CN116847416A - 无线传感器网络的数据包传输调度方法及系统 - Google Patents
无线传感器网络的数据包传输调度方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116847416A CN116847416A CN202310869216.0A CN202310869216A CN116847416A CN 116847416 A CN116847416 A CN 116847416A CN 202310869216 A CN202310869216 A CN 202310869216A CN 116847416 A CN116847416 A CN 116847416A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tuple
- data
- data packet
- link
- node
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 70
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 6
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 235000008694 Humulus lupulus Nutrition 0.000 description 1
- 101100172132 Mus musculus Eif3a gene Proteins 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000013468 resource allocation Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W28/00—Network traffic management; Network resource management
- H04W28/02—Traffic management, e.g. flow control or congestion control
- H04W28/10—Flow control between communication endpoints
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
- H04W24/02—Arrangements for optimising operational condition
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W74/00—Wireless channel access
- H04W74/08—Non-scheduled access, e.g. ALOHA
- H04W74/0833—Random access procedures, e.g. with 4-step access
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W84/00—Network topologies
- H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
本发明涉及数据包传输调度技术领域，涉及无线传感器网络的数据包传输调度方法及系统，将多信道无线传感器网络进行虚拟化处理，将每一组真实节点、接口和信道虚拟化为元组节点；将一对相邻元组节点之间的链路虚拟化为元组链路；基于虚拟化后的元组节点和元组链路，构建网络场景；元组数据源节点生成待传输数据包，元组数据源节点根据数据流量分配机制，将待传输数据包分配给不同的传输路径；每一条传输路径上的元组链路使用随机接入的调度策略，实现待传输数据包的分组转发，转发给下一跳元组节点，最终实现将待传输数据包转发给元组目的节点。本发明在可靠的吞吐量容量区域内部保持网络系统队列稳定，同时保证算法的实现复杂度独立于网络规模。
Description
技术领域
本发明涉及数据包传输调度技术领域，特别是涉及无线传感器网络的数据包传输调度方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
在无线传感器网络中，使用调度策略作为介质访问控制（MAC）层协议能够比传统的基于竞争的CSMA/CD协议带来更好的服务质量（QoS）。在确定的干扰模型下，当输入负载位于某个容量区域内部时，若网络能够承担全部数据报文的有效吞吐，则称网络系统保持队列稳定。合理的MAC资源调度可以在一定的容量区域内保持网络系统的队列稳定性。在单跳或单路由网络场景中，MAC调度算法决定了每条数据队列在当前时隙是否发送数据。
在实际网络场景中，如果源节点到目的节点之间具有多条可用的传输路径（如图1所示），则需要在MAC调度的基础上将数据流量（到达分组报文）合理地分配到不同的路径上，从而更好地平衡网络负载，获得更优的传输性能。
在多路径环境下，为了保证QoS，需要进一步设计数据流量分配机制来配合分布式MAC调度策略完成资源分配，使得结合了MAC调度和数据流量分配的多路径MAC方案能够在可靠的容量区域内部保持网络系统队列稳定。
此外，现有研究表明，在无线网络中使用多信道技术可显著增大网络容量。在多信道网络中，频谱资源被划分为多个互不重叠的信道，网络节点的无线接口（网卡）可以自主选择某个信道完成通信。这样，在同一区域内的链路可以通过使用不同信道实现无干扰同时传输数据，避免了冲突，增大了吞吐量和带宽。当无线节点配置多个接口时，单个节点亦可同时进行收发操作，进一步提高系统的资源利用率，如图2所示。然而，多信道技术的应用在提高频谱资源利用率、增大系统容量的同时，也带来了更为复杂的软硬件实现问题。由于信道差异和接口冲突的存在，为多信道无线网络设计保证QoS的MAC调度策略较之单信道网络要更为困难。
目前，面向QoS保证的无线多信道网络MAC调度技术已经引起学者广泛关注。然而，通过分析考察现有研究成果可以看出，现有技术的针对多路径网络环境的MAC调度方案在调度阶段仍然使用以最大匹配方法为基础的调度机制。在多信道传感器网络中，该机制会带来较高的算法实现复杂度。对于一个包含有个链路和/>个信道的多信道网络来说，执行一次完整的最大匹配需要至少/>次迭代。这样，基于最大匹配的多路径MAC调度方案的计算复杂度随着链路和信道个数的增加而增大，不适用于大规模密集型分布式网络部署。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了无线传感器网络的数据包传输调度方法（M-Scheduler）及系统；本发明的成果将为5G环境下末端分布式网络中MAC调度技术的应用提供技术支撑。
一方面，提供了无线传感器网络的数据包传输调度方法；
无线传感器网络的数据包传输调度方法，包括：
将多信道无线传感器网络进行虚拟化处理，将每一组真实节点、真实接口和真实信道虚拟化为一个元组节点；将一对相邻元组节点之间的链路虚拟化为元组链路；基于虚拟化后的元组节点和元组链路，构建虚拟网络场景；
每对元组数据源节点到元组目的节点之间具有多条传输路径；元组数据源节点生成待传输数据包，元组数据源节点根据数据流量分配机制，将待传输数据包分配给不同的传输路径；
每一条传输路径上的元组链路使用随机接入的调度策略，实现待传输数据包的分组转发，转发给下一跳元组节点，最终实现将待传输数据包转发给元组目的节点。
另一方面，提供了无线传感器网络的数据包传输调度系统；
无线传感器网络的数据包传输调度系统，包括：
虚拟化模块，其被配置为：将多信道无线传感器网络进行虚拟化处理，将每一组真实节点、真实接口和真实信道虚拟化为一个元组节点；将一对相邻元组节点之间的链路虚拟化为元组链路；基于虚拟化后的元组节点和元组链路，构建虚拟网络场景；
路径分配模块，其被配置为：每对元组数据源节点到元组目的节点之间具有多条传输路径；元组数据源节点生成待传输数据包，元组数据源节点根据数据流量分配机制，将待传输数据包分配给不同的传输路径；
分组转发模块，其被配置为：每一条传输路径上的元组链路使用随机接入的调度策略，实现待传输数据包的分组转发，转发给下一跳元组节点，最终实现将待传输数据包转发给元组目的节点。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
采用随机接入技术来完成分布式调度，在此基础上开发相应的数据流量分配机制，使得提出的方案能够在可靠的吞吐量容量区域内部保持网络系统队列稳定。同时，由于采用随机接入来完成调度，算法的实现复杂度独立于网络规模，更合适在大型密集型多信道传感器网络中部署。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为现有技术的多路径网络示意图；
图2为现有技术的多信道数据传输示意图；
图3为实施例一的基于元组模型的虚拟化示意图；
图4为实施例一的队列更新示意图；
图5为实施例一的时隙划分示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
当下，分布式传感器网络通常作为末端网络用于承载大量的物联网及车联网业务。为适应5G时代的密集型网络建设需求，降低MAC调度策略的实现复杂度是必要的。
实施例一
本实施例提供了无线传感器网络的数据包传输调度方法；
无线传感器网络的数据包传输调度方法，包括：
S101：将多信道无线传感器网络进行虚拟化处理，将每一组真实节点、真实接口和真实信道虚拟化为一个元组节点；将一对相邻元组节点之间的链路虚拟化为元组链路；基于虚拟化后的元组节点和元组链路，构建虚拟网络场景；
S102：每对元组数据源节点到元组目的节点之间具有多条传输路径；
元组数据源节点生成待传输数据包，元组数据源节点根据数据流量分配机制，将待传输数据包分配给不同的传输路径；
S103：每一条传输路径上的元组链路使用随机接入的调度策略，实现待传输数据包的分组转发，转发给下一跳元组节点，最终实现将待传输数据包转发给元组目的节点。
在多路径网络环境下，每个元组数据源节点到元组目的节点之间具有多条传输路径。因此，为了保证MAC调度策略的吞吐量性能，就需要同时考虑数据包在多条路径上的流量分配问题。优秀的MAC调度策略总是能够更加合理地分担网络负载，并充分利用网络资源。
进一步地，所述S101：将多信道无线传感器网络进行虚拟化处理，将每一组真实节点、真实接口和真实信道虚拟化为一个元组节点；将一对相邻元组节点之间的链路虚拟化为元组链路；基于虚拟化后的元组节点和元组链路，构建虚拟网络场景；其中，
元组节点，构建过程包括：在数学上，将每一组真实节点、真实接口、真实信道虚拟化为一个元组节点。例如表示真实节点/>、真实接口/>和真实信道/>组成的元组节点。它工作就意味着真实节点/>使用接口/>工作在信道/>上。每一个元组节点和每一组真实节点、真实接口、真实信道存在对应关系。
元组链路，是指：连接两个相邻元组节点之间的链路。
真实节点，是指：网络中实际存在的节点。
真实接口，是指：网络中实际存在的节点接口（网卡），用于收发数据。
真实信道，是指：网络中实际存在的可用信道，一个信道对应一段频谱范围。
元组数据源节点，是指作为数据源的元组节点。
元组目的节点，是指作为数据包目的地的元组节点。
进一步地，所述S101：还包括：
在某个时隙，如果元组节点工作就意味着原始节点/>使用接口/>工作在信道/>上，而/>和/>之间的元组链路工作就意味着在本时隙节点/>使用接口在信道/>上向节点/>发送数据，而节点/>使用接口/>来接收数据；采用元组链路将元组节点进行连接；虚拟化后，网络中的元组链路构成的集合为/>，元组节点构成的集合为/>。
本发明使用一种基于元组的数学模型。在该模型中，每个节点、接口、信道被虚拟化为一个元组节点，而元组节点之间的链路定义为元组链路，如图3所示。
进一步地，所述S101：还包括：
在虚拟网络场景中，假设共有个元组数据源节点，每个元组数据源节点/>（虚拟节点）到元组目的节点之间有/>条传输路径。
定义为路径指示变量，若元组数据源节点/>的路径/>经过元组链路/>，则有否则/>。
假设表示在时隙/>由元组数据源节点/>产生的发往元组目的节点的数据包个数；/>是关于时隙独立同分布的，且均值为/>；/>构成输入负载向量。
元组链路是相邻元组节点之间的链路（只有一跳），路径是源节点到目的节点的传输路径，包括多跳。
进一步地，所述S101：还包括：
定义时隙到达链路/>的数据包个数/>为：
（1）
其中，表示在时隙/>中虚拟源数据节点/>分配至路径/>的数据包个数占的比例。当有数据包到达元组链路/>时，依据“先进先出”原则排队，构成/>时隙的元组链路的队列长度/>；令/>表示元组链路/>的容量（即传输速率）；根据调度策略的输出结果，指示变量/>表示元组链路/>在/>时隙是否发送数据，若/>被调度且/>，则；否则，/>。
进一步地，所述S101：还包括：
定义元组链路的队列更新表达式为：
（2）
其中，[]+为[0,+∞)上的投影，表示构成/>时隙的元组链路的队列长度，表示构成/>时隙的元组链路的队列长度，/>表示时隙/>到达链路/>的数据包个数，/>表示指示变量，/>表示元组链路/>的容量，/>表示在时隙/>由元组数据源节点/>产生的发往元组目的节点的数据包个数，/>为路径指示变量。队列更新示意图如图4所示。
进一步地，无线网络中的信息传输是存在干扰的。在多信道多接口网络中，干扰可能来自于共用信道或接口冲突。
进一步地，所述S101：还包括：
为每一条元组链路定义一个干扰集/>，干扰集/>包含了所有可能对/>产生干扰的元组链路。干扰集包含信道干扰和接口冲突的所有情况。假设干扰集/>中在同一时隙无干扰发送数据的元组链路的个数称为元组链路/>的干扰度，那么将一个网络的整体干扰度定义为所有元组链路的干扰度的最大值，用符号K来表示。
应理解地，在实际网络系统中，队列稳定是衡量网络吞吐量性能的一种重要状态，它指的是网络有能力承担当前的输入负载。
进一步地，所述S101：还包括：
假设当输入负载向量位于区域/>内部时存在一个MAC调度策略能够使得网络保持队列稳定状态，就称/>为最大吞吐量容量区域。
采用多路径场景，最大吞吐量容量区域定义为所有满足如下条件的输入负载组成的集合：
（3）
其中，为单路径环境下的最大容量区域。
那么，如果一个MAC调度策略能够实现的容量区域为，则称MAC调度策略是吞吐量保证的，且吞吐量效率比为/>(/>)。
显然，的取值越高意味着MAC调度策略具有更优秀的吞吐量性能。本发明提出的多路径MAC调度方案是吞吐量保证的且实现复杂度独立于网络规模。
进一步地，所述S102：元组数据源节点生成待传输数据包，元组数据源节点根据数据流量分配机制，将待传输数据包分配给不同的传输路径，具体包括：
在每一个时隙内，当元组数据源节点/>有数据包要发送时，先计算得到数据包分配比例向量：
；
其中，向量中的各元素表示元组数据源节点/>向每条传输路径发送数据包的概率；
然后，元组数据源节点在时隙/>依概率/>向路径/>发送数据包。
进一步地，所述数据包分配比例向量，具体计算过程包括：
（4）
其中，和/>均为正常数，解决公式（4）的问题之后得到数据包分配比例向量。
示例性地，若，则元组数据源节点/>在时隙/>依概率20%向路径/>发送数据。这样，/>表示在时隙/>发送至路径/>的数据包个数。
进一步地，所述S103：每一条传输路径上的元组链路使用随机接入的调度策略，实现待传输数据包的分组转发，转发给下一跳元组节点，具体包括：
S103-1：将时隙的时间长度平均分割为两个部分：计算时隙和传输时隙；
S103-2：将计算时隙进一步平均分为个子时隙（/>）；
S103-3：每条元组链路在个子时隙中选择一个子时隙作为数据传输的起始时刻。
应理解地，将时隙的时间长度分割为两个部分：计算时隙和传输时隙，是为了使MAC调度策略的实现复杂度独立于网络规模的大小，如图5所示。
进一步地，所述S103-3：每条元组链路在个子时隙中选择一个子时隙作为数据传输的起始时刻，具体包括：
在每个时隙，每条元组链路/>在子时隙集合{1,…,M+1}中依概率对子时隙进行选择，概率的计算公式为：
（5）
其中，表示元组链路/>选择的子时隙；
参数的计算过程为：
（6）
其中，。
进一步地，所述方法还包括：若元组链路选择了子时隙/>，则元组链路/>在当前时隙不发送数据。
进一步地，所述方法还包括：如果两条相互干扰（干扰可能来自于共用信道或接口冲突）的邻居元组链路选择了同一子时隙，那么两条相互干扰的邻居元组链路在当前时隙都不发送数据。
进一步地，所述方法还包括：如果元组链路在准备发送数据时，监听到元组链路所归属的干扰集中有其他元组链路正在工作，那么元组链路/>将在当前时隙保持静默。
本实施例从吞吐量和复杂度两个方面来分析M-Scheduler方案的性能。针对吞吐量性能，本实施例将证明M-Scheduler是吞吐量保证的，并进一步得到该算法的吞吐量效率比。关于复杂度方面，本实施例将证明M-Scheduler的实现复杂度独立于网络规模，并与其他可比较的多路径MAC方案的计算复杂度进行对比分析。
为了得到M-Scheduler的吞吐量性能，本实施例需要用到下面的引理。
引理1：对于任意正常数，都存在一个正数/>使得当/>时，有：
（7）
证明：首先定义一个关于元组链路的参数/>，表示为：
（8）
可见的取值范围是/>。同时可以看出，网络中一定存在一条元组链路使得/>。为了不失一般性，不妨设/>。那么，只要能够证明下式对于所有的/>（且/>）均成立，则得证引理1。
（9）
为了证明（9）式，本实施例分两种情况。对于任意的，如果/>，则必然有/>；如果/>，则必有/>。于是，本实施例有
（10）
这样，可以进一步得到
（11）
其中，表示集合/>的基数。于是，当给定/>时，本实施例可以适当地选择正数/>使得/>。这样，对于任意的/>，不难得出（9）式成立。于是，引理1得证。得到引理1后，通过下面的定理给出M-Scheduler的吞吐量性能。
定理1：使用M-Scheduler策略后，对于任意，如果输入负载向量满足
（12）
那么网络系统能够保持队列稳定状态。
证明：首先构造如下李雅普诺夫函数
（13）
为了简化后续证明过程，本实施例定义两个新的参量和/>为：
（14）
其中，表示数学期望。由于/>，本实施例可以得到：
（15）
其中并且/>表示高阶无穷小，/>表示元组链路/>被调度这个事件。此外，根据（5）式和（6）式，不难得到
（16）
对于任意元组链路均成立。那么，由引理1可知，对于任意的正常数/>，存在，使得当/>时，有
（17）
根据定理的使用条件（12）式和（15）式，本实施例可以得到
（18）
其中，。根据（4）式的数据包路径选择机制，不难得到下面的不等式
（19）
这样，基于（18）和（19），本实施例可以进一步得到
（20）
于是，不等式（20）意味着网络系统保持队列稳定，定理1得证。
需要强调的是，如果网络系统的干扰度为K，则输入负载向量位于最大吞吐量容量区域/>的内部就意味着/>要满足
（21）
对每条元组链路均成立。于是，本实施例可以得出结论，当/>足够小且/>足够大时，不等式（12）的右半部分趋近于1，即
（22）
这样，通过对比（12）和（21）式可以得出结论：M-Scheduler策略的吞吐量效率比接近。也就是说，M-Scheduler能够在/>时保证网络系统的队列稳定状态，即它是吞吐量保证的。根据上面的分析，子时隙的数量M的值越大，M-Scheduler的吞吐量效率比就越接近/>。后续可以通过提升通信终端的硬件性能来保证M的值足够大。
通过M-Scheduler的执行过程可以看出，它采用的是分布式实现机制。分布式相较于集中式的实现复杂度更低且更易于部署。同时，与现有的应用于多信道无线网络的多路径分布式MAC调度方案相比，M-Scheduler不需要执行最大匹配过程，且不需要迭代运算。由于每条链路在每个时隙依概率自行选择数据发送时间戳，因此它的实现复杂度不随网络中可用信道数和链路个数的增大而升高。于是本实施例说，M-Scheduler的实现复杂度是独立于网络规模的，能够更好地适用于大规模密集型无线网络。
本发明提出了一种全新的适用于无线多信道网络的MAC调度方案，命名为M-Scheduler。该方案采用一种基于元组的数学模型，将节点、接口、信道模型化为元组节点，并将一对元组节点之间的链路模型化为元组链路。这样，多接口多信道网络即可当虚拟化为单信道网络。同时，当网络中元组数据源节点到元组目的节点有多条传输路径时，调度方案首先会将每个时隙的数据流量合理地分配至每条路径上，并在MAC调度阶段采用一种基于随机接入的调度策略来完成分组转发。设计数据流量分配算法和随机接入概率的理论依据是要保证调度方案的吞吐量性能。通过使用李雅普诺夫分析法，本实施例证明了M-Scheduler是吞吐量保证的。此外，采用随机接入机制来完成MAC调度使得调度方案的实现复杂度独立于网络规模的大小，这样的特点让调度方案在复杂度方面优于现有的多路径MAC调度方案，也提升了该方案在实际网络系统中的适用性。
实施例二
本实施例提供了无线传感器网络的数据包传输调度系统；
无线传感器网络的数据包传输调度系统，包括：
虚拟化模块，其被配置为：将多信道无线传感器网络进行虚拟化处理，将每一组真实节点、真实接口和真实信道虚拟化为一个元组节点；将一对相邻元组节点之间的链路虚拟化为元组链路；基于虚拟化后的元组节点和元组链路，构建虚拟网络场景；
路径分配模块，其被配置为：每对元组数据源节点到元组目的节点之间具有多条传输路径；元组数据源节点生成待传输数据包，元组数据源节点根据数据流量分配机制，将待传输数据包分配给不同的传输路径；
分组转发模块，其被配置为：每一条传输路径上的元组链路使用随机接入的调度策略，实现待传输数据包的分组转发，转发给下一跳元组节点，最终实现将待传输数据包转发给元组目的节点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.无线传感器网络的数据包传输调度方法，其特征是，包括：
将多信道无线传感器网络进行虚拟化处理，将每一组真实节点、真实接口和真实信道虚拟化为一个元组节点；将一对相邻元组节点之间的链路虚拟化为元组链路；基于虚拟化后的元组节点和元组链路，构建虚拟网络场景；
每对元组数据源节点到元组目的节点之间具有多条传输路径；元组数据源节点生成待传输数据包，元组数据源节点根据数据流量分配机制，将待传输数据包分配给不同的传输路径；
每一条传输路径上的元组链路使用随机接入的调度策略，实现待传输数据包的分组转发，转发给下一跳元组节点，最终实现将待传输数据包转发给元组目的节点。
2.如权利要求1所述的无线传感器网络的数据包传输调度方法，其特征是，所述方法还包括：
如果元组节点工作就意味着原始节点/>使用接口/>工作在信道/>上，而和/>之间的元组链路工作就意味着在本时隙节点/>使用接口/>在信道/>上向节点/>发送数据，而节点/>使用接口/>来接收数据，采用元组链路将元组节点进行连接；虚拟化后，网络中的元组链路构成的集合为/>，元组节点构成的集合为/>；
在虚拟网络场景中，假设共有个元组数据源节点，每个元组数据源节点/>到元组目的节点之间有/>条传输路径；定义/>为路径指示变量，若元组数据源节点/>的路径/>经过元组链路/>，则有/>否则/>；假设/>表示在时隙/>由元组数据源节点/>产生的发往元组目的节点的数据包个数；/>是关于时隙独立同分布的，且均值为/>；构成输入负载向量。
3.如权利要求2所述的无线传感器网络的数据包传输调度方法，其特征是，所述方法还包括：
定义时隙到达链路/>的数据包个数/>为：
（1）
其中，表示在时隙/>中虚拟源数据节点/>分配至路径/>的数据包个数占/>的比例；当有数据包到达元组链路/>时，依据“先进先出”原则排队，构成/>时隙的元组链路的队列长度/>；令/>表示元组链路/>的容量；根据调度策略的输出结果，指示变量表示元组链路/>在/>时隙是否发送数据，若/>被调度且/>，则/>；否则，/>。
4.如权利要求3所述的无线传感器网络的数据包传输调度方法，其特征是，所述方法还包括：
定义元组链路的队列更新表达式为：
（2）
其中，[]+为[0,+∞)上的投影，表示构成/>时隙的元组链路的队列长度，表示构成/>时隙的元组链路的队列长度，/>表示时隙/>到达链路/>的数据包个数，/>表示指示变量，/>表示元组链路/>的容量，/>表示在时隙/>由元组数据源节点/>产生的发往元组目的节点的数据包个数，/>为路径指示变量。
5.如权利要求4所述的无线传感器网络的数据包传输调度方法，其特征是，所述方法还包括：
为每一条元组链路定义一个干扰集/>，干扰集/>包含了所有可能对/>产生干扰的元组链路；干扰集包含信道干扰和接口冲突的所有情况；假设干扰集/>中在同一时隙无干扰发送数据的元组链路的个数称为元组链路/>的干扰度，那么将一个网络的整体干扰度定义为所有元组链路的干扰度的最大值，用符号K来表示。
6.如权利要求5所述的无线传感器网络的数据包传输调度方法，其特征是，所述方法还包括：
假设当输入负载向量位于区域/>内部时存在一个调度策略使得网络保持队列稳定状态，则称/>为最大吞吐量容量区域；
采用多路径场景，最大吞吐量容量区域定义为所有满足如下条件的输入负载组成的集合：
（3）
其中，为单路径环境下的最大容量区域；那么，如果一个调度策略实现的容量区域为，则称调度策略是吞吐量保证的，且吞吐量效率比为/>，/>。
7.如权利要求1所述的无线传感器网络的数据包传输调度方法，其特征是，元组数据源节点生成待传输数据包，元组数据源节点根据数据流量分配机制，将待传输数据包分配给不同的传输路径，具体包括：
在每一个时隙内，当元组数据源节点/>有数据包要发送时，先计算得到数据包分配比例向量：
；
其中，向量中的各元素表示元组数据源节点/>向每条传输路径发送数据包的概率；
然后，元组数据源节点在时隙/>依概率/>向路径/>发送数据包；
所述数据包分配比例向量，具体计算过程包括：
（4）
其中，和/>均为正常数，解决公式（4）的问题之后，得到数据包分配比例向量/>。
8.如权利要求1所述的无线传感器网络的数据包传输调度方法，其特征是，
每一条传输路径上的元组链路使用随机接入的调度策略，实现待传输数据包的分组转发，转发给下一跳元组节点，具体包括：
将时隙的时间长度平均分割为两个部分：计算时隙和传输时隙；
将计算时隙进一步平均分为个子时隙；
每条元组链路在个子时隙中选择一个子时隙作为数据传输的起始时刻，具体包括：
在每个时隙，每条元组链路/>在子时隙集合/>中依概率对子时隙进行选择，概率的计算公式为：
（5）
其中，表示元组链路/>选择的子时隙；
参数的计算过程为：
（6）
其中，。
9.如权利要求1所述的无线传感器网络的数据包传输调度方法，其特征是，所述方法还包括：若元组链路选择了子时隙/>，则元组链路/>在当前时隙不发送数据；如果两条相互干扰的邻居元组链路选择了同一子时隙，那么两条相互干扰的邻居元组链路在当前时隙都不发送数据；如果元组链路/>在准备发送数据时，监听到元组链路/>所归属的干扰集中有其他元组链路正在工作，那么元组链路/>将在当前时隙保持静默。
10.无线传感器网络的数据包传输调度系统，其特征是，包括：
虚拟化模块，其被配置为：将多信道无线传感器网络进行虚拟化处理，将每一组真实节点、真实接口和真实信道虚拟化为一个元组节点；将一对相邻元组节点之间的链路虚拟化为元组链路；基于虚拟化后的元组节点和元组链路，构建虚拟网络场景；
路径分配模块，其被配置为：每对元组数据源节点到元组目的节点之间具有多条传输路径；元组数据源节点生成待传输数据包，元组数据源节点根据数据流量分配机制，将待传输数据包分配给不同的传输路径；
分组转发模块，其被配置为：每一条传输路径上的元组链路使用随机接入的调度策略，实现待传输数据包的分组转发，转发给下一跳元组节点，最终实现将待传输数据包转发给元组目的节点。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310869216.0A CN116847416B (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 无线传感器网络的数据包传输调度方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310869216.0A CN116847416B (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 无线传感器网络的数据包传输调度方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116847416A true CN116847416A (zh) | 2023-10-03 |
| CN116847416B CN116847416B (zh) | 2024-09-20 |
Family
ID=88174188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310869216.0A Active CN116847416B (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 无线传感器网络的数据包传输调度方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116847416B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100128739A1 (en) * | 2008-11-24 | 2010-05-27 | Joon Young Jung | Method and apparatus of scheduling bandwidth in cable network |
| EP3379865A1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-09-26 | Televic Healthcare NV | Method for scheduling transmissions in a meshed wireless network |
| CN110662256A (zh) * | 2019-09-18 | 2020-01-07 | 北京交通大学 | 多路径跨协议传输的数据包调度方法及系统 |
| CN110856264A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-02-28 | 山东大学 | 一种在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法 |
-
2023
- 2023-07-17 CN CN202310869216.0A patent/CN116847416B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100128739A1 (en) * | 2008-11-24 | 2010-05-27 | Joon Young Jung | Method and apparatus of scheduling bandwidth in cable network |
| EP3379865A1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-09-26 | Televic Healthcare NV | Method for scheduling transmissions in a meshed wireless network |
| CN110662256A (zh) * | 2019-09-18 | 2020-01-07 | 北京交通大学 | 多路径跨协议传输的数据包调度方法及系统 |
| CN110856264A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-02-28 | 山东大学 | 一种在传感器网络中最优化信息年龄的分布式调度方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| F. ZHANG, Y. CAO AND D. WANG,: "Distributed Algorithm for Multi-Channel Wireless Networks with Low Complexity", 2014 IEEE 79TH VEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE (VTC SPRING) * |
| FAN ZHANG, BAOZHU LI: "Throughput-Guaranteed Distributed Channel Assignment and Scheduling Algorithms with Low Complexity for Multichannel Wireless Sensor Networks", JOURNAL OF SENSORS * |
| Y. CHENG, H. LI, D. M. SHILA AND X. CAO: "A Systematic Study of Maximal Scheduling Algorithms in Multiradio Multichannel Wireless Networks", IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING * |
| 张帆: "基于QoS保证的无线Ad hoc网络调度技术研究", 中国博士学位论文全文数据库信息科技辑, pages 2 - 2 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116847416B (zh) | 2024-09-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chua et al. | Medium access control for unmanned aerial vehicle (UAV) ad-hoc networks with full-duplex radios and multipacket reception capability | |
| Kodialam et al. | Characterizing achievable rates in multi-hop wireless mesh networks with orthogonal channels | |
| Zeng et al. | Opportunistic routing in multi-radio multi-channel multi-hop wireless networks | |
| Cui et al. | Channel allocation in wireless data center networks | |
| Cicconetti et al. | Bandwidth balancing in multi-channel IEEE 802.16 wireless mesh networks | |
| Ning et al. | Joint scheduling and routing algorithm with load balancing in wireless mesh network | |
| Chua et al. | MAC performance improvement in UAV ad-hoc networks with full-duplex radios and multi-packet reception capability | |
| Cheng et al. | A theoretical framework for optimal cooperative networking in multiradio multichannel wireless networks | |
| Cheng et al. | A systematic study of maximal scheduling algorithms in multiradio multichannel wireless networks | |
| TW202021299A (zh) | 功能分割無線前端通訊下品質體驗導向的跨層資料存取控制與波束分配之通訊系統 | |
| Vergados et al. | Fair TDMA scheduling in wireless multihop networks | |
| US20150327260A1 (en) | Data rate hopping scheduling | |
| CN116847416B (zh) | 无线传感器网络的数据包传输调度方法及系统 | |
| Naghsh et al. | MUCS: A new multichannel conflict-free link scheduler for cellular V2X systems | |
| Wang et al. | Adaptive flow-level resource allocation for wireless mesh networks | |
| Bhandari et al. | Scheduling in multi-channel wireless networks | |
| Dab et al. | A heuristic approach for joint batch-routing and channel assignment in hybrid-dcns | |
| Wolf et al. | A distributed load-based transmission scheduling protocol for wireless ad hoc networks | |
| Wu et al. | On service differentiation for multimedia traffic in multi-hop wireless networks | |
| Shastry et al. | Enhancing the performance of software-defined wireless mesh network | |
| Pinyoanuntapong | Software defined wireless mesh networks: from theory to practice | |
| Zhang et al. | Distributed channel-assignment and scheduling algorithm for multi-channel networks | |
| JP6558728B2 (ja) | 無線メッシュネットワークシステム | |
| Sheu et al. | An efficient and interference-aware centralized routing tree algorithm for the routing and packet scheduling problem in IEEE 802.16 mesh networks | |
| Kim et al. | A group-based channel assignment protocol for rate separation in IEEE 802.11-based multi-radio multi-rate ad hoc networks |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |