CN110856264A - 一种在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信领域，具体涉及一种在传感器网络中最优化传感器节点信息年龄的分布式调度方法。一种在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法，包括：同步无线传感器网络，将时间离散化为一系列时隙t＝1,2,…，初始化任意传感器节点i的传输概率p_i；在任意一个时隙t中，每个传感器节点i根据信道侦听情况，根据传输概率随机决定是否进行数据传输，并自适应地调整其数据传输概率。本发明是一种分布式的调度算法，相比于传统的集中式调度方法，不依赖于中心基础设施，且不需要节点间进行信息交换，减小了通信代价，提高了系统的可扩展性和鲁棒性；同时，在恶意信道干扰下，仍能够以常量因子逼近最优峰值信息年龄。

Description

一种在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法。

背景技术

信息的新鲜度(Information freshness)是很多时间敏感应用(例如工业监控系统、医疗监控系统、自动驾驶系统等)的重要指标。由于信息的价值会随时间流逝逐渐降低，信息需要从源节点及时地传输至目的节点。例如，在一个由一组传感器节点和一个基站组成的星型传感器网络中，传感器节点采集到的数据需要通过一个无线信道及时传输到目的基站。信息年龄(Age of Information,AoI)是一个新近提出的用于描述该数据传输过程时间线的一个重要概念。

具体的，对于任意一个传感器节点，其信息年龄用于衡量从最近到达基站的数据包生成开始所经过的时间。假设t_i,j表示第i个传感器节点的第j个数据包生成时刻。在当前时刻t，如果该数据包是基站最新从传感器节点i接收到的数据包，则传感器节点i在t时刻的信息年龄为t-t_i,j。相比其他的面向数据包定义的性能评价标准(例如吞吐量、传输延迟等)，信息年龄是从数据用户(例如基站)角度定义的。因此，信息年龄可以用来作为分析以用户为中心的信息系统的信息新鲜度的有力工具。

峰值(信息)年龄(Peak Age)是用来刻画信息年龄的一个重要度量标准；它是指数据到达时候所能达到的最大信息年龄。峰值年龄常用来作为数据传输及时性(Timeliness)是否能得以保证的判定标准。峰值年龄越小，表示系统所能达到的最大信息年龄较小，数据传输的及时性更能得以保证。

但是，在一个无线网络中，数据传输的及时性受到不可靠的无线信道的限制。例如，无线信道经常受到外来的恶意干扰(Adversarial jamming)，导致数据传输的失败。同时，若不同的传感器节点在同一时间同时传输数据，产生的冲突也会导致数据传输的失败。因此，如何对传感器节点的数据传输进行合理的调度，是优化信息年龄的关键问题。目前的方案基本都在采用集中式的调度策略，依靠一个中心基础设施来对网络全局信息进行管理和协调各个传感器节点，因此会产生较大的通信和控制开销。同时，集中式的传感器节点调度也不利于系统的可扩展性和鲁棒性。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种分布式的数据传输调度方法来对峰值(信息)年龄进行优化。通过该方法，传感器节点通过自适应地调整数据传输概率来访问无线传输介质进行数据传输。该方法无需中心基础设施和传感器节点间的信息交换，即可在任意信道干扰下以常量因子逼近最优峰值年龄。

本发明解决其技术问题所采用的技术手段为：

一种在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法，包括：

步骤一：利用网络同步技术将时间离散化为一系列时隙t＝1,2,…；任意传感器节点i初始化其数据传输概率

其中为用户指定的数据传输概率的最大值；

步骤二：在任意一个时隙t中，每个传感器节点i根据信道侦听情况，根据传输概率随机决定是否进行数据传输，并自适应地调整其数据传输概率。

进一步的，所述步骤二包括：在任意一个时隙t中，传感器节点i首先对无线信道进行侦听，若信道没有外部干扰，则根据传输概率p_i决定是否进行数据传输；若侦听到外部干扰，则放弃该时隙，不做任何操作，等待下一时隙开始。

又进一步的，若传感器节点i决定进行数据传输，则广播在该时隙新生成的数据包，并调整其数据传输概率p_i←(1+γ)^-1p_i，其中γ为(0,1)区间内的任意常数；

若传感器节点i决定不进行数据传输，则继续侦听信道，并根据信道侦听情况调整其数据传输概率：如果信道忙，则p_i←(1+γ)^-1p_i；如果信道空闲，则

本发明的在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法的有益技术效果：

每个传感器节点自适应的调节传输概率，不依赖中心基础设施，也无需和其他传感器节点通信，具有极低的通信开销。同时，在任意的外部恶意信道干扰条件下，传感器节点能够充分利用未被干扰的时隙进行分布式的数据传输调度，以常数因子逼近最优峰值年龄。具体地，在任意外部信道干扰条件下，每个传感器节点平均花费cO(N)个未被干扰时隙来进行一次成功的数据传输。其中，c为大于零的常数，N表示传感器节点的数量。

附图说明

图1是本发明实施例的应用场景；

图2本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

本发明实施例是将本发明应用在到无线传感器网络中，如图1所示。该无线传感器网络包括若干传感器节点(Sensor nodes)、一个无线信道(Wireless channel)、一个基站(Base station)以及一个恶意干扰者(Adversary)。利用网络同步技术，将时间离散化为一系列时隙t＝1,2,…。在任意一个时隙t中，每个传感器节点采集数据，生成一个数据包。由于传感器节点的存储资源十分有限，我们假设传感器节点只保存当前时隙生成的数据包。由于无线信道的带宽限制，每次最多允许一个传感器节点进行成功的数据传输；若有两个或两个以上的传感器同时进行数据传输，则会产生冲突，导致这些数据传输的失败。除此之外，我们还假设系统中存在一个干扰者会产生干扰来阻塞信道，阻止传感器节点的数据传输。因此，在任意时隙t中，只有信道没有被干扰者阻塞并且只有一个传感器节点进行数据传输时，该数据传输才能成功。

本发明在该无线传感器网络中的具体实施如下：

(1)在开始阶段，利用同步技术，将时间离散化为一系列时隙t＝1,2,…；任意传感器节点i初始化其数据传输概率

(其中为用户指定的数据传输概率的最大值)；

(2)在任意时隙t，每个传感器节点i首先侦听信道状态，若信道忙(即存在外部干扰在阻塞信道)，则放弃该时隙，等待进入下一时隙(即t←t+1)；若信道空闲，则进行下述步骤：

(2-1)传感器节点i根据其传输概率p_i决定是否进行数据传输(即进行数据传输的概率为p_i)；

(2-2)若传感器节点i决定进行数据传输，则广播在该时隙新生成的数据包，并调整其数据传输概率p_i←(1+γ)^-1p_i(其中γ为(0,1)区间内的任意常数)；

(2-3)若传感器节点i决定不进行数据传输，则继续侦听信道，并根据信道侦听情况调整其数据传输概率：如果信道忙(即有其他传感器节点在进行数据传输)，则p_i←(1+γ)^-1p_i；如果信道空闲，则

Claims (4)

1.一种在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：同步无线传感器网络，将时间离散化为一系列时隙t＝1,2,…，初始化任意传感器节点i的传输概率p_i；

步骤二：在任意一个时隙t中，每个传感器节点i根据信道侦听情况，根据传输概率随机决定是否进行数据传输，并自适应地调整其数据传输概率。

2.根据权利要求1所述的在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法，其特征在于，所述步骤一包括：通过无线传感器节点和基站之间的信息交换，同步无线传感器网络，将时间离散化为一系列时隙t＝1,2,…；每个传感器节点i初始化其数据传输概率

其中

为用户指定的数据传输概率的最大值。

3.根据权利要求2所述的在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法，其特征在于，所述步骤二包括：在任意一个时隙t中，传感器节点i首先对无线信道进行侦听，若信道没有外部干扰，则根据传输概率p_i决定是否进行数据传输；若侦听到外部干扰，则放弃该时隙，不做任何操作，等待下一时隙开始。

4.根据权利要求3所述的在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法，其特征在于，若传感器节点i决定进行数据传输，则广播在该时隙新生成的数据包，并调整其数据传输概率p_i←(1+γ)^-1p_i，其中γ为(0,1)区间内的任意常数；

若传感器节点i决定不进行数据传输，则继续侦听信道，并根据信道侦听情况调整其数据传输概率：如果信道忙，则p_i←(1+γ)^-1p_i；如果信道空闲，则

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