CN116074242A - 一种面向tsch网络的多路径联合调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于IPv6无线传感网络技术领域，具体涉及一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，包括通过RPL路由协议，采用基于ETX的代价函数确定出各个节点的最优父节点和次优父节点，且最优父节点和次优父节点的父节点为同一最优祖父节点；基于各个节点Rank值大小，采用最优父节点或次优父节点完成最优路径和次优路径构建，并确定从最优路径或者次优路径传输数据包；对数据流进行类型划分，按照相应类型为数据流分配传输时隙；根据传输时隙构建调度时隙表，基于所述调度时隙表完成调度。本发明能提高网络的可靠性的同时，实现网络通信过程中的数据流隔离，达到无冲突传输的效果，特别针对网络中部分节点故障或链路质量过差情况，能够提高通信可靠性。

Description

一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法
技术领域
本发明属于IPv6无线传感器网络技术领域，具体涉及一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法。
背景技术
无线传感网络凭借功耗低、部署快、效率高等特点广泛应用于各个领域，如工业自动化和控制场景、航空电子设备以及工业生产现场。由于工业应用中高可靠性和低时延的通信需求，迫切需要在多跳的网络中，通过多路径提高数据传输的可靠性，并在工业网络中使得不同数据流实现隔离，完成不同数据的联合调度。
为了提高TSCH网络中各类数据交付的可靠性，RPL(Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks，低功耗有损网络路由协议)路由协议建立多跳拓扑，促进了无线传感网络与互联网之间的相互融合，实现了传感器节点设备与互联网主机设备之间的端到端通信。基于RPL构建网络的多路径路由，通过构建相关的多路径，主要通过父节点选取机制，构造链路质量较高的路径，实现数据的可靠传输，并以根节点进行集中式的调度。
现阶段研究主要通过启发式的方法识别网络中的路径信息，为数据流提供多条路径，通过增加传输机会以达到高可靠性要求，使得个别节点能耗过大。或者通过复制相关路径的数据包，但使得网络中的数据包冗余，会造成大量节点的网络拥塞。
发明内容
为了保证TSCH网络的可靠性和确定性通信，确保每个数据包在时延内成功交付，同时缓解网络中部分节点故障等现象，本发明结合RPL路由协议提出一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，具体包括以下步骤：
S1：通过RPL路由协议，采用基于ETX的代价函数确定出各个节点的最优父节点和次优父节点，且最优父节点和次优父节点的父节点为同一最优祖父节点；
S2：基于各个节点Rank值大小，采用最优父节点或次优父节点完成最优路径和次优路径构建，并确定从最优路径或者次优路径传输数据包；
S3：对数据流进行类型划分，按照相应类型为数据流分配传输时隙；
S4：根据所述传输时隙构建调度时隙表，基于所述调度时隙表完成调度。
本发明的有益效果在于：
1)本发明能够通过节点分布式构建多路径，通过选取最优与次优父节点，实现多路径路由，从而提高网络的通信可靠性。
2)本发明能够对不同数据流联合调度，实现TSCH下的无冲突传输，在数据流截止时间内完成数据包的交付。
附图说明
图1为本发明的整体流程图；
图2为本发明的构建多路径的说明图；
图3为本发明的构建多路径流程图；
图4为本发明的多路径构建示例图；
图5为本发明的各类型数据流传输时刻流程图；
图6为本发明的基于上述多路径示例的调度表示例图；
图7为本发明的联合调度表生成说明图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，如图1所示，所述方法包括包括以下步骤：
S1：通过RPL路由协议，采用基于ETX的代价函数确定出各个节点的最优父节点和次优父节点，且最优父节点和次优父节点的父节点为同一最优祖父节点；
在本发明实施例中，通过RPL路由协议，来选择节点的最优父节点和次优父节点，从而构建出相应的最优路径和次优路径。
对于TSCH网络中的一般节点而言，采用基于ETX的代价函数确定出该节点累计的ETX值，通过判断累计的ETX值的大小来选择出对应的最优父节点和次优父节点；而对于TSCH网络中的最外层的节点而言，则采用基于ETX的度量函数确定出该节点的ETX值，通过判断ETX值的大小来选择出对应的最优父节点和次优父节点；具体如下：
当源节点不存在上一跳节点，或者不作为上一跳节点的最优父节点或者次优父节点时，则所述源节点不存在初始的最优路径和初始的次优路径，基于ETX的度量函数计算出源节点与其父节点之间的ETX值，选择ETX值最大和次大的父节点作为源节点的最优父节点和次优父节点。
当源节点作为上一跳节点的最优父节点或者次优父节点时，则所述源节点存在初始的最优路径和初始的次优路径，基于ETX的代价函数计算出源节点分别经过最优路径和经过次优路径到目标节点时累计的ETX值，选择累计的ETX值最大和次大的目标节点作为目标节点的上一跳节点的最优父节点和次优父节点。
其中，基于ETX的度量函数可以采用RPL协议中使用的链路度量函数，本发明对此不作具体的限定，而基于ETX的代价函数表达式为：
ETXF＝P1*ETXB+P2*ETXS
P1＝1-(1-1/ETXP)2
P2＝1-P1
其中，ETXF表示目标节点的上一跳节点的代价函数，也即目标节点的上一跳节点累计的ETX值，ETXB为源节点经过当前的最优路径累计到目标节点的ETX值，ETXS为源节点经过当前的次优路径累计到目标节点的ETX值，P1为目标节点的上一跳节点两次传输数据包成功的概率，P1＝1-(1-1/ETXP)2；P2为目标节点的上一跳节点两次传输数据包失败的概率，P2＝1-P1；ETXP为目标节点的上一跳节点与其最优父节点之间的ETX值。
在本发明实施例中，还考虑到若某跳路由中只包含一个父节点，即假设源节点的父节点只有一个节点，那么就考虑在源节点与其父节点对应的路由路径上重传。
S2：基于各个节点Rank值大小，采用最优父节点或次优父节点完成最优路径和次优路径构建，并确定从最优路径或者次优路径传输数据包；
在上述实施例的基础上，本实施例需要对TSCH网络初始化，从Rank值最大的节点开始，按照其最优父节点建立最优路径，按照其次优父节点建立次优路径，直至路径的终点即目的节点为根节点时，多路径创建成功。其中，所述最优路径作为数据包传输的最优路由，所述次优路径作为数据包传输的次优路由。
在本发明实施例中，构建多路径的过程可以参考图2，如图2所示，本实施例将TSCH网络中的节点分为节点、最优父节点、次优父节点、其他入网节点、根节点的邻居节点和根节点，这些节点在不同的拓扑结构中可以拥有不同的身份，比如所述最优父节点可以是节点的父节点，也可能其他节点的节点等等；网络中所有的节点需要定期的广播自身信息，信息其中包括允许其他节点加入的信息以及与其父节点集的应答消息。当发送给节点自身最优父节点后没有收到应答消息时，节点将消息发送给次优父节点，若收到应答消息，则节点停止发送，父节点继续发送消息。
本实施例将多路径构建过程划分为三个阶段，即DODAG构建阶段、最优父节点和次优父节点选择阶段，以及多路径创建阶段；在DODAG构建阶段，DODAG的根节点向其邻居节点广播DIO控制报文来宣告自身的网络信息；根节点的邻居节点收到DIO控制报文后，计算出自身Rank值，决定是否加入该DODAG，若不加入，则丢弃该报文；若选择加入，则回复DAO控制报文；除此以外，根节点的邻居节点也通过DIO控制报文定期的向其他入网节点广播自身信息，信息其中包括允许其他节点加入的信息以及与其父节点集的应答消息。在最优父节点和次优父节点选择阶段，节点首先向其最优父节点建立连接，发送数据包，若收到最优父节点的确认接收数据包，则最优父节点向最优祖父节点发送数据包；若未收到，则节点向其次优父节点发送数据包。反复上述过程直至达到根节点，构建出以节点-最优父节点-最优祖父节点-…-根节点的邻居节点-根节点的最优路径；以及节点-次优父节点-最优祖父节点-…-根节点的邻居节点-根节点的次优路径。
在本发明优选实施例中，构建多路径的流程图如图3所示；所述构建过程包括：输入根节点ID和节点ID，输出节点到根节点的网络路由信息，在这个过程中需要对网络初始化，路由表空Rank(节点ID)＝ETXn(节点ID)＝无穷，判断节点ID是否等于根节点ID，若为根节点ID，则直接Rank＝0,ETXn＝0，否则继续判断节点ID是否等于根节点的子节点(接入点)ID，若为根节点的子节点(接入点)ID，则令Rank＝1,ETXn＝0，并广播加入信息；否则继续判断Rank(节点ID)是否等于无穷且节点ID不等于接入点ID，若满足上述条件，则设置ETXn(节点)、ETXn(i)，该节点Rank(节点)＝Rank(i)+1，ETXn-min＝ETXn(节点)；传输加入成功的ACK消息；若不满足上述条件，则继续判断Rank(节点ID)是否不等于无穷且节点ID不等于接入点ID，当满足该条件，则令ETXn(该节点)＝p1*ETXn(该节点的最优父节点)+(1-p1)ETXn(该节点的次优父节点)，广播该加入消息；否则判断ETXn(该节点，传输消息节点i)<ETXn-min，当ETXn(该节点，传输消息节点i)<ETXn-min不满足时，同样判断ETXn(该节点，次优父节点)>ETXn(该节点，i)>＝ETXn-min&&Rank(i)<Rank(节点ID)，直至将传输该消息的节点作为最优父节点，传输加入成功的ACK消息；当ETXn(该节点，传输消息节点i)<ETXn-min时，设置ETXn、ETXn(i)，该节点Rank(节点)＝Rank(i)+1，ETXn-min＝ETXn(节点)，并传输加入成功的ACK消息，通过判断节点接收到回传ACK来更新路由表，并将信息发送的节点作为子节点，直至结束流程。
最终构建完成的多路径可以参考如图4所示，以8个节点为例，节点到根节点的最优路径为1-2-4-6-root，而节点到根节点的次优路径可以为1-3-4-6-root。
S3：对数据流进行类型划分，按照相应类型为数据流分配传输时隙；
在本发明实施例中，对网络中数据流进行划分，主要分为用于时间同步的EB帧结构、用于路由交换的路由信息、以及应用程序中的数据信息；其中时间同步型数据流与应用程序数据分配专用时隙传输，但时间同步的优先级较高，路由型数据流分配共享时隙，能够提高网络的可扩展性以及动态性；
本实施例中通过节点的序列号和传输次数来确定各种类型数据流的传输时刻，其中包括：传输数据流类型为同步数据流则传输时隙号为节点序列号，该传输时隙为专用时隙；传输数据流类型为路由数据流则传输时隙号为第一个时隙，该传输时隙为共享时隙；应用数据流传输的时隙号为第a个时隙，该传输时隙为专用时隙；各类型数据流传输时刻流程图如图5所示。通过此联合调度策略，计算网络中传输数据包个数，并得到最差情况下端到端的时延，在发生节点故障时保证通信可靠性。
其中a的表达为：
a＝(R/Number1+R％Number1)*(Nid-Number2)+ETXF
其中，R为节点传输数据包的次数，Number1为节点的父节点个数，Nid为节点的序列号，Number2为Rank值为1的节点总数，并且每个节点从路由表上获取邻居序列号，通过EB帧传递节点总数与传输次数信息。
S4：根据所述传输时隙构建调度时隙表，基于所述调度时隙表完成调度。
在本发明实施例中，构建完成多路径后，须进行时隙调度表的建立，基于上述多路径构建示例的调度如图6所示，将各条路由分配在调度表中的不同时隙中。完成多路径构建后计算生成时隙调度表，该图示时隙调度表为调度表的结构说明，生成的时隙调度表，能够对交叉型路径上节点出现故障、链路出现故障，具有一定传输可靠性，不会产生大量复制的数据包；具体的分配时隙须将确认好的各数据流发送时隙，如图7所示，划分不同类型数据流后，在同一个调度单元实现不同数据流的调度。
在本发明优选实施例中，所述联合调度方法还可以包括步骤S5；所述步骤S5具体如下：
S5：判断分配的调度时隙是否满足端到端的最大时延要求，若满足，则判断调度成功，否则调度失败返回步骤S1重新执行调度流程。其中所述端到端的最大时延的计算方式包括根据节点自身的父节点个数以及网络中节点秩的最大值，计算得到端到端的最大时延，计算公式为：
Dealy＝2*Number1+(R-2)*Number1
其中，Number1为节点自身的父节点个数，R为构建网络中节点秩的最大值。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过RPL路由协议，采用基于ETX的代价函数确定出各个节点的最优父节点和次优父节点，且最优父节点和次优父节点的父节点为同一最优祖父节点；
S2：基于各个节点Rank值大小，采用最优父节点或次优父节点完成最优路径和次优路径构建，并确定从最优路径或者次优路径传输数据包；
S3：对数据流进行类型划分，按照相应类型为数据流分配传输时隙；
S4：根据所述传输时隙构建调度时隙表，基于所述调度时隙表完成调度。
2.根据权利要求1所述的一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，其特征在于，所述采用基于ETX的代价函数确定出各个节点的最优父节点和次优父节点包括当源节点不存在上一跳节点，或者不作为上一跳节点的最优父节点或者次优父节点时，则所述源节点不存在初始的最优路径和初始的次优路径，基于ETX的度量函数计算出源节点与其父节点之间的ETX值，选择ETX值最小和次小的父节点作为源节点的最优父节点和次优父节点；当源节点作为上一跳节点的最优父节点或者次优父节点时，则所述源节点存在初始的最优路径和初始的次优路径，基于ETX的代价函数计算出源节点分别经过最优路径和经过次优路径到目标节点时累计的ETX值，选择累计的ETX值最小和次小的目标节点作为目标节点的上一跳节点的最优父节点和次优父节点。
3.根据权利要求2所述的一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，其特征在于，基于ETX的代价函数表示为：
ETXF＝P1*ETXB+P2*ETXS
其中，ETXF表示目标节点的上一跳节点的代价函数，也即目标节点的上一跳节点累计的ETX值，ETXB为源节点经过当前的最优路径累计到目标节点的ETX值，ETXS为源节点经过当前的次优路径累计到目标节点的ETX值，P1为目标节点的上一跳节点两次传输数据包成功的概率，P1＝1-(1-1/ETXP)2；P2为目标节点的上一跳节点两次传输数据包失败的概率，P1＝1-P2；ETXP为目标节点的上一跳节点与其最优父节点之间的ETX值。
4.根据权利要求1所述的一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，其特征在于，所述采用最优父节点或次优父节点完成最优路径和次优路径构建包括对TSCH网络初始化，从Rank值最大的节点开始，按照其最优父节点建立最优路径，按照其次优父节点建立次优路径，直至路径的终点为根节点时，多路径创建成功。
5.根据权利要求1所述的一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，其特征在于，所述数据流进行类型划分包括将所述数据流划分为由时间同步EB帧组成的时间同步数据流，各链路路由信息的路由数据流，以及应用程序数据的数据流。
6.根据权利要求5所述的一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，其特征在于，所述按照相应类型为数据流分配传输时隙包括当传输数据流类型为同步数据流，则确定传输时隙号为节点序列号，当传输数据流类型为路由数据流，则确定传输时隙号为第一个时隙，当传输数据流类型为应用数据流，则确定传输时隙号为第a个时隙，a为应用数据流的传输时隙号。
7.根据权利要求6所述的一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，其特征在于，第a个时隙的计算公式为：
a＝(R/Number1+R％Number1)*(Nid-Number2)+ETXF
其中，R为节点传输数据包的次数，Nid为节点的序列号，Number2为Rank值为1的节点总数，ETXF表示目标节点的上一跳节点的代价函数，也即目标节点的上一跳节点累计的ETX值，Number1为节点的父节点个数。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，其特征在于，所述方法还包括S5：判断分配的调度时隙是否满足端到端的最大时延要求，若满足，则判断调度成功，否则调度失败，重新返回步骤S1。
9.根据权利要求8所述的一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，其特征在于，所述端到端的最大时延的计算方式包括根据节点自身的父节点个数以及网络中节点秩的最大值，计算得到端到端的最大时延。
10.根据权利要求9所述的一种面向TSCH网络的多路径联合调度方法，其特征在于，端到端的最大时延计算公式为：
Dealy＝2*Number1+(R-2)*Number1
其中，Number1为节点的父节点个数，R为构建网络中节点秩的最大值。
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