[发明专利]一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法

说明书

本发明公开了一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法。周期性休眠唤醒机制会引发很大的端到端延迟，这对延迟敏感无线传感网络来说是致命的。本发明提出了一种根据剩余能量系数提高远基站区域节点占空比和传输半径的方法。远基站区域节点综合考虑自身剩余能量和端到端延迟后得到一个剩余能量系数ε。ε会将节点的剩余能量划分为两部分，一部分用于提高占空比，另一部分用于扩大传输半径。实验结果表明此时得到的占空比和传输半径的值是使得端到端延迟最优的值。对于节点剩余能量的充分利用，提高了网络的能量利用率。近基站节点保持初始的占空比和传输半径不变，保证了网络寿命。

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，特别涉及一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法。

背景技术

无线传感网络中的传感器节点一般使用电池供电，且通常部署在条件恶劣或人类很难进入的环境中，因此替换节点或补充节点能量的操作是难以实现的，一旦电池能量用尽，节点就会失效。大量研究显示处于工作状态下节点的能耗是处于休眠状态下节点能耗的100甚至1000倍。周期性休眠唤醒机制是目前无线传感网络中最节能的方式之一，其策略是网络中每个节点独立安排自己周期性的休眠和唤醒，节点只在需要通信时处于工作状态，而在其余时间均处于休眠，从而极大地减少了能量消耗。通常将节点在一个周期内处于工作状态的时间长度与整个周期时间长度的比值称为占空比。

无线传感网络为所有基于传感器的系统和应用提供高效的数据感知和采集功能，其主要任务是对紧急事件的检测，尤其是在一些特殊应用场景下，如森林火灾监测、火山爆发预测等。这些应用对网络延迟有着较高的要求，如果不能及时的将异常事件发送给基站，就会造成严重的人身财产安全损失。由于节点并不是时时刻刻都处于工作状态，因此发送节点不得不等待传输范围内的下一跳节点醒来，这会带来较长的睡眠延迟。无线传感网络节点之间通过多跳路由的方式将数据传输到基站，在每一跳上会累积睡眠延迟，最终会导致端到端延迟十分严重，这对上述如森林火灾监测等延迟敏感无线传感网络来说是致命的。

在以往对延迟敏感无线传感网络的研究中主要存在下述两点不足：(1)大多数研究都是针对每一跳中继节点的睡眠延迟进行优化的，这些策略在端到端延迟上往往并不是最优甚至有时效果并不理想。(2)很少有研究能够保持高的网络寿命的同时大幅度的减少端到端延迟。其困难在于：从减少网络延迟的角度出发，就需要使节点更多地处于工作状态，即提高节点占空比，但这又会增加节点的能量消耗，降低网络寿命。反之,要提高网络寿命就要减少节点的占空比,从而增大了延迟。这种矛盾在以往的研究中都没有得到较好的解决。

综上所述，本文拟研究一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法，在保证网络寿命的前提下，减少端到端延迟，提高网络性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少延迟敏感无线传感网络中端到端延迟的方法，在保证网络寿命的同时最小化端到端延迟。

将无线传感网络中距离基站为1跳的节点所在的区域称为近基站区域，距离基站为1跳以上的节点所在的区域称为远基站区域。无线传感网络节点之间通过多跳路由方式将所有数据传送给基站节点，这种“多对一”数据传输模式导致近基站区域需要承担更大的通信负载，容易过早耗尽自身的能量而死亡。研究表明，当网络死亡时，远基站区域还剩余高达80％的能量。在本发明中，远基站区域节点综合考虑自身剩余能量和端到端延迟，得到一个使得端到端延迟最优的剩余能量系数ε。ε会将节点的剩余能量划分为两部分，一部分用于提高占空比，另一部分用于扩大传输半径。较大的传输半径不仅可以降低一跳延迟，还可以减少数据包到达基站所需的跳数，从而更有效地降低端到端延迟。近基站区域节点保持初始占空比和传输半径不变，因此本发明并不会增加近基站区域节点的能量消耗，不会损害网络寿命。

确定节点的剩余能量系数ε的具体方法如下：

步骤1：设节点的初始占空比为λ，初始传输半径为r，初始情况下剩余能量系数ε_x＝0；

步骤2：计算节点的端到端延迟：