張本宏,　邱　睿,　黃琳琳

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥　230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心,安徽 合肥　230009)

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一種用于工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法

張本宏1,2,邱睿1,黃琳琳1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心,安徽 合肥230009)

摘要:傳輸調(diào)度是提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信性能的重要手段，針對(duì)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),文章提出一種基于距離矩陣的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立初始時(shí)隙分配計(jì)劃以及距離矩陣,構(gòu)建時(shí)隙分配表并確定節(jié)點(diǎn)的發(fā)送和接收時(shí)隙。該方法既考慮了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響,又考慮了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生周期的影響。仿真結(jié)果表明,該方法能顯著降低網(wǎng)絡(luò)的平均發(fā)送時(shí)間,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｕ娑取?/p>

關(guān)鍵詞:工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);確定性;調(diào)度方法;時(shí)隙分配;距離矩陣

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)因其布線簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便,逐漸在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用[1-3]。與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比,應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Industrial Wireless Sensor Networks，IWSNs)對(duì)數(shù)據(jù)通信的確定性和可靠性要求更高[4],因此,對(duì)IWSNs的通信進(jìn)行合理調(diào)度,確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的確定性和可靠性,顯得尤為重要。

無(wú)線通信的調(diào)度方法按照介質(zhì)訪問(wèn)控制方式主要分為基于競(jìng)爭(zhēng)、基于固定時(shí)隙分配和兩者相結(jié)合3種[4-5]。由于基于競(jìng)爭(zhēng)的方法,可能在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生碰撞,難以保證時(shí)延的確定性,因此在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),通常采用基于固定時(shí)隙分配的方法[5]。目前,眾多研究者針對(duì)不同的應(yīng)用和不同的優(yōu)化目標(biāo),對(duì)基于固定時(shí)隙分配的調(diào)度方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6-7]針對(duì)多跳多基站無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,設(shè)計(jì)了一種基于干擾管理的高容量跨層優(yōu)化策略,通過(guò)迭代方式反復(fù)求取更優(yōu)的鏈路分配和路由,但以最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量為目標(biāo);文獻(xiàn)[8]針對(duì)無(wú)線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò),基于混合模擬退火的微粒群算法,提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)度方法,但主要考慮的是能量均衡因素;文獻(xiàn)[9-10]針對(duì)周期性的查詢應(yīng)用,設(shè)計(jì)了一種查詢調(diào)度方法RTQS(real-time query scheduling),但未考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生周期不同的影響;文獻(xiàn)[4,11]對(duì)符合WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度方法和路由選擇進(jìn)行研究,但未給出各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙的分配機(jī)理。

本文在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)IWSNs的應(yīng)用,提出一種基于距離矩陣的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法,在為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙分配時(shí),既考慮了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響,又考慮了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生周期的不同,可滿足IWSNs對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)可靠性和時(shí)延確定性的要求。

1問(wèn)題描述

IWSNs由工作節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成。工作節(jié)點(diǎn)周期性產(chǎn)生數(shù)據(jù),路由節(jié)點(diǎn)既可以周期性產(chǎn)生數(shù)據(jù),又具有路由和信息轉(zhuǎn)發(fā)功能。圖1所示為一種示例IWSNs的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中a為匯聚節(jié)點(diǎn),葉子節(jié)點(diǎn)為工作節(jié)點(diǎn),其他節(jié)點(diǎn)為路由節(jié)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比,工作節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)產(chǎn)生以后,必須在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。

圖1　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

本文對(duì)IWSNs調(diào)度方法的研究,主要基于以下假設(shè):

(1) 節(jié)點(diǎn)間任何數(shù)據(jù)的一次發(fā)送,均在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送完畢。

(2) 所有數(shù)據(jù)的產(chǎn)生均具有周期性。

(3) 所有節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的全局信息包括節(jié)點(diǎn)位置、數(shù)據(jù)產(chǎn)生周期均已知。

2基于距離矩陣的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法

基于固定時(shí)隙分配的調(diào)度方法,本質(zhì)上是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)合理安排發(fā)送時(shí)隙,由于時(shí)隙調(diào)度是NP難問(wèn)題,通常采用啟發(fā)式搜索方法[12]。本文的調(diào)度方法也采用啟發(fā)式搜索方法,其步驟如下:

(1) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和沖突情況,建立時(shí)隙初始分配計(jì)劃。

(2) 為每個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送產(chǎn)生計(jì)劃實(shí)例,建立距離矩陣。

(3) 建立節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配表,確定發(fā)送和接收時(shí)隙。

2.1建立初始時(shí)隙分配計(jì)劃

初始時(shí)隙分配計(jì)劃是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洚a(chǎn)生的有序時(shí)隙序列,每個(gè)時(shí)隙中包含了若干互不沖突的傳輸鏈路集合,將初始時(shí)隙分配計(jì)劃記為S={s1,s2,…,sL},si表示計(jì)劃中的不同時(shí)隙,L為初始時(shí)隙分配計(jì)劃的長(zhǎng)度。

在構(gòu)造初始時(shí)隙分配計(jì)劃時(shí),將IWSNs視為層次結(jié)構(gòu),維護(hù)completed與eligible 2個(gè)集合,completed集合包含已分配了時(shí)隙的節(jié)點(diǎn),eligible集合包含了completed集合目前可達(dá)的待分配節(jié)點(diǎn),但eligible集合中的節(jié)點(diǎn)本身不屬于completed集合。不斷選擇eligible集合中優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn),為其分配時(shí)隙,將節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到completed集合,再將此節(jié)點(diǎn)的孩子節(jié)點(diǎn)加入eligible集合。

表1　示例網(wǎng)絡(luò)的初始時(shí)隙分配計(jì)劃

2.2建立距離矩陣

初始時(shí)隙分配計(jì)劃建立后,如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照計(jì)劃中的時(shí)隙循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)不產(chǎn)生沖突,但顯然該發(fā)送方式并發(fā)效率較低。例如在時(shí)隙1,只有節(jié)點(diǎn)o發(fā)送數(shù)據(jù),而實(shí)際上此時(shí)節(jié)點(diǎn)x、w等均可同時(shí)發(fā)送。為了提高發(fā)送效率,需進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)發(fā)送的并發(fā)性。為此,引入定義1～定義4:

定義1初始時(shí)隙分配計(jì)劃的每次執(zhí)行稱為計(jì)劃實(shí)例。

初始時(shí)隙分配計(jì)劃的每次執(zhí)行并不一定從時(shí)隙1開(kāi)始,1個(gè)計(jì)劃實(shí)例可能包括1個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)的一次完整發(fā)送。例如,對(duì)于圖1的示例網(wǎng)絡(luò),如果在某個(gè)時(shí)隙,只有節(jié)點(diǎn)y有數(shù)據(jù)發(fā)送,則產(chǎn)生新實(shí)例時(shí),該實(shí)例從時(shí)隙3開(kāi)始,也即該實(shí)例只包括從時(shí)隙3到時(shí)隙7的5個(gè)時(shí)隙。

對(duì)于不同的實(shí)例,如果在發(fā)送時(shí)間上存在重疊,就可以提高發(fā)送效率。因此最大限度地提高時(shí)隙的重疊數(shù),即減小新實(shí)例和正在執(zhí)行實(shí)例的相隔時(shí)間是提高發(fā)送效率的關(guān)鍵。由于不同實(shí)例的時(shí)隙間可能存在沖突,不能隨意地選擇新實(shí)例開(kāi)始時(shí)間,而必須滿足一定條件。

定義2如果計(jì)劃實(shí)例的si與sj中所有的鏈路都是無(wú)沖突的,則稱時(shí)隙i與時(shí)隙j可以并發(fā)執(zhí)行。

定義3如果新實(shí)例與當(dāng)前實(shí)例未執(zhí)行的部分重疊的時(shí)隙都是可以并發(fā)執(zhí)行的,則稱這2個(gè)實(shí)例能夠并發(fā)執(zhí)行。

定義4新實(shí)例與當(dāng)前實(shí)例未執(zhí)行的部分能夠并發(fā)執(zhí)行的最小時(shí)隙間隔,稱為實(shí)例距離。

距離矩陣就是用來(lái)表示實(shí)例距離的矩陣。對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的初始時(shí)隙分配計(jì)劃,當(dāng)2個(gè)實(shí)例間的開(kāi)始時(shí)間間隔大于L時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沖突。因此對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的初始時(shí)隙分配計(jì)劃,最多有L個(gè)時(shí)隙實(shí)例沖突,因此其距離矩陣可用L×L的三角矩陣D表示,元素Di,j表示當(dāng)前計(jì)劃實(shí)例運(yùn)行到時(shí)隙i時(shí),從j時(shí)隙開(kāi)始的新實(shí)例應(yīng)延遲執(zhí)行的時(shí)隙數(shù)。

對(duì)于對(duì)角線以下區(qū)域各值,求解步驟如下:

(1) 假設(shè)新實(shí)例可與當(dāng)前實(shí)例同時(shí)開(kāi)始。

(2) 檢查新實(shí)例與當(dāng)前實(shí)例能否并發(fā)執(zhí)行,如果可以并發(fā)執(zhí)行,則當(dāng)前的延遲執(zhí)行時(shí)隙數(shù)即為所求；否則,將新實(shí)例延遲一個(gè)時(shí)隙,再次執(zhí)行步驟(2)。

由于從較晚相對(duì)時(shí)隙開(kāi)始的新實(shí)例能夠合并到從較早相對(duì)時(shí)隙開(kāi)始的已有實(shí)例中,在距離矩陣中對(duì)角線及對(duì)角線以上區(qū)域均為0。

由圖1示例網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得出的距離矩陣為:

2.3確定發(fā)送和接收時(shí)隙

網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)初始時(shí)隙分配計(jì)劃與距離矩陣,動(dòng)態(tài)產(chǎn)生時(shí)隙分配表,用于決定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)隙。

時(shí)隙分配表在邏輯上是一種循環(huán)隊(duì)列,每個(gè)節(jié)點(diǎn)均存在一張時(shí)隙分配表。隊(duì)列的每個(gè)元素表示在一個(gè)相對(duì)時(shí)隙內(nèi)節(jié)點(diǎn)處于的狀態(tài),0表示發(fā)送狀態(tài),1表示接收狀態(tài),其他值表示空閑狀態(tài),每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)時(shí)隙指針指示當(dāng)前所處的時(shí)隙。

為了產(chǎn)生時(shí)隙分配表,節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)就緒計(jì)劃實(shí)例隊(duì)列ready,用于存儲(chǔ)所有已經(jīng)安排好發(fā)送時(shí)隙的計(jì)劃實(shí)例。節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙到來(lái)之前,嘗試將在此時(shí)隙開(kāi)始的數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)加入已有實(shí)例中。如果實(shí)例隊(duì)列中存在這樣一個(gè)實(shí)例,其當(dāng)前所處的時(shí)隙早于或等于數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)在初始時(shí)隙分配計(jì)劃中的時(shí)隙,則該數(shù)據(jù)能夠加入這個(gè)實(shí)例。如果有多個(gè)這樣的實(shí)例,選擇最早開(kāi)始的一個(gè)。如果不存在這樣的實(shí)例,則創(chuàng)建一個(gè)新實(shí)例,再將數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)加入此實(shí)例。

對(duì)于一個(gè)新實(shí)例,需要確定它的發(fā)送時(shí)間,以便更新時(shí)隙分配表。發(fā)送時(shí)間可根據(jù)距離矩陣計(jì)算確定,分配流程如圖2所示,其中s表示新實(shí)例的開(kāi)始時(shí)隙數(shù),i表示就緒計(jì)劃實(shí)例隊(duì)列中的實(shí)例,curSlot(i)表示實(shí)例i的當(dāng)前相對(duì)時(shí)隙。

考慮到距離矩陣反映的是單個(gè)當(dāng)前實(shí)例與新實(shí)例的計(jì)劃距離,而非所有當(dāng)前實(shí)例與新實(shí)例的計(jì)劃距離,將具體求解步驟表述如下:

(1) 假設(shè)新實(shí)例的開(kāi)始時(shí)隙數(shù)等于當(dāng)前時(shí)隙數(shù)。

(2) 計(jì)算就緒計(jì)劃實(shí)例隊(duì)列中,每一個(gè)當(dāng)前實(shí)例未執(zhí)行的部分與新實(shí)例的計(jì)劃距離,并選出其中的最大值dmax。

(3) 如果dmax≠0,將新實(shí)例的開(kāi)始延遲dmax個(gè)時(shí)隙,轉(zhuǎn)到步驟(2)；否則新實(shí)例可以與所有當(dāng)前實(shí)例并發(fā)執(zhí)行,求解結(jié)束。

圖2　時(shí)隙分配流程圖

數(shù)據(jù)加入實(shí)例后,即表示數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)隙已被確定,數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚需經(jīng)過(guò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)修改各自的時(shí)隙分配表,在數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的實(shí)際工作時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送或接收。時(shí)隙分配表總是丟棄已經(jīng)逝去的時(shí)隙項(xiàng),而一個(gè)新實(shí)例的開(kāi)始時(shí)間間隔不會(huì)大于L,也即時(shí)隙分配表的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)2L。

3算法仿真

為了驗(yàn)證本算法的性能,在網(wǎng)絡(luò)仿真器NS3上進(jìn)行仿真,并與文獻(xiàn)[10]的RTQS方法進(jìn)行性能比較。在仿真場(chǎng)景中,網(wǎng)絡(luò)帶寬為2 Mb/s,網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度被設(shè)置為固定的200 Bytes(包含幀頭),時(shí)間片長(zhǎng)度為10 ms。

3.1不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的性能比較

在本次比較中,網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)數(shù)量與節(jié)點(diǎn)數(shù)呈正相關(guān),數(shù)據(jù)的產(chǎn)生周期與截止期相同,并被隨機(jī)劃分為3種長(zhǎng)度,比值為1∶1.2∶1.4,基準(zhǔn)長(zhǎng)度與初始時(shí)隙分配計(jì)劃長(zhǎng)度相等。

在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中本文方法與RTQS的響應(yīng)時(shí)間以及保真度情況如圖3所示。在本文中,響應(yīng)時(shí)間指數(shù)據(jù)從產(chǎn)生到被基站接收所流逝的時(shí)間,而數(shù)據(jù)保真度是指數(shù)據(jù)能夠在截止期前送到基站的比例。

由于RTQS中并未考慮到數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)于不同周期產(chǎn)生的情況,將RTQS的查詢頻率控制在不同的值上進(jìn)行了2次仿真,2種頻率分別是網(wǎng)絡(luò)中周期最快任務(wù)的產(chǎn)生頻率以及最慢任務(wù)的產(chǎn)生頻率。

在圖3中可以看出,高頻率RTQS的響應(yīng)時(shí)間低于低頻率RTQS的響應(yīng)時(shí)間,而數(shù)據(jù)保真度則相反,高頻率RTQS的數(shù)據(jù)保真度更高。

本文算法與2種情況的RTQS相比,平均響應(yīng)時(shí)間更低,而數(shù)據(jù)保真度更高。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí),由于調(diào)度計(jì)劃長(zhǎng)度小,兩者響應(yīng)時(shí)間差異不大,但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐步變大時(shí),由于調(diào)度計(jì)劃長(zhǎng)度隨之增大,而RTQS沒(méi)有考慮到任務(wù)產(chǎn)生周期的不同,只能在統(tǒng)一的時(shí)間發(fā)出一次完全的查詢,造成周期與查詢間隔不一致的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間惡化,進(jìn)一步導(dǎo)致了數(shù)據(jù)保真度的降低。

圖3　不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的性能比較

3.2不同查詢頻率下的性能比較

在本次比較中,網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量被固定為40個(gè),每次仿真中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫且恢碌?數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)仍然被劃分為3種,通過(guò)改變?nèi)蝿?wù)的基準(zhǔn)周期長(zhǎng)度來(lái)改變網(wǎng)絡(luò)的查詢頻率。不同查詢頻率下本文方法與RTQS的響應(yīng)時(shí)間以及保真度情況如圖4所示。

在查詢頻率較低時(shí),本文算法響應(yīng)時(shí)間低于RTQS,且數(shù)據(jù)保真度更好,隨著查詢頻率升高,本文算法由于新實(shí)例產(chǎn)生過(guò)于頻繁,越來(lái)越多的實(shí)例從初始時(shí)隙分配計(jì)劃的第1步開(kāi)始,因此2種方法表現(xiàn)接近一致。

圖4　不同查詢頻率下的性能比較

4結(jié)束語(yǔ)

本文研究了在工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于距離矩陣的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。根據(jù)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了初始時(shí)隙分配計(jì)劃與距離矩陣,以此為依據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。通過(guò)仿真證明了本文提出的調(diào)度方法可以在保證網(wǎng)絡(luò)可靠性的前提下,合理分配時(shí)隙,降低網(wǎng)絡(luò)的平均響應(yīng)時(shí)間,并提高數(shù)據(jù)保真度。

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(責(zé)任編輯馬國(guó)鋒)

A dynamic scheduling method for Industrial Wireless Sensor Networks

ZHANG Ben-hong1，2,QIU Rui1,HUANG Lin-lin1

(1.School of Computer and Information， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China; 2.Engineering Research Center of Safety Critical Industrial Measurement and Control Technology of Ministry of Education， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

Abstract:Transmission scheduling is an important approach to improve wireless network performance. In this paper, a distance matrix based dynamic scheduling method for Industrial Wireless Sensor Networks(IWSNs) is presented. In the method, the initial slot allocation plan and the distance matrix are constructed according to the network topology， the slot allocation table is established，and then the transmitting and receiving slots of nodes are determined. The method not only takes into account the impact of network topology，but also considers the impact of data generation cycle of nodes. The simulation results show that the method can dramatically decrease the average response time of the network and improve data fidelity.

Key words:Industrial Wireless Sensor Networks(IWSNs); determinism; scheduling method; slot allocation; distance matrix

中圖分類號(hào):TP393.02

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5060(2016)03-0333-05

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.009

作者簡(jiǎn)介：張本宏(1972-),男,安徽無(wú)為人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61370088);國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014DFB10060)和安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1308085MF100)

收稿日期：2015-01-16；修回日期：2015-03-24