[发明专利]一种高可靠的自适应MAC层调度方法

说明书

本发明公布了一种高可靠的自适应MAC层调度方法。主要解决无线传感器网络中簇头节点由于空闲侦听造成大量能耗的问题。所述方法包括：对无线传感器网络进行模型建立；生成特定帧格式，在帧控制字段中嵌入队列占用率与延时；初始化动作集合，选择概率集合以及回馈集合；协调器利用学习自动机方法与周围环境进行交互，更新其动作与状态；将整个学习过程分为三个阶段：初始阶段、探索阶段和贪婪阶段，采取相应的搜索策略；评估动作与环境交互的作用，更新反馈与选择概率集合；基于反馈集合选取决定占空比的相关参数，实现自适应的MAC层调度。本发明实施例，保证节点在运行期间内自适应调整占空比，最小化功耗，具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，特别涉及一种高可靠的自适应MAC层调度方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN)节点通常是电池供电的，并且在许多部署环境中，更换电池或电磁充电都是昂贵的，甚至不可行的。因此，低功耗被认为是无线传感器网络通信协议的最重要指标。具体来说，节点不知道其他节点何时发生数据，故节点即使在空闲状态下，收发器也将持续处于接收模式。空闲侦听被认为是能源浪费的主要问题之一。

目前，最广泛被采用的IEEE802.15.4标准定义了几种不同类型的节点：全功能设备(FFD)也称为启用信标的设备，可以作为个人区域网络协调器，簇头或路由器运行，部分功能设备(RFD)也称为非信标设备，只能作为终端设备运行。在FFD充当簇头时，由于FFD无法预测其他传感器节点何时将其数据发送给它们，因此它们需要始终处于接收模式以接收所有收集到的信息，这样会迅速耗尽其能量。为了克服这个问题，标准规范定义了启用信标的模式。此模式支持信标帧从协调器传输到允许节点同步的终端设备。这样使得所有设备在协调传输之间进行休眠，有助于减少空闲侦听，从而延长网络寿命。

近年来，针对这种情况，提出了许多占空比调节算法，例如修改MAC帧头中存在的保留帧控制字段，收集节点的发送队列占用以及端到端延迟等信息来选择占空比；还有一种方案采用强化学习的方式，其主要目标是找到最佳的占空比，设计了一种在WSN环境中调整SMAC协议睡眠时间的方案，所提出的方案是以排队等待发送的帧数作为状态，以保留的活动时间为动作。然而，这意味需要存储大量的状态-动作对，在内存资源受限的无线传感器节点中是不可取的。最近有提出基于标准CAP结束时设备发出的忙音的CAP的扩展。仅当设备发送其所有数据帧失败时才发送忙音。如果在CAP结束时任何设备的传输队列中存在一些实时数据，则扩展CAP。然而，这些扩展不符合标准，需要修改超帧结构。

发明内容

本发明实施例提供一种高可靠的自适应MAC层调度方法，在运行期间内自适应调整占空比，不需要人为干预，以便最小化功耗，同时平衡成功的数据传递的概率和应用的延迟约束。

为达到上述目的，本发明实施例提供了一种高可靠的自适应MAC层调度方法，应用于无线传感器网络中的协调器设备上，方法包括：

根据无线传感器网络环境进行模型建立，无线传感器网络环境模型由三维数组E＝(α，β，p)表示，其中α表示节点自动学习即输入的动作集，在本发明中表示节点的占空比集合；β表示节点选择合适的占空比之后与环境交互输出的反馈信号。

具体的，根据β取值类型的不同可以将环境分为P-模型和Q-模型：在P-模型中，反馈信号为布尔值(0或1)；在Q-模型中，反馈信号为[0，1]内连续的随机变量。P-模型由于其控制模型简单易用，故本发明采用P-模型。p＝{p₁，p₂，...，p_r}表示一系列奖惩概率，并且每一个学习自动机动作α_i都有一个相应的p_i。

节点生成特定帧结构格式，利用帧控制字段的保留位嵌入队列占用率与排队延时等参数。