专利名称：含有非精确状态信息的网络中睡眠节点的唤醒机制的制作方法
技术领域：
在含有睡眠机制的非精确信息网络中，根据数据的端到端延迟约束，制定路径上每个睡眠节点的最佳唤醒时间的方法，属于互联网节能技术领域，尤其涉及在延迟约束下降低非完全信息网络中节点能量消耗的绿色网络领域。
背景技术：
近年来，网络规模和能力的扩展导致网络中设备的能量消耗不断增大(参考文献Towards Green Broadband Access Networks, P.Chowdhury, Μ. Tornatore, S.Sarkar, and B. Mukher jee, GL0BEC0M, 2009 IEEE，pp. 1-6，2009.)。为了应对这种趋势，“绿色网络，，(参考文献Greening of the Internet,Μ. Gupta and S. Singh, in Proc. ACM SIGC0MM, Vancouver, BC, Canada, Aug. 2003.)的观念逐渐被应用于新一代网络的研究与规划中以降低其能量消耗。其中，使用最为广泛的策略是允许网络中的部分节点在自身处于低数据流量状态时关闭数据收发设备，进入睡眠状态。此时，网络中需要路过该节点的数据被其上游节点的队列缓存，直到正处于睡眠的节点被重新唤醒之后，才被送回链路中继续传输。因此，上述节点睡眠机制在节约能量的同时，所需要付出的代价是以引入节点睡眠延迟的方式增加数据的端到端总延迟。为了将延迟和能量消耗同时控制在可接受的范围，现有的文献广泛使用以下几种方法例如在路径选择时，将节点的睡眠延迟作为路径代价的一部分，避开可能引入较大睡眠延迟的节点，数据仍然可以在满足延迟的约束下正常传输(参考文献An average velocity-based routing protocol with lowend—to—end delay for wireless sensor networks, S. C. Choi, S. L. Gong, andj. W. Lee, Communications Letters，IEEE，vol. 13， pp. 621-623，2009)。一旦一条路径被选出来加以使用，延迟控制策略可以通过预测数据到达路径上每个中间节点的时间，合理的安排每个中间节点的睡眠和唤醒时间，最大化这些节点的总睡目民时间(参考文献:Medium access control with coordinatedadaptive sleeping for wireless sensor networks, W. Ye, J. Heidemann，andD.Estrin, IEEE/ ACM Trans. Networking, vol. 12，pp.493-506，Jun. 2004， 与 Green Wave Latency and Capacity-Efficient Sleep Scheduling forWireless Networks, S. Guha,C. -K. Chau,and P.Basu，INF0C0M, 2010Proceedings IEEE，pp. 1-9，2010)。但这样做又会引入另一个问题， 虽然进入睡眠状态可以节省能量，但节点频繁的在睡眠与清醒状态之间转换也会消耗可观的时间与會巨量(参考文献:Routing and Scheduling for Energy and DelayMinimization in the Powerdown Model,M. Andrews,A. Fernandez Anta，L Zhang，and W. Zhao,INF0C0M, 2010 Proceedings IEEE，pp. 1-5，2010.)，因此有文献提出，节点周期性的将发往同一个目的节点的数据聚集起来，再以突发的方式统一进行传输，以减少节点的状态变换次数(参考文献:A fault-tolerant protocol for energy-efficient permutation routing in wirelessnetworks, A. Datta，IEEE Tran. Comput.，vol. 54，pp. 1409-1421，Nov. 2009)。上述这些通过对网络状态信息的分析和计算，优化节点睡眠方法中普遍存在一个问题，其都假定节点获得的网络状态信息是精确的，并且在数据在相应路径上传输的过程中不发生变化(参考文献QoS routing in networks withuncertain parameters, D. H. Lorenz and A. Orda, IEEE/ACM Transactionson Networking，vol. 6，pp. 768-778，1998)。事实上，基于网络状态信息的传播延迟、数据传输中路径中间节点和链路状态的改变，以及状态信息的读取和量化误差等原因，节点无法实时获得精确的的网络状态信息。近期已有文献针对非精确网络状态信息问题，提出了对路径计算方法的改进在该方法中，将网络状态参数的和，近似为符合正态分布的随机变量的和，并给出其概率意义上的上限，将其应用于路径代价中。从而获得概率意义上最可能满足延迟约束的路径(参考文献 Two additive-constrained path selection in thepresence of inaccurate state information, Y.X. Zheng, T. Korkmaz, andff. H. Dou, Computer Communications, vol.30, pp. 2096-2112，Jun. 2007)。据现有报道，尚未有针对非精确网络状态信息，优化已经获得的路径上的节点睡眠之间等待时间的方法。所以本发明的目的在于，在Y. X. Zheng等人提出的网络状态信息的概率意义上限的框架下，提供一种灵活、高效的方法，优化路径上睡眠节点的等待时间， 通过增加节点总睡眠时间，和减少节点在睡眠、清醒状态之间的转换次数，达到节约网络能量的目的。为了进一步解释上述内容，下面给出几个重要的定义1、绿色网络中节点的睡眠机制及其造成的睡眠/唤醒延迟给定由N个节点和E条链路构成的网络G (N，E)。网络中任意节点u拥有清醒与睡眠两种状态，当节点处于清醒状态时，路过该节点的数据被无延迟的转发往下游链路端口 ；当节点处于睡眠状态时，数据被缓存在其上游节点的队列中，直到该节点被唤醒才能继续传输，因此该节点会对路径上传输的数据造成睡眠延迟。对于实际网络，当数据开始在一条路径上传输，在到达这条路经上某个正在睡眠的节点之前，实际上已经经历了此前一段路径造成的延迟，所以这个睡眠节点实际导致的睡眠延迟delslMp dyma[u]为该节点预计的唤醒时减去当前时间(即该节点自身的睡眠延迟delslrap[u])，再扣除掉此前源节点S到该睡眠节点u的路径延迟时间del (Ps_u)以后的数值。当该节点自身的睡眠延迟Clelsleep[u]小于此前链路的延迟del(Ps_u)时，该数值为O。显然，上述睡眠延迟是一个动态数值，当同一个睡眠节点处在不同路径、或同一条路径的不同位置时，其造成的睡眠延迟的数值是不同的。
delsUep (μ) - del(Ps_u)delsleep (u) > del(Ps_u)
Ootherwise⑴
where deKps-J = T^delbaJa-b)+ Idel-Jm)
link(a-b)EPs_unod《m)&Ps_u,m本 u
2、含有睡眠机制的网络中的路径延迟和可行路径
网络中任意连接节点a与b的链路a —b的基本代价包括其自身延迟 (a — b)和自身可靠性 relbasi。(a — b)。 在实际的路由计算中，链路的实际延迟被计为其自身延迟与其末端节点造成的睡眠延迟的和。当其末端节点处于清醒状态时，睡眠延迟的数值为0.
del (a — b) = delbasic (a — b) +deIsleep dyma (b) (2)
delbasi,
^ sleep _dyna(U)=
一条从源节点S到目的节点D的路径的端到端总延迟，等于其中各段链路延迟的和
权利要求
1.在含有非精确状态信息的绿色网络中睡眠节点的唤醒机制，其特征在于包含以下主要步骤网络中，正处于睡眠状态的节点保留对网络基本状态参数的侦听包括网络中各链路的延迟，和网络中每个正处于睡眠状态的节点预计的唤醒时间；若一个正处于睡眠状态的节点U发现了至少一个等待其被唤醒后才能继续传输的数据包，对于其中的每一个数据包获取其在从源节点S到目的节点D的路径PS_D上，从源节点S到节点u已经消耗的时间，和该数据包端到端传输延迟的约束；对该数据包路径上位于节点u下游的每条链路，由于无法实时获得其精确的链路延迟信息，故使用此前一段时间之内收集的该链路的延迟的均值和标准差，计算其置信区间的上限，将路径下游所有链路延迟置信区间上限的和作为节点u下游路径的链路延迟上限；对于路径下游每个处于睡眠状态的节点V，用其预计的唤醒时间减去当前时间，再减去该数据包从节点u到下游节点ν延迟的上限，得到其所造成的睡眠延迟的上限，将路径下游所有节点睡眠延迟上限的和作为节点u下游路径睡眠延迟上限；将节点u下游路径的链路延迟上限与睡眠延迟上限的和，再加上数据包在节点u下游改变路径所增加的延迟的预测数值，作为数据包从节点u到目的节点D总延迟的上限；将当前时间加上该数据包端到端传输延迟的约束，减去从源节点S到节点u已经消耗的时间，再减去从节点u到目的节点D总延迟的上限得到的数值，作为保证该数据包传输延迟符合约束的前提下，节点u最迟的唤醒时间；若有多个等待u被唤醒后才能继续传输的数据包，选取根据不同数据包计算的节点u最迟的唤醒时间中，距离当前时间最近的一个，作为节点u预计的唤醒时间。
2.如权利要求1所述的方法，其中对数据包在节点u下游改变路径所增加的延迟预测中，将数据包在实际传输过程中的端到端跳数的上限，减去数据包从源节点S到当前节点u 实际经历的跳数，再减去按照当前路径从节点u到目的节点D的跳数的计算结果，作为节点 u的下游数据包改变路径后所增加的跳数的上限；将该数据包从源节点S到节点u已经消耗的时间与该数据包端到端传输延迟的约束的比值作为该数据包在延迟意义上的紧急程度；将该数据包沿当前路径从节点u到目的节点D总延迟的上限，乘以数据包改变路径后所增加的跳数的上限与当前路径下游跳数的比值，再乘以该数据包在延迟意义上的紧急程度得到的数值，作为数据包在节点u下游改变路径所增加的延迟的预测数值。
全文摘要
本发明公开了一种在非精确状态信息网络中睡眠节点的自适应唤醒机制。根据数据包已经经历的延迟和对下游路径延迟的估计，计算满足延迟约束条件下睡眠节点的最佳唤醒时间。在计算中充分考虑非精确网络状态信息的统计学特性，使用随机状态参数置信区间对其数值在概率意义上的上下限进行估计，有效提高了计算精度。该方法在保证数据延迟符合约束的同时，通过优化网络节点总睡眠时间和节点状态转换的次数，在节约网络能量方面表现出优异且稳定的性能。
文档编号H04L12/56GK102307112SQ201110266900
公开日2012年1月4日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者刘兴春, 刘化丽, 刘阳, 郑铮 申请人:北京航空航天大学