基于N策略的物联网协作节点功率控制方法技术

本发明专利技术公开一种基于N策略的物联网协作节点功率控制方法，属于物联网技术领域。包括步骤：协作节点业务排队模型，协作节点能耗模型，采用排队理论分析系统性能，利用凸优化理论求解时延容忍门限下最优的协作节点能耗问题。本发明专利技术区别与以往的物联网延长节点生存周期的方法，从实际出发重点研究协作节点，提出一种基于N策略的协作节点休眠方法，在尽可能降低节点能耗的同时，也要兼顾系统的平均时延，做到节点能耗和数据包平均时延的折中，综合考虑节点休眠和业务的关系具有现实的指导意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物联网
，更具体地说，涉及一种基于N策略的物联网协作节点功率控制方法。
技术介绍
在现实生活中，简单的物联网应用已经出现在了我们的日常生活中。在一些超市里，部分商品已经使用电子标签(RFIDTAG)技术取代了以往的条形码来识别和跟踪商品的储存和流通，一些高速公路的收费系统也进行了改进，可以通过自动识别车辆来计费。在军事和民航领域，高空飞机的识别以及敌我识别技术也是物联网技术的成功应用。随着物联网技术的不断发展和成熟，更多的物联网技术将应用在我们的日常生活中。制约物联网研发应用的关键问题有许多，包括网络协议、能耗、定位、安全性等。在诸多热点问题中，能耗问题应该是物联网中最重要的一个环节。未来的物联网感知节点(电子标签、芯片植入等)都将是一次性使用的，并且使用寿命不确定，这就要求一方面在更小的空间内放入更大容量的电池，另一方面需要物联网感知节点的能耗尽可能低。无线电收发器作为一个极为消耗能量的部件，如果一直处于打开的状态，一方面节点会一直监听空闲信道，另一方面也会增加控制信令开销，这些都是无用功且会消耗大量能量。为此，物联网感知节点的功率控制的一个基本思想就是要让感知节点的无线电收发器具有工作和休眠两个状态。工作状态可以收发数据，休眠状态则可以避免长期监听信道造成不必要的能耗。为了延长网络的生存时间，很多物联网节能优化算法采用各种传输策略(如路由，功率控制和调度等)。其中物联网协作节点发送功率控制机制是物联网的拓扑控制研究方向之一，它主要是调节网络中每个节点的发送功率，在满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳可达邻居数目，剔除节点间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构，从而达到优化生存时间的目的。物联网协作作为一个重要的物联网应用，其协作节点的能耗问题显得更加重要。中国专利申请号201480045273.6，公开日2014年7月11日，公开了一份名称用于支持休眠节点的邻居发现，包括在所述多个节点中的第一节点处：接收以所述多个节点中的第二节点作为目标的分组；确定所述第二节点是被配置成进入低功率状态并暂停与所述第一节点的通信的休眠节点；确定所述第二节点的可达性状态；以及基于所确定的可达性状态对所述分组进行处理。该方法通过网络连通性来判断并调整节点的休眠情况。中国专利申请号201310218496.5，公开日2013年6月4日，公开了一份名称1X物联网设备中的深度休眠，包括应用处理元件，被配置为执行与物联网处理环境对应的一个或多个功能，并且被配置为指导通过一个或多个无线通信链路的射频消息的发送和接收；射频收发元件，被操作上耦接到所述应用处理元件，被配置为通过所述一个或多个无线通信链路发送和接收所述射频消息；以及深度休眠控制器，耦接到所述应用处理元件和所述射频收发元件，被配置为指导所述应用处理元件从对应的基站请求休眠时间，并被配置为一旦所述对应基站接受所述休眠时间，就促使物联网设备进入深度休眠模式，其中通过从所述射频收发元件除去电源来进入所述深度休眠模式。该方法给出节点深度休眠的的判断机制。中国专利申请号201310401598.0，公开日2013年9月6日，公开了一份名称一种延长物联网设备休眠周期的装置和方法，包括：一无线模块，用以执行与该物联网的无线传输与接收；以及一控制器模块，用以通过上述无线模块从上述服务网络接收一讯息，该讯息包括用于指示物联网的无线链路过载情况，当该物联网过载时，降低接入该物联网请求的数据传输速率。该方法简单有效，可以降低设备能耗。总的来说，申请号201480045273.6的公开材料通过网络连通性考虑物联网协作节点的休眠问题，但是采用的休眠机制过于简单，节能效果差。申请号201310218496.5的公开材料考虑网络节点的深度休眠问题，但是会产生极大的平均时延。申请号201310401598.0的公开材料考虑简单降低设备能耗的问题，但是产生大量时延，没有考虑能耗和时延的折中问题。
技术实现思路
针对现有的物联网协作节点功率控制方法未充分考虑节点休眠和业务的关系带来的性能改善、节点延时休眠、节点延时开启、低复杂度算法实际应用等问题，本专利技术提出一种基于N策略的物联网协作节点功率控制方法，在综合考虑节点休眠和业务的关系，增加节点延时休眠、节点延时开启的实际问题，辅助低复杂度迭代算法，最大化网络性能。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于N策略的物联网协作节点功率控制方法，包括以下步骤：步骤1:协作节点业务排队模型；建立协作节点休眠模型，把单个协作节点建模成一个带休假策略的M/G/1排队模型，考虑单服务员工作模式，数据包的到达服从参数为λ的泊松分布，每个数据的包转发看作一个独立同分布的一般过程，服务时间记成B，其期望为μ，方差为增加考虑协作节点休眠的关闭期D和协作节点唤醒后能够开始服务的启动期S，关闭期D服从一般分布，其拉普拉斯变换为D*(s)，定义启动期为S，方差为其拉普拉斯变换为S*(s)，定义N为系统队列中等待服务的业务数；步骤2:协作节点能耗模型；协作节点的一个工作周期可以被分割成若干个时间片，由忙期B，关闭期D，休眠期V和启动期S组成，定义忙期B，关闭期D，休眠期V和启动期S的功耗分别是PBS,PCD,PSL,PBS和PST，定义忙期B，关闭期D，休眠期V和启动期S在一整个协作节点的工作周期里面所占的时间比例分别是ηBS,ηCD,ηSL,ηBS和ηST，可以给出协作节点功耗的表达式如下：其中：P0和Pt分别表示协作节点在激活模式下的固定功耗和发送功耗，Δp表示由负载影响发射功率的约束因子，PBS＝P0+ΔpPt，PCD＝PID＝P0，进一步定义每比特能量消耗：其中：表示平均数据包的长度，协作节点在休眠期间需要探测是否休眠期间会有数据到达，开销Pcost＝ηSLPsniff，Psniff表示该策略为了探测队列中的数据达到N个的能量消耗；一般的服务分布下基于香农公式的服务时间μ和发射功率Pt的关系式：其中：g,Bw和N0分别代表信道增益，信道带宽和噪声功率谱密度；步骤3:采用排队理论分析系统性能；步骤3.1:采用随机分解方法推导平均逗留时间；借助于随机分解方法，研究系统的平均逗留时间，将它分解成两个部分，一部分是经典的M/G/1模型产生的平均逗留时间，另一部分是采用我们的休眠策略后导致的附件的平均逗留时间，其中：KV表示一个休假周期内数据包的平均到达个数；步骤3.2:推导该休眠策略下协作节点的每比特能耗；针对发送数据包来说，协作节点每比特能耗Ebit：其中：ρ＝λ/μ，表示一个休假周期的平均能耗；步骤4:利用凸优化理论求解时延容忍门限下最优的协作节点能耗问题；定义时延容忍门限t0，最优化问题P1如下：s.t.T≤t0其中，最优化问题的优化变量是一个休假周期内数据包的平均到达个数KV和一个休假周期内的平均能耗然后，采用经典的凸优化理论，寻找最优的和进一步的，所述优化问题P1的求解可以采用拉格朗日因子方法：再联立并用次梯度方法迭代求解，其中，β表示拉格朗日因子。进一步的，所述所述次梯度算法的迭代更新方程是：其中β(n)表示第n次迭代的拉格朗日因子，α(n)表示相应的迭代步长，所述迭代步长可以设置成：进一步的，所述步骤3还包括：一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于N策略的物联网协作节点功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1:协作节点业务排队模型；建立协作节点休眠模型，把单个协作节点建模成一个带休假策略的M/G/1排队模型，考虑单服务员工作模式，数据包的到达服从参数为λ的泊松分布，每个数据的包转发看作一个独立同分布的一般过程，服务时间记成B，其期望为μ，方差为增加考虑协作节点休眠的关闭期D和协作节点唤醒后能够开始服务的启动期S，关闭期D服从一般分布，其拉普拉斯变换为D*(s)，定义启动期为S，方差为其拉普拉斯变换为S*(s)，定义N为系统队列中等待服务的业务数；步骤2:协作节点能耗模型；协作节点的一个工作周期可以被分割成若干个时间片，由忙期B，关闭期D，休眠期V和启动期S组成，定义忙期B，关闭期D，休眠期V和启动期S的功耗分别是PBS,PCD,PSL,PBS和PST，定义忙期B，关闭期D，休眠期V和启动期S在一整个协作节点的工作周期里面所占的时间比例分别是ηBS,ηCD,ηSL,ηBS和ηST，可以给出协作节点功耗的表达式如下：其中：P0和Pt分别表示协作节点在激活模式下的固定功耗和发送功耗，Δp表示由负载影响发射功率的约束因子，PBS＝P0+ΔpPt，PCD＝PID＝P0，进一步定义每比特能量消耗：其中：表示平均数据包的长度，协作节点在休眠期间需要探测是否休眠期间会有数据到达，开销Pcost＝ηSLPsniff，Psniff表示该策略为了探测队列中的数据达到N个的能量消耗；一般的服务分布下基于香农公式的服务时间μ和发射功率Pt的关系式：其中：g,Bw和N0分别代表信道增益，信道带宽和噪声功率谱密度；步骤3:采用排队理论分析系统性能；步骤3.1:采用随机分解方法推导平均逗留时间；借助于随机分解方法，研究系统的平均逗留时间，将它分解成两个部分，一部分是 经典的M/G/1模型产生的平均逗留时间，另一部分是采用我们的休眠策略后导致的附件的平均逗留时间，其中：KV表示一个休假周期内数据包的平均到达个数；步骤3.2:推导该休眠策略下协作节点的每比特能耗；针对发送数据包来说，协作节点每比特能耗Ebit：其中：ρ＝λ/μ，表示一个休假周期的平均能耗；步骤4:利用凸优化理论求解时延容忍门限下最优的协作节点能耗问题；定义时延容忍门限t0，最优化问题P1如下：P1:s.t.T≤t0其中，最优化问题的优化变量是一个休假周期内数据包的平均到达个数KV和一个休假周期内的平均能耗然后，采用经典的凸优化理论，寻找最优的和...

【技术特征摘要】
1.一种基于N策略的物联网协作节点功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1:协作节点业务排队模型；建立协作节点休眠模型，把单个协作节点建模成一个带休假策略的M/G/1排队模型，考虑单服务员工作模式，数据包的到达服从参数为λ的泊松分布，每个数据的包转发看作一个独立同分布的一般过程，服务时间记成B，其期望为μ，方差为增加考虑协作节点休眠的关闭期D和协作节点唤醒后能够开始服务的启动期S，关闭期D服从一般分布，其拉普拉斯变换为D*(s)，定义启动期为S，方差为其拉普拉斯变换为S*(s)，定义N为系统队列中等待服务的业务数；步骤2:协作节点能耗模型；协作节点的一个工作周期可以被分割成若干个时间片，由忙期B，关闭期D，休眠期V和启动期S组成，定义忙期B，关闭期D，休眠期V和启动期S的功耗分别是PBS,PCD,PSL,PBS和PST，定义忙期B，关闭期D，休眠期V和启动期S在一整个协作节点的工作周期里面所占的时间比例分别是ηBS,ηCD,ηSL,ηBS和ηST，可以给出协作节点功耗的表达式如下：其中：P0和Pt分别表示协作节点在激活模式下的固定功耗和发送功耗，Δp表示由负载影响发射功率的约束因子，PBS＝P0+ΔpPt，PCD＝PID＝P0，进一步定义每比特能量消耗：其中：表示平均数据包的长度，协作节点在休眠期间需要探测是否休眠期间会有数据到达，开销Pcost＝ηSLPsniff，Psniff表示该策略为了探测队列中的数据达到N个的能量消耗；一般的服务分布下基于香农公式的服务时间μ和发射功率Pt的关系式：其中：g,Bw和N0分别代表信道增益，信道带宽和噪声功率谱密度；步骤3:采用排队理论分析系统性能；步骤3.1:采用随机分解方法推导平均逗留时间；借助于随机分解方法，研究系统的平均逗留时间，将它分解成两个部分，一部分是经典的M/G/1模型产生的平均逗留时间，另一部分是采用我们的休眠策略后导致的附件的平均逗留时间，其中：KV表示一个休假周期内数据包的平均到达个数；步骤3.2:推导该休眠策略下协作节点的每比特能耗；针对发送数据包来说，协作节点每比特能耗Ebit：其中：ρ＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛建芳，
申请(专利权)人：辛建芳，
类型：发明
国别省市：安徽;34