本發(fā)明涉及一種無(wú)線能量通信網(wǎng)絡(luò)下的睡眠調(diào)度方法，屬于通信設(shè)備睡眠調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(IWSNs)正逐漸被應(yīng)用到各行各業(yè)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)價(jià)格低、外形小、方便，對(duì)于那些由于建筑物和環(huán)境障礙物隱蔽處太多而無(wú)法部署常規(guī)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)環(huán)境來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是最理想的選擇。利用無(wú)線設(shè)備自組織形成網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)復(fù)雜環(huán)境的狀態(tài)。無(wú)線傳感技術(shù)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的關(guān)注，被稱為二十一世紀(jì)最具影響力的技術(shù)之一。

然而，無(wú)線設(shè)備的能量不足成為限制其發(fā)展的重要因素，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)被布置在復(fù)雜環(huán)境下，其自身電池能量有限，頻繁更換電池的花費(fèi)是昂貴的也是不切實(shí)際的。因此，在滿足傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作的前提下，延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期逐漸成為當(dāng)前熱門的研究話題。無(wú)線能量傳輸(WET)技術(shù)的提出就是為了解決該類問題，利用可再生資源，如太陽(yáng)能電熱板，風(fēng)力發(fā)電等，轉(zhuǎn)化成可利用資源。以及一種新興的無(wú)線能量通信網(wǎng)絡(luò)(WPCN)，在下行鏈路廣播無(wú)線能量包，然后采用TDMA在上行鏈路發(fā)送信息回到混合介入點(diǎn)。通過聯(lián)合優(yōu)化分配無(wú)線功率和信息能量傳輸時(shí)間，研究網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最大化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種無(wú)線能量通信網(wǎng)絡(luò)下的睡眠調(diào)度方法。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種無(wú)線能量通信網(wǎng)絡(luò)下的睡眠調(diào)度方法，包括如下步驟：

步驟一：根據(jù)能量條件判斷普通傳感器節(jié)點(diǎn)在接下來(lái)一個(gè)周期的狀態(tài)是睡眠還是激活；

步驟二：根據(jù)吞吐量需求執(zhí)行CKN算法，選擇激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；

步驟三：根據(jù)激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線能量利用率和吞吐量確定最佳的時(shí)間分配率τ；

步驟四：在一個(gè)間期T內(nèi)，對(duì)于睡眠狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)，將混合接入點(diǎn)發(fā)送的能量存儲(chǔ)于電池中；對(duì)于激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)，將混合接入點(diǎn)發(fā)送的剩余能量存儲(chǔ)于電池中，并重新進(jìn)入步驟一。

所述步驟一中能量條件為如果普通傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的傳輸能量和電池剩余能量之和都不足以供應(yīng)正常工作的能量消耗，那么該普通傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

所述步驟二包括如下步驟：

2a:任意激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)S_u會(huì)隨機(jī)的選擇一個(gè)數(shù)值rank_u，廣播rank_u并且收集鄰居節(jié)點(diǎn)的rank_u放入到集合R_u中；

2b:節(jié)點(diǎn)S_u將集合R_u進(jìn)行廣播，同時(shí)收集來(lái)自其他鄰居節(jié)點(diǎn)的集合；

2c：如果節(jié)點(diǎn)S_u及其鄰居節(jié)點(diǎn)所擁有的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都大于k，則節(jié)點(diǎn)S_u將其鄰居節(jié)點(diǎn)中rank＜rank_u放入集合C中；

2d：如果集合C中的節(jié)點(diǎn)連通并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都至少有k個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，那么節(jié)點(diǎn)S_u便可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

所述普通傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線能量利用率μ的計(jì)算方法如下：其中，E_u為普通傳感器節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)有效利用的能量，E_h為普通傳感器節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)獲得的無(wú)線能量，P_c為普通傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)能量消耗功率，E_s為存儲(chǔ)到普通傳感器節(jié)點(diǎn)電池中的能量，Q為獲得來(lái)自混合接入點(diǎn)發(fā)出的能量功率，τ為時(shí)間分配率。

所述Q＝α×P_r＝α×P_t×D^-α×G_A，其中，α為能量轉(zhuǎn)換效率，P_r為發(fā)射的能量功率，P_t為接收的能量功率，D為普通傳感器節(jié)點(diǎn)距離混合接入點(diǎn)的距離，G_A為發(fā)射接收的結(jié)合信號(hào)強(qiáng)度。

通過計(jì)算無(wú)線能量利用率μ最大值，得到時(shí)間分配率τ的最優(yōu)值。

通過設(shè)置不同的k值來(lái)調(diào)整從激活狀態(tài)進(jìn)入睡眠狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

有益效果：本發(fā)明提供的無(wú)線能量通信網(wǎng)絡(luò)下的睡眠調(diào)度方法，有益效果如下：

1)、本發(fā)明方法使用可再生資源作為傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)來(lái)源，有效避免節(jié)點(diǎn)頻繁更換電池，降低操作的復(fù)雜度充分利用可再生資源。

2)、本發(fā)明方法可以滿足用戶在特殊時(shí)間段對(duì)于網(wǎng)絡(luò)高吞吐量的要求，通過合理調(diào)節(jié)能量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間τ和激活節(jié)點(diǎn)的數(shù)量k值控制網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化。

3)、本發(fā)明方法通過改變?chǔ)尤フ{(diào)整獲得的能量和能量消耗，使二者近似達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的利用率達(dá)到最高。

附圖說(shuō)明

圖1為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)睡眠激活節(jié)點(diǎn)的分布以及能量流數(shù)據(jù)流的走向圖；

圖2為無(wú)線能量傳輸和數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)間分配示意圖；

圖3為睡眠調(diào)度算法步驟流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，整個(gè)無(wú)線能量通信網(wǎng)絡(luò)包括：多個(gè)普通傳感器節(jié)點(diǎn)，多個(gè)混合接入點(diǎn)，普通傳感器節(jié)點(diǎn)與混合接入點(diǎn)均勻布置為整個(gè)無(wú)線能量通信網(wǎng)絡(luò)。其中，混合接入點(diǎn)獲取可再生資源，并配備無(wú)線能量發(fā)射器，通過調(diào)整天線角度和傳輸時(shí)間來(lái)控制能量包發(fā)射。同時(shí)混合接入點(diǎn)也具有基站節(jié)點(diǎn)功能，收集網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)采集的信息，匯總?cè)缓笊蠄?bào)用戶，是一個(gè)信息發(fā)布和匯聚的終端。

大量的普通傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)布置在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，這些節(jié)點(diǎn)配備無(wú)線能量接收器，可以接受來(lái)自混合接入點(diǎn)發(fā)射的無(wú)線能量，用作自身工作能量消耗，也可以轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到電池中。普通傳感器節(jié)點(diǎn)具有多種檢測(cè)功能的傳感器，可以定期采集數(shù)據(jù)并上傳到混合接入點(diǎn)。另外，普通傳感器節(jié)點(diǎn)有激活和睡眠二種狀態(tài)，睡眠節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，激活節(jié)點(diǎn)正常工作。

如圖2所示，普通傳感器節(jié)點(diǎn)獲得來(lái)自混合接入點(diǎn)發(fā)出的能量功率Q計(jì)算公式如下：Q＝α×P_r＝α×P_t×D^-α×G_A，其中，α為能量轉(zhuǎn)換效率，P_r為發(fā)射的能量功率，P_t為接收的能量功率，D為普通傳感器節(jié)點(diǎn)距離混合接入點(diǎn)的距離，G_A為發(fā)射接收的結(jié)合信號(hào)強(qiáng)度。在一個(gè)周期T內(nèi)，普通傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線能量傳輸時(shí)間為τT和數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)間為(1-τ)T，普通傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線能量利用率μ的計(jì)算方法如下：其中，E_u為普通傳感器節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)有效利用的能量，E_h為普通傳感器節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)獲得的無(wú)線能量，P_c為普通傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)能量消耗功率，E_s為存儲(chǔ)到普通傳感器節(jié)點(diǎn)電池中的能量，τ為時(shí)間分配率。

普通傳感器節(jié)點(diǎn)要處于激活狀態(tài)就要滿足E_u≤E_h，當(dāng)τ的值從零開始增加時(shí)，如果τ的值過小，普通傳感器節(jié)點(diǎn)將無(wú)法供應(yīng)足夠的能量從而睡眠，節(jié)點(diǎn)無(wú)線能量利用率也很低；如果τ的值過大，能量傳輸時(shí)間很長(zhǎng)，但是節(jié)點(diǎn)沒有足夠的時(shí)間去工作，大部分能量將無(wú)法被利用，節(jié)點(diǎn)的能量利用率也會(huì)很低。所以，在τ的增加過程中，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最優(yōu)值，此時(shí)無(wú)線能量利用率最高。

如圖3所示，一種無(wú)線能量通信網(wǎng)絡(luò)下的睡眠調(diào)度方法，包括如下步驟：

步驟一：根據(jù)能量條件判斷普通傳感器節(jié)點(diǎn)在接下來(lái)一個(gè)周期的狀態(tài)是睡眠還是激活；

混合接入點(diǎn)可以通過天線朝各個(gè)方向發(fā)射能量包，所有的普通傳感器節(jié)點(diǎn)都具備無(wú)限能量接收器，可以轉(zhuǎn)換接收來(lái)自空氣中的能量包。接收的能量可以用來(lái)供應(yīng)普通傳感器節(jié)點(diǎn)的工作能量消耗，也可以被轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到節(jié)點(diǎn)自身攜帶的電池中。每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)當(dāng)前能量供求關(guān)系，確定自己接下來(lái)一個(gè)周期的狀態(tài)。

如果普通傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的能量和電池剩余能量之和都不足以供應(yīng)正常工作的能量消耗，那么該節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇進(jìn)入睡眠狀態(tài)。睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)能量消耗很少，大部分的時(shí)間都可以用來(lái)轉(zhuǎn)換能量存儲(chǔ)于電池中，以備下一個(gè)周期的使用。其他能量充足的節(jié)點(diǎn)將會(huì)進(jìn)入步驟二再次判斷。

步驟二：根據(jù)吞吐量需求執(zhí)行CKN算法，選擇激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；

經(jīng)過步驟一篩選得到可以進(jìn)入激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)，但大多數(shù)時(shí)候并沒有重大事件發(fā)生，不需要大量節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)，部分節(jié)點(diǎn)可以選擇進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以備事件發(fā)生時(shí)有足夠能量支撐大量節(jié)點(diǎn)激活。

通過控制CKN睡眠調(diào)度算法的k值，來(lái)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中睡眠節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，其中k值越大，睡眠節(jié)點(diǎn)越少，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量就會(huì)越大。對(duì)于符合CKN睡眠規(guī)則并且具有較高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)將會(huì)選擇進(jìn)入睡眠狀態(tài)，剩余的節(jié)點(diǎn)則會(huì)進(jìn)入激活狀態(tài)。

CKN算法中關(guān)于要應(yīng)用的k個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)連通情況定義如下：

(i)每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少連通有k個(gè)處于激活狀態(tài)的鄰居節(jié)點(diǎn)。

(ii)網(wǎng)絡(luò)中所有處于激活狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)都是連通的。

在CKN算法中，任意激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)S_u會(huì)隨機(jī)的選擇一個(gè)數(shù)值rank_u，廣播rank_u并且收集鄰居節(jié)點(diǎn)的rank_u放入到集合R_u中。然后節(jié)點(diǎn)S_u將集合R_u進(jìn)行廣播，同時(shí)收集來(lái)自其他鄰居節(jié)點(diǎn)的集合。

如果節(jié)點(diǎn)S_u及其鄰居節(jié)點(diǎn)所擁有的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都大于k，則節(jié)點(diǎn)S_u將其鄰居節(jié)點(diǎn)中rank＜rank_u放入集合C中。如果集合C中的節(jié)點(diǎn)連通并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都至少有k個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，那么節(jié)點(diǎn)S_u便可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)。因此，當(dāng)k值較小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中有較多的激活節(jié)點(diǎn)會(huì)處于工作狀態(tài)；相反當(dāng)k值變大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)有更多的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

步驟三：根據(jù)激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線能量利用率和吞吐量確定最佳的時(shí)間分配率τ；

決定一個(gè)周期內(nèi)能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間分配率τ，當(dāng)τ的值較小時(shí)，能量傳輸?shù)臅r(shí)間較短，反而數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間較長(zhǎng)，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)都會(huì)不足，這樣會(huì)導(dǎo)致大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能正常通信工作；當(dāng)τ的值過大時(shí)，能量傳輸?shù)臅r(shí)間足夠，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間較少，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包上傳的數(shù)量不足，同時(shí)能量的利用率也會(huì)相對(duì)較低，大部分能量將無(wú)法被利用，造成能量的大量浪費(fèi)。因此，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的整體能量利用率和吞吐量，確定最佳的能量傳輸時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間分配率τ是很有必要的。

步驟四：在一個(gè)間期T完成后，處于激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)將會(huì)通過路由樹逐層將采集到的數(shù)據(jù)上傳到混合接入點(diǎn)；對(duì)于睡眠狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)，將混合接入點(diǎn)發(fā)送的能量存儲(chǔ)于電池中；對(duì)于激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)，將混合接入點(diǎn)發(fā)送的剩余能量存儲(chǔ)于電池中，并重新進(jìn)入步驟一。

當(dāng)一個(gè)周期完成后，處于激活狀態(tài)的普通傳感器節(jié)點(diǎn)將會(huì)通過路由樹逐層將采集到的數(shù)據(jù)上傳到混合接入點(diǎn)，同時(shí)，所有普通傳感器節(jié)點(diǎn)更新當(dāng)前剩余能量。睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)將會(huì)直接轉(zhuǎn)換獲得的能量存儲(chǔ)到自身電池中直到充滿。激活狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)先利用獲得的能量進(jìn)行工作，如果獲得的能量不足以支持節(jié)點(diǎn)能量消耗，將會(huì)利用電池中存儲(chǔ)的能量；如果獲得的能量在數(shù)據(jù)傳輸完后還有剩余，同樣會(huì)被轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到電池中直至充滿。然后繼續(xù)下一個(gè)周期。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。