基于跨层建模与概率重传机制的IEEE 802.15.4无线传感器网络能量消耗估计方法

《Journal of Sensor and Actuator Networks》：A Hybrid Deterministic-Stochastic Cross-Layer Energy Model for Hierarchical Wireless Sensor Networks

　　**摘要**在IEEE 802.15.4无线传感器网络中，精确估算电流消耗需要将网络运行与决定节点能耗的硬件状态关联起来。本文提出了一种跨层能量建模方法，该方法结合了实验表征的电流消耗剖面（CCP）、协议推导的状态时长模型、拓扑依赖的工作负载，以及用于重传的二级概率模型。该方法区分了结构性约束状态、经验建模的状态时长和离散随机通信事件。在所评估的CC2538–ContikiMAC实现中，传输时长基于载荷大小、ContikiMAC脉动活动和信道空闲评估（CCA）时序进行建模，而休眠时长则从剩余通信周期约束中获得。重传发生用基于实测CCA时长的岭正则化逻辑模型表示，而正向重试次数则用其校准的条件均值表示。由此得到的概率组件与确定性CCP公式集成，以估算与启用重试的通信事件相关的额外电荷消耗。在涵盖30个节点-条件观测的全网络验证中，总体平均绝对百分比误差（MAPE）为10.81%，加权平均绝对百分比误差（WMAPE）为10.51%，各条件特定的MAPE范围为4.60%至15.78%。