射频充电传感节点的帧长和编码冗余度动态调整方法与流程

本发明属于无源感知网络领域，尤其涉及一种射频充电传感节点的帧长和编码冗余度动态调整方法，可用于捕获射频能量进行通信的网络。

背景技术：

随着太阳能、动能、热能以及射频能等能量捕获技术的发展，具有自充电能力的传感节点应运而生。这些节点具有感知、计算和通信能力，可以从环境中捕获能量而无需依赖电池。由这些节点组成的无源感知网络在诸如建筑物健康监测、可穿戴感知计算等领域有巨大的应用前景。其中，射频能作为一种普遍存在的能量源，引起了越来越多关注。射频能捕获技术最早用在射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)系统中，被动式标签捕获阅读器的射频能，通过后向散射调制技术将识别码发送给阅读器。受此启发，一些研究人员开发了可计算射频识别(Computational RFID，CRFID)节点，这些CRFID节点与传统传感器节点一样具有感知、计算和通信能力，但是与传统传感器节点采用的主动通信方式不同，它们的通信方式沿袭了RFID的被动通信方式，即捕获阅读器的射频能量，将感知数据通过后向散射通信技术传输给阅读器。CRFID节点没有电池模块，它们将捕获到的一部分能量存储在电容中，用于执行感知、计算等任务。例如，公开号为CN101964071B的专利文献提供了一种无线充电传感器节点，该节点捕获阅读器的射频信号能量进行无线充电，同时可以采集温度、光传感器数据通过后向散射通信发送给阅读器；公开号为CN101964071B的专利文献提供了一种具有加速度传感器的无源射频标签，该射频标签可以采集加速度传感器数据，通过后向散射通信传输给阅读器。当射频充电节点处于移动状态时，其能量捕获条件和通信信道质量都处于动态变化中，例如，采集加速度传感数据的节点通常部署在人体，随人体的运动而移动。然而，后向散射通信广泛采用的EPC Gen2协议采用固定96比特的帧载荷长度，在能量捕获条件较弱或信道质量较差时无法传输数据，不能很好地适应能量捕获条件和信道质量动态变化的场合。公开号为CN101789852A的专利文献提供了一种无线传感器网络中动态控制数据包长度的方法，对链路状态进行精确评估后，以最优的数据包长度发送数据，可以减少重传的能耗。但是该方法是针对传统以电池供电方式工作的传感网提出的，并不适用于本发明涉及的捕获射频能量工作的场景。

技术实现要素：

为了克服已有射频充电传感节点控制方式的系统吞吐量较小、捕获能量的利用效率较低的不足,本发明提供了一种提高系统吞吐量和捕获能量的利用效率的射频充电传感节点的帧长和编码冗余度动态调整方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种射频充电传感节点的帧长和编码冗余度动态调整方法，包括以下步骤：

1)传感节点操作过程如下：

步骤1.1传感节点在收到汇聚点发出的查询帧后，判断缓存中是否有数据要发，如果有，则向汇聚点返回应答帧，应答帧中携带节点编号和一个随机数；

步骤1.2传感节点在收到汇聚点发出的确认帧后，判断确认帧中包含的随机数与该传感节点发出的应答帧中携带的随机数是否相同；如果不同，则丢弃确认帧继续执行步骤1.1；如果相同，令数据传输轮数R＝R+1，R的初始值为0，跟踪当前电容电压，估计当前能量捕获条件下电容可达到的最大电压Umax和RC时间常数τ的值，根据确认帧中建议的数据帧载荷长度和当前能量捕获条件共同确定接下来传输采用的数据帧载荷长度lp，然后取出N×lp的待发送源数据，根据确认帧中建议的编码冗余度K，计算得到冗余帧个数M＝K×N，利用纠删码进行编码得到N+M个帧；其中，K为整数，N为原始帧个数；每个帧由帧首协议控制字段、载荷部分和帧尾CRC校验序列组成，帧首协议控制字段和帧尾CRC校验序列长度之和为lh，载荷长度为lp，其中lh和lp的计量单位为比特；

步骤1.3传感节点根据当前能量捕获条件计算得到每个充电-传输周期的充电时间tc和突发传输帧个数wt，然后充电tc时间后，连续发送wt个数据帧，如此循环，直到收到汇聚点发送的查询帧或将缓存中的N+M个数据帧发送完毕，结束本轮数据传输，执行步骤1.1；

2)汇聚点操作过程如下：

步骤2.1汇聚点广播查询帧；

步骤2.2汇聚点收到传感节点发出的应答帧后，若同意该传感节点的数据传输，则返回确认帧，确认帧中包含与该应答帧相同的随机数，还包含建议该传感节点接下来传输采用的帧载荷长度及编码冗余度K，的初始值为K的初始值为Kmax，其中是帧载荷长度的最小值，Kmax是编码冗余度的最大值；

步骤2.3汇聚点设置长度为Tmax的定时器，同时将正确接收帧个数Q和误码帧个数F这两个变量均置零；

步骤2.4汇聚点接收到传感节点的一个数据帧，通过CRC校验判断数据帧是否发生误码，如果数据帧正确，令Q＝Q+1，进一步判断如果Q＝N，则解码恢复出原始数据，执行步骤2.5；如果数据帧有误，令F＝F+1，进一步判断如果F＝M+1，本轮传输失败，执行步骤2.5；如果定时器到期或收到传感节点的低能量中断信号，汇聚点停止接收数据，执行步骤2.5；否则，继续执行步骤2.4；

步骤2.5汇聚点计算得到本轮突发传输的有效吞吐量Gnew＝Q×lp/Δt，其中，lp为本轮传输实际采用的帧载荷长度，由帧首部相应字段获得，Δt为本轮传输占用的时间，可由汇聚点测量得到，根据Gnew与上一轮有效吞吐量G的关系，更新建议该传感节点下一轮突发传输采用的数据帧载荷长度及编码冗余度K，令G＝Gnew，执行步骤2.1。

进一步，所述步骤1.2中，数据帧载荷长度lp的确定方法如下：首先传感节点根据估计的Umax得到可捕获能量的最大值其中，C是电容容量，Udd是传感节点的最小工作电压；然后判断如果则如果则放弃本轮数据传输，并发送同频带中断信号告知汇聚点自己处于低能量状态；如果且则其中，ebit表示传感节点发送单位比特数据消耗的能量，表示数据帧载荷长度的最小值。

再进一步，所述步骤1.3中，每个充电-传输周期的充电时间tc和突发传输帧个数wt的确定方法如下：首先确定突发传输帧个数的最大值其中Ef＝(lp+lh)ebit为传输一个帧消耗的能量，表示对符号内的数值向下取整；然后，根据公式(1)确定每个周期的突发传输帧个数wt，其中wr为本轮剩余待发送帧个数，wopt为遍历突发传输帧个数可能的取值，使得平均传输一个帧所需充电时间最短的突发传输帧个数，由公式(2)和公式(3)确定，如果剩余帧个数大于等于该最优值wopt，则连续发送wopt个帧，否则连续发送全部剩余帧；根据公式(4)计算每个周期相应的充电时间tc。

更进一步，所述步骤2.5中，建议传感节点传输采用的帧载荷长度的更新方法如下：如果Gnew≥(1+θ)G，更新为如果Gnew≤(1-θ)G，更新为否则，不改变的值；其中，和分别表示数据帧载荷长度的最大值和最小值，θ为调节参数，其取值范围为0<θ<1。

所述步骤2.5中，建议传感节点传输采用的编码冗余度K的更新方法如下：用Kmin和Kmax分别表示编码冗余度的最小值和最大值，如果Gnew≥(1+θ)G，更新K为K＝max(K-ΔK1,Kmin)；如果Gnew≤(1-θ)G，更新K为K＝min(K+ΔK2,Kmax)；否则，不改变K的值；其中，ΔK1和ΔK2为编码冗余度的更新粒度，Kmin、Kmax、ΔK1和ΔK2均为整数。

所述步骤1.2中，原始帧个数N的取值根据当前能量捕获条件的波动情况决定，如果能量捕获条件稳定，N取值相对较大，如果能量捕获条件不稳定，N取值相对较小。

本发明的技术构思为：系统由射频充电传感节点和汇聚点组成，其中汇聚点既是射频能量提供者又是信息收集者，该方法综合考虑能量捕获条件和信道质量变化情况，在运行时根据汇聚点的吞吐量测量反馈和当前能量捕获条件调整帧长及编码冗余度，控制充电时间，从而提高系统吞吐量。

本发明的有益效果主要表现在：综合考虑了变化的能量捕获条件和信道质量，在运行时根据汇聚点的吞吐量测量反馈和当前能量捕获条件自适应地调整帧载荷长度和编码冗余度，能够提高系统吞吐量和捕获能量的利用效率。

附图说明

图1为本发明实施流程示例图；

图2为应答帧格式的示意图；

图3为确认帧格式的示意图；

图4为数据帧格式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种射频充电传感节点的帧长和编码冗余度动态调整方法，如图1所示，本发明应用于射频充电传感节点和汇聚点，其中汇聚点既是射频能量源又是数据收集点。本发明的动态调整方法采用以下步骤：

步骤1汇聚点广播查询帧；

步骤2传感节点收到汇聚点发出的查询帧后，判断缓存中是否有数据要发，如果有，则向汇聚点返回应答帧，如图2所示，应答帧中携带节点ID和一个16位随机数；

步骤3汇聚点收到传感节点发出的应答帧后，若同意该传感节点的数据传输，则返回确认帧，如图3所示，确认帧中包含与该应答帧相同的16位随机数，还包含建议该传感节点接下来传输采用的帧载荷长度及编码冗余度K。本实施例中，的取值范围为[16,496]比特，且为16比特的整数倍，初始值16比特，K的取值范围为[0,7]的整数，初始值为7，因此在确认帧格式中，载荷长度占5位，该字段表示的数单位是16位字，编码冗余度K占3位；

步骤4汇聚点设置长度为Tmax的定时器，同时将正确接收帧个数Q和误码帧个数F这两个变量均置零，定时器Tmax的长度根据用户对数据传输的实时性要求自行设定；

步骤5传感节点在收到汇聚点发出的确认帧后，判断确认帧中包含的随机数与该传感节点发出的应答帧中携带的随机数是否相同。如果不同，则丢弃确认帧继续执行步骤2；如果相同，令数据传输轮数R＝R+1，R的初始值为0，跟踪当前电容电压，估计当前能量捕获条件下电容可达到的最大电压Umax和RC时间常数τ的值，根据确认帧中建议的数据帧载荷长度和当前能量捕获条件共同确定接下来传输采用的数据帧载荷长度lp，然后取出N×lp的待发送源数据，根据确认帧中建议的编码冗余度K，计算得到冗余帧个数M＝K×N，利用纠删码进行编码得到N+M个帧。原始帧个数N的取值根据当前能量捕获条件的波动情况决定，如果能量捕获条件稳定，N取值相对较大，如果能量捕获条件不稳定，N取值相对较小；每个帧由帧首协议控制字段、载荷部分和帧尾CRC校验序列组成，帧首协议控制字段和帧尾CRC校验序列长度之和为lh，载荷长度为lp，其中lh和lp的计量单位为比特。如图4所示，本实施例中，帧首协议控制字段占24比特，其中节点ID占8位，传输轮数R占6位，取值范围为[0,63]，实际载荷长度lp占5位，该字段表示的数单位是16位字，取值范围为[16,496]比特，且为16比特的整数倍，原始帧个数N占5位，取值范围为[0,31]，CRC校验序列占16位；

步骤6传感节点根据当前能量捕获条件计算得到每个充电-传输周期的充电时间tc和突发传输帧个数wt，然后充电tc时间后，连续发送wt个数据帧，如此循环，经过若干个充电-传输周期，直到收到汇聚点发送的查询帧或将缓存中的N+M个数据帧发送完毕，结束本轮数据传输，执行步骤2；

步骤7汇聚点接收到传感节点的一个数据帧，通过CRC校验判断数据帧是否发生误码，如果数据帧正确，令Q＝Q+1，汇聚点从收到的数据帧头部协议控制字段获得本轮传输的原始帧个数N，进一步判断如果Q＝N，则解码恢复出原始数据，执行步骤8；如果数据帧有误，令F＝F+1，根据原始帧个数N和编码冗余度K得到冗余帧个数M＝K×N，进一步判断如果F＝M+1，本轮传输失败，执行步骤8；如果定时器到期或收到传感节点的低能量中断信号，汇聚点停止接收数据，执行步骤8；否则，继续执行步骤7；

步骤8汇聚点计算得到本轮突发传输的有效吞吐量Gnew＝Q×lp/Δt，其中，lp为本轮传输实际采用的帧载荷长度，可由帧首部相应字段获得，Δt为本轮传输占用的时间，可由汇聚点测量得到，根据Gnew与上一轮有效吞吐量G的关系，更新建议该传感节点下一轮突发传输采用的数据帧载荷长度及编码冗余度K，令G＝Gnew，执行步骤1；

所述步骤5中，数据帧载荷长度lp的确定方法如下：首先传感节点根据估计的Umax得到可捕获能量的最大值其中，C是电容容量，Udd是传感节点的最小工作电压；然后判断如果则如果则放弃本轮数据传输，并发送同频带中断信号告知汇聚点自己处于低能量状态；如果且则其中，ebit表示传感节点发送单位比特数据消耗的能量，表示数据帧载荷长度的最小值。本实施例中，lh＝40bits；

所述步骤6中，每个充电-传输周期的充电时间tc和突发传输帧个数wt的确定方法如下：首先确定突发传输帧个数的最大值其中Ef＝(lp+lh)ebit为传输一个帧消耗的能量，表示对符号内的数值向下取整；然后，根据公式(1)确定每个周期的突发传输帧个数wt，其中wr为本轮剩余待发送帧个数，wopt为遍历突发传输帧个数可能的取值，使得平均传输一个帧所需充电时间最短的突发传输帧个数，由公式(2)和公式(3)确定，如果剩余帧个数大于等于该最优值wopt，则连续发送wopt个帧，否则连续发送全部剩余帧；根据公式(4)计算每个周期相应的充电时间tc。

进一步地，步骤8中建议传感节点传输采用的帧载荷长度的更新方法如下：如果Gnew≥(1+θ)G，更新为如果Gnew≤(1-θ)G，更新为否则，不改变的值。其中，和分别表示数据帧载荷长度的最大值和最小值，θ为调节参数，其取值范围为0<θ<1。本实施例中，θ＝0.1；

所述步骤8中，建议传感节点传输采用的编码冗余度K的更新方法如下：用Kmin和Kmax分别表示编码冗余度的最小值和最大值，如果Gnew≥(1+θ)G，更新K为K＝max(K-ΔK1,Kmin)；如果Gnew≤(1-θ)G，更新K为K＝min(K+ΔK2,Kmax)；否则，不改变K的值。其中，ΔK1和ΔK2为编码冗余度的更新粒度，Kmin、Kmax、ΔK1和ΔK2均为整数。本实施例中，Kmin＝0，Kmax＝7，ΔK1＝ΔK2＝1，θ＝0.1。