中λ是终端节点的数据包到达速率，是当前节点检测M+1次后信道还在忙碌状态的概率，λ_x是当前节点的数据包到达速率

S3：节点根据汇聚节点数据成功接收速率最优值来选择在唤醒期间内发送一个还是多个数据包，并将信息通过确认帧ACK告知上一级节点。

2.根据权利要求1所述的基于有限队列长度排队模型的多跳无线唤醒方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：

节点缓存较小，模型中的队列被设置为最多容纳两个数据包，所以当节点数据包到达率较小时，采用连续数据包发送机制能够降低数据通信延迟和能量消耗，在数据包到达率较大，即队列数据溢出数量达到队列长度一半或者PCT-WuR中第二级节点处理速度小于PST-WuR时，采用单个数据包传输的模式，保证数据包能够被中继节点所转发，节点通过记录的信息和自身数据包到达速率与设置的阈值相比较，小于该阈值时采用多个数据包连续传输模式，大于该阈值时采用单个数据包传输模式。