The invention discloses a highly reliable adaptive MAC layer scheduling method. It mainly solves the problem of energy consumption caused by idle interception of cluster head nodes in wireless sensor networks. The methods include: modeling wireless sensor networks; generating specific frame formats and embedding queue occupancy and delay in the frame control field; initializing action sets, selecting probability sets and feedback sets; coordinator using learning automata method to interact with the surrounding environment, updating its action and state; and dividing the whole learning process into three stages: initial stage In the stage of exploration and greed, the corresponding search strategy is adopted; the interaction between action and environment is evaluated, and the feedback and selection probability sets are updated; the relevant parameters determining duty cycle are selected based on the feedback sets to realize adaptive MAC layer scheduling. The embodiment of the present invention ensures that the node adaptively adjusts the duty cycle and minimizes power consumption during operation, and has wide application value.
【技术实现步骤摘要】
一种高可靠的自适应MAC层调度方法
本专利技术属于无线传感器网络
,特别涉及一种高可靠的自适应MAC层调度方法。
技术介绍
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 ...
【技术保护点】
1.一种高可靠的自适应MAC层调度方法,其特征在于,包括以下步骤:第一步,根据无线传感器网络环境进行模型建立,将学习自动机方法应用到无线传感器网络的环境之中,将传感器网络环境模型用三位数组E=(α,β,p)表示,其中α={α1,α2,....,αn}表示节点的占空比集合,β={β1,β2,...,βm}表示节点与环境交互输出的反馈信号,p={p1,p2,....,pn}表示一系列奖惩概率;第二步,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。具体的,每个终端设备在发送的每个数据帧的帧控制结构中嵌入队列占用率O和排队延迟D,该信息使用如图3所示的帧控制字段的3个保留位来嵌入;第三步,协调器(FFD)进行流量估算,生成一个流量自适应的占空比集合,每个协调器通过计算终端设备发送队列中的空闲监听、分组累积和延迟来估计传入业务;第四步,为协调初始化其动作集合,动作选择概率集合以及回馈集合;第五步,协调器(FFD)使用学习自动机方法(LA)方法与周围环境进行交互,采用P‑环境模型,反馈信号取值为0或‑1,若反馈信号取0时,概率定义如下:
【技术特征摘要】
1.一种高可靠的自适应MAC层调度方法,其特征在于,包括以下步骤:第一步,根据无线传感器网络环境进行模型建立,将学习自动机方法应用到无线传感器网络的环境之中,将传感器网络环境模型用三位数组E=(α,β,p)表示,其中α={α1,α2,....,αn}表示节点的占空比集合,β={β1,β2,...,βm}表示节点与环境交互输出的反馈信号,p={p1,p2,....,pn}表示一系列奖惩概率;第二步,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。具体的,每个终端设备在发送的每个数据帧的帧控制结构中嵌入队列占用率O和排队延迟D,该信息使用如图3所示的帧控制字段的3个保留位来嵌入;第三步,协调器(FFD)进行流量估算,生成一个流量自适应的占空比集合,每个协调器通过计算终端设备发送队列中的空闲监听、分组累积和延迟来估计传入业务;第四步,为协调初始化其动作集合,动作选择概率集合以及回馈集合;第五步,协调器(FFD)使用学习自动机方法(LA)方法与周围环境进行交互,采用P-环境模型,反馈信号取值为0或-1,若反馈信号取0时,概率定义如下:若反馈信号取-1时,概率定义如下:第六步,选择探索策略:不同时期选择不一样的探索策略,将整个学习过程分成三个阶段,初始阶段采用循环搜索策略,探索阶段采用随机搜索策略,贪婪阶段则采用贪心策略;第七步,评估该动作与环境交互后对数据传输的影响,更新反馈集合,更新动作选择概率集合;第八步,选择动作,即基于反馈集合选择决定占空比的BO和SO标准参数,选择最优的占空比,其中,BO参数定义如下:BO=max(4,|A|→(BI-SD)<δ)(3)2.根据权利要求1所述的一种高可靠的自适应MAC层调度方法,其特征在于,所述的网络环境模型建立,具体是,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={α1,α2,....,αn}表示节点自动学习即输入的有限动作集,在本发明中表示节点的占空比集合;β={β1,β2,...,βm}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,p={p1,p2,....,pn}表示一系列奖惩概率,每个惩罚概率pi都和给定的输入变量αi有关。根据反馈信号β,可以将环境划分为P型环境,Q型环境,S型环境3种类型。本发明采用P-模型对无线传感器网络环境进行模型建立,反馈信号为布尔值(0或1),即β仅用二进制的0和1描述。其中,αi(αi∈α)表示学习自动机选择的活动,p(t)表示在t时刻的概率向量,用Preward表示奖励因子,用Ppenalty表示惩罚因子,用这两个因子分别来确定增加或者减少活动的概率,概率向量P(t)更新定义如下:如果活动被随机环境奖励,则其活动概率向量P(t)更新定义如下:3.根据权利要求1所述的一种高可靠的自适应MAC层调度方法,其特征在于,节点生成特定帧结构格式,具体的是,每个终端设备在发送的每个数据帧的帧控制结构中嵌入队列占用率O和排队延迟D,该信息使用如图3所示的帧控制字段的3个保留位来嵌入。具体的,每个发送节点使用两个比特来表示4个不同级别的队列占用率oi,而排队延迟di被划分为2个级别。通过这个信息,协调器可以估计队列占用率O和排队延迟D。队列占用率O定义如下:需要说明的是,通过3个保留位的信息,协调器可以估计队列占用率O和排队延迟D,如果存在节点设备达到或超过可以存储在其队列中的最大帧数,则等于1。否则,它等于表示在分组累积的CAP中接收到的第一消息的平均排队占用,即非活动时段期间队列占用率最高的时间。需要说明的是,每个终端设备i的排队延时位Di表示当前信标间隔BI与定义的延时阈值Dth最小值的一个比较,如果小于该最小值,则排队延时位Di为′0′,否则为′1′。协调器将延迟标志为节点设备发送的最大延迟。这样做是为了保证任何节点在排队延迟高于阈值时仍然可以进行数据传输。4.根据权利要求1所述的一种高可靠的自适应MAC层调度方法,其特征在于,协调器(FFD)进行流量估算,具体是每个协调器通过计算终端设备发送队列中的空闲监听、分组累积和延迟来估计传入业务。空闲监听IL的表达式如下:IL=1.0-SFu(7)其中,SFu表示超帧利用率,是终端设备占用超帧的时间与可用于数据通信的总时间之间的比例,定义为:其中,SD为超帧持续时间,Tb协调器为信标传输花费的时间,Tc表示由于帧冲突而设备占用信道的时间,Tr是用于数据接收的时间,Ts定义如下:Ts=TCCA+TDATA+TIFS+TACK(9)其中,TCCA表示每一帧数据发送过程中的信道评估时间,TDATA表示数据传输时间,TIFS表示帧间间隔,TACK表示确认接收时间。5.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员:刘元安,张洪光,王怡浩,范文浩,吴帆,谢刚,
申请(专利权)人:北京邮电大学,
类型:发明
国别省市:北京,11
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