一种异构无线传感网络中最差时延感知跨层优化方法
【技术领域】
[0001][本发明属于无线通信传输技术领域，具体为无线传感网络中联合单节点数据传 输最差时延感知跨层优化方法及能量资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感网络近年来获得全球范围内越来越多的关注，尤其是随着微机电系统 (MEMS)技术的扩散，智能传感器得到了快速的发展。与传统的传感器相比较，智能传感器具 有更小，更廉价以及有限的处理和计算资源的特点。
[0003] 无线传感网络本身所具备的特性使得它在很多应用领域都具有很大的发展潜力， 如军事目标跟踪和监测、自然灾害救援、生物医学健康监测、危险环境勘探以及地震感应 等。当然，在实际应用当中，传感器网络也会遇到自身的设计和资源约束。其中，资源约束 包括单个节点中有限的能源，短距离的通信范围，低带宽以及有限的存储和处理资源等。其 中，低功耗的要求对传感器节点来说是非常重要的一个限制，传感器节点一般只携带有限 的，不可替代的电源。因此，传感器网络协议必须注意对能源的使用，在传感器网络中，很多 时候也需要注意一些传统的通信网络的约束限制，如时延，网络安全和传输可靠性等约束。
[0004] 传统的传感器节点通常都是由不可充电式电池提供能量，而这种电池的能量存储 是非常有限的。因此，很多研宄人员都致力于有限电池能源供电的无线传感网络中能源效 用的改进。Mao等人提出一种数据队列和能量队列的联合控制方法并最大化能量采集无线 传感器网络长期的平均感知速率，同时也满足QoS约束条件；Chen等人提出了一种功率分 配和路由的联合控制问题的处理方案，在无需一些补给等先验信息的前提下最大化总的系 统效用；Sharkar等人也设计出了一种路由和调度策略并得到能量采集无线传感网络的最 优吞吐量；Huang等人基于能量采集无线传感网络提出了一种能量有限调度算法和改进的 ESA算法并在最优差距和队列长度之间取得一个明确的折衷值。然而，以上提到的研宄都没 有考虑时延相关的内容。而且，以上的研宄几乎没有考虑通信模块和感知模块的联合功率 分配。另外，由于较低的能量采集速率以及能量采集过程中部分因素存在的时变性，单靠能 量采集补充能源的传感器节点无法保证为每个操作提供足够的能量。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种异构供电无线传感网络 中最差时延感知跨层优化方法，该方法引入异构供电能量模型，并在优化目标中添加电量 价格优化，最终实现电量价格与网络吞吐量效用及数据包丢包的联合优化。同时，给出网络 中每个传感器节点的数据传输最差时延。
[0006] 本发明通过以下技术方案加以实现： 所述的一种异构无线传感网络中最差时延感知跨层优化方法，其特征在于该方法包括 以下步骤： 步骤1 :网络中的各节点根据当前时隙实际队列和构造的虚拟队列的队列状态，做出 相应的决策行为，进而更新当前时隙的队列状态； 步骤2 :源节点根据数据队列状态和虚拟辅助队列状态，对数据采集行为进行优化决 策； 步骤3 :源节点与中间节点根据当前时隙数据队列和虚拟时延队列状态，对数据丢包 行为以及路由调度和数据传输功率分配进行优化决策； 步骤4 :各节点通过观察能量队列的队列状态并结合电价因素进行能量采集行为决 策； 步骤5 :重复步骤1到步骤4的决策过程，在完成设定的网络运行时隙过程中，观察网 络中节点的队列积压，丢包情况以及优化目标变化情况。
[0007] 所述的一种异构无线传感网络中最差时延感知跨层优化方法，其特征在于步骤1 的具体步骤为：在每个源节点》中，对任意会话流/的队列，实施如下过程： 步骤1-A:观察实际数据队列么⑷、虚拟辅助队列名和能量队列馬W的队列积 压，对数据队列的数据输入速率r/p)进行调整，当条件
【主权项】
1. 一种异构无线传感网络中最差时延感知跨层优化方法，其特征在于该方法包括以 下步骤： 步骤1 :网络中的各节点根据当前时隙实际队列和构造的虚拟队列的队列状态，做出 相应的决策行为，进而更新当前时隙的队列状态； 步骤2 :源节点根据数据队列状态和虚拟辅助队列状态，对数据采集行为进行优化决 策； 步骤3 :源节点与中间节点根据当前时隙数据队列和虚拟时延队列状态，对数据丢包 行为以及路由调度和数据传输功率分配进行优化决策； 步骤4 :各节点通过观察能量队列的队列状态并结合电价因素进行能量采集行为决 策； 步骤5 :重复步骤1到步骤4的决策过程，在完成设定的网络运行时隙过程中，观察网 络中节点的队列积压，丢包情况以及优化目标变化情况。
2. 根据权利要求1所述的一种异构无线传感网络中最差时延感知跨层优化方法，其 特征在于步骤1的具体步骤为：在每个源节点I?中，对任意会话流/的队列，实施如下过 程： 步骤1-A:观察实际数据队列么⑷、虚拟辅助队列之⑷和能量队列^⑷的队列积 压，对数据队列的数据输入速率进行调整，当条件 忠(f)<Zi (/) + (￡"(，)-〇污得到满足时，令》；= 否则，令 J(I)=O， 其中，<表示电池能量存储容量上限，^表示感知每单位数据所消耗的能量，式"表示单 个时隙内的数据采集上限； 步骤I-B:对虚拟辅助队列 Zfn (/) 的虚拟输入速率^(0进行控制决策，观察当前时 隙队列<(4的队列积压，名:4(?) = 0,令;= ,令?/(?)=0 ;若 <F/if/(l + D，令 if ⑴=J1Lbl ; W 则，令 /Zf (?)-1,其中，政表示 效用函数〇?(χ)的最大右导数，且〇<盧<?，r为李雅普诺夫惩罚因子； 步骤I-C :结合步骤I-A和I-B得到的决策结果，同时根据虚拟队列<^)的队列演变 方式对其进行队列更新。
3. 根据权利要求1所述的一种异构无线传感网络中最差时延感知跨层优化方 法，其特征在于步骤2中优化决策过程为：对网络中的每个节点B及每条会话流/，实 施如下过程：观察当前时隙的数据队列和虚拟队列的队列积压，当条件 β?(?)+迄满足时，令该时隙的队列丢包量，否则，令1??(?)=0,即 此时相应的数据队列不进行任何的丢包行为。
4. 根据权利要求1所述的一种异构无线传感网络中最差时延感知跨层优化方法，其 特征在于步骤3中的优化决策过程为：对网络中每个节点数据传输的路由调度和链路传输 速率的控制决策，实施如下过程： 步骤3-A :定义链路(?*)上会话流/的链路权重为丨⑴⑴+ 同时，定义⑴/+丨为对应链路(U)上的最优权重，其中/*表示对应权 重下的传输会话流，当条件 W > O满足时，选择会话流作为链路(》^上的传 输会话，即把链路in·，上的所有容量分配给会话/#，令t ，其 中，Pr*表示传输功率表示当前的信道状态，cUid可表示链路的链路容量； 步骤3-B :完成步骤3-A后，传输会话流/*得到确定，得到一个关于#2?的严格的凸函 数，令 冗W=吨(尤(〇) ，表示在时刻分配给传输链路的传输功率，求解 以下问题并得到最优的链路传输功率：
其中，尤.(?)=(Ar⑷…声L W JL W…多i⑷），JtTtt表示节点Η在单个 时隙内所能消耗的传输功率上限， ζ,(?(?) 定义如下， 其中，表示节点Β中的噪声谱密度，
表示将对链路传输造成干扰的链 路集合， 表示链路OsiA)在*时刻的衰落系数，其为时变且独立同分布，SeM为网 络的信道状态矩阵； 步骤3-C :结合步骤1、步骤2和步骤3的决策结果，同时根据数据队列(?)和虚拟队 列忍(60的演变方式对其进行队列更新。
5. 根据权利要求1所述的一种异构无线传感网络中最差时延感知跨层优化方法，其 特征在于步骤4中能量采集行为决策的具体步骤为：对网络中的每个节点K，实施如下过 程： 步骤4-A:若η为能量采集节点，当条件满足时，令节点进行能量采集 行为，即令节点从外界获取到的能量~(0 = ^(0，否则，令&柯=〇,若η为电网供 电节点，当条件 (蝴-幻+咋-气X⑷<〇 满足时，令节点从电网获取的能量 ) = f，否则，令贫·(!) = O ; 其中，表示每个时隙节点《能够从外界获取到的能量，参数M1用于将网络吞吐 量效用函数与电网供电能耗价格函数之间的权重，参数1?用于匹配以上两个函数值得数 量级，f表示节点一个时隙内能够从电网获得的能量上限，表示当前电网价格状 态； 步骤4-Β :若H为混合能量供电节点，通过求解以下优化问题对变量气(60和进 行优化，
步骤4-C :在完成步骤4-Α和4-Β后，根据得到的优化变量对网络中各个节点的能量队 列进行队列更新操作。
【专利摘要】本发明公开了一种异构无线传感网络中最差时延感知跨层优化方法，包括以下步骤：网络中的各节点根据当前时隙实际队列和构造的虚拟队列的队列状态，做出决策行为，进而更新当前时隙的队列状态；源节点对数据采集行为进行优化决策；源节点与中间节点根据当前时隙数据队列和虚拟时延队列状态，对数据丢包行为以及路由调度和数据传输功率分配进行优化决策；同时，各节点通过观察能量队列的队列状态并结合电价因素进行能量采集行为决策。经过多次迭代后，使得无线传感网络的队列状态逐渐稳定。该方法可同时优化无线传感网络的吞吐量效用及网络丢包性能，并从电网获取能量时产生的消费，并为网络每个节点中每条会话流的数据提供一个最差传输时延上界。
【IPC分类】H04W72-08, H04W84-18
【公开号】CN104735800
【申请号】CN201510099668
【发明人】徐伟强, 涂建臣, 史清江, 俞晴里
【申请人】浙江理工大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月7日