一種能量捕獲傳感器節點吞吐量之和最大化的采樣方法與流程

本發明涉及一種能量捕獲傳感器節點吞吐量之和最大化的采樣方法，該方法適用于能量捕獲無線傳感器網絡。

背景技術：

隨著技術的發展，具有捕獲環境能量功能的能量捕獲傳感器網絡將逐漸替代傳統用電池供電的傳感器網絡。在該類新型網絡中，節點可以在工作的同時從自然界吸收能量(如射頻能、太陽能、振動能等)，從而克服了傳統傳感器節點存在的能源約束問題。但是節點從環境中捕獲能量的功率極其有限，節點的工作(如數據采樣、數據運算、數據發送等)受到能量的約束，同時，本發明考慮各個節點以時分復用的方式進行數據發送，以降低成本(如采樣頻分復用則對各個節點的發射器有較高要求，不方便大量生產使用)，因此各個節點還受到可用發送時長該維度上的約束(如果同時發送將發生數據發送沖突)。如何在滿足以上兩個約束條件的前提下使得網絡帶權重的吞吐量最大化成為一個重要的研究問題。

以前以網絡吞吐量為性能指標的相關研究主要考慮節點發送功率的選取，比如加大節點的發送功率以增大節點的吞吐量、選擇信道增益較好的時間段分配較多的功率以求更大的發送吞吐量等。這些研究考慮節點采樣次數固定的場景，并沒有去優化節點的采樣次數。

技術實現要素：

為了克服現有的能量捕獲無線傳感器網絡中無法優化網絡節點采樣次數、無法最大化帶權重的吞度量的不足，本發明提供一種優化網絡節點采樣次數、最大化帶權重的總吞度量的采樣方法。

為了解決上述技術問題本發明采用如下的技術方案：

一種能量捕獲傳感器節點吞吐量之和最大化的采樣方法，所述的采樣方法包括以下步驟：

步驟一：對于所部署的n個能量捕獲傳感器節點按1,2,…,n進行隨機標號，在一個給定的系統周期t內，將節點i的采樣次數ni設置為各自的最低采樣次數該最低采樣次數是根據監測需求預先設置好的，即

步驟二：根據公式(2)計算各個能量捕獲傳感器節點單位時間內帶權重的吞吐量σi

σi←αiri,i＝1,2,…,n(2)

其中，αi表示節點i的優先級權重，ri表示節點i的物理層數據發送速率；

步驟三：將能量捕獲傳感器節點根據其σi的數值由大到小重新排序,并對排序后的節點按1,2,…,n進行重新標號；

步驟四：根據公式(3)計算節點i的采樣次數ni的上限值

其中，pi為節點i的能量捕獲速率，p^c為節點內部電路電子元件的基

本功耗，為節點i用于數據傳輸的功耗，bi為節點i每次采樣得到的比特數，是下取整運算符號；

步驟五：設置i＝1；

步驟六：根據公式(4)計算節點i的采樣次數ni的另一個上限值

其中，{1,2,…,n}/{i}表示除i之外的節點序號集合；

步驟七：令i←i+1，如果i≤n則跳到步驟六，否則跳到步驟八；

步驟八：將節點i的采樣次數設置為

本發明的有益效果為：本發明確定滿足節點能量約束和數據發送時長兩個維度約束的節點最優采樣次數，從而實現節點帶權重的吞吐量之和最大化。

具體實施方式

下面對本發明做進一步說明。

一種能量捕獲傳感器節點吞吐量之和最大化的采樣方法，所述的采樣方法包括以下步驟：

步驟一：對于所部署的n個能量捕獲傳感器節點按1,2,…,n進行隨機標號，在一個給定的系統周期t內，將節點i的采樣次數ni設置為各自的最低采樣次數該最低采樣次數是根據監測需求預先設置好的，即

步驟二：根據公式(7)計算各個能量捕獲傳感器節點單位時間內帶權重的吞吐量σi

σi←αiri,i＝1,2,…,n(2)

其中，αi表示節點i的優先級權重，ri表示節點i的物理層數據發送速率；

步驟三：將能量捕獲傳感器節點根據其σi的數值由大到小重新排序,并對排序后的節點按1,2,…,n進行重新標號；

步驟四：根據公式(8)計算節點i的采樣次數ni的上限值

其中，pi為節點i的能量捕獲速率，p^c為節點內部電路電子元件的基

本功耗，為節點i用于數據傳輸的功耗，bi為節點i每次采樣得到的比特數，是下取整運算符號；

步驟五：設置i＝1；

步驟六：根據公式(9)計算節點i的采樣次數ni的另一個上限值

其中，{1,2,…,n}/{i}表示除i之外的節點序號集合；

步驟七：令i←i+1，如果i≤n則跳到步驟六，否則跳到步驟八；

步驟八：將節點i的采樣次數設置為

針對能量捕獲無線傳感器網絡來說明本發明的具體實施方案。網絡中有一個匯聚節點、多個能量捕獲傳感器節點，節點捕獲環境能量并利用捕獲的能量來向匯聚節點發送所感知到的數據。

在一個系統周期t內，在所有節點的采樣次數ni不低于其最低需求值的前提下，給σi較大的節點分配盡可能大的采樣次數ni。但是，由于節點所受到的能量約束，每個節點在一個系統周期t內的采樣次數ni要受式子(3)約束。

由于網絡采用時分復用接入機制，節點不能同時發送，因此網絡系統的每個單位發送時間只能分配給某個節點使用，因此一個系統周期t內所有節點的總數據發送時長不能超過t，節點采樣次數還要受到式子(4)的約束。

最終，節點i的采樣次數根據式(5)來確定。

本發明最終找出的采樣方案是：(a)對于t足夠大(即公式(3)能量約束一定滿足)的特殊情況，給每個節點分配其捕獲能量所能支持的最高采樣次數；(b)對于一般情況，給前k個節點分配其捕獲能量所能支持的最高采樣次數，而第k+1個節點的采樣次數設置是剛好最大化使用一個系統周期的時間資源t(即如果該節點采樣次數再增加一次的話，則n個節點所需的總發送時長超出t)，而后面的節點采樣次數都為其需要的最小采樣次數k的值由以下兩個不等式來確定。值得說明的是，滿足以下兩個條件的k值是唯一的。