一种基于sinr干扰模型的能量有效的链路调度方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于SINR干扰模型的能量有效的链路调度方法，可以用于事件 的持续监测和周期性的信息报告的无线传感器网络应用系统。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络[1] (Wireless Sensor Network，WSN)是一种由大量传感器节点组 成的无线自组织网络系统。这些传感节点被抛撒在监测区域内，采集和处理监测区域内的 各种信息，并通过无线多跳方式传输给监测中心Sink。基于树的数据收集是无线传感器网 络数据收集的传递方式之一，即将网络中的所有节点组成一棵以汇聚节点为根节点的树型 网络结构，节点在传递数据时沿着事先建立好的树型网络结构通过多跳方式发送给汇聚节 点。
[0003] Time Division Multiple Access(TDMA)是 WSN 的一种多址接入方式。基于 TDMA 的MAC协议具有避免冲突的优势。TDM协议将时间划分成众多时隙，并将这些时隙分配给 网络中所有链路，链路上的节点在分配的时隙内打开收发机，在其他时隙内关闭收发机，降 低节点的能耗。如果需要传输多个数据量的链路分配的时隙不连续，则节点需要多次开启， 在时隙结束后关闭。节点开启时间为毫秒级，当所传数据较小时，数据传输时间小于节点开 启时间 [2]。频繁的开启和关闭一个节点，不仅会消耗更多的节点能量，也会增加数据收集时 延，因此，在对WSN中的链路进行调度时，需要考虑减小节点的状态转换次数。
[0004] 假设节点没有数据融合功能，TDM的每个时隙允许传输单位数据量。对于一个转 发节点，它有一条输出链路和多条输入链路，输出链路的数据量为该节点产生的数据和所 有输入链路的数据量之和，因此输出链路需要多个时隙来传输数据。假设在分配给某个节 点的输出链路时隙中，存在一些时隙，在输入链路时隙之前到来，则在数据收集阶段，在一 个TDM帧内有部分数据没有得到转发；需要在下一个TDM帧中对应的输出链路时隙中转 发数据。这种情况下Sink需要两个TDMA帧才能收集完网内所有节点的数据。
[0005] SINR干扰模型是一种常用的无线干扰模型。在该模型中，对于某一时隙中的一组 链路，通过调整每条链路的发射功率，判断是否存在一组发射功率，使得每条链路上的接收 节点的SINR值均大于一定阈值。如果不存在可行性发射功率，则需要重新分配该时隙中的 链路，再次进行功率控制。如此循环，直到存在一组链路和一组对应的发射功率，使得这组 链路满足SINR要求。
[0006] 现有技术存在多种链路调度算法，下面给出两种常用的方案，对其特点和优缺点 加以说明。
[0007] 方案一
[0008] 文献[3]提出了一种基于SINR的链路调度算法，其特点在于对于每个转发节点， 当其数据转发缓冲区内有数据时，才给其分配一个时隙来转发数据。该方案由两个模块组 成：①调度模块；②功率控制模块。具体实现过程如下：
[0009] (1)初始阶段：每个节点维护一个变量buffer。如果某个节点有一个数据包待发 送，贝丨」其buffer为full，否则为empty。初始每个节点的buffer为full。如果某个节点的 buffer为empty，但是其某个子节点的buffer为full，则该节点处于活跃状态。初始时隙 t = 1〇
[0010] (2)在时隙t中，从与Sink相连且buffer为full的节点中，选取总负载量或剩余 负载量最大的节点i，将链路（i，Sink)加入到待调度链路子集合A中；对于网络中处于活 跃状态的节点node，随机选取一个buffer为full的子节点c，将链路（c, node)加入到待 调度链路子集合A中。当待调度链路子集合为空时，算法结束。
[0011] (3)使用文献[4]中的功率控制算法处理步骤（2)中的待调度链路子集合A，主要 是迭代寻找是否存在可行发射功率。在每次迭代过程中，根据每条链路的当前SINR值来确 定下一次迭代过程中的发射功率，如式（1)所示，其中，β为SINR阈值。
【主权项】
1. 一种基于SINR干扰模型的能量有效的链路调度方法，采用Perron-Frobenius定理 来判断一组链路能否在同一个时隙中传输数据，其特征在于：包括如下步骤： 步骤1 :初始化阶段：针对已有的数据收集树，构建干扰图； St为在时隙t内的链路集合，初始值为空集； Pt为时隙t内链路的发射功率集合，初始值为空集；load(m)为链路m的负载量； 步骤2 :链路排序阶段：将Sink的所有子树按照其根节点的负载量升序排序；对于负 载量相同的子树，按照其根节点的干扰度降序排序；排序后的序列为T，1\为T中第i个子 树，初始时i= 1 ;进入步骤3 ; 步骤3 :将Ti中所有链路按照负载量升序排序；对于负载量相同的链路，按照干扰度降 序排序Ji对应的链路序列为Qi，链路m为Qi中的第m条链路，初始时m= 1 ;进入步骤4 ; 步骤4 :选择链路m的初始时隙：如果链路m不存在输入链路，则初始时隙t= 1 ;否则， 初始时隙t=输入链路分配到的最大时隙数+1 ;进入步骤5 ; 步骤5 :对链路m寻找连续时隙：在时隙t内，如果链路集合StUm同时满足以下两个 条件则进入步骤6,否则进入步骤8,这两个条件为：①对于该链路集合中的任意两条链路， 在干扰图中，对应的顶点不相连；②所有链路存在可行的发射功率； 步骤6 :如果链路m在时隙t之前分配到时隙t'，并且时隙t与t'不连续，则从已分配 给链路m的所有时隙对应的链路集合中删除链路m，load(m)恢复原值；进入步骤7 ; 步骤7 :时隙t分配给链路m，令St=StUm，load(m) =load(m)-l;进入步骤8 ; 步骤8:t=t+1 ;如果load(m)>0,表明链路m仍需要分配时隙，则进入步骤5 ;否则，判 断Qi中是否有链路需要分配时隙，如果存在，令m为Qi中下一条链路，即m=m+1，进入步 骤4 ;如果Qi中没有链路需要分配时隙，则进入步骤9 ; 步骤9 :如果存在子树没有分配时隙，令i=i+1，即1\为T中下一棵子树；进入步骤3 ; 否则，输出每个时隙t对应的链路集合St，并利用Perron-Frobenius定理求出St对应的发 射功率集合Pt，该方案结束。
【专利摘要】本发明公开了一种基于SINR干扰模型的能量有效的链路调度方法，对于一个以Sink为根节点的树型网络结构，每条链路的负载量已知，该方法按照链路负载量从小到大的顺序给链路分配时隙，对于相同负载量的链路，按照干扰度降序排序；在给某条负载量为load的链路分配时隙时，从初始时隙开始，寻找一个连续的load个时隙，使得该链路与这些时隙中已分配的链路间满足SINR要求。由于拥有load个负载量的链路分配到连续的load个时隙，减小了节点的状态转换次数，减少了网络能耗；对于每个转发节点，输出链路时隙在输入链路时隙之后到来，使得数据收集过程在一个TDMA帧中完成，减小了全网数据收集时延。
【IPC分类】H04W72-12
【公开号】CN104780616
【申请号】CN201510129299
【发明人】徐平平, 尤星秒, 朱文祥
【申请人】东南大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年3月23日