无线物联网在可靠性约束下的低功耗策略研究

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无线物联网(The Internet of Things,IoT)包含大量的端节点,这些节点设备的电池容量有限,所以各个节点必须具备低功耗的特性。部署可靠的物联网对于城市物联网或工业控制领域尤其重要。为了确保这些物联网的服务质量要求,IoT需要提供较高的可靠性保证。但是,低功耗与可靠性之间存在内在的冲突:可靠性的提高通常会导致功耗的增加,就像传统的基于重传的可靠性一样。所以本文针对可靠性与低功耗的折衷关系,通过提出一种全面和科学的可靠性评估体系,对低功耗物联网进行传输可靠性检测。针对可靠性不能达到阈值的网络,提出一种基于功率控制的低功耗优化策略,确保数据在IoT中可靠传输的同时,将IoT设备的流量功耗降至最低。本文提出了一种基于AHP-模糊综合评价法的可靠性评估体系。在物理层和MAC层的性能基础上,提取设备从芯片和数据包中获取到的传输可靠性的性能指标,运用该方法评估低功耗物联网的传输可靠性,实现物联网的传输可靠性分析与传输质量监测,以保证物联网在充分利用无线资源的同时,保持低功耗与可靠性的平衡。并设计了可靠性数据采集模块,以及协调器(Coordinator)中的可靠性检测程序模块。当判断出传输可靠性低于规定的阈值时,数据重传导致能耗增加。因此,我们将提出一种低功耗物联网的功率控制优化策略,使得传输可靠性差的终端设备(End Device)以最优的功率进行发送,降低数据发送失败和重传的概率,提高传输的可靠性和稳定性,降低设备功耗。分别建立了节点能耗模型、信道模型和可靠性模型。根据策略建立了最优化问题模型,使用序列二次规划(Sequential quadratic programming,SQP)算法求解出最优发射功率,并进行仿真验证和分析。最后,我们对整个优化的过程进行了详细的系统设计,主要包括网络通信、可靠性检测和功率控制三大模块。通过简单实验,根据传输中获取到的指标数据,运用提出的可靠性评估体系对传输过程可靠性进行分析,比较应用低功耗优化策略前后可靠性的变化程度,验证了该优化策略保证了传输可靠性的前提。已经开发出许多方法来优化IoT的功耗和提高可靠性。但是,降低功耗的方法反过来会影响网络的可靠性。这种关系在工业应用中尤为重要,而本文将可忍受的延迟扩展为传输过程的可靠性,将电池寿命扩展为设备功耗,研究传输可靠性约束下的低功耗优化策略。
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