[发明专利]一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法

说明书

本发明涉及一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法，属于无线传感器网络通信技术领域。该方法包括：S1：建立信道二次碰撞概率模型，估算无线网络中节点监测到信道繁忙和唤醒请求碰撞造成的丢包率α、延迟时间T_A和总能耗E_A；S2：通过建立阈值自适应选择机制，更新终端节点的阈值序列；S3：数据发送成功或达到重传次数上限时，记录当前退避次数BN和退避指数BE；当节点唤醒接收器匹配地址错误时，重置退避计时器，并进行下一个退避阶段；并采集当前平均传输负载大小对二次碰撞概率模型进行更新。本发明能够实现低功耗无线唤醒，在保证成功率的同时减少或避免唤醒请求产生的碰撞，降低同一信道下对正常通信的干扰。

技术领域

本发明属于无线传感器网络通信技术领域，涉及低功耗流量自适应无线按需唤醒技术。

背景技术

在物联网高速发展当前，网络节点的低功耗和长生命周期成为急需解决关键性问题。在野外森林的环境监测、无人职守的传感器网络系统、工业环境下的监测等都需要使用大量电池供电的设备和仪器。目前已有大量技术对无线唤醒低功耗技术进行了研究，主要的有：硬件电路设计技术、周期唤醒技术、能量吸收技术。硬件电路设计主要通过设计一个低频低功耗的射频电路如AS3933作为单独并仅执行唤醒任务的模块(Wake up on radio，WuR)，当发现唤醒请求时候，主动唤醒MCU。按需唤醒技术，节点MCU一直长时间深度睡眠，直到唤醒收发器的接收端WuRx收到唤醒请求触发中断并使其切换到正常工作状态。能量吸收技术主要通过外界震动、光等信号，把能量汇集起来给唤醒电路供电，减少电池能量的消耗。

但是唤醒收发器WuR是通过不同调制技术与主收发器共享天线，所以在唤醒请求过程中容易产生碰撞，而且成功率低。因此亟需避免发生碰撞，高成功率的唤醒技术。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法，针对需要无线传感器网络应用环境，在既满足低功耗又无需额外电路设计开销的情况下，利用终端设备数量、数据包平均到达速率、退避窗口大小、重传次数阈值、WuR发送速率等信息识别出信道当前是否处于繁忙状态或产生数据碰撞，并根据其丢包率、平均延迟、能耗等方面选择最优的退避窗口大小；能够实现无线唤醒，减少或避免唤醒请求产生的碰撞、提高唤醒成功效率、降低同一信道下对正常通信的干扰。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法，应用于低功耗环境数据采集无线网络节点单跳场景，该方法包括以下步骤：

S1：建立信道二次碰撞概率模型，估算无线网络中节点监测到信道繁忙和唤醒请求碰撞造成的丢包率α、延迟时间T_A和总平均能量消耗E_A；

S2：通过建立阈值自适应选择机制，更新终端节点的阈值序列；

S3：数据发送成功或达到重传次数上限时，记录当前退避次数BN和退避指数BE；当节点唤醒接收器匹配地址错误时，重置退避计时器，并进行下一个退避阶段；并计算当前平均传输负载大小DS等参数对网络中终端节点进行更新。

进一步，所述步骤S1具体包括：使用考虑服务时间指数分布的马尔可夫链M/G/1/2队列模型，引入二次碰撞和有限队列因素，并使用C_T次短暂的CCA空闲信道检测对信道状态进行评估，当检测到信道繁忙时能快速进行退避；再考虑到基于副载波调制的唤醒模块与主收发器模块共用天线在同一信道通信以增加唤醒请求传输范围，所以得到二次碰撞概率模型：