时效性约束下无线传感网络生命期最大化的跨层优化方法

摘要

本发明涉及一种时效性约束下无线传感网络生命期最大化的跨层优化方法。各节点以一个路由更新期为周期，通过在路由更新包里增加信息位的方法，将周围无线信道信息传送至信宿节点。针对每个节点到达信宿节点的每条可选路径，信宿节点在一定的路径重传次数约束条件下进行最优化计算，得到每条路径上各节点的最优发射功率，使得每条路径上的能量消耗最小；同时在此基础上，针对各节点的每条可选路径，通过计算分配最优的路径使用比例，使得网络生命期最大化。信宿节点通过路由更新确认包，将最优结果传给各个节点。本发明方法在保障网络数据包时效性的同时，能大大提高网络寿命，还具有实时跟踪信道、低开销、易实现等特点，能带来可观的经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种时效性约束下无线传感网络生命期最大化的跨层优化方法，用以保障数据包传输时效性的要求，具有良好的能量效率和网络生命期，特别适用于对业务实时性要求较高的无线传感网业务。

背景技术

近年来，随着传感器、无线通信、嵌入式系统等技术的不断发展，无线传感网方面研究也在逐渐深入。无线传器网的节点一般是由电池供电的，与传统的Ad hoc网络相比，无线传器网对节点能耗有更加苛刻的要求，所以最大化网络的生命期是网络设计者需要优先考虑的问题。国内外许多研究机构在最大化网络生命期的问题上展开了深入而广泛的研究工作，包括能量有效的媒体接入层(MAC)协议和路由协议等等。其中，参考文献“An Energy-Efficient MACProtocol for Wireless Sensor Networks”(Ye W，Heidemann J，Estrin D.INFOCOM 2002.2002.1567-1576)提出了一种针对无线传感网的典型MAC协议--SMAC协议，它采用了周期性的睡眠唤醒机制，并且采用了虚拟簇的概念，同一个簇内的节点保持相同的时间调度，相比传统的IEEE802.11协议节省了很多能量，延长了网络生命期。

与此同时，随着无线传感网应用的不断拓展和深入，许多传感网的应用对数据时效性的要求也越来越高。如在目标跟踪、森林火灾报警等应用中，数据包需要在一定时间范围内从源节点传输到信宿节点，以保障信息的有效性。因此，数据时效性成为了无线传感网中的一个重要评价指标，尤其是实时性很强的无线传感网业务。参考文献“Probabilistic QoS Guarantee in Reliabilityand Timeliness Domains in Wireless Sensor Networks”(E.Felemban，C.G.Lee，E.Ekici，R.Boder，S.Vural.INFOCOM 2005.2005.2646-2657)提出了无线传感网中一种考虑可靠性和时效性的协议Multi-Path andMulti-Speed Routing Protocol(MMSPEED)，该协议综合考虑了端到端的数据可靠性和时效性，有效保障了网络的QoS性能。

从无线传感网的能量效率和数据实时性要求两方面考虑，它们存在着一个性能的折衷。一些学者在这些方面做了研究工作。参考文献“On Optimal Pathand Source Redundancy for Achieving QoS and Maximizing Lifetime ofQuery-Based Wireless Sensor Networks”(A.P.Speer，I.R.Chen.MASCOTS’06，2006，51-60)研究了基于查询的无线传感网中网络生命期和服务质量(QoS)的性能折衷分析；参考文献“Tradeoff between Energy-Efficiency andTimeliness of Neighbor Discovery in Self-Organizing Ad Hoc and SensorNetworks”(L.Galluccio，A.Leonardi，G.Morabito，S.Palazzo.HICSS’05，2005，286-296)提出了一个马尔可夫分析模型来研究自组织Ad Hoc网和传感网中邻居发现机制中的能量效率和数据时效性的折衷。

在现有的对无线传感网能量效率的研究中，通常采用传统IP网络的开放系统互连(OSI)分层协议模型。它简化了复杂的网络设计，降低成本，提高执行效率等性能，但是优化通常是在某一个具体的网络层次进行，网络性能改善比较有限，而且通常是以牺牲网络延时性能为代价来换取能量效率的提高。这个问题，制约了无线传感网向更具潜力的实时性业务发展。打破传统的层次观念，以实现网络性能优化为目标，联合网络各个层次进行跨层优化，实现各层次之间的信息无缝交互，对实现网络QoS保障，改善网络整体性能，有着积极的意义。因此，研究良好的跨层优化技术，在保障数据时效性的基础上，使网络生命期最大化，对改善网络的能量效率等整体性能，使之适用于实时性的无线传感网业务，有着十分广阔的应用空间。

发明内容

本发明的目的在于针对目前在无线传感网络关于实时性应用需要的不断增长，传统的提高网络能量效率的方法已不适用的这一问题，提出一种时效性约束下无线传感网络生命期最大化的跨层优化方法，从而有效保障数据包传输时效性的要求，同时提高网络能量效率和网络生命期，以适应实时性要求较高的无线传感网业务发展的需要。

为实现这样的目的，本发明联合考虑了无线传感网中物理层的功率控制技术，MAC层的数据重传机制和网络层的路径选择机制，基于数据包的时效性约束，进行网络生命期的最大化设计，并将该问题转化为两个最优化子问题，第一个是优化设计每条路径上各个节点的发射功率，使路径上的总体能量消耗最小化；第二个是设计优化的路径分配比例因子，使得整个网络的能量消耗最小化。

本发明的方法包括如下具体步骤：

1、在一个路由更新期间内，针对每条到达信宿节点的路径，每个节点采用固定功率发送携带训练序列的路由更新数据包，接收节点根据接收信号，估计出这段路由更新期间内的链路信道增益、噪声功率谱密度、链路的信噪比；接收节点在路由更新数据包里携带链路信道增益、噪声功率谱密度、链路的信噪比信息，通过路由更新包传输；由此将信息通过多跳方式传送至信宿节点；信宿节点根据收集的信道信息，确保满足该路径上各跳重传次数之和小于等于给定重传次数阈值的条件，并通过最优化计算，得到该路径上各个节点的最优发射功率。

2、针对每个节点达到信宿节点的多条路径，在同一个路由更新周期内，信宿节点根据收集的路由更新包信息，确定该节点至信宿节点的多条路径以及各路径上各节点的最优发射功率；在各节点采用最优发射功率的基础上，以网络生命期最大化为目标，信宿节点根据最优化计算，得到该节点各条路径的使用比例。

3、信宿节点将每条路径上各节点的最优发射功率和该路径的使用比例，通过路由更新确认包携带信息的方式，回传给该路径上的各节点，完成整个优化过程。

本发明方法在有效保障传感网数据时效性的基础上，很好地改善网络的能量效率，提高网络的使用寿命，同时具有实时跟踪信道、低开销和易实现等特点，有着良好的经济效益和应用前景。本发明特别适用于对业务实时性要求较高的无线传感网业务。

附图说明

图1为本发明实施例的一个场景图。

图2为本发明中路径功率分配方案在能量节省方面的性能比较图。

图3为本发明中路径分配方案在能量平衡方面的性能比较图。

图4为本发明方法在网络生命期方面的性能比较图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例不构成对本发明的限定。

在本发明的一个实施例中，场景是一个由16个节点和一个信宿节点组成的多跳拓扑结构，如图1所示。其中0号节点是信宿节点，设置在区域的中央。每个节点到达信宿节点的可能路径如表所示：

表1 节点可选路径

 

节点编号可选路径11-12-0，1-13-022-13-033-13-0，3-14-044-14-055-14-066-5-14-0，6-15-077-15-0，7-16-088-16-0，8-11-099-11-01010-11-0，10-12-01111-01212-01313-01414-01515-01616-0

1)路径最佳功率控制方案实施阶段：

在网络的路由更新时间T_s内，将本节点附近的无线信道环境信息进行收集，并通过无线多跳的形式传送给信宿节点。收集的方法是，每个节点按照固定的功率发送携带一定的训练序列的路由更新数据包，接收节点收到信息后进行信道估计，并将信道增益G_i，噪声功率谱密度N₀，链路的信噪比SNR_i等信道信息，通过在路由更新包增加信息位的方式传给信宿节点。假设节点周围信道采用Shadowing无线信道模型进行近似，那么信道增益可用公式G_i(d)＝G_i(d₀)(d/d₀)^-βX_σ给出。其中d是发射节点和接收节点间的距离，d₀是参考距离，β是路径衰减因子，X_σ是对数正态衰减系数。

信宿节点根据路由表得出网络中每条路径上的所有节点编号，并结合传输过来的信道信息，以最小化路径能量消耗为目标，进行路径上各个节点发射功率P_t，i的最优化设计。如以路径6-5-14-0为例，它包含3个节点和一个信宿，每个节点在该路径上的发射功率分别为P_t，1，P_t，2，P_t，3。该路径包含3跳，为使得在该路径上各跳重传次数之和小于等于给定重传次数阈值的条件下，传输每个数据包的路径能量消耗最小，设计了最优化问题：

minimize： $\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}[\overline{M_i}(E_t^{\mathrm{RTS}}+E_r^{\mathrm{CTS}}+E_{t,i}^{\mathrm{DATA}})+E_r^{\mathrm{ACK}}]+$

           $\underset{i=1}{\overset{2}{\Sigma }}[\overline{M_i}(E_r^{\mathrm{RTS}}+E_t^{\mathrm{CTS}}+E_r^{\mathrm{DATA}})+E_t^{\mathrm{ACK}}]$

subject to：$\underset{I=1}{\overset{3}{\Sigma }}\overline{M_i}\le M_{\mathrm{th}},$

             P_t，i≤P_max

其中每跳重传次数$\overline{M_i}=\underset{n=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}{\mathrm{np}}_{s,i}{(1-p_{s,i})}^{n-1},$p_s，i是数据包的传输成功概率，是信道增益，发射功率和噪声功率谱的函数通过求解上述最优化问题，可以得到该路径上三个节点6，5，14对应于该路径的最优发射功率P_t，1，P_t，2，P_t，3，使得在该路径上传输数据的能量消耗最小。

经过对每个路径上各个节点的发射功率优化设计后，每条路径上传输数据所消耗的能量将最小化。

2)能量有效的路径分配方案实施阶段：

我们知道，若采用某一条单一路径作为节点和信宿节点之间数据的传输路径，那么很快该路径上的节点能量就会耗完。因此，需要平衡使用节点s的多条可选路径，才能保证网络节点的生命期最大化。在同一个路由更新周期内，信宿节点通过收集的路由更新包信息，确定该节点至信宿节点的多条路径，并采用路径最优功率控制方案对每条路径进行路径能量消耗最小化，在此基础上，信宿节点优化计算每个节点s的第p条路径的使用比例f_s，p，使得整个网络生命期T最大化，即最优化问题：

minimize：

subject to：$\frac{1}{T}=\frac{E_{\mathrm{rate},i}}{E_{\mathrm{init},i}}+v_i,\mathrm{for><mo>,</mo>}$

            $\left(\begin{array}{cc}\underset{p=1}{\overset{Q_s}{\Sigma }}{f}_{s,p}=1& \mathrm{for><mo>,</mo>}\end{array}\right)$

            f_s，p≥0，for all s，p，

            v_i≥0，for all i

该问题是一个标准的线性规划问题，采用一些经典的线性规划问题的解法能够很好地进行求解。

3)最优结果阶段：

信宿节点将优化后的各路径上各节点发射功率信息和路径最优使用比例，通过在路由更新确认包里携带信息的方式回传给各个节点；各节点收到信息后，将发射功率信息写入到路由表对应的路径的节点位置后，并按照优化发射功率传输数据；同时每个节点对路由表中到达信宿节点的路径，按照路径比例分配因子f_s，p进行数据包传输的路径选择，以平衡网络能量消耗，最大化网络生命期。如对节点6，有2跳可选路径到达信宿节点，分别是路径1(6-5-14-0)和路径2(6-15-0)，路径的比例分配因子为f_s，1，f_s，2。对节点6的每一个数据包，节点6在传输之前随机产生一个0～1之间的随机数x，若x在(0，f_s，1)之间，则选择路径1；若x在(f_s，1，1)之间，则选择路径2。这种优化设计方法，有效地平衡了网络消耗，延长了网络的生命期。

通过仿真实验，得到了本发明在延长网络生命期方面的性能。图2给出了本发明中路径功率分配方案(OPCS)与非功率控制方案(NPCS)、接收功率控制方案(EPCS)在能量节省方面的性能比较图。NPCS方案没有采用功率控制，EPCS方案采取所有节点接收功率相等的功率控制方案。从图2中可以看出，在相同的数据包时效性的要求下，本发明中的OPCS方案相比两种传统方案，能有效降低路径能量消耗。图3给出了在OPCS方案下，采取本发明中的能量有效路径分配方案(EPAS)与传统的单路径方案(SPAS)和等比例路径分配方案(FPAS)在节点能耗方面的性能。从图3中各种方案下网络节点平均能量消耗率的累积分布函数(cdf)可以看出，相比传统的两种方案，EBPAS方案下的网络各节点能量消耗比较低，而且各节点的能量消耗也比较平均。图4给出了上述3种方案下的网络生命期比较。可以看出，本发明方法相对于传统的两种方案而言，能大大延长网络的生命期，改善网络的能量效率。从以上仿真对比实验可以说明，本发明方法在有效保障传感网数据时效性的基础上，能很好地改善网络的能量效率，提高网络的使用寿命，同时具有实时跟踪信道、低开销和易实现等特点，有着良好的经济效益和应用前景。