能量有效的無線傳感器網絡分布式鏈路調度控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于圖著色方法的能量有效的無線傳感器網絡分布式鏈路調度控制器。通過對任意節(jié)點構建兩跳鄰居范圍內的沖突圖，根據每條鏈路其在干擾圖中的優(yōu)先級以及干擾度決定時隙分配的先后順序，優(yōu)先級高的鏈路獲得優(yōu)先調度的機會，優(yōu)先級相同則根據干擾度大小進行調度。鏈路的優(yōu)先級和干擾度分別通過其已分配時隙的相連鏈路數和受干擾鏈路數目決定。由于為節(jié)點分配相鄰時隙，能夠減少節(jié)點不必要的狀態(tài)轉換，從而降低網絡節(jié)點能耗。
【專利說明】能量有效的無線傳感器網絡分布式鏈路調度控制器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感器網絡鏈路的調度控制領域。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡由大量的節(jié)點構成，需要通過多跳的方式實現遠程節(jié)點與基站的通信。無線傳感器網絡能耗主要來自數據傳輸、數據處理以及傳感器的感知能耗，其中以傳輸能耗為主，為了節(jié)約能量，MAC (Medium Access Control)協議要求應盡可能地使節(jié)點保持睡眠。
[0003]無線傳感器網絡的MAC協議主要有基于競爭的和基于TDMA(Time DivisionMultiplexing)的兩類。基于競爭的MAC協議雖然能夠較好的適應網絡拓撲的變化，但是，大量的控制信息以及不必要的空閑偵聽增加了網絡能耗，降低了信道利用率。基于TDMA的調度協議是通過為節(jié)點分配時隙來完成數據的接收和發(fā)送的，雖然其適應網絡拓撲變化的能力較差，但是可以有效地避免沖突，實現數據的無干擾傳輸，因此，其更適合于大規(guī)模無線傳感器網絡。基于TDMA的調度協議主要分為中心式和分布式兩類。
[0004]中心式調度協議是通過求解特定能量模型使吞吐量最大化的約束問題進行時隙分配。Gang Lu等人借助研究了無線傳感器網絡總能量、吞吐量與網絡傳輸延遲之間的關系，提出了可同時滿足能量、吞吐量和延遲三方面的要求的中心式鏈路調度協議。該協議給出一種求解約束優(yōu)化問題的改進貪婪算法，得到符合最優(yōu)解的鏈路調度方案。MahmoudAl-Ayyoub等人基于協議沖突模型提出一種綜合考慮路由、動態(tài)信道分配和鏈路調度的協議，通過近似優(yōu)化算法的求解使吞吐量最大化。在中心式的鏈路調度策略中，所有節(jié)點均需要將自身信息發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點根據其收集的網絡信息執(zhí)行調度算法，再將調度結果發(fā)回給各節(jié)點。中心式的調度算法在節(jié)點數目較多的長距離多跳網絡中，很容易產生傳輸延遲和信息丟失，并且有明顯的多跳傳輸漏斗效應(Funneling Effect)，且長距離多跳轉發(fā)能量消耗較多。
[0005]為了解決中心式調度算法在多跳網絡應用中的缺陷，研究人員借鑒中心式調度策略的部分思想，提出了分布式的廣播調度策略和鏈路調度策略。D RAND (D i s t r i b u t e dRAND)是一種典型的分布式廣播調度協議，它將節(jié)點的時隙分配問題轉變成哲學家就餐(Randomized Dining Philosophers)問題。每個節(jié)點既可以成為哲學家(發(fā)送節(jié)點)，也可以成為餐叉(接收節(jié)點)，哲學家必須通過競爭獲得餐叉的機會。節(jié)點之間通過投擲硬幣的方式選出贏節(jié)點，贏節(jié)點優(yōu)先獲得調度的機會。贏節(jié)點廣播Require信息，如果贏節(jié)點收到其鄰居節(jié)點返回的Grant信息，則為該贏節(jié)點分配一個時隙。由于DRAND協議的贏節(jié)點采用隨機方式產生，因此所需的調度周期較長。在廣播調度中，在完成調度后，當某個節(jié)點發(fā)送數據時，其鄰居節(jié)點不管有沒有通信需求都必須保持激活狀態(tài)，從而增加了不必要的能量開銷。Wang Weizhao等人提出了一種分布式的鏈路調度方法(Distributed schedulingfor fPrIM, DS-fPrM)，鏈路的發(fā)送節(jié)點根據其兩跳鄰居節(jié)點信息建立與該鏈路相互干擾的兩個集合，通過兩個集合中未著色鏈路的數目決定是否進行調度。以上幾種算法都通過為節(jié)點或者鏈路分配當前可用的最小時隙，雖然能有效的減小調度周期的長度，但是都沒有考慮節(jié)點的狀態(tài)轉換能耗。節(jié)點的狀態(tài)轉換主要指節(jié)點從休眠狀態(tài)轉換到發(fā)送/接收狀態(tài)，或者從發(fā)送/接收狀態(tài)轉換到休眠狀態(tài)。Ma Jnuchao等人提出了一種為每個節(jié)點分配連續(xù)的時隙的集中式的調度方法，雖然能有效的減少了節(jié)點的狀態(tài)轉換次數，但是全網所需調度周期較長，信道的利用率很低。

【發(fā)明內容】

[0006]無線傳感器網絡中的調度問題，實際上是延遲、吞吐量等性能的優(yōu)化問題。圖論方法可以解決網絡中的許多優(yōu)化問題，其中圖著色包括頂點著色(Vertex Coloring)和邊著色(Edge Coloring)是圖論中的常用方法，被廣泛地用于任務調度和解決沖突問題。為了適合遠距離通信網絡，減緩中心式算法易丟包、高能耗的問題，在我們先前的工作中提出了一種基于頂點著色方法的分布式鏈路調度策略，使節(jié)點通過兩跳鄰居范圍內的干擾信息即可得到可用時隙，雖然該方法能夠在一定程度上減少調度周期長度及調度能耗，但是鏈路的調度順序仍然具有較高的隨機性，且忽略了節(jié)點的狀態(tài)轉換能耗。鑒于傳統的隨機調度方法在減小調度周期長度方面的局限性，考慮鏈路的調度順序對調度周期長度的重要影響，以及減少節(jié)點頻繁進行狀態(tài)轉換產生的大量能耗，基于受到的限制最多的鏈路優(yōu)先調度及為節(jié)點分配相鄰時隙的思想，我們在先前工作的基礎上提出了基于優(yōu)先級和干擾度的分布式鏈路調度(Distributed Link Scheduling, DLS)策略。每條鏈路根據其已分配時隙的相連鏈路數目設置自己的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的鏈路優(yōu)先調度，優(yōu)先級較低的鏈路在優(yōu)先級較高的鏈路調度完成后才能獲得競爭信道的機會，降低了調度的隨機性，從而有效地減小調度周期的長度。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:
通過交換兩跳鄰居節(jié)點信息，每個節(jié)點構建其兩跳鄰居范圍內的局部有向圖，并根據干擾模型，建立其兩跳鄰居范圍內的干擾圖。每條鏈路通過其在干擾圖中的優(yōu)先級和干擾度大小決定調度的順序，優(yōu)先級高的鏈路優(yōu)先調度，優(yōu)先級相同則通過干擾度進行調度，調度過程中盡量為節(jié)點分配相鄰時隙。具體實現過程如下:
(I)準備過程:所有節(jié)點通過其兩跳鄰居節(jié)點信息構建局部有向圖，然后再根據干擾模型建立其每條調度鏈路的干擾信息，其中，優(yōu)先級初始化為0，每條調度鏈路的干擾度通過干擾圖中的干擾鏈路數進行確定。為保證鏈路信息在兩跳鄰居節(jié)點內的一致性，干擾集合建立后，每個節(jié)點廣播其調度鏈路的干擾信息，其鄰居節(jié)點收到該信息后，更新相應鏈路的有關信息。如果某鄰居節(jié)點收到該信息后，其干擾圖內找不到相應的鏈路，則該鄰居節(jié)點將該鏈路的相關信息加入的自己的干擾圖中，更新自己的干擾信息并進行廣播。
[0008](2)調度過程:調度節(jié)點根據調度鏈路在干擾圖中的優(yōu)先級和干擾度大小進行調度，優(yōu)先級高的優(yōu)先調度；優(yōu)先級相同，則干擾度大的鏈路優(yōu)先調度；優(yōu)先級和干擾度相同，則這些鏈路通過競爭隨機產生一條鏈路進行優(yōu)先調度。調度完成后，調度節(jié)點將該鏈路的優(yōu)先級和干擾度置O，然后廣播該調度信息。
[0009]提出的鏈路調度策略盡可能的為每個節(jié)點分配相鄰時隙。該調度策略要求首先找出調度鏈路的所有可用時隙，然后從可用時隙中查找是否有與該鏈路的兩個節(jié)點已分配時隙相鄰的時隙。如果有可用的相鄰時隙，則將該時隙作為調度鏈路的最終時隙，否則將為之分配一個當前可用的最小時隙。
[0010](3)干擾信息更新過程:在節(jié)點收到調度鏈路的調度信息后，更新該鏈路在自己干擾圖內的相關信息。如果節(jié)點的某條調度鏈路與該鏈路相連，則將其優(yōu)先級加1，并廣播更新后的干擾信息。收到該干擾信息的節(jié)點更新自己的干擾圖信息。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:
1.優(yōu)先級和干擾度的聯合調度可以有效的減小調度周期長度。由于傳統調度方法是通過隨機的方式產生調度節(jié)點或者鏈路，使得調度結果具有很大的分散性，導致得到的調度周期較長，空間利用率較低且吞吐量較差。本發(fā)明分布式鏈路調度控制器通過優(yōu)先級和干擾度的聯合調度，能有效的減小調度的隨機性，實現一種由第一條調度鏈路向逐漸外擴散的調度方式，能夠有效的減小調度周期的長度。
[0012]2.盡可能的為節(jié)點分配相鄰時隙，能夠有效的減少節(jié)點的狀態(tài)轉換次數，降低網絡能耗。傳統調度方法在調度過程中，雖然為節(jié)點或者鏈路分配最小的可用時隙，但是忽略了節(jié)點的狀態(tài)轉換能耗。本發(fā)明分布式鏈路調度控制器在調度過程中，為節(jié)點分配的相鄰時隙能夠有效的減少全網節(jié)點的狀態(tài)轉換次數，減少不必要的網絡開銷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明分布式鏈路調度控制器的工作示意圖；
圖2是本發(fā)明分布式鏈路調度控制器的算法流程圖；
圖3是本發(fā)明分布式鏈路調度控制器算法與其他算法在降低調度周期長度方面的對比圖；
圖4是本發(fā)明分布式鏈路調度控制器算法與其他算法在減少節(jié)點狀態(tài)轉換方面的對比圖；
圖5是本發(fā)明分布式鏈路調度控制器算法與其他算法在調度能耗方面的對比圖；【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0015]發(fā)明的能量有效的無線傳感器網絡分布式鏈路調度控制器，是通過構建每個節(jié)點兩跳鄰居范圍內的干擾圖，使得鏈路根據其在干擾圖中的優(yōu)先級和干擾度大小進行調度。在調度過程中，采取盡可能的為節(jié)點分配相鄰時隙，以降低節(jié)點能耗。
[0016]結合圖1，本發(fā)明分布式鏈路調度控制器依次經過以下步驟:
(I)準備階段:所有節(jié)點廣播自己的位置信息以及一跳鄰居節(jié)點信息，使每個節(jié)點建立包含其兩跳鄰居節(jié)點信息的局部有向圖。每個節(jié)點再根據干擾模型建立其每條調度鏈路的干擾信息，其中，優(yōu)先級初始化為0，每條調度鏈路的干擾度通過干擾圖中的干擾鏈路數進行確定。為保證鏈路信息在兩跳鄰居節(jié)點內的一致性，干擾集合建立后，每個節(jié)點廣播其調度鏈路的干擾信息，其鄰居節(jié)點收到該信息后，更新相應鏈路的有關信息。如果某鄰居節(jié)點收到該信息后，其干擾圖內找不到相應的鏈路，則該鄰居節(jié)點將該鏈路的相關信息加入的自己的干擾圖中，更新自己的干擾信息并進行廣播。
[0017](2)調度階段:調度節(jié)點根據自己干擾圖中的優(yōu)先級和干擾度大小進行調度，優(yōu)先級高的優(yōu)先調度；優(yōu)先級相同，則干擾度大的鏈路優(yōu)先調度；優(yōu)先級和干擾度相同，則這些鏈路通過競爭隨機產生一條鏈路進行優(yōu)先調度。調度完成后，調度節(jié)點將該鏈路的優(yōu)先級和干擾度置O，然后廣播該調度信息。圖2是該分布式鏈路調度算法的流程圖。
[0018]為減少節(jié)點進行不必要的狀態(tài)轉換，提出的鏈路調度策略盡可能的為每個節(jié)點分配相鄰時隙。該調度策略要求首先找出調度鏈路的所有可用時隙，然后從可用時隙中查找是否有與該鏈路的兩個節(jié)點已分配時隙相鄰的時隙。如果有可用的相鄰時隙，則將該時隙作為調度鏈路的最終時隙，否則將為之分配一個當前可用的最小時隙。
[0019](3)干擾信息更新階段:在節(jié)點收到調度鏈路的調度信息后，更新該鏈路在自己干擾圖內的相關信息。如果節(jié)點的某條調度鏈路與該鏈路相連，則將其優(yōu)先級加1，并廣播更新后的干擾信息。收到該干擾信息的節(jié)點更新自己的干擾圖信息。
[0020]最后應需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳的實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種能量有效的無線傳感器網絡分布式鏈路調度控制器，其特征在于:提出了一種基于圖著色方法的應用于無線傳感器網絡的分布式鏈路調度控制算法；利用任意節(jié)點的兩跳鄰居信息構建局部有向圖，再根據干擾模型得到每條調度鏈路的干擾信息，獲得調度鏈路的可用時隙。
2.根據權利要求1所述的分布式鏈路調度控制器，其特征在于:根據每條鏈路其在干擾圖中的優(yōu)先級以及干擾度決定時隙分配的先后順序，優(yōu)先級高的鏈路獲得優(yōu)先調度的機會，優(yōu)先級相同則根據干擾度大小進行調度；鏈路的優(yōu)先級和干擾度分別通過其已分配時隙的相連鏈路數和受干擾鏈路數目決定。
3.根據權利要求1或2所述的分布式鏈路調度控制器，其特征在于:由于為節(jié)點分配相鄰時隙，能夠減少節(jié)點不必要的狀態(tài)轉換，從而降低節(jié)點能耗。
4.根據權利要求1、2或3所述的分布式鏈路調度控制器，其特征在于:具體經過以下步驟: (1)準備階段:所有節(jié)點廣播自己的位置信息以及一跳鄰居節(jié)點信息，使每個節(jié)點建立包含其兩跳鄰居節(jié)點信息的局部有向圖；每個節(jié)點再根據干擾模型建立其每條調度鏈路的干擾信息，其中，優(yōu)先級初始化為O，每條調度鏈路的干擾度通過干擾圖中的干擾鏈路數進行確定；為保證鏈路信息在兩跳鄰居節(jié)點內的一致性，干擾集合建立后，每個節(jié)點廣播其調度鏈路的干擾信息，其鄰居節(jié)點收到該信息后，更新相應鏈路的有關信息；如果某鄰居節(jié)點收到該信息后，其干擾圖內找不到相應的鏈路，則該鄰居節(jié)點將該鏈路的相關信息加入的自己的干擾圖中，更新自己的干擾信息并進行廣播； (2)調度階段:調度節(jié)點根據自己干擾圖中的優(yōu)先級和干擾度大小進行調度，優(yōu)先級高的優(yōu)先調度；優(yōu)先級相同，則干擾度大的鏈路優(yōu)先調度；優(yōu)先級和干擾度相同，則這些鏈路通過競爭隨機產生一條鏈路進行優(yōu)先調度；調度完成后，調度節(jié)點將該鏈路的優(yōu)先級和干擾度置O，然后廣播該調度信息； 為減少節(jié)點進行不必要的狀態(tài)轉換，提出的鏈路調度策略盡可能的為每個節(jié)點分配相鄰時隙；該調度策略要求首先找出調度鏈路的所有可用時隙，然后從可用時隙中查找是否有與該鏈路的兩個節(jié)點已分配時隙相鄰的時隙；如果有可用的相鄰時隙，則將該時隙作為調度鏈路的最終時隙，否則將為之分配一個當前可用的最小時隙； (3)干擾信息更新階段:在節(jié)點收到調度鏈路的調度信息后，更新該鏈路在自己干擾圖內的相關信息；如果節(jié)點的某條調度鏈路與該鏈路相連，則將其優(yōu)先級加1，并廣播更新后的干擾信息；收到該干擾信息的節(jié)點更新自己的干擾圖信息。
【文檔編號】H04W72/12GK103596284SQ201210290820
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年8月16日 優(yōu)先權日:2012年8月16日
【發(fā)明者】董恩清, 喬富龍, 王佳仁, 鄒宗駿, 孫文燕, 常樹旺 申請人:山東大學, 董恩清