专利名称：一种无线传感器网络的节点能量自适应管理策略的制作方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络节能技术领域，特别涉及节点工作模式以及数据包分片大小选择的单个无线传感器网络的节点能量自适应管理策略。
背景技术：
无线传感器网络与传统的网络不同，通常是由几百甚至几千个传感器节点组成，采用多跳传输进行无线通信。传感器节点的体积微小，一般由电池供电，导致其携带的能量非常有限。而传感器节点通常布设在恶劣的环境或者无人区域，在传感器节点能量耗尽之后很难对节点进行更换。如果网络中的一些节点因能量耗尽而失效，特别是关键节点的死亡会造成网络覆盖面积的减小，无法保证网络的连通性和可靠性。因此有限的节点电源能量是阻碍无线传感器网络发展和应用的关键问题。 无线传感器节点主要由感知模块、数据处理模块及无线通信模块组成。通过将传感器分成处理单元，感知单元和收发器单元，这几个单元分别都有自己的工作状态，各单元不同的工作状态的特定组合组成了节点的工作模式。在实际应用环境中，节点没必要一直处于运行状态，在大多情况下可以处以空闲或者睡眠状态，当需要再次使用的时候将其唤醒。如果使节点一直处于运行状态，虽然能够很好的处理数据，但会导致能量的大量浪费。同时当发生数据传输时，根据无线信道的质量，合理选择数据包的大小能提高数据包发送的成功率，使节点能量得到高效地利用，同时也减少了能量的浪费。因此合理选择节点的工作模式和自适应选择发送数据包的大小可以高效地利用节点能量。无线传感器网络的节点能量自适应管理策略就是将节点能量问题建模成马尔可夫决策过程模型，再利用强化学习算法得出最优策略，在不同的信道状态选择不同的工作模式和数据传输方式，以最小化由每个数据包的能量消耗、缓冲区溢出、传感器节点工作模式切换的能量消耗以及分片代价组成的整体代价，提高单个节点的能量利用效率。现实中的无线传感器节点存在以下问题I、传感器节点的体积微小，一般由电池供电，导致其携带的能量非常有限，且一般布设在偏远或者危险的区域，节点因能量耗尽死亡后不易更换。如果网络中有关键节点因为死亡而脱离了网络，会使整个网络的覆盖面积减小，使其他节点收集到的信息无法传送给监控人员，影响整个网络的连通性和准确性。2、传感器节点有多种工作模式，没有必要使节点时时刻刻处于工作状态，如果不需要节点各组件进入工作状态，可以使节点某些组件进入空闲或者睡眠状态，需要时将其再次唤醒。节点各组件的不同工作状态可以组合成不同的工作模式，选择合适的工作模式可以有效减少节点的能量消耗。3、无线信道的质量对于节点数据传输的成功率有很大的影响。当网络中无线信道质量较好时，应该尽可能多的传输数据。当信道质量比较差时，传输多个完整的数据包会容易导致数据包传输成功率大大降低，这样容易导致因为数据重传而引起能量消耗，因此可以采用虚拟分片技术，选择传输较少的数据分片帧或者延迟传输。
发明内容
本发明提出一种无线传感器网络的节点能量自适应管理策略，以合理调节节点的工作模式以及选择发送合适大小的数据包，提高网络节点的能量利用率。为达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种无线传感器网络的节点能量自适应管理策略，其特征在于，具体包括以下步骤(I)衡量当前无线信道的状态将连续的无线信道离散化，在时间片i，无线传感器节点通过与接收节点交换控制信息完成连接，无线传感器节点通过分析封装在控制信息中的反馈信号获得无线衰减信道的当前状态，通过将接收到的瞬时信噪比Y划分为k个区间，当接收到的信噪比落在Ylrl·到Y k区间，则认为信道状态为k，假设信道状态转移发生在一个时间片的边界，并且只转移到相邻状态之间；(2)检测当前节点自身缓冲区状态传感器节点在时间片i，感知和接收从其它相邻节点转发而来的数据按相同的数学分布到达节点缓冲区中，节点缓冲区中的数据包的个数即为缓冲区状态；(3)强化学习算法①传感器节点主要由处理器单元，感知单元和收发器单元组成，将这三个不同的组成单元构成节点8种不同的工作模式，结合节点自身的缓冲区状态以及当前无线信道状态，传感器节点决策以选择合理的节点工作模式和数据传输的方式，发送节点通过相关路由控制协议与接收节点通信；②根据接收到的控制信息估计当前的无线信道质量，引入虚拟分片技术，将一个完整的帧分成多个数据片，在信道状态比较好的时候可以选择多发送些完整的数据包，在信道差的时候选择发送几个分片帧，在信道非常差的时候延迟发送数据包；③在时间片i，通过发送节点接收到接收节点发送来的控制信息检测当前系统状态为Si= (gi，bj，其中gi为信道状态，bi为缓冲区中数据包的个数；用％表示在时间片i下
执行的控制行动,其包括节点工作模式为Ah ;节点的传输功率为Pu ;节点发送的数据包
个数为Cu ;然后按(I)式计算节点所花费的立即代价R
权利要求
1. 一种无线传感器网络的节点能量自适应管理策略，其特征在于，具体包括以下步骤 (1)衡量当前无线信道的状态 将连续的无线信道离散化，在时间片i，无线传感器节点通过与接收节点交换控制信息完成连接，无线传感器节点通过分析封装在控制信息中的反馈信号获得无线衰减信道的当前状态，通过将接收到的瞬时信噪比Y划分为k个区间，当接收到的信噪比落在Yk区间，则认为信道状态为k，假设信道状态转移发生在一个时间片的边界，并且只转移到相邻状态之间； (2)检测当前节点自身缓冲区状态 传感器节点在时间片i，感知和接收从其它相邻节点转发而来的数据按相同的数学分布到达节点缓冲区中，节点缓冲区中的数据包的个数即为缓冲区状态； (3)强化学习算法 ①传感器节点主要由处理器单元，感知单元和收发器单元组成，将这三个不同的组成单元构成节点8种不同的工作模式，结合节点自身的缓冲区状态以及当前无线信道状态，传感器节点决策以选择合理的节点工作模式和数据传输的方式，发送节点通过相关路由控制协议与接收节点通信； ②根据接收到的控制信息估计当前的无线信道质量，引入虚拟分片技术，将一个完整的帧分成多个数据片，在信道状态比较好的时候可以选择多发送些完整的数据包，在信道差的时候选择发送几个分片帧，在信道非常差的时候延迟发送数据包； ③在时间片i，通过发送节点接收到接收节点发送来的控制信息检测当前系统状态为Si= (gi,匕)，其中gi为信道状态，匕为缓冲区中数据包的个数；用％表示在时间片i下执行的控制行动，其包括节点工作模式为Ai,;节点的传输功率为Pm ;节点发送的数据包个数为(V ;然后按⑴式计算节点所花费的立即代价R Risi-) =+ PJKh,.U1) + β，[An, ι.Αι ι) + φ(I) LJ. t 在式(I)中 第一项f为每处理一个数据包所消耗的能量，Pi表示在时间片i时节点消耗的功率，包括节点感知单元、接收器和发送器的功耗；TP表示一个时间片的长度；υ表示节点在一个时间片内从感知单元感知到的数据包个数，接收器从相邻节点接收到的数据包个数，以及发送器发送的数据包个数A(I^ai)表示在时间片i由于缓冲区溢出造成丢失的平均数据包数，P(Ii)表示缓冲区空白为η的概率A(I^ai) —定程度体现了节点发送数据与接收数据的速度，当D(I^ai)比较大的时候显示了信道质量不怎么好，节点发送数据的速度大于接收数据的速度；而当D(I^ai)小的时候说明节点发送的数据要多余节点接收的数据，数据溢出的数据包个数比较小JOtivAi,)表示从工作模式X到工作模式的切换代价；0表不米取分片传输所产生的分片代价； ④根据步骤③中所述立即代价函数R，利用即时差分公式Cli，按照(2)式对系统的状态-行动对值函数Qe (si+1, a)进行更新
全文摘要
本发明公开了一种无线传感器网络的节点能量自适应管理策略，由于无线传感器节点能量有限性，而节点在不同工作模式所消耗的能量是不一样的，针对无线传感器节点的这些特点，首先构建一种基于信道和缓冲区状态的自适应传输机制，其次在普通传输机制的基础上进一步引入了数据包虚拟分片技术，形成基于信道和缓冲区自适应分片传输机制，通过将问题建模成马尔可夫决策过程模型，利用一种智能学习优化算法求解出最优策略，解决了在不同网络信道和节点缓冲区状态下，合理选择节点工作模式和数据包的分片大小，提高节点的能量利用效率。
文档编号H04W52/02GK102958109SQ20121041844
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者唐昊, 周雷, 苏红, 孙晶, 李慧子, 毛沙, 任玲 申请人:合肥工业大学