[发明专利]能量均衡方法的软件架构体系

权利要求书

1.一种能量均衡方法的软件架构体系，该体系位于节点微处理器的处理单元内，其特征在于，该体系在数据处理层中添加了能量均衡模块，以此实现能量的均衡处理，能量均衡方法则在能量均衡模块中执行，能量均衡方法如下：

本地节点的编号记为i，则相对于本地节点，前节点的编号记为i-1，后节点的编号记为i+1， i为大于或等于1的自然数，距离汇聚节点最近的节点即编号为i =1的节点，

对于除编号为i =1的节点之外的其它节点，上一次通信若有的话，则下一次通信基于上一次通信的能耗情况来调整自身的算法等级，即：

若当前轮次的通信的前节点能耗大于本地节点能耗，则将本地节点的算法等级提高一级以供下一次通信执行，直到调至最高等级的算法，反之则将节点的算法等级降低一级以供下一次通信执行，直到最低等级，即不执行压缩；

算法等级是指节点中备选压缩算法的等级，根据压缩比进行等级划分，其中，压缩比定义为压缩后数据量与原始数据量之比，压缩比数值越低，算法等级越高，最低等级为不执行压缩；

能量均衡方法包括决策执行部分，包括以下几个步骤，Sink即指汇聚节点：

步骤01：节点完成部署以及组网初始化后，节点开始采集原始数据并将处理后的数据逐跳传输至Sink，此为上行通信，完成首轮数据通信，此轮中，各节点均按照等级最低的算法执行数据处理，即不执行任何压缩；

在上行通信过程中，各节点记录下其邻居节点的编号，以便在后续步骤中进行信息交换；

步骤02：能量均衡模块从应用层中获取相关信息；

所涉及的信息包括：数据类型和精度要求，相应地保存于微处理器的存储单元内，可以通过用户接口预先设置，也可以取自射频模块提供的控制帧信息；

步骤03：根据应用层提供的相关信息，能量均衡模块获取预设的压缩算法集中的算法等级；

若算法分级采用离线方式进行，则从微处理器的存储单元内直接读取结果；若采用在线分级，则需在网络运行初期的算法分级完成后，获取算法等级；

步骤04：能量均衡模块从网络传输层及其下层获取相关信息；

所涉及的信息包括发射功率、接收功率、数据传输速率、数据重传率、MCU计算功率和中继数据量，其中，发射功率和数据重传率由网络传输层决定，其数值取自消息帧，由射频模块提供；接收功率、数据传输速率和MCU计算功率取决于节点的硬件结构，相关信息预置于微处理器的存储单元内，通过物理层逐级上行传送；中继数据量取自上行通信的数据帧，通过物理层逐级上行传送；

步骤05：能量均衡模块根据已知参量，计算首轮数据通信中本地节点所耗能量；

节点i所耗总能量简化为：

（式1）

其中，为节点间通信距离下，射频模块的发射功率；为射频模块的接收功率；为节点i所需发送的原始数据总长度（以字节为单位）；为节点发送1个字节数据所需的时间，由数据传输速率决定；为节点i的数据重传率，该数值反映出节点多跳路由中通信信道的质量，数值越大，表示接收误码率越高，通信信道越恶劣；N为节点总个数，亦作为节点的最大编号，由于节点编号随节点距离Sink的跳数依次增大，故编号为N的节点即为距离Sink最远端的节点，而此节点的通信能耗仅包含发射能耗；

步骤06：能量均衡模块将计算得到的当前轮次的节点总能耗下行传送至物理层，并通过消息帧下行通信至后节点；

此步骤结束后，除距离Sink最近的节点（i =1）外，其他节点均可获知自身和其下一跳邻居节点在当前轮次的数据传送过程中消耗的总能量，从而执行步骤07；

步骤07：能量均衡模块根据当前轮次的前节点能耗，给出下一轮数据处理的最优决策，并将该结果发送至同层的数据压缩模块，同时下行至物理层；

若当前轮次的前节点能耗大于本地节点能耗，则将本地节点的算法等级提高一级，直到调至最高等级；反之则将节点的算法等级降低一级，直到最低等级；

步骤08：能量均衡模块从数据压缩模块获取相关信息；

所涉及的信息包括：压缩比和压缩时间；收到来自能量均衡模块的最优决策后，数据压缩模块启动下一轮的数据处理，并将执行算法后的压缩比和压缩时间反馈至能量均衡模块；

步骤09：能量均衡模块从网络传输层及其下层获取相关信息；

所涉及的信息包括发射功率、接收功率、数据传输速率、数据重传率、MCU计算功率和中继数据量；接收功率、数据传输速率、MCU计算功率由节点硬件决定，故可视为恒定常量；而发射功率、数据重传率和中继数据量的变化则相对频繁，需在每轮能量均衡中获取最新数据；

步骤10：能量均衡模块根据已知参量，计算新一轮数据通信中本地节点所耗能量；

若节点的算法等级最低，则根据式1计算节点能耗；否则，节点将根据式2计算其能耗，此时的唤醒能耗同样不予考虑：

（式2）

其中，为微处理器MCU的功率；为在已知精度要求e下，节点压缩1个字节数据的时间开销；为节点i在已知精度要求e下，算法获得的压缩比；

步骤11：能量均衡模块根据应用层信息的变化情况，决定跳转步骤，启动下一轮能量均衡过程。