CN105898880A - 用于增强网络数据投递可靠性的分布式时隙分配方法 - Google Patents

用于增强网络数据投递可靠性的分布式时隙分配方法 Download PDF

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Abstract

用于增强网络数据投递可靠性的分布式时隙分配方法，采用了时间轮的方式组织节点竞争分配时隙的过程，在竞争过程中为避免时隙分配相关的控制包因节点间的无线传输冲突而丢失问题，解决了节点间时隙分配信息不一致的问题，保证了时隙分配的可靠性；其次，采用了concurrent‑REPLY策略，解决了节点时隙分配过程中每一轮的持续时间不确定的问题；最后，采用了信号包扩散机制，解决了每一轮参与时隙分配的节点数过多导致无线传输冲突严重，引起时隙分配算法性能下降的问题，从而实现了能够在不明显增加传输延迟和网络总活动时间的条件下正确可靠的实现时隙分配，保证较高的数据投递率的优点。

Description

用于增强网络数据投递可靠性的分布式时隙分配方法
技术领域
本发明涉及到无线传感器网络通讯领域，具体的说是一种用于增强网络数据投递可靠性的分布式时隙分配方法。
背景技术
目前，无线传感器网络节点时隙分配算法主要分为集中式与分布式调度方法。集中式调度方法最早以图论相关算法为基础，首先将传感器网络形式化表达为图G，并根据图着色等理论方法完成对图G的着色，通过给每种色彩分配互不干扰的活动时隙，实现与节点或链路相关的数据传输活动调度并避免相互冲突。然而，由于典型无线传感器网络大都采用树型拓扑结构进行组织，数据传输往往具有逐层往上汇聚特性，导致部分传感节点需要频繁切换状态以完成数据汇聚传输，无法最优化网络能量效率。集中式方法在自适应网络拓扑动态变化时往往需要重新生成节点调度，导致高昂的能量与通信开销。分布式调度方法虽然克服了集中式方法的缺点，具有良好的可扩展性。然而，由于分布式算法需要节点竞争无线信道访问和时隙分配，节点间传输冲突概率较高，容易发生节点间交换时隙分配信息时丢失控制包而引起节点调度信息不一致的问题。
针对分布式调度算法存在的问题，我们提出了新的用于增强数据包投递可靠性的分布式时隙分配方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于增强网络数据投递可靠性的分布式时隙分配方法，该时隙分配方法具有在维持可接受的传输延迟和调度帧长度的条件下正确可靠的实现时隙分配，保证数据传输可靠性，从而获得较高数据投递率的优点。
本发明为实现上述技术目的所采用的技术方案为：用于增强网络数据投递可靠性的分布式时隙分配方法，首先，节点随机访问无线信道并采用分布式方法建立各自的时隙分配方案，然后节点根据其时隙分配方案访问无线信道进行数据传输以完成数据汇聚，所述的建立节点时隙分配方案的步骤如下：
步骤一：扩散信号包
设定：N1(v)表示节点v的一跳邻居节点集合，N2(v)表示节点v的两跳邻居节点集合，SC表示一组连续时隙的集合，表示节点v用于发送数据的连续时隙集合，表示节点v用于接收数据的连续时隙集合，S(v)表示节点v的时隙调度方案，由与联合组成；
节点v根据其ID号设置发送信号包的回退定时器对于节点v而言，其中ts表示信号包传输时间，Vid表示节点ID，当N1(v)中的节点接收到节点v的信号包时，N1(v)中所有节点将放弃自己的信号包；
信号包的扩散由计数器C进行控制，当C＝1时，N1(v)中节点将C加1，此 时，C＝2，然后将节点v的信号包发送至其一跳邻居，即N2(v)，由于C＝2，N2(v)中的节点将停止发送信号包，至此节点v完成了信号包扩散；
步骤二：确定预分配时隙
对于节点v需要确定其第一个时隙序号sloti以及本次需要分配的时隙数SCL，sloti＝sloti+Nf，Nf表示节点v执行时隙分配的失败次数；
当节点v成功完成时隙分配时，Nf＝0，其中，Pl表示一个时隙能够传输的数据包大小，Wc表示节点v接收到的所有来自于以其为根节点的子树上的节点的数据，Dv表示由节点v在一个数据汇聚周期内生成的感知数据量；
当节点v申请的不是其调度方案中的第一个用于发送的时隙集合时，Dv＝0，对于节点v，表示为[sloti,sloti+SCL]；
步骤三：申请分配时隙
节点v通过请求包将扩散至其邻居节点，节点v随后进入监听模式以接收回复包，由于在两跳范围内仅有节点v广播了请求包，N1(v)中的所有节点均能够可靠地接收到该请求包；
对于N1(v)中的节点，如果其已分配的时隙与请求包携带的预分配时隙中的时隙至少有一个相同，那么其所请求的无法实现无冲突分配，这些邻居节点将通过回复包通知节点v；
步骤四：更新时隙分配信息
节点v发送确认包来通知一跳邻居节点N1(v)，用于表明中的时隙已经被节点v占用，N1(v)中的节点将中的时隙添加至已占用时隙列表中，从而保证了节点间的时隙分配信息是同步更新的，为后续其它节点能够分配到无冲突的时隙提供帮助，对于节点v的父节点，中的时隙将被添加到其接收时隙列表中。
在所述步骤三申请分配时隙时，为了降低每个时隙指派的持续时间，采用concurrent-REPLY策略，通过采用该策略，节点v将通过是否能够正确接收回复包来判断所请求的是否是无冲突的，concurrent-REPLY策略工作过程如 下：
1)如果节点v可以正确接收到父节点的回复包，此时认为中的时隙是无冲突的，可以添加至节点v的调度方案中；
2)如果节点v由于多个N1(v)中的一跳邻居节点同时发送回复包而导致无法正确接收到回复包，节点v认为中至少有一个时隙被多个邻居节点占用，此时，中包含的时隙无法被无冲突地指派给节点v。
有益效果：本发明提出的分布式时隙分配算法采用了时间轮的方式组织节点竞争分配时隙的过程，在竞争过程中为避免时隙分配相关的控制包因节点间的无线传输冲突而丢失问题，解决了节点间时隙分配信息不一致的问题，保证了时隙分配的可靠性；其次，采用了concurrent-REPLY策略，解决了节点时隙分配过程中每一轮的持续时间不确定的问题；最后，采用了信号包扩散机制，解决了每一轮参与时隙分配的节点数过多导致无线传输冲突严重，引起时隙分配算法性能下降的问题。综述以上几点，本发明能够在不明显增加传输延迟和网络总活动时间的条件下正确可靠的实现时隙分配，保证较高的数据投递率的优点。
附图说明
图1为本发明中算法的时间组织结构图；
图2为每一轮的时间组织结构图；
图3为时隙指派的执行过程图；
图4为时隙指派的时序图；
图5为请求分配时隙节点的执行流程图；
图6为邻居节点的执行流程图；
图7为仿真实验参数配置表；
图8为仿真实验时几种算法数据包投递率的比较图；
图9为仿真实验时几种算法调度帧长度的比较图；
图10为仿真实验时几种算法平均端到端传输延迟的比较图；
图11为仿真实验时几种算法完成节点调度需要的总轮数比较图。
具体实施方式
用于增强网络数据投递可靠性的分布式时隙分配方法，首先，节点随机访问无线信道并采用分布式方法建立各自的时隙分配方案，然后节点根据其时隙分配方案访问无线信道进行数据传输以完成数据汇聚，所述的建立各自的时隙分配方案的步骤如下：
步骤一：扩散信号包
设定：N1(v)表示节点v的一跳邻居节点集合，N2(v)表示节点v的两跳邻居节点集合，SC表示一组连续时隙的集合，表示节点v用于发送数据的连续时隙集合，表示节点v用于接收数据的连续时隙集合，S(v)表示节点v的时隙分配方案，由与联合组成；
节点v根据其ID号设置发送信号包的回退定时器对于节点v而言，其中ts表示信号包传输时间，Vid表示节点ID，当N1(v)中的节点接收到节点v的信号包时，N1(v)中所有节点将放弃自己的信号包；
信号包的扩散由计数器C进行控制，当C＝1时，N1(v)中节点将C加1，此时，C＝2，然后将节点v的信号包发送至其一跳邻居，即N2(v)，由于C＝2，N2(v)中的节点将停止发送信号包，至此节点v完成了信号包扩散；
步骤二：确定预分配时隙
对于节点v需要确定其第一个时隙序号sloti以及本次需要分配的时隙数SCL，sloti＝sloti+Nf，Nf表示节点v执行时隙分配的失败次数；
当节点v成功完成时隙分配时，Nf＝0，其中，Pl表示一个时隙能够传输的数据包大小，Wc表示节点v接收到的所有来自于以其为根节点的子树上的节点的数据，Dv表示由节点v在一个数据汇聚周期内生成的感知数据量；
当节点v申请的不是其调度方案中的第一个用于发送的时隙集合时，Dv＝0，对于节点v，表示为[sloti,sloti+SCL]；
步骤三：申请分配时隙
节点v通过请求包将扩散至其邻居节点，节点v随后进入监听模式以接收回复包，由于在两跳范围内仅有节点v广播了请求包，N1(v)中的所有节点均能够可靠地接收到该请求包；
对于N1(v)中的节点，如果其已分配的时隙与请求包携带的预分配时隙中的时隙至少有一个相同，那么其所请求的无法成功分配，这些邻居节点将通过回复包通知节点v；
步骤四：更新时隙分配信息
节点v发送确认包来通知一跳邻居节点N1(v)，用于表明中的时隙已经被节点v占用，N1(v)中的节点将中的时隙添加至已占用时隙列表中，从而保证 了节点间的时隙分配信息是同步更新的，为后续其它节点能够分配到无冲突的时隙提供帮助，对于节点v的父节点，中的时隙将被添加到其接收时隙列表中。
在所述步骤三申请分配时隙时，为了降低每个时隙指派的持续时间，采用concurrent-REPLY策略，通过采用该策略，节点v将通过是否能够正确接收回复包来判断所请求的是否是无冲突的，concurrent-REPLY策略工作过程如下：
1)如果节点v可以正确接收到父节点的回复包，此时认为中的时隙是无冲突的，可以添加至节点v的调度方案中；
2)如果节点v由于多个N1(v)中的一跳邻居节点同时发送回复包而导致无法正确接收到回复包，节点v认为中至少有一个时隙被多个邻居节点占用，此时，中包含的时隙无法被成功指派给节点v。
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的阐述。
图2和图3展示了时隙指派(SA)的执行过程。节点s5的父节点为s6，并且N1(s5)＝{s3,s4,s6}，N2(s5)＝{s1,s2,s7}。在图中，s5发送其请求包向s6申请同时s3和s4也可接收到该请求包。如果中时隙与N1(s5)中节点的已使用时隙发生冲突，在s6发送回复包的同时，检测到时隙冲突的节点s3或s4也将同时发送回复包以通知s5，此时s5因为无线干扰而无法接收回复包，s5将认为中的时隙存在冲突而无法继续分配，如图3所示。如果s3与s4没有检测到冲突，s5将能够正确接收到来自于s6的回复包，此时表明中的时隙能够被无冲突地完成分配，如图2所示。
本发明中，设定算法的输入参数为数据汇聚树T，其输出参数为可用于树T的节点调度方案S，并且S为每个节点的调度方案的联合，即S＝S(v1)∪S(v2)…∪S(vn)。由于S是在网络初始化阶段由算法生成，因此算法采用条件“网络中是否存在未到达数据汇聚节点的数据包”作为结束算法运行的条件。在每一轮开始执行的时候，网络中所有节点均需要设定定时器Tr，用于保证每一轮能够顺利结束。
对于需要分配时隙的节点，如节点v而言，节点在轮中的执行流程如图5所示。在图中，节点v需要计算第一个可用时隙序号sloti，在两种情况下可得该值：
(1)当节点v作为邻居节点参与时隙分配时，sloti可在其邻居节点成功分配 时隙的过程中进行更新；
(2)当节点v的时隙指派(SA)失败时，在尝试进行下一次SA时，节点v需要更新sloti形成新的从而提高SA执行成功的概率。此时，sloti按照sloti＝sloti+Nf进行更新，Nf表示节点v执行SA的失败次数。当节点v成功执行SA时，Nf＝0。
对于N1(v)中的任意邻居节点，如节点w，其执行的流程如图6所示。
当算法成功结束之后，节点将生成最终的调度方案S(v)，并以该方案为调度基础进行数据汇聚传输。
为了验证本发明的优越性，本发明采用基于NS-2的仿真实验评估算法性能并与两种典型的调度算法FlexiTP和DSA-CCH进行了对比。为方便比较，本发明提出的算法命名为DSA-EPD。FlexiTP算法通过在节点之间交换token来控制节点时隙分配过程，并采用至下而上的方式实现时隙分配以保证数据不间断地多跳转发至数据汇聚节点，从而降低传输延迟，而每个节点成功分配的时隙信息通过广播扩散至其两跳邻居范围内。DSA-CCH算法则采用了着色约束的启发式方法来实现时隙分配，节点着色过程即为时隙分配过程。首先从网络中随机选择一个节点进行着色，随后其邻居节点进行着色，当且仅当完成着色的邻居节点数量大于某个阈值时，节点才能够进行着色。
仿真实验参数以Mica2Mote为参考，从网络拓扑结构、节点数量、传输距离、传播模型等方面进行了配置，如附图7所示。
模拟实验执行时间为5000秒。为了公平起见，本发明还实现了最短路径算法用于将数据投递至数据汇聚节点。
本发明采用来计算数据包的投递率，其中Nr表示成功投递至数据汇聚节点的数据包数量，Ns表示从源节点发出的数据包数量。由于假设在每一个数据汇聚周期中节点的感知数据可用一个数据包表示，因此，对于由N个节点构成的传感器网络，Ns＝N。图8表明DSA-EPD算法下的数据包投递率明显高于两种对比算法FlexiTP和DSA-CCH。DSA-EPD算法的投递率在60％～90％之间，而相同网络条件下，FlexiTP和DSA-CCH算法的数据投递率要低约20％。换句话说，DSA-EPD能够降低每个数据汇聚周期内约20％的数据包重传，对于需要长时间周期性采集与传输数据的传感器监测网络来说，DSA-EPD能够节约可观的能量与通信开销，从而延长网络寿命。DSA-EPD算法能够改善数据投递率的原因是：FlexiTP与DSA-CCH算法以发送端为调度基础，而DSA-EPD在调度时同时考虑了发送端与接收端，从而可以同时避免发生在发送端与接收端的无线干扰；
网络调度帧大小表示完成一次数据汇聚所需要的时隙数量，算法的调度帧长度如图9所示。首先，因为源节点数的增加，网络中需要传输的数据包变多， 网络规模的增大明显导致调度帧变长。其次，因为DSA-EPD在分配时隙时考虑了链路两端节点而不仅仅是发送端，相比FlexiTP与DSA-CCH算法，其避免了更多的无线干扰，因此，DSA-EPD算法以增加调度帧长度为代价改善了数据包投递率；
端到端传输延迟与数据包的时效性密切相关，图10展示了算法的平均端到端传输延迟情况。结果表明，DSA-EPD与DSA-CCH算法下的传输延迟明显高于FlexiTP算法，其原因在于：在FlexiTP中，数据包自源节点发出后，中间节点将以接力方式进行不间断传递，直至该数据包到达数据汇聚节点，极大地优化了传输延迟。此外，FlexiTP假设每个节点仅能缓存一个数据包，相比之下，DSA-EPD与DSA-CCH算法更适用于大部分对延迟要求不高的以长时间周期性收集感知数据为目标的数据汇聚应用场景；
最后，图11描述了每一轮中包含的时隙指派(SA)数量与DSA-EPD完成节点调度需要的轮数的关系。SA的数量为2～6。当网络规模变大时，轮数有了较明显的增加。然而，在相同的网络规模下，当SA的数量大于2，SA数量的变化并没有明显改变算法完成节点调度需要的轮数，这表明，算法在SA的数量大于2之后，在每个SA中并行尝试分配时隙的节点数已经趋向稳定。而当SA的数量为2时，将有更多的节点在每一个SA中尝试分配时隙，导致节点发生分配时隙失败的概率更高，从而导致需要更多的轮数才能建立起节点调度方案。

Claims (2)

1.用于增强网络数据投递可靠性的分布式时隙分配方法，首先，节点随机访问无线信道并采用分布式方法建立各自的时隙分配方案，然后节点根据其时隙分配方案访问无线信道进行数据传输以完成数据汇聚，其特征在于，所述的建立各自的时隙分配方案的步骤如下：
步骤一：扩散信号包
设定：N1(v)表示节点v的一跳邻居节点集合，N2(v)表示节点v的两跳邻居节点集合，SC表示一组连续时隙的集合，表示节点v用于发送数据的连续时隙集合，表示节点v用于接收数据的连续时隙集合，S(v)表示节点v的时隙分配方案，由与联合组成；
节点v根据其ID号设置发送信号包的回退定时器对于节点v而言，其中ts表示信号包传输时间，Vid表示节点ID，当N1(v)中的节点接收到节点v的信号包时，N1(v)中所有节点将放弃自己的信号包；
信号包的扩散由计数器C进行控制，当C＝1时，N1(v)中节点将C加1，此时，C＝2，然后将节点v的信号包发送至其一跳邻居，即N2(v)，由于C＝2，N2(v)中的节点将停止发送信号包，至此节点v完成了信号包扩散；
步骤二：确定预分配时隙
对于节点v需要确定其第一个时隙序号sloti以及本次需要分配的时隙数SCL，sloti＝sloti+Nf，Nf表示节点v执行时隙分配的失败次数；
当节点v成功完成时隙分配时，Nf＝0，其中，Pl表示一个时隙能够传输的数据包大小，Wc表示节点v接收到的所有来自于以其为根节点的子树上的节点的数据，Dv表示由节点v在一个数据汇聚周期内生成的感知数据量；
当节点v申请的不是其调度方案中的第一个用于发送的时隙集合时，Dv＝0，对于节点v，表示为[sloti,sloti+SCL]；
步骤三：申请分配时隙
节点v通过请求包将扩散至其邻居节点，节点v随后进入监听模式以接 收回复包，由于在两跳范围内仅有节点v广播了请求包，N1(v)中的所有节点均能够可靠地接收到该请求包；
对于N1(v)中的节点，如果其已分配的时隙与请求包携带的预分配时隙中的时隙至少有一个相同，那么其所请求的无法成功分配，这些邻居节点将通过回复包通知节点v；
步骤四：更新时隙分配信息
节点v发送确认包来通知一跳邻居节点N1(v)，用于表明中的时隙已经被节点v占用，N1(v)中的节点将中的时隙添加至已占用时隙列表中，从而保证了节点间的时隙分配信息是同步更新的，为后续其它节点能够分配到无冲突的时隙提供帮助，对于节点v的父节点，中的时隙将被添加到其接收时隙列表中。
2.根据权利要求1所述的用于增强网络数据投递可靠性的分布式时隙分配方法，其特征在于：在所述步骤三申请分配时隙时，为了降低每个时隙指派的持续时间，采用concurrent-REPLY策略，通过采用该策略，节点v将通过是否能够正确接收回复包来判断所请求的是否是无冲突的，concurrent-REPLY策略工作过程如下：
1)如果节点v可以正确接收到父节点的回复包，此时认为中的时隙是无冲突的，可以添加至节点v的调度方案中；
2)如果节点v由于多个N1(v)中的一跳邻居节点同时发送回复包而导致无法正确接收到回复包，节点v认为中至少有一个时隙被多个邻居节点占用，此时，中包含的时隙无法被成功指派给节点v。
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