專利名稱：一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信和無線傳感器網絡技術領域，尤其涉及一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法。
背景技術：
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network, WSN)作為信息科學領域中，新興學科與傳統(tǒng)學科進行領域間學術交叉的結果，由大量分布式傳感節(jié)點組成的面向任務的網絡，它綜合了微機電技術、傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等多種領域技術，通過各類微型傳感器對目標信息進行實時監(jiān)測，由嵌入式計算資源對信息進行處理，并通過無線通信網絡將信息傳送至遠程用戶。WSN具有十分廣闊的應用前景，在軍事國防，工農業(yè)控制，城市管理、生物醫(yī)療，環(huán)境監(jiān)測、搶險救災，防恐反恐，危險區(qū)域遠程控制等許多領域都有重要的科研價值和實用價值. WSN通常具有如下特點1)WSN通常部署于人工操作困難的環(huán)境中；2)WSN中包含的節(jié)點數(shù)量通常很龐大；3)每個傳感器節(jié)點通常只能有限地獲取能源供應。一旦某個節(jié)點能源耗盡，必將導致該節(jié)點失效；更進一步地，如果該節(jié)點位于WSN路由關鍵位置處，還可能導致整個WSN的失效。因此，傳感器節(jié)點的生存時間是影響WSN實用化的關鍵因素。諸多研究成果表明，WSN中能耗主要來自于信息的無線傳輸過程，其中，信息的無線發(fā)送的能耗在總能耗中的比例高達70%?，F(xiàn)有WSN在無線傳輸技術方面基本沿用傳統(tǒng)無線傳輸技術，但是，需要注意的是，傳統(tǒng)無線傳輸技術是以服務質量(Quality of Service,QoS)為核心目標設計和優(yōu)化的，對傳輸能效的考慮不足。對于WSN的特殊應用需求而言(以少量數(shù)據(jù)為主，對數(shù)據(jù)傳輸準確性以及能效要求很高，但是對傳輸時延的敏感性較低)，其無線傳輸能量效率存在較大不足，從而限制了 WSN節(jié)點的生存時間。此外，現(xiàn)有的優(yōu)化方法僅僅考慮了固定能源的情形(例如容量受限的電池等)，對于能夠以一定速率再生的能源(例如太陽能電池板等)沒有涉及。目前，還沒有針對WSN的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，能夠在保障WSN中傳感器節(jié)點無線信息傳輸?shù)腝oS的前提下，對其生存時間進行優(yōu)化。為了達到以上目的，本發(fā)明實施例公開了一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，包括以下步驟無線傳感器節(jié)點能耗與生存時間的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點的能源模型和生存時間模型，分別用于描述該節(jié)點的能量供應和消耗狀態(tài)以及節(jié)點生存狀態(tài)，兩個模型聯(lián)合提供評估該節(jié)點生存時間；無線傳感器節(jié)點能耗與服務質量的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點的服務質量評價模型和無線傳輸能效評價模型，分別用于描述無線傳感器節(jié)點的服務質量等級和無線傳輸?shù)哪芰啃剩瑑蓚€模型聯(lián)合提供該節(jié)點的無線傳輸能效與服務質量評估；以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間為目標的服務質量保障步驟，通過能效模型結合所述無線傳感器節(jié)點能耗與生存時間的評估步驟和無線傳感器節(jié)點能耗與服務質量的評估步驟，在無線傳感器節(jié)點生存時間和服務質量等級之間建立定量關系，提供以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間為目標的服務質量保障。進一步，作為一種優(yōu)選，無線傳感器節(jié)點能源模型為固定容量可充電電源和/或再生速率受限的可再生能源。
進一步,作為一種優(yōu)選,固定容量可充電電源為電池。進一步，作為一種優(yōu)選，再生速率受限的可再生能源為光電轉換電源。進一步，作為一種優(yōu)選，無線傳感器節(jié)點生存時間模型為在給定能耗、電源容量以及再生能源速率的條件下，傳感器節(jié)點能夠正常工作的時間預測模型。進一步，作為一種優(yōu)選，無線傳感器節(jié)點服務質量評價模型包括時變的傳輸容量模型和業(yè)務數(shù)據(jù)排隊模型，并通過這兩個模型對服務質量中丟包率和傳輸時延進行定量分析。進一步，作為一種優(yōu)選，無線傳輸能效評價模型包括無線衰落信道下數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘颗c該傳輸所消耗能量之間的定量聯(lián)系。進一步，作為一種優(yōu)選，數(shù)據(jù)傳輸容量與該傳輸歲消耗能量之間的定量聯(lián)系，采用了基于平均接收互信息率的物理層抽象模型。進一步，作為一種優(yōu)選，無線傳感器節(jié)點生存時間和服務質量等級之間的定量關系，以無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄橹虚g變量，建立無線傳感器節(jié)點生存時間與服務質量之間的
定量關系。進一步，作為一種優(yōu)選，以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間為目標的服務質量保障方法，通過在無線傳感器節(jié)點生存時間與服務質量的定量關系中，引入生存時間最大以及服務質量降級概率最大值的約束條件，從而建立最優(yōu)化模型，導出最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方案。本發(fā)明能夠在保障WSN中傳感器節(jié)點無線信息傳輸?shù)腝oS的前提下，對其生存時間進行優(yōu)化。該優(yōu)化和保障過程中，核心目標是在滿足WSN傳輸?shù)腝oS基本需求的前提下，使得傳感器節(jié)點由于能源耗盡而使得其生存時間終止的概率最小。最終改善和解決WSN應用中的能效瓶頸問題。


當結合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點，但此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定，其中圖I為本發(fā)明實施例涉及的WSN傳感器節(jié)點的能源與生存時間模型示意圖；圖2為本發(fā)明實施例涉及的WSN傳感器節(jié)點的無線傳輸能效模型示意圖；圖3為本發(fā)明實施例涉及的WSN傳感器節(jié)點的QoS模型示意圖；圖4為本發(fā)明實施例流程圖。
具體實施例方式為使上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些具體實施方式
僅是舉例說明，本領域的技術人員在不脫離本發(fā)明的原理和實質的情況下，可以對上述方法和系統(tǒng)的細節(jié)進行各種省略、替換和改變。例如，合并上述方法步驟，從而按照實質相同的方法執(zhí)行實質相同的功能以實現(xiàn)實質相同的結果則屬于本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權利要求書限定。WSN節(jié)點能耗與生存時間的評估如圖I所示，WSN節(jié)點能源包含容量固定的儲能單元(例如充電電池)和再生速率受限的能源再生單元(例如太陽能光電轉換器)。能源再生單元的能源再生速率Rrahaw是 隨周圍環(huán)境變化而變化的隨機過程；儲能單元的最大容量是Emax ;節(jié)點工作的能耗速率Rconsume是隨節(jié)點工作狀態(tài)而變化。所以，WSN節(jié)點能耗與生存時間模型如下，
'= arg{^(/) > 0}
T= mini ^inax + J[Recharge (O - Wconsume (T)KTj^max I
1 Lj(I)WSN節(jié)點能耗與QoS的評估，其中包括WSN傳感器節(jié)點的無線傳輸能效和QoS模型。WSN傳感器節(jié)點的無線傳輸能效模型如圖2所示。信道衰落因子H和信道背景噪聲功率N是隨無線信道狀態(tài)變化的隨機過程，對于接收節(jié)點，該參數(shù)可以根據(jù)信道估計算法捕獲其具體取值。對于給定的調制編碼方式(Modulation and Coding Scheme, MCS)以及信號發(fā)射功率Ρτ，對應的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`比特率Pe可以通過基于平均接收互信息率的物理層抽象模型進行準確估算，Pe (t) =RBIR_Mapping [PT (t)，MCS (t)，H (t)，N (t) ] (2)因此，對于某一時刻t，收發(fā)節(jié)點之間可以正確有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率為，C (t) =Nmcs [I-Pe (t)]⑶這里，Nks表示給定MCS條件下單位時間最大可以傳輸?shù)谋忍財?shù)目。由此定義無線傳輸能效為，7l(/)='y^(4)該能效參數(shù)表征在一定無線信道狀態(tài)下，單位能耗可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率，單位是比特每焦耳(bit per Joule, b/J)。WSN傳感器節(jié)點的QoS模型如圖3所示。傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)速率為R_rce，所采集的數(shù)據(jù)存入傳感器節(jié)點緩存，然后等待無線傳輸資源進行傳輸。QoS的降級發(fā)生在如下情形中I)如果緩存溢出，將發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和QoS的降級；2)如果數(shù)據(jù)在無線傳輸中發(fā)生錯誤，將發(fā)生數(shù)據(jù)丟失和QoS降級；3)對于某些具有時延保障需求的數(shù)據(jù)，如果其在緩存中排隊的時間超過所需求時間延遲，該數(shù)據(jù)將被丟棄，發(fā)生QoS的降級。這里需要注意的是I)以現(xiàn)有的技術和設備條件，傳感器節(jié)點完全可以以很低的代價實現(xiàn)足夠大的緩存空間，從而完全避免緩存溢出引起的QoS降級；2)對于無時間延遲限制的數(shù)據(jù)傳輸，通過重傳機制，可以將無線傳輸中數(shù)據(jù)的突發(fā)錯誤概率降到很低的水平，避免突發(fā)錯誤引起的QoS降級。因此，本發(fā)明實施例針對的是第三種情形下的QoS保障。由式(4)可得，對于給定的無線信道狀態(tài)以及發(fā)射功率，傳感器節(jié)點的無線傳輸速率可以確定；令9(0表示同時刻數(shù)據(jù)緩存隊列中排隊等候數(shù)據(jù)的長度，則新加入隊列的數(shù)據(jù)等候時間為，
權利要求
1.一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，其特征在于，包括以下步驟 無線傳感器節(jié)點能耗與生存時間的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點的能源模型和生存時間模型，分別用于描述該節(jié)點的能量供應和消耗狀態(tài)以及節(jié)點生存狀態(tài)，兩個模型聯(lián)合提供評估該節(jié)點生存時間； 無線傳感器節(jié)點能耗與服務質量的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點的服務質量評價模型和無線傳輸能效評價模型，分別用于描述無線傳感器節(jié)點的服務質量等級和無線傳輸?shù)哪芰啃剩瑑蓚€模型聯(lián)合提供該節(jié)點的無線傳輸能效與服務質量評估； 以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間為目標的服務質量保障步驟，通過能效模型結合所述無線傳感器節(jié)點能耗與生存時間的評估步驟和無線傳感器節(jié)點能耗與服務質量的評估步驟，在無線傳感器節(jié)點生存時間和服務質量等級之間建立定量關系，提供以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間為目標的服務質量保障。
2.根據(jù)權利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，其特征在于，所述無線傳感器節(jié)點能源模型為固定容量可充電電源和/或再生速率受限的可再生能源。
3.根據(jù)權利要求2所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，其特征在于，所述固定容量可充電電源為電池。
4.根據(jù)權利要求2所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，其特征在于，所述再生速率受限的可再生能源為光電轉換電源。
5.根據(jù)權利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，其特征在于，所述無線傳感器節(jié)點生存時間模型為在給定能耗、電源容量以及再生能源速率的條件下，傳感器節(jié)點能夠正常工作的時間預測模型。
6.根據(jù)權利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，其特征在于所述無線傳感器節(jié)點服務質量評價模型包括時變的傳輸容量模型和業(yè)務數(shù)據(jù)排隊模型，并通過這兩個模型對服務質量中丟包率和傳輸時延進行定量分析。
7.根據(jù)權利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，其特征在于，所述無線傳輸能效評價模型包括無線衰落信道下數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘颗c該傳輸所消耗能量之間的定量聯(lián)系。
8.根據(jù)權利要求7所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)傳輸容量與該傳輸歲消耗能量之間的定量聯(lián)系，采用了基于平均接收互信息率的物理層抽象模型。
9.根據(jù)權利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，其特征在于，所述無線傳感器節(jié)點生存時間和服務質量等級之間的定量關系，以無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄橹虚g變量，建立無線傳感器節(jié)點生存時間與服務質量之間的定量關系。
10.根據(jù)權利要求I所述的優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，其特征在于，所述以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間為目標的服務質量保障方法，通過在無線傳感器節(jié)點生存時間與服務質量的定量關系中，引入生存時間最大以及服務質量降級概率最大值的約束條件，從而建立最優(yōu)化模型，導出最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方案。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間的服務質量保障方法，包括以下步驟無線傳感器節(jié)點能耗與生存時間的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點的能源模型和生存時間模型，分別用于描述該節(jié)點的能量供應和消耗狀態(tài)以及節(jié)點生存狀態(tài)，兩個模型聯(lián)合提供評估該節(jié)點生存時間；無線傳感器節(jié)點能耗與服務質量的評估步驟，包括建立無線傳感器節(jié)點的服務質量評價模型和無線傳輸能效評價模型，分別用于描述無線傳感器節(jié)點的服務質量等級和無線傳輸?shù)哪芰啃?，兩個模型聯(lián)合提供該節(jié)點的無線傳輸能效與服務質量評估；通過上述步驟建立以最優(yōu)化無線傳感器節(jié)點生存時間為目標的服務質量保障。
文檔編號H04W28/24GK102821409SQ20121029575
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權日2012年8月17日
發(fā)明者張金寶, 談振輝, 張子淇, 丁根明 申請人:北京交通大學