CN103596284A

CN103596284A - 能量有效的无线传感器网络分布式链路调度控制器

Info

Publication number: CN103596284A
Application number: CN201210290820.XA
Authority: CN
Inventors: 董恩清; 乔富龙; 王佳仁; 邹宗骏; 孙文燕; 常树旺
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University Weihai
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2014-02-19

Abstract

本发明提出了一种基于图着色方法的能量有效的无线传感器网络分布式链路调度控制器。通过对任意节点构建两跳邻居范围内的冲突图，根据每条链路其在干扰图中的优先级以及干扰度决定时隙分配的先后顺序，优先级高的链路获得优先调度的机会，优先级相同则根据干扰度大小进行调度。链路的优先级和干扰度分别通过其已分配时隙的相连链路数和受干扰链路数目决定。由于为节点分配相邻时隙，能够减少节点不必要的状态转换，从而降低网络节点能耗。

Description

能量有效的无线传感器网络分布式链路调度控制器

技术领域

本发明属于无线传感器网络链路的调度控制领域。

背景技术

无线传感器网络由大量的节点构成，需要通过多跳的方式实现远程节点与基站的通信。无线传感器网络能耗主要来自数据传输、数据处理以及传感器的感知能耗，其中以传输能耗为主，为了节约能量，MAC(Medium Access Control)协议要求应尽可能地使节点保持睡眠。

无线传感器网络的MAC协议主要有基于竞争的和基于TDMA(Time Division Multiplexing)的两类。基于竞争的MAC协议虽然能够较好的适应网络拓扑的变化，但是，大量的控制信息以及不必要的空闲侦听增加了网络能耗，降低了信道利用率。基于TDMA的调度协议是通过为节点分配时隙来完成数据的接收和发送的，虽然其适应网络拓扑变化的能力较差，但是可以有效地避免冲突，实现数据的无干扰传输，因此，其更适合于大规模无线传感器网络。基于TDMA的调度协议主要分为中心式和分布式两类。

中心式调度协议是通过求解特定能量模型使吞吐量最大化的约束问题进行时隙分配。Gang Lu等人借助研究了无线传感器网络总能量、吞吐量与网络传输延迟之间的关系，提出了可同时满足能量、吞吐量和延迟三方面的要求的中心式链路调度协议。该协议给出一种求解约束优化问题的改进贪婪算法，得到符合最优解的链路调度方案。Mahmoud Al-Ayyoub等人基于协议冲突模型提出一种综合考虑路由、动态信道分配和链路调度的协议，通过近似优化算法的求解使吞吐量最大化。在中心式的链路调度策略中，所有节点均需要将自身信息发送给汇聚节点，汇聚节点根据其收集的网络信息执行调度算法，再将调度结果发回给各节点。中心式的调度算法在节点数目较多的长距离多跳网络中，很容易产生传输延迟和信息丢失，并且有明显的多跳传输漏斗效应(Funneling Effect)，且长距离多跳转发能量消耗较多。

为了解决中心式调度算法在多跳网络应用中的缺陷，研究人员借鉴中心式调度策略的部分思想，提出了分布式的广播调度策略和链路调度策略。DRAND(Distributed RAND)是一种典型的分布式广播调度协议，它将节点的时隙分配问题转变成哲学家就餐(Randomized Dining Philosophers)问题。每个节点既可以成为哲学家(发送节点)，也可以成为餐叉(接收节点)，哲学家必须通过竞争获得餐叉的机会。节点之间通过投掷硬币的方式选出赢节点，赢节点优先获得调度的机会。赢节点广播Require信息，如果赢节点收到其邻居节点返回的Grant信息，则为该赢节点分配一个时隙。由于DRAND协议的赢节点采用随机方式产生，因此所需的调度周期较长。在广播调度中，在完成调度后，当某个节点发送数据时，其邻居节点不管有没有通信需求都必须保持激活状态，从而增加了不必要的能量开销。Wang Weizhao等人提出了一种分布式的链路调度方法(Distributed scheduling for fPrIM, DS-fPrIM)，链路的发送节点根据其两跳邻居节点信息建立与该链路相互干扰的两个集合，通过两个集合中未着色链路的数目决定是否进行调度。以上几种算法都通过为节点或者链路分配当前可用的最小时隙，虽然能有效的减小调度周期的长度，但是都没有考虑节点的状态转换能耗。节点的状态转换主要指节点从休眠状态转换到发送/接收状态，或者从发送/接收状态转换到休眠状态。Ma Jnuchao等人提出了一种为每个节点分配连续的时隙的集中式的调度方法，虽然能有效的减少了节点的状态转换次数，但是全网所需调度周期较长，信道的利用率很低。

发明内容

无线传感器网络中的调度问题，实际上是延迟、吞吐量等性能的优化问题。图论方法可以解决网络中的许多优化问题，其中图着色包括顶点着色(Vertex Coloring)和边着色(Edge Coloring)是图论中的常用方法，被广泛地用于任务调度和解决冲突问题。为了适合远距离通信网络，减缓中心式算法易丢包、高能耗的问题，在我们先前的工作中提出了一种基于顶点着色方法的分布式链路调度策略，使节点通过两跳邻居范围内的干扰信息即可得到可用时隙，虽然该方法能够在一定程度上减少调度周期长度及调度能耗，但是链路的调度顺序仍然具有较高的随机性，且忽略了节点的状态转换能耗。鉴于传统的随机调度方法在减小调度周期长度方面的局限性，考虑链路的调度顺序对调度周期长度的重要影响，以及减少节点频繁进行状态转换产生的大量能耗，基于受到的限制最多的链路优先调度及为节点分配相邻时隙的思想，我们在先前工作的基础上提出了基于优先级和干扰度的分布式链路调度(Distributed Link Scheduling, DLS)策略。每条链路根据其已分配时隙的相连链路数目设置自己的优先级，优先级高的链路优先调度，优先级较低的链路在优先级较高的链路调度完成后才能获得竞争信道的机会，降低了调度的随机性，从而有效地减小调度周期的长度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

通过交换两跳邻居节点信息，每个节点构建其两跳邻居范围内的局部有向图，并根据干扰模型，建立其两跳邻居范围内的干扰图。每条链路通过其在干扰图中的优先级和干扰度大小决定调度的顺序，优先级高的链路优先调度，优先级相同则通过干扰度进行调度，调度过程中尽量为节点分配相邻时隙。具体实现过程如下：

(1) 准备过程：所有节点通过其两跳邻居节点信息构建局部有向图，然后再根据干扰模型建立其每条调度链路的干扰信息，其中，优先级初始化为0，每条调度链路的干扰度通过干扰图中的干扰链路数进行确定。为保证链路信息在两跳邻居节点内的一致性，干扰集合建立后，每个节点广播其调度链路的干扰信息，其邻居节点收到该信息后，更新相应链路的有关信息。如果某邻居节点收到该信息后，其干扰图内找不到相应的链路，则该邻居节点将该链路的相关信息加入的自己的干扰图中，更新自己的干扰信息并进行广播。

(2) 调度过程：调度节点根据调度链路在干扰图中的优先级和干扰度大小进行调度，优先级高的优先调度；优先级相同，则干扰度大的链路优先调度；优先级和干扰度相同，则这些链路通过竞争随机产生一条链路进行优先调度。调度完成后，调度节点将该链路的优先级和干扰度置0，然后广播该调度信息。

提出的链路调度策略尽可能的为每个节点分配相邻时隙。该调度策略要求首先找出调度链路的所有可用时隙，然后从可用时隙中查找是否有与该链路的两个节点已分配时隙相邻的时隙。如果有可用的相邻时隙，则将该时隙作为调度链路的最终时隙，否则将为之分配一个当前可用的最小时隙。

(3) 干扰信息更新过程：在节点收到调度链路的调度信息后，更新该链路在自己干扰图内的相关信息。如果节点的某条调度链路与该链路相连，则将其优先级加1，并广播更新后的干扰信息。收到该干扰信息的节点更新自己的干扰图信息。

本发明的有益效果在于：

1. 优先级和干扰度的联合调度可以有效的减小调度周期长度。由于传统调度方法是通过随机的方式产生调度节点或者链路，使得调度结果具有很大的分散性，导致得到的调度周期较长，空间利用率较低且吞吐量较差。本发明分布式链路调度控制器通过优先级和干扰度的联合调度，能有效的减小调度的随机性，实现一种由第一条调度链路向逐渐外扩散的调度方式，能够有效的减小调度周期的长度。

2. 尽可能的为节点分配相邻时隙，能够有效的减少节点的状态转换次数，降低网络能耗。传统调度方法在调度过程中，虽然为节点或者链路分配最小的可用时隙，但是忽略了节点的状态转换能耗。本发明分布式链路调度控制器在调度过程中，为节点分配的相邻时隙能够有效的减少全网节点的状态转换次数，减少不必要的网络开销。

附图说明

图1 是本发明分布式链路调度控制器的工作示意图；

图2 是本发明分布式链路调度控制器的算法流程图；

图3 是本发明分布式链路调度控制器算法与其他算法在降低调度周期长度方面的对比图；

图4 是本发明分布式链路调度控制器算法与其他算法在减少节点状态转换方面的对比图；

图5 是本发明分布式链路调度控制器算法与其他算法在调度能耗方面的对比图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

发明的能量有效的无线传感器网络分布式链路调度控制器，是通过构建每个节点两跳邻居范围内的干扰图，使得链路根据其在干扰图中的优先级和干扰度大小进行调度。在调度过程中，采取尽可能的为节点分配相邻时隙，以降低节点能耗。

结合图1，本发明分布式链路调度控制器依次经过以下步骤：

(1) 准备阶段：所有节点广播自己的位置信息以及一跳邻居节点信息，使每个节点建立包含其两跳邻居节点信息的局部有向图。每个节点再根据干扰模型建立其每条调度链路的干扰信息，其中，优先级初始化为0，每条调度链路的干扰度通过干扰图中的干扰链路数进行确定。为保证链路信息在两跳邻居节点内的一致性，干扰集合建立后，每个节点广播其调度链路的干扰信息，其邻居节点收到该信息后，更新相应链路的有关信息。如果某邻居节点收到该信息后，其干扰图内找不到相应的链路，则该邻居节点将该链路的相关信息加入的自己的干扰图中，更新自己的干扰信息并进行广播。

(2) 调度阶段：调度节点根据自己干扰图中的优先级和干扰度大小进行调度，优先级高的优先调度；优先级相同，则干扰度大的链路优先调度；优先级和干扰度相同，则这些链路通过竞争随机产生一条链路进行优先调度。调度完成后，调度节点将该链路的优先级和干扰度置0，然后广播该调度信息。图2是该分布式链路调度算法的流程图。

为减少节点进行不必要的状态转换，提出的链路调度策略尽可能的为每个节点分配相邻时隙。该调度策略要求首先找出调度链路的所有可用时隙，然后从可用时隙中查找是否有与该链路的两个节点已分配时隙相邻的时隙。如果有可用的相邻时隙，则将该时隙作为调度链路的最终时隙，否则将为之分配一个当前可用的最小时隙。

(3) 干扰信息更新阶段：在节点收到调度链路的调度信息后，更新该链路在自己干扰图内的相关信息。如果节点的某条调度链路与该链路相连，则将其优先级加1，并广播更新后的干扰信息。收到该干扰信息的节点更新自己的干扰图信息。

最后应需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳的实施例对本发明进行了详细的说明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种能量有效的无线传感器网络分布式链路调度控制器，其特征在于：提出了一种基于图着色方法的应用于无线传感器网络的分布式链路调度控制算法；利用任意节点的两跳邻居信息构建局部有向图，再根据干扰模型得到每条调度链路的干扰信息，获得调度链路的可用时隙。

2.根据权利要求1所述的分布式链路调度控制器，其特征在于：根据每条链路其在干扰图中的优先级以及干扰度决定时隙分配的先后顺序，优先级高的链路获得优先调度的机会，优先级相同则根据干扰度大小进行调度；链路的优先级和干扰度分别通过其已分配时隙的相连链路数和受干扰链路数目决定。

3.根据权利要求1或2所述的分布式链路调度控制器，其特征在于：由于为节点分配相邻时隙，能够减少节点不必要的状态转换，从而降低节点能耗。

4.根据权利要求1、2或3所述的分布式链路调度控制器，其特征在于：具体经过以下步骤：

(1) 准备阶段：所有节点广播自己的位置信息以及一跳邻居节点信息，使每个节点建立包含其两跳邻居节点信息的局部有向图；每个节点再根据干扰模型建立其每条调度链路的干扰信息，其中，优先级初始化为0，每条调度链路的干扰度通过干扰图中的干扰链路数进行确定；为保证链路信息在两跳邻居节点内的一致性，干扰集合建立后，每个节点广播其调度链路的干扰信息，其邻居节点收到该信息后，更新相应链路的有关信息；如果某邻居节点收到该信息后，其干扰图内找不到相应的链路，则该邻居节点将该链路的相关信息加入的自己的干扰图中，更新自己的干扰信息并进行广播；

(2) 调度阶段：调度节点根据自己干扰图中的优先级和干扰度大小进行调度，优先级高的优先调度；优先级相同，则干扰度大的链路优先调度；优先级和干扰度相同，则这些链路通过竞争随机产生一条链路进行优先调度；调度完成后，调度节点将该链路的优先级和干扰度置0，然后广播该调度信息；

为减少节点进行不必要的状态转换，提出的链路调度策略尽可能的为每个节点分配相邻时隙；该调度策略要求首先找出调度链路的所有可用时隙，然后从可用时隙中查找是否有与该链路的两个节点已分配时隙相邻的时隙；如果有可用的相邻时隙，则将该时隙作为调度链路的最终时隙，否则将为之分配一个当前可用的最小时隙；

(3) 干扰信息更新阶段：在节点收到调度链路的调度信息后，更新该链路在自己干扰图内的相关信息；如果节点的某条调度链路与该链路相连，则将其优先级加1，并广播更新后的干扰信息；收到该干扰信息的节点更新自己的干扰图信息。