專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線自組織網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于測(cè)量節(jié)能模式下無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的延遲性能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
隨著通信、傳感器制造、嵌入式計(jì)算的日益成熟，大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展并被廣泛應(yīng)用到環(huán)境、國防、醫(yī)療、城市管理等諸多領(lǐng)域。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，它們能夠在惡劣及危險(xiǎn)環(huán)境中迅速展開，并通過無線自組成網(wǎng)，不受現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的限制。感知數(shù)據(jù)通過無線通信以多跳中繼方式匯集到數(shù)據(jù)處理 中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境條件下實(shí)時(shí)獲取大量詳實(shí)而可靠的信息，體現(xiàn)“計(jì)算無處不在”理念。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電。因此，為了延長網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時(shí)間，減小節(jié)點(diǎn)的能量消耗非常必要。最常見的方式是使節(jié)點(diǎn)運(yùn)行于節(jié)能模式下(duty cycle)，周期性地關(guān)閉和打開天線設(shè)備。雖然節(jié)點(diǎn)處于節(jié)能模式下可以大大地延長網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時(shí)間，但延長了數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。目前已有大量研究工作致力于如何提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的延遲性能以及降低能量消耗。常用方法是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)打開和關(guān)閉天線設(shè)備，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)無需等待。但是，節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步需要周期性地廣播時(shí)間信息，也會(huì)消耗節(jié)點(diǎn)的能量。所以，現(xiàn)在大量部署的無線傳感網(wǎng)絡(luò)不適合采用同步機(jī)制。目前現(xiàn)有的工作都是在某種假設(shè)(無干擾、理想信道、無限隊(duì)列容量等)的基礎(chǔ)上對(duì)采用非同步機(jī)制的無線傳感網(wǎng)的延遲性能進(jìn)行分析。還沒有實(shí)際有效的方法采用非同步機(jī)制對(duì)無線傳感網(wǎng)的延遲進(jìn)行測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種可用于測(cè)量節(jié)能模式下無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的延遲性能的測(cè)量方法，以精確的測(cè)量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。所述技術(shù)方案如下一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括使用排隊(duì)模型表不傳感節(jié)點(diǎn)的工作方式；獲取所述排隊(duì)模型的基本參數(shù)；根據(jù)所述排隊(duì)模型的基本參數(shù)求得系統(tǒng)的平穩(wěn)分布函數(shù)；根據(jù)所述系統(tǒng)的平穩(wěn)分布函數(shù)求得數(shù)據(jù)包在排隊(duì)系統(tǒng)中的延遲；其中，所述傳感節(jié)點(diǎn)的工作方式為傳感節(jié)點(diǎn)周期性地處于睡眠狀態(tài)和活躍狀態(tài)當(dāng)所述傳感節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)時(shí),接收其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包,或者向下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；當(dāng)所述傳感節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)時(shí)，所述傳感節(jié)點(diǎn)不接收數(shù)據(jù)包也不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；所述模型的基本參數(shù)包括
所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的輸入速率λ，表示所述傳感節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包的速率；所述傳感節(jié)點(diǎn)服務(wù)速率μ ,表示所述傳感節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速率；所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的最大隊(duì)列長度Μ，表示所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中存在數(shù)據(jù)包的最
大數(shù)量；所述傳感節(jié)點(diǎn)的工作周期率R，表示所述傳感節(jié)點(diǎn)無線設(shè)備處于 打開狀態(tài)與所述傳感節(jié)點(diǎn)無線設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間比例；所述傳感節(jié)點(diǎn)最大重傳次數(shù)隊(duì)&，表示重傳次數(shù)超過NMtr就丟棄數(shù)據(jù)包。進(jìn)一步的，所述傳感節(jié)點(diǎn)的睡眠狀態(tài)對(duì)應(yīng)于關(guān)閉天線設(shè)備的狀態(tài)，所述傳感節(jié)點(diǎn)的活躍狀態(tài)對(duì)應(yīng)于打開天線設(shè)備的狀態(tài)。進(jìn)一步的，所述“使用排隊(duì)模型表示傳感節(jié)點(diǎn)的工作方式”包括將每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)定義為一個(gè)容量有限且獨(dú)立的隊(duì)列，最大隊(duì)長為M ；根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，數(shù)據(jù)包到達(dá)隊(duì)列的間隔時(shí)間分布和服務(wù)時(shí)間分布，確定測(cè)量數(shù)據(jù)包延遲的模型服從離散時(shí)間的Geom/Geom/1/M排隊(duì)模型。進(jìn)一步的，所述傳感節(jié)點(diǎn)定義的隊(duì)列長度為所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中存在數(shù)據(jù)包的數(shù)量，用于表示所述傳感節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。進(jìn)一步的，所述“獲取排隊(duì)模型的基本參數(shù)”包括根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)確定所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的最大隊(duì)列長度M、所述傳感節(jié)點(diǎn)的工作周期率R和所述傳感節(jié)點(diǎn)最大重傳次數(shù)；根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)接收由其他傳感節(jié)點(diǎn)直接產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的速率X1和所述傳感節(jié)點(diǎn)接收由其他傳感節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)的速率λP確定所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的輸入速率λ ；根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)的歷史服務(wù)時(shí)間Ths和上一條數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間Tls，確定所述傳感節(jié)點(diǎn)所述傳感節(jié)點(diǎn)服務(wù)速率μ。進(jìn)一步的，所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的輸入速率λ與所述傳感節(jié)點(diǎn)接收由其他傳感節(jié)點(diǎn)直接產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的速率X1和所述傳感節(jié)點(diǎn)接收由其他傳感節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)的速率\的關(guān)系為λ =入片入―進(jìn)一步的，所述傳感節(jié)點(diǎn)服務(wù)速率μ與所述傳感節(jié)點(diǎn)的歷史平均服務(wù)時(shí)間Ths和上一條完成服務(wù)的數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間Tls的關(guān)系為μ = 1/[α Tls+(l-a )Ths]其中，a為一個(gè)預(yù)設(shè)的經(jīng)驗(yàn)值。進(jìn)一步的，所述“根據(jù)所述排隊(duì)模型的基本參數(shù)求得系統(tǒng)的平穩(wěn)分布”包括根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)的工作周期率R，確定當(dāng)所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中存在待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包時(shí)，下一跳節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)的概率P，根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中存在待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，下一跳節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)的概率P，確定當(dāng)所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列模型第η個(gè)時(shí)間單位隊(duì)列狀態(tài)為0，第η+1個(gè)時(shí)間單位隊(duì)列狀態(tài)為I時(shí)，狀態(tài)的轉(zhuǎn)化速率Xtl:λ0 = P λ-ρ2μ λ ;
根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中存在待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，下一跳節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)的概率P，確定當(dāng)所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列模型第η個(gè)時(shí)間單位隊(duì)列狀態(tài)為Μ，第η+1個(gè)時(shí)間單位隊(duì)列狀態(tài)為M-I時(shí)，狀態(tài)的轉(zhuǎn)化速率μ Μ :μ Μ = P μ ；根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中存在待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，下一跳節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)的概率P，確定當(dāng)所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列模型第η個(gè)時(shí)間單位隊(duì)列狀態(tài)為i，第η+1個(gè)時(shí)間單位隊(duì)列狀態(tài)為i+Ι時(shí)，(其中O < i < M且為整數(shù))狀態(tài)的轉(zhuǎn)化速率入i :λ i = λ - P λ μ ;根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中存在待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，下一跳節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)的概率P，確定當(dāng)所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列模型第η個(gè)時(shí)間單位隊(duì)列狀態(tài)為j，第η+1個(gè)時(shí)間單位隊(duì)列狀態(tài)為j-Ι時(shí)，(其中I≤j < M且為整數(shù))狀態(tài)的轉(zhuǎn)化速率μ j :
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括 使用排隊(duì)模型表示傳感節(jié)點(diǎn)的工作方式； 獲取所述排隊(duì)模型的基本參數(shù)； 根據(jù)所述排隊(duì)模型的基本參數(shù)求得系統(tǒng)的平穩(wěn)分布函數(shù)； 根據(jù)所述系統(tǒng)的平穩(wěn)分布函數(shù)求得數(shù)據(jù)包在排隊(duì)系統(tǒng)中的延遲； 其中，所述傳感節(jié)點(diǎn)的工作方式為傳感節(jié)點(diǎn)周期性地處于睡眠狀態(tài)和活躍狀態(tài) 當(dāng)所述傳感節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)時(shí)，接收其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，或者向下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包； 當(dāng)所述傳感節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)時(shí)，所述傳感節(jié)點(diǎn)不接收數(shù)據(jù)包也不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包； 所述模型的基本參數(shù)包括 所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的輸入速率λ ,表示所述傳感節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包的速率； 所述傳感節(jié)點(diǎn)服務(wù)速率μ，表示所述傳感節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速率； 所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的最大隊(duì)列長度Μ，表示所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中存在數(shù)據(jù)包的最大數(shù)量； 所述傳感節(jié)點(diǎn)的工作周期率R，表示所述傳感節(jié)點(diǎn)無線設(shè)備處于打開狀態(tài)與所述傳感節(jié)點(diǎn)無線設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間比例； 所述傳感節(jié)點(diǎn)最大重傳次數(shù)Nreta，表示重傳次數(shù)超過Nreta就丟棄數(shù)據(jù)包。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述傳感節(jié)點(diǎn)的睡眠狀態(tài)對(duì)應(yīng)于關(guān)閉天線設(shè)備的狀態(tài)，所述傳感節(jié)點(diǎn)的活躍狀態(tài)對(duì)應(yīng)于打開天線設(shè)備的狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述“使用排隊(duì)模型表示傳感節(jié)點(diǎn)的工作方式”包括 將每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)定義為一個(gè)容量有限且獨(dú)立的隊(duì)列，最大隊(duì)長為M ； 根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，數(shù)據(jù)包到達(dá)隊(duì)列的間隔時(shí)間分布和服務(wù)時(shí)間分布，確定測(cè)量數(shù)據(jù)包延遲的模型服從離散時(shí)間的Geom/Geom/1/M排隊(duì)模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述傳感節(jié)點(diǎn)定義的隊(duì)列長度為所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中存在數(shù)據(jù)包的數(shù)量，用于表示所述傳感節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述“獲取排隊(duì)模型的基本參數(shù)”包括 根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)確定所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的最大隊(duì)列長度Μ、所述傳感節(jié)點(diǎn)的工作周期率R和所述傳感節(jié)點(diǎn)最大重傳次數(shù)； 根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)接收由其他傳感節(jié)點(diǎn)直接產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的速率λ χ和所述傳感節(jié)點(diǎn)接收由其他傳感節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)的速率λP確定所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的輸入速率λ ； 根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)的歷史服務(wù)時(shí)間Ths和上一條數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間Tls，確定所述傳感節(jié)點(diǎn)所述傳感節(jié)點(diǎn)服務(wù)速率μ。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的輸入速率λ與所述傳感節(jié)點(diǎn)接收由其他傳感節(jié)點(diǎn)直接產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的速率λ χ和所述傳感節(jié)點(diǎn)接收由其他傳感節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)的速率λ ^的關(guān)系為 入-入1+入r O
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述傳感節(jié)點(diǎn)服務(wù)速率μ與所述傳感節(jié)點(diǎn)的歷史平均服務(wù)時(shí)間Ths和上一條完成服務(wù)的數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間Tls的關(guān)系為μ = I/[α Tls+(I-Q)ThJ其中，α為一個(gè)預(yù)設(shè)的經(jīng)驗(yàn)值。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述“根據(jù)所述排隊(duì)模型的基本參數(shù)求得系統(tǒng)的平穩(wěn)分布”包括 根據(jù)所述傳感節(jié)點(diǎn)的工作周期率R，確定當(dāng)所述傳感節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中存在待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包時(shí)，下一跳節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)的概率P，
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述系統(tǒng)的平穩(wěn)分布函數(shù)求得數(shù)據(jù)包在排隊(duì)系統(tǒng)中的延遲包括 根據(jù)所述系統(tǒng)的平穩(wěn)分布函數(shù)，確定某個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)入隊(duì)列之前的隊(duì)列長度Lp等于η的概率
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法適用于測(cè)量節(jié)能模式下無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的延遲性能。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延測(cè)量方法，所示方法包括使用排隊(duì)模型表示傳感節(jié)點(diǎn)的工作方式；獲取所述排隊(duì)模型的基本參數(shù)；根據(jù)所述排隊(duì)模型的基本參數(shù)求得系統(tǒng)的平穩(wěn)分布函數(shù)；根據(jù)所述系統(tǒng)的平穩(wěn)分布函數(shù)求得數(shù)據(jù)包在排隊(duì)系統(tǒng)中的延遲。本發(fā)明通過排隊(duì)理論對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的數(shù)據(jù)延遲進(jìn)行建模，考慮了下一跳節(jié)點(diǎn)是否打開天線設(shè)備、隊(duì)列溢出、信道競爭情況以及數(shù)據(jù)包重傳等因素，提供了一種測(cè)量節(jié)能模式下非同步的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的延遲性能的方法。
文檔編號(hào)H04L1/00GK102917399SQ20121047032
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者劉代波, 侯孟書, 劉云浩 申請(qǐng)人:無錫清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中心