面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的半結(jié)構(gòu)化傳輸調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的半結(jié)構(gòu)化傳輸調(diào)度方法。其特征在于所述的方法包括：1)通過對網(wǎng)絡(luò)通信圖執(zhí)行寬度優(yōu)先搜索，構(gòu)造一個松弛的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)收集路由拓撲圖；2)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳輸鏈路之間的主干擾和次干擾關(guān)系，構(gòu)造鏈路干擾圖；3)定義鏈路權(quán)重干擾因子，以綜合權(quán)衡發(fā)送節(jié)點的傳輸負載和發(fā)送鏈路對網(wǎng)絡(luò)其他鏈路造成的干擾強度；4)基于最小權(quán)重優(yōu)先的動態(tài)鏈路選擇和時隙分配策略；5)顯式控制的節(jié)點休眠狀態(tài)和自適應(yīng)調(diào)整的數(shù)據(jù)收集周期。本發(fā)明基于跨層設(shè)計思想對路由和調(diào)度進行聯(lián)合設(shè)計，通過充分利用路徑的冗余性來增強調(diào)度的時隙利用率，從而降低數(shù)據(jù)收集的時延，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。本發(fā)明適用于對實時性有要求較高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
【專利說明】面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的半結(jié)構(gòu)化傳輸調(diào)度方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的半結(jié)構(gòu)化傳輸調(diào)度方法，屬于網(wǎng) 絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由布設(shè)在監(jiān)測區(qū)域中的大量具有感知、通信、計算和存儲能力 的節(jié)點通過多跳無線通信自組織而成的網(wǎng)絡(luò)。由于其高靈活性、低成本，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在 環(huán)境監(jiān)測、國防/安全、工業(yè)自動化、醫(yī)療健康等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。在各種各樣的應(yīng)用 場景中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨著一個共同的需求或任務(wù)，那就是從物理環(huán)境中收集用戶感 興趣的數(shù)據(jù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)流由大量傳感器節(jié)點匯聚到基站（或sink節(jié)點） 的過程被稱為數(shù)據(jù)收集。普遍認為，數(shù)據(jù)收集是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要和最基本的一種業(yè) 務(wù)模式。
[0003] 在數(shù)據(jù)收集中，傳感器節(jié)點需要周期性地將采集的數(shù)據(jù)通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式上報 給基站。由于傳感器數(shù)量較大，并且數(shù)據(jù)流全部向基站方向匯聚，因而網(wǎng)絡(luò)中存在大量 鄰近的數(shù)據(jù)傳輸請求，極易造成數(shù)據(jù)包之間的相互干擾和沖突。為了減輕數(shù)據(jù)包沖突 幾率、提高網(wǎng)絡(luò)并行傳輸能力，需要合理地協(xié)調(diào)各個傳輸節(jié)點對無線信道的接入。目前， 無線信道接入方法主要包括兩大類，即基于競爭的方法和基于調(diào)度的方法。在基于競 爭的方法中，節(jié)點相互之間通過一定的規(guī)則競爭信道的使用權(quán)。在競爭信道的過程中， 不僅會產(chǎn)生大量的控制開銷，并且由于隱蔽站問題（Hidden Station Problem),網(wǎng)絡(luò)中 仍然可能發(fā)生控制包或數(shù)據(jù)包的沖突。因此，基于競爭的方法盡管有其靈活性好和易于 分布式實現(xiàn)等優(yōu)點。但是，正如Ganhdam等人在文獻[1.0.0111'11^2 111061，4.6110811，13· Krishnamachari, and K. Chintalapudi,"Fast data collection in tree-based wireless sensor networks,''IEEE Trans. Mobi.Compu.，vol. 11，no. l，pp. 86 - 99, 2012]中所指出 的，基于競爭的方法會造成額外的能量消耗和傳輸時延，并不適用于傳輸請求量較大的數(shù) 據(jù)收集業(yè)務(wù)。基于調(diào)度的方法，典型的如TDMA(時分多址），通過給互相沖突的傳輸節(jié)點分 配不同的活躍時隙，能夠有效規(guī)避干擾對網(wǎng)絡(luò)性能的傷害，因而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收 集中得到廣泛的研究和應(yīng)用。
[0004] 已有的面向數(shù)據(jù)收集的調(diào)度方法集中在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的鏈路層。這些調(diào)度方法依賴 于特定的線形或樹形路由結(jié)構(gòu)，存在如下的局限性。一方面，調(diào)度方法需要一個預(yù)先確定的 路由樹作為輸入，而在實際的網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境中，由于障礙物、節(jié)點能力等因素，很多時候構(gòu) 造某種特定的路由樹是很困難的；另一方面，從時隙分配的角度看，預(yù)先確定的傳輸路徑未 必是使得調(diào)度總時隙數(shù)較少的傳輸路徑，而總時隙數(shù)，即調(diào)度長度，是衡量調(diào)度性能的一個 重要指標(biāo)。由于采用固定的傳輸路徑，現(xiàn)有的調(diào)度方法無法充分利用鏈路之間的并發(fā)傳輸 能力，因而通常需要更多的時隙數(shù)才能完成調(diào)度任務(wù)，無法很好地滿足應(yīng)用的實時性和網(wǎng) 絡(luò)的吞吐量需求。這種依賴于特定路由樹的調(diào)度方法被稱為結(jié)構(gòu)化調(diào)度方法。為了克服上 述結(jié)構(gòu)化調(diào)度方法的局限性，本發(fā)明有針對性地提供了一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集 的半結(jié)構(gòu)化傳輸調(diào)度方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的半結(jié)構(gòu)化傳輸調(diào)度 方法。所述的方法特征在于利用數(shù)據(jù)收集路徑的冗余性，構(gòu)造了一個松弛的半結(jié)構(gòu)化路由 拓撲圖。然后，基于跨層設(shè)計思想，提出了最小權(quán)重優(yōu)先的動態(tài)鏈路選擇和時隙分配算法。 本發(fā)明所定義的權(quán)重因子綜合反映了鏈路自身的傳輸負載和鏈路互相之間的干擾關(guān)系。本 發(fā)明提出的調(diào)度方法避免了傳統(tǒng)方法對特定數(shù)據(jù)收集路由樹的依賴性，并能顯著提高時隙 的利用率，從而降低數(shù)據(jù)收集的時延，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。另外，通過引入動態(tài)節(jié)點睡眠控制 和自適應(yīng)數(shù)據(jù)收集周期調(diào)整技術(shù)，該方案也能滿足應(yīng)用的生命周期需求。
[0006] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :根據(jù)節(jié)點的幾何位置和傳輸半徑，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的通信圖。將 布設(shè)在二維平面上的傳感器節(jié)點和sink節(jié)點建模成頂點集合V，將節(jié)點之間所有可能的通 信鏈路建模成邊集合E，則無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用一個無向圖G(V，E)來描述?？紤]節(jié)點具 有同構(gòu)傳輸半徑r的情形。此時,對于任意的兩個節(jié)點i和j,當(dāng)且僅當(dāng)i與j的距離小于 等于r時，i與j之間才存在通信鏈路，表示為（i，j) e E。
[0008] 步驟2:從sink節(jié)點出發(fā)，在網(wǎng)絡(luò)通信圖上執(zhí)行寬度優(yōu)先搜索，得到網(wǎng)絡(luò)中每 個傳感器節(jié)點到sink節(jié)點的跳數(shù)距離；依據(jù)節(jié)點的跳數(shù)距離，構(gòu)造半結(jié)構(gòu)化的路由拓 撲圖；給定通信圖G(V，E)，以sink為出發(fā)點，執(zhí)行一次寬度優(yōu)先搜索（Breadth-First Search，BFS)。BFS是一種常見的圖搜索算法之一，之所以稱之為寬度優(yōu)先算法，是因為算 法自始至終一直通過已找到和未找到頂點之間的邊界向外擴展，就是說，算法首先搜索和 sink距離為1的所有頂點，然后再去搜索和S距離為2的其他頂點，以此類推，直到搜索遍 所有頂點為止。通過搜索完所有頂點，可以得到圖G的半徑R e，和圖中每個頂點i到sink的 跳數(shù)距離li。li又稱為節(jié)點i在圖G中的層數(shù)。然后，一個半結(jié)構(gòu)化的路由拓撲圖T(V T，Ετ) 可以由以下方式得到：VT = V，Ετ = {(i，j) I (i，j) e E，h > 1」}。T(VT，ET)的特點在于，圖 中每個頂點i (sink除外）的輸出（發(fā)送）鏈路不再是指定的和唯一的，而是一個候選鏈路 集合 OLi,表示成 OQ = {(i, j) | (i, j) e ET, h > 1』}。
[0009] 步驟3 :根據(jù)半結(jié)構(gòu)化路由拓撲圖中的鏈路相互之間的主干擾和次干擾關(guān)系，構(gòu) 造鏈路干擾圖；所構(gòu)造的路由拓撲圖T對應(yīng)的鏈路干擾圖I ;鏈路干擾圖用來描述網(wǎng)絡(luò)中 傳輸鏈路之間的干擾關(guān)系。具體來說，圖T中的每一條鏈路對應(yīng)圖I中的一個頂點；并且， 如果T中的兩條鏈路相互沖突，那么圖I中相應(yīng)的兩個頂點之間就存在一條邊。在判定鏈 路（ipji)和鏈路（i 2，j2)是否沖突時，既需考慮主干擾，又需考慮次級干擾。在主干擾中， 由于半雙工收發(fā)器的限制，具有重合節(jié)點的兩條鏈路不能同時調(diào)度。在次干擾中，當(dāng)一條 鏈路的接收節(jié)點在另一條鏈路發(fā)送節(jié)點的干擾范圍之內(nèi)時，這兩條鏈路不能同時調(diào)度。與 文獻中其他的調(diào)度方法一樣，我們也考慮一種簡化的情形，即干擾半徑等于傳輸半徑的情 形。此時，鏈路（ip 和（i 2, j2)互不沖突的充分必要條件是ii關(guān)關(guān)·]·2&&Ι iiil > r&&| i2ji I > r。其中r既是節(jié)點的傳輸半徑，也是節(jié)點的干擾半徑。
[0010] 步驟4 :執(zhí)行基于最小權(quán)重優(yōu)先的鏈路選擇和時隙分配算法。在每一個具體的調(diào) 度時隙t，對網(wǎng)絡(luò)中待傳輸?shù)墓?jié)點，依據(jù)其發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)包個數(shù)從大到小進行排序，執(zhí) 行如下步驟：
[0011] 步驟4. 1 :傳輸節(jié)點排序。根據(jù)在時隙t的起始時刻節(jié)點i緩存隊列中待發(fā)送的 包數(shù)量（表示為^⑴），對網(wǎng)絡(luò)中的所有qi(t) >0的節(jié)點進行降序排序。
[0012] 步驟4. 2 :傳輸節(jié)點干擾檢查。對步驟4. 1中已排好序的節(jié)點，依次進行干擾檢查， 以判定該節(jié)點是否能在當(dāng)前時隙調(diào)度。具體來說，對于待發(fā)送的節(jié)點i，如果其候選發(fā)送鏈 路集合0Q中的每一條鏈路都與當(dāng)前時隙已經(jīng)調(diào)度的某一條鏈路沖突，則i必定不能在時 隙t中傳輸。另一方面，如果0Q中存在至少一條鏈路與當(dāng)前時隙已調(diào)度的所有鏈路都不 沖突，則轉(zhuǎn)到步驟4. 3。
[0013] 步驟4. 3 :鏈路選擇與調(diào)度。對于節(jié)點i，用0L/表示OLi中與所有已調(diào)度鏈路都 不沖突的鏈路子集。我們定義某條鏈路e對某個傳輸節(jié)點集合S的權(quán)重干擾因子^(〇為

【權(quán)利要求】
1. 一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的半結(jié)構(gòu)化傳輸調(diào)度方法，其特征在于利用數(shù)據(jù) 收集路徑的冗余性，構(gòu)造了一個松弛的半結(jié)構(gòu)化路由拓撲圖；然后，基于跨層設(shè)計思想，提 出了最小權(quán)重優(yōu)先的動態(tài)鏈路選擇和時隙分配算法；具體包括以下步驟： 步驟1 :根據(jù)節(jié)點的幾何位置和傳輸半徑，構(gòu)造無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的通信圖； 步驟2 :從sink節(jié)點出發(fā)，在網(wǎng)絡(luò)通信圖上執(zhí)行寬度優(yōu)先搜索，得到網(wǎng)絡(luò)中每個傳感器 節(jié)點到sink節(jié)點的跳數(shù)距離；依據(jù)節(jié)點的跳數(shù)距離，構(gòu)造半結(jié)構(gòu)化的路由拓撲圖； 步驟3:根據(jù)半結(jié)構(gòu)化路由拓撲圖中的鏈路相互之間的主干擾和次干擾關(guān)系，構(gòu)造鏈 路干擾圖； 步驟4 :執(zhí)行基于最小權(quán)重優(yōu)先的鏈路選擇和對隙分配算法，在每一個調(diào)度時隙，對網(wǎng) 絡(luò)中待傳輸?shù)墓?jié)點，依據(jù)其發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)包個數(shù)從大到小進行排序； 步驟5 :在當(dāng)前調(diào)度時隙，依次檢查已排好序的待傳輸節(jié)點；根據(jù)鏈路干擾圖，判斷節(jié) 點的每條候選傳輸鏈路是否能夠在當(dāng)前時隙調(diào)度；所有候選鏈路均無法在當(dāng)前時隙調(diào)度的 節(jié)點須等待下一個調(diào)度時隙； 步驟6 :定義鏈路權(quán)重干擾因子。在每個調(diào)度時隙，對于可能在當(dāng)前時隙調(diào)度的鏈路， 計算其權(quán)重；對于每個待傳輸節(jié)點，從其候選鏈路中選擇權(quán)重最小的鏈路作為實際的傳輸 路徑，并在當(dāng)前時隙調(diào)度； 步驟7 :重復(fù)步驟4-6,直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都已完成傳輸任務(wù)；然后，在每個具體的 傳輸時隙，調(diào)度沒有數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)的節(jié)點進入休眠狀態(tài)；同時，根據(jù)應(yīng)用的生命周期需求， 設(shè)定數(shù)據(jù)收集的周期。
2. 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于： ① 由sink節(jié)點出發(fā)，執(zhí)行寬度優(yōu)先搜索，得到網(wǎng)絡(luò)中每個傳感器節(jié)點到sink的跳數(shù)距 離，即該節(jié)點在通信圖中的層數(shù)；然后，從通信圖中刪除所有端點具有相同層數(shù)的鏈路，剩 余的鏈路和網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點共同構(gòu)成了一個半結(jié)構(gòu)化的路由拓撲圖； ② 在所述的半結(jié)構(gòu)化的路由拓撲圖中，每個傳感器節(jié)點和sink節(jié)點之間存在一條或 多條候選的傳輸路徑；并且，每個傳感器節(jié)點有一個或者多個候選的中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點； ③ 所述的半結(jié)構(gòu)路由拓撲圖中的每一條鏈路對應(yīng)著鏈路干擾圖中的每一個頂點；同 時，如果半結(jié)構(gòu)化路由拓撲圖中的兩條鏈路之間存在主干擾或次干擾，則鏈路干擾圖中的 對應(yīng)的兩個頂點之間存在著一條邊； ④ 在每一個調(diào)度時隙，遍歷所有待傳輸?shù)墓?jié)點，對于必然與任何一條已調(diào)度鏈路產(chǎn)生 干擾的節(jié)點，均不允許其在當(dāng)前時隙調(diào)度；在時隙分配前，執(zhí)行這一個過程確保調(diào)度的正確 性； ⑤ 定義的權(quán)重因子反映鏈路對其他待傳輸節(jié)點干擾程度，所述的權(quán)重因子反映了鏈路 自身的傳輸負載和鏈路互相之間的干擾關(guān)系，綜合考慮了節(jié)點緩存隊列中的數(shù)據(jù)包個數(shù)， 即節(jié)點的傳輸負載； ⑥ 在每個傳輸節(jié)點的候選鏈路集合中，優(yōu)先選擇權(quán)重最小的鏈路作為實際的傳輸路 徑，并在當(dāng)前時隙調(diào)度；在每個調(diào)度時隙，由于無線干擾的影響，只有互不沖突的鏈路才能 同時調(diào)度；通過優(yōu)先選擇對其他節(jié)點干擾程度更小的傳輸路徑，增加單個時隙內(nèi)調(diào)度的鏈 路數(shù)量，提高網(wǎng)絡(luò)的并發(fā)能力；總的傳輸數(shù)據(jù)請求量是確定的，提高單個時隙調(diào)度鏈路條數(shù) 有利于減少調(diào)度所需的總時隙數(shù)，從而改善數(shù)據(jù)收集的時延，滿足應(yīng)用的實時性需求； ⑦在每一個時隙，讓既不需要發(fā)送又不需要接收數(shù)據(jù)包的節(jié)點完全關(guān)閉通信設(shè)備，進 入休眠狀態(tài)，從而顯著減少節(jié)點的能量消耗；同時，通過設(shè)置數(shù)據(jù)收集周期，使得在每個數(shù) 據(jù)收集周期內(nèi)，在完成所有傳輸任務(wù)后，讓全部節(jié)點進入休眠，實現(xiàn)較低的占空比，從而延 長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
3. 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于由步驟1建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的通信 圖是將布設(shè)在二維平面上的傳感器節(jié)點和sink節(jié)點建模成頂點集合V，將節(jié)點之間所有可 能的通信鏈路建模成邊集合E，則無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用一個無向圖G(V，E)來描述；節(jié)點具有 同構(gòu)傳輸半徑r的情形對于任意的兩個節(jié)點i和j，僅當(dāng)i與j的距離小于等于r時，i與 j之間才存在通?目鏈路，表不為（i，j) eE。
4. 按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的寬度優(yōu)先搜索是自始至終 一直通過已找到和未找到頂點之間的邊界向外擴展，就是說，首先搜索和sink距離為 1的所有頂點，然后再去搜索和S距離為2的其他頂點，以此類推，直到搜索遍所有頂 點為止；然后，一個半結(jié)構(gòu)化的路由拓撲圖T(V T，ET)是由以下方式得到：VT = V，Ετ = {(i，j) I (i，j) e E，lpij}。T (VT，Ετ)的特點在于，除sink除外的每個頂點i的輸出或發(fā)送鏈 路不再是指定的和唯一的，而是一個候選鏈路集合OLp且OQ = {(i，j) | (i，j) e Ετ，1，1」}。
5. 按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在主干擾中，由于半雙工收發(fā)器的限制，具有 重合節(jié)點的兩條鏈路不能同時調(diào)度；在次干擾中，當(dāng)一條鏈路的接收節(jié)點在另一條鏈路發(fā) 送節(jié)點的干擾范圍之內(nèi)時，這兩條鏈路不能同時調(diào)度。
6. 按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于當(dāng)干擾半徑等于傳輸半徑時，鏈路（ip 和 (i2, ·?2)互不沖突的充分必要條件是ii關(guān)"&&·?ι關(guān)戈&&1 l>r ;其中r既是節(jié) 點的傳輸半徑，也是節(jié)點的干擾半徑。
7. 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于每一個具體的調(diào)度時隙執(zhí)行步驟為： ① 傳輸節(jié)點排序：根據(jù)在時隙t的起始時刻節(jié)點i緩存隊列中待發(fā)送的包數(shù)量（表示 為1 (t))，對網(wǎng)絡(luò)中的所有qi (t) >0的節(jié)點進行降序排序； ② 傳輸節(jié)點干擾檢查：對步驟①中已排好序的節(jié)點，依次進行干擾檢查，以判定該節(jié)點 是否能在當(dāng)前時隙調(diào)度；具體地說，對于待發(fā)送的節(jié)點i，如果其候選發(fā)送鏈路集合0Q中 的每一條鏈路都與當(dāng)前時隙已經(jīng)調(diào)度的某一條鏈路沖突，則i必定不能在時隙t中傳輸；另 一方面，如果0Q中存在至少一條鏈路與當(dāng)前時隙已調(diào)度的所有鏈路都不沖突，則轉(zhuǎn)到步驟 ③； ③ 鏈路選擇與調(diào)度：對于節(jié)點i，用0L/表示OQ中與所有已調(diào)度鏈路都不沖 突的鏈路子集；定義某條鏈路e對某個傳輸節(jié)點集合S的權(quán)重干擾因子^⑷為 Wv⑷=t (0，其中Se是S的一個子集，包含S中所有因鏈路e干擾而不能與e同 時調(diào)度的傳輸節(jié)點集合；然后，從0L/中選取對所有待傳輸并且沒有經(jīng)歷干擾檢查（步驟 ②）的節(jié)點集合（表示為D)的權(quán)重干擾最小的鏈路作為節(jié)點i的傳輸路徑，并在當(dāng)前時隙 調(diào)度；具體來說，為節(jié)點i選擇鏈路々=arg miiixV(w"(g))，并在當(dāng)前時隙調(diào)度。
8. 按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟5在每一個時隙，節(jié)點的狀態(tài)有發(fā)送TX， 接收RX和休眠SLEEP，對于當(dāng)前時隙既不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，又不需要接收數(shù)據(jù)的節(jié)點，關(guān)閉通 信設(shè)備，進入休眠；同時，設(shè)置數(shù)據(jù)收集周期為C，并且每個數(shù)據(jù)收集周期被劃分為兩個階 段；第一個階段完成數(shù)據(jù)收集調(diào)度任務(wù)，第二個階段全網(wǎng)節(jié)點進入休眠，從而實現(xiàn)占空比式 的工作模式；在滿足實時性需求的前提下，通過增大數(shù)據(jù)收集周期C的值，減小網(wǎng)絡(luò)的占空 比。
【文檔編號】H04W40/24GK104301966SQ201410550746
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】肖世良, 程小六, 吳光, 胡寧寧, 陳昕韡, 付鵬程, 鄭旗, 袁曉兵 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所