软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法技术

本发明专利技术公开了一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法。该方法考虑利用节点剩余能量增加节点的占空比，使得一次广播就能让多个节点接收到程序，达到快速传播的目的。占空比的提高在保证网络寿命的同时使得传输次数和传输延迟得到降低。节点能量消耗与占空比存在正相关关系，占空比增加又会使得传输延迟得到降低，由于网络死亡时距离基站较远的区域仍存在大量能量，充分利用这些剩余能量提高这部分区域中节点的占空比，使其能够及时接收程序代码，这就在保证传输次数和传输延迟都能得到降低的情况下，而不会对网络寿命造成影响。

【技术实现步骤摘要】
软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法
本专利技术属于软件自定义无线网络领域，特别涉及一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法。
技术介绍
各种数字设备连接到云计算网络以及雾计算网络导致数据量如今呈爆炸性方式增长。雾计算网络中，为了提高边缘接入设备的智能化，使用无线软件定义网络进行大量的设备更新、升级和重新配置，让部署的设备获得新的活力。大数据的一个重要应用是扩散程序代码，程序代码扩展到设备的过程是大数据采集的逆操作。程序代码从数据采集中心扩散到网络边缘的过程在无线传感器网络领域中得到了广泛的应用。无线传感器网络是一种很有前途的平台，被广泛应用于军事和民用领域。在一个智能软件自定义无线网络中，许多传感器节点被部署在被监视区域内，传感器节点感知来自周围环境的数据，然后将感测的数据发送到基站。基站从发送消息的设备接收到信息后，对设备进行更新或重新配置软件。与传统的工业自动化系统相比，使用有线通信，智能无线软件定义网络带来显着的优势，包括降低成本，更高的灵活性和自组织能力，从而显着提高了工业效率和生产力。广播是软件自定义无线传感器网络的基本操作。给定一个基站，目标是利用最小传输广播方式将数据包传递给所有节点并使得传输延迟最小，这个问题被称为最小传输广播。在许多应用例如火警报警系统中中，往往对通信传输延迟有非常严格的要求。然而，在这样的环境下也对软件自定义无线网络的代码扩散性设计提出了严峻的挑战。首先，传感器节点的能量有限，传感器节点通常采用循环式，在休眠和活跃两个状态之间进行切换。由于节点的占空比类型，程序代码需要在网络中传输多个节点。因此，最小传输广播问题在有占空比的网络中是很难的。其次，寿命和延迟之间的权衡问题是一项艰巨的任务。由于节点的占空比要大到能够将程序代码快速传输到网络中的所有节点，并且节点的占空比应该尽可能小，以延长网络的生存期。因此，如何减少网络传输延迟，同时保持网络的生存时间是一个挑战性的问题。目前，关于软件自定义无线网络广播方面的研究根据不同的应用需求分为以下几种：(1)最小传输广播问题。主要考虑如何减少广播次数。在以往的方案中，考虑节点始终处于活跃状态，因此减少传输次数就要找到一个网络的最小连通支配集使得集合中的节点可以覆盖整个网络，这样，只需向某个节点广播一次程序代码则网络中的所有节点都可以接收程序代码。(2)最小等待时间的广播调度。在这些方案中，不仅减少了节点的能量消耗，而且还减少了传输程序代码的时间。
技术实现思路
本专利技术提供了一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法，用于快速传播并减少传输次数和降低传输延迟，其特征在于：在能及时接收程序代码前提下调整节点占空比至最小值，对于远离基站节点利用其剩余能量增加节点的占空比以传降低输延迟。广播性能取决于网络中节点的占空比，较大的占空比带来更高的监控性能但同时也会使得节点能耗增加而加速网络死亡，因此，在保证能及时接收程序代码前提下将节点占空比调整至最小值，可以在不影响数据传输的前提下节约网络能量消耗。距离基站较近区域节点能耗较大，将这部分区域称为热区，则远离基站区域称为非热区，非热区节点能量消耗较少因此在网络死亡时仍有大量的能量剩余，这些节点的占空比可以增加，使得一次广播就能让多个节点接收到程序，达到快速传播的目的，同时占空比的提高可以减少传输延迟，动态调整节点占空比可以实现更好更全面的广播性能，提高程序代码扩散性的同时不影响网络寿命。若节点初始能量为Einit，节点vi距离基站i米远，则在数据工作周期为τc、活跃周期即占空比为τa的情况下，节点剩余能量可以计算为:其中，是节点感知数据能量消耗；是发送一个数据包的能量消耗，是接收功率消耗，是传输功率消耗，θd是分组持续时间，θp和θa分别是前导时间和ACK窗口时间节点，vi的发送和接收数据量分别表示为和若热区节点发送和接收数据包的数量分别为和距离基站i米远的节点vi的发送和接收数据量分别表示为和节点vi活跃期表示为热区节点的活跃期表示为则可以被计算为：上式中，距离基站i米远的节点用vi表示，若有Nk个活动时间槽数目为k的节点(k的取值范围是在工作周期T中)，表示这Nk个节点邻居节点的集合，是集合中的节点数目，是这Nk个节点的集合，则且|Γk|＝Nk，其中则传输次数Ψ可以计算为：同样的，若距离基站i米远的节点用vi表示，若有Nk个活动时间槽数目为k的节点，表示这Nk个节点邻居节点的集合，是集合中的节点数目，是集合中节点的最大活跃时隙，是这Nk个节点的集合，Ω＝{γ1,γ2,γ3,...,γT}，可知且|Γk|＝Nk，其中则传输延迟Φ可以计算为：综上所述，本专利技术采用的可调占空比的方法能够在保证及时接收程序代码前提下调整节点占空比至最小值，也就是在不影响数据传输延迟的前提下节约网络能量消耗。由于非热区节点在网络死亡时依然有大量剩余能量，因此考虑对于非热区节点利用其剩余能量增加节点的占空比，占空比的提高使得一次广播就能让多个节点接收到程序，达到快速传播的目的，占空比与广播次数和数据延迟呈负相关关系，由此可知对于节点占空比的提高能够达到减少传输次数和降低传输延迟的目的，同时，热区节点的占空比并未改变因此不会对网络寿命造成影响。附图说明图1为本专利技术方法的总体结构图；图2为本专利技术所述方法下占空比与广播次数的关系；图3为本专利技术所述方法下占空比与传输延迟的关系；图4为利用非热区节点剩余能量用于增加占空比的示意图；图5为本专利技术方法中网络不同位置节点的能量消耗；图6为在本专利技术方法中网络不同位置节点调整占空比的数值大小；图7为使用本专利技术方法和基于近似水平方法两种方案下的能耗；图8为使用本专利技术方法和基于近似水平方法在不同占空比下的能耗对比图；图9为使用本专利技术方法和基于近似水平方法在不同占空比下的网络寿命对比图；图10为使用本专利技术方法和基于近似水平方法在不同占空比下的能量有效利用率对比图；图11为在|T|＝20情况下使用本专利技术方法和基于近似水平方法的广播次数对比图；图12为在|T|＝60情况下使用本专利技术方法和基于近似水平方法的广播次数对比图；图13为在|T|＝20情况下使用本专利技术方法和基于近似水平方法的传输延迟对比图；图14为在|T|＝60情况下使用本专利技术方法和基于近似水平方法的传输延迟对比图。具体实施方式下面将结合实例和附图对本专利技术做进一步的说明。一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法，如图1所示，用于减少传输次数和降低传输延迟，在能及时接收程序代码前提下调整节点占空比至最小值，对于远离基站节点利用其剩余能量增加节点的占空比以传降低输延迟。广播性能取决于网络中节点的占空比，较大的占空比带来更高的监控性能但同时也会使得节点能耗增加而加速网络死亡，因此，在保证能及时接收程序代码前提下将节点占空比调整至最小值，可以在不影响数据传输的前提下节约网络能量消耗。距离基站较近区域节点能耗较大，将这部分区域称为热区，则远离基站区域称为非热区，非热区节点能量消耗较少因此在网络死亡时仍有大量的能量剩余，这些节点的占空比可以增加，以减少传输延迟，动态调整节点占空比可以实现更好更全面的广播性能，提高程序代码扩散性的同时不影响网络寿命。图1为本专利技术方法的总体结构图，显示了形成的整个广播网本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法，用于快速传播并减少传输次数和降低传输延迟，其特征在于：保证能及时接收程序代码前提下调整节点占空比至最小值，对于远离基站节点利用其剩余能量增加节点的占空比以传降低输延迟，实现快速传播；在保证能及时接收程序代码前提下将节点占空比调整至最小值，可以在不影响数据传输的前提下节约网络能量消耗；距离基站较近区域节点能耗较大，将这部分区域称为热区，则远离基站区域称为非热区，利用非热区节点能量剩余来提高占空比在达到快速传播的目的的同时减少传输延迟。

【技术特征摘要】
1.一种软件自定义无线网络中基于可调占空比的快速传播方法，用于快速传播并减少传输次数和降低传输延迟，其特征在于：保证能及时接收程序代码前提下调整节点占空比至最小值，对于远离基站节点利用其剩余能量增加节点的占空比以传降低输延迟，实现快速传播；在保证能及时接收程序代码前提下将节点占空比调整至最小值，可以在不影响数据传输的前提下节约网络能量消耗；距离基站较近区域节点能耗较大，将这部分区域称为热区，则远离基站区域称为非热区，利用非热区节点能量剩余来提高占空比在达到快速传播的目的的同时减少传输延迟。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若节点初始能量为Einit，节点vi距离基站i米远，则在数据工作周期为τc、活跃周期即占空比为τa的情况下，节点剩余能量可以计算为:其中，是节点感知数据能量消耗；是发送一个数据包的能量消耗，是接收功率消耗，是传输功率消耗，θd是分组持续时间，θp和θa分别是前导时间和ACK窗口时间节点，vi的发送和接收数据量分别表示为和...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘安丰，闵洁，刘潇，李伊展，陈伟，秦文颖，袁敏姣，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43