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低占空比传感网中分布式的环状流水线工作调度研究

更新时间：2019-12-24 05:48:27 大小：1M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：传感网 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

低占空比传感网中节点的长时间睡眠会导致数据查询延迟的增加.如何调度节点唤醒时间从而最小化延迟,是一个难解的组合优化问题.提出一个分布式的环状流水线调度算法,不用长时间等待即可进行数据传输.分析表明,算法可获得较低的延迟和更长的网络生命周期.


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7
Vol． 46 No． 7  
Jul． 2018  
第
期
电
子
学
报
2018  
7
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
低占空比传感网中分布式的环状  
流水线工作调度研究  
1，2  
1，2  
2
， ，  
蒋 婵 李陶深 梁俊斌  
( 1．  
， 510641; 2．  
华南理工大学电子与信息学院 广东广州 广西大学计算机与电子  
，
信息学院广西多媒体通信与网络技术重点实验室 广西南宁  
530004)  
:
．
低占空比传感网中节点的长时间睡眠会导致数据查询延迟的增加 如何调度节点唤醒时间从而最小化  
摘
要
， ． ， ．  
延迟 是一个难解的组合优化问题 提出一个分布式的环状流水线调度算法 不用长时间等待即可进行数据传输 分析  
，
表明 算法可获得较低的延迟和更长的网络生命周期  
．
:
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
低占空比传感网 分布式算法 环状流水线工作调度 数据查询  
TP393 0372-2112 ( 2018) 07-1732-05  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 07． 027  
:
:
A
:
文章编号  
文献标识码  
电子学报  
Distributed Circular Pipeline Work Scheduling in  
Low-Duty-Cycle Wireless Sensor Networks  
1，2  
1，2  
2
JIANG Chan ，LI Tao-shen ，LIANG Jun-bin  
( 1． School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology． Guangzhou，Guangdong 510641，China;  
2． Guangxi Key Laboratory of Multimedia Communications and Network Technology，School of Computer and Electronics Information，  
Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China)  
Abstract: Long sleeping time of nodes in a low-duty-cycle sensor network will increase data enquiry latency． How to  
schedule wakeup time of different nodes in the network to minimize the latency is a combinatorial optimization problem． A  
distributed circular pipeline scheduling algorithm is proposed，by which enquiry data can be transmitted without long wait．  
Analyses show that the algorithm achieves not only lower latency，but also longer network lifetime．  
Key words: low-duty-cycle sensor networks; distributed algorithm; circular pipeline work scheduling; data enquiry  
( idle listening)  
，
操作 能够大大延长节点  
能的空闲侦听  
1
引言  
．
的工作时间  
( Low-Duty-Cycle Sensor Networks，  
低占空比传感网  
，
但是 大量节点的睡眠会导致网络连通性的下降  
，
［1］  
LDC-SN)  
，
是近年出现的一种新型无线传感器网络 主  
． 1 ，  
使得节点之间数据的传输延迟增加 以图 为例 存在  
．
要用于执行长期的监测和跟踪任务 在  
LDC-SN  
，
中 节  
3
A，B，C，  
假设它们的周期为  
T = 10， A，B，  
节点  
个节点  
， :  
点采用低占空比的机制 即 节点将自己的工作时间划  
C
1，5，8，  
分别用  
t ，t ，t  
5
．
表示 如果  
的唤醒时刻分别是  
1
8
，
分为多个长度固定的周期 每个周期  
T
m
由
个时间单  
A B C，  
节点 需要通过节点 传输一个数据包给节点 则节  
t ( j = 1，2，…m)  
j
， 1  
组成 而节点只在其中 个时间单元  
元
A
t ，  
接收到数据后只能重新睡眠并等待 只有当  
1
点
在
， ．  
中醒来进行工作 其余时间均处于睡眠状态 所谓低占  
B
t ， ，  
唤醒后 才能把数据包发送给它 等待时间  
5
节点  
在
， T  
空比 就是指节点醒来的时间在整个周期 中所占的比  
4
; ， B  
个时间单元 同样的情形 也发生在节点 传输数  
为
10% ， : 1 /m 0. 1．  
即 ≤  
例小于或等于  
低占空比机制使节  
C ，B C 3  
据包给节点 的过程 传输数据到 需要等待 个时  
，
点在大部分时间处于睡眠状态 避免了网络中非常耗  
．
间单元 由图  
1( a)  
， A  
我们可以看到 正向数据传输  
B
→
: 2017-05-09;  
: 2017-11-06;  
:
责任编辑 李勇锋  
收稿日期  
修回日期  
:
基金项目 国家自然科学基金  
( No． 61562005，No． 61363067) ;  
( No． 2015GXNSFAA139286) ; 2015  
年广西高校科学技术研究项  
广西自然科学基金  
( No． KY2015YB486)  
目
1733  
7
:
婵 低占空比传感网中分布式的环状流水线工作调度研究  
第
期
蒋
C
7 ，  
的总时间延迟是 个时间单元 而反向数据传输  
C
． ，  
解决 已有的工作主要采用集中式算法来求解 要求网络  
→
B
→ →  
A
13  
，
个时间单元 双程数据传输需要  
1
中有 个节点负责收集整个网络的拓扑信息来进行计  
则需要耗费  
20  
． ，  
个时间单元 注意 每跳延迟的计算  
， ( :  
算 容易导致单点失效 即 该节点失效则导致整个网络  
花费的总时间是  
: t － t ，  
反向传输是则为  
i +1  
t － t + T．  
i
) ， ． ，  
失效 可扩展性不强 此外 已有的工作没有考虑环状路  
方法为正向传输是  
i
i +1  
，
为了减少数据传输延迟 有部分工作提出采用流水  
，
径上节点的能量水平 容易导致低能量的节点在数据查  
［2，3］  
．
的方式重新组织数据传输的过程 所谓流水线  
．
询过程中耗尽能量死亡而导致路径断裂  
线调度  
，
调度 就是将数据传输路径上的节点按接收数据的先后  
，
在本文 我们提出一个分布式的环状流水线调度算  
，
次序排列 并按这个次序重新分配节点唤醒的时刻为  
DCPS( Distributed Circular Pipeline Scheduling) ，  
节点仅  
法
{ t ，t ，t ，…} ，  
3
，
使得这些节点依次醒来 数据传输无须额  
．
需与自己的邻居进行信息交互就能完成调度 算法能使  
1
2
． ，  
外的等待 这种调度类似于工厂流水线作业中 一个任务  
能量水平高且距离指定节点距离近的节点陆续加入路  
， ．  
完成后马上又进行下一个任务的流程 因此而得名 再以  
，
径 最后在网络中形成一条由能量水平均较高的节点组  
:
上例作为说明 流水线调度可以使节点  
A
t ，  
醒来 节点  
1
，
成的环状短路径 进而按次序分配路径上节点的唤醒时  
在
B
t ，  
在时刻 醒来 节点  
2
C
t
，
醒来 这样  
A
t
在 接收到  
1
， ．  
刻 获得尽可能小的数据查询延迟 该路径上的节点可承  
在
3
， t  
数据后 就能在 发送给  
2
B， B  
而
t C．  
可以在 发送给 这  
3
， ．  
担更多次的数据查询任务 不容易耗尽能量而死亡 理论  
，
样 正向数据传输  
A
B
→ →  
C
2
的延迟可以减少到 个时间  
， ，  
分析和仿真实验均表明 该算法具有较低的延迟 并且能  
，
单元 如图  
1( b)  
．
所示  
，
够获得较长的网络生命周期 这里网络生命周期指网络  
．
中第一个节点耗尽能量死亡的时间  
2
相关工作  
，
目前 已经有部分工作对  
LDC-SN  
中流水线调度进  
．
行研究 根据它们针对单向数据发送还是双向数据查询  
，
2 :  
我们将它们分为 类 线性流水线调度和环状流水线  
．
调度  
2． 1  
线性流水线调度  
LDC-SN  
中流水线调度的研究起源于面向整个网络  
［4］  
．
的睡眠调度 睡眠调度的主要目标是在保证网络覆盖  
， ，  
率的前提下 尽量使更多节点能够睡眠 从而延长网络生  
． ， 2  
命周期 但是 睡眠调度没有考虑 个节点间的传输延迟  
．
最小化  
RMAC  
提出了一个利用跨层路由信息的流水线调度方案  
［5］  
2
，
考虑到了 点间数据传输的最小延迟问题  
． P-  
无需额外路由信息的支持 把网络中的所有节点  
Sink  
［6］  
，
但是 以上的流水线调度主要考虑单向的数据发送  
，
MAC  
按距离  
，
( : A C  
并不适合双向的数据查询 如 节点 向节点 查询其  
，
的大小分成多个等级 距离越远的节点等级  
， C ，  
状态 而节点 在收到查询请求后 将状态信息返回节点  
，
越高 也越早醒来  
．
［7］  
［3］  
［2］  
A) ．  
:
在上例中 虽然正向数据传输  
A
B
→ →  
C
2
可以在 个  
DSDF ，RMPS  
OPS  
和
考虑了不可靠通信对数  
， ，  
时间单元内完成 但是当查询结果返回时 反向数据传输  
，
据传输延迟的影响 节点优先传输数据给链路质量高的  
C
B
→ →  
A
18 ．  
则需要耗费 个时间单元 整个双程查询需要  
．
接收节点  
［8］  
20 ，  
花费的总时间为 个时间单元 这与节点没有被调度前  
GCKN  
对地理路由的流水线调度算法  
型传感器网络的流水线调度算法 所谓线型传感器网络  
LDC-SN  
，
考虑节点移动对  
的影响 提出了针  
［9］  
．
． DC-MAC  
的结果是一样的  
是专门针对线  
，
为了解决这个问题 最近有工作提出了环状流水线  
．
，
，
调度 通过寻找一条环状短路径来进行双向的数据查询  
．
， :  
就是网络拓扑呈现出线性形状的网络 比如 部署在火  
:
如 形成  
A
B
C
D
A
，A ，B  
t
t
在 醒  
、 、  
车 输油管道 高速公路等线型场所上的网络  
．
的环  
在
醒来  
→ → → →  
，D t ，  
醒来 这样整个数据查询可以在  
4
1
2
［10］  
，C  
t
MobiBone  
Sink  
来
在
醒来  
在
针对利用移动  
采集数据的静态无  
3
10  
，
个时间单元就能完成 如图  
1( c)  
．
所示  
，
线传感器网络 设计了一个自适应的调度算法来使得静  
， 2 (  
但是 寻找包含指定的 个节点 查询的发起点和目  
，
态网络中的节点可以调整自己的唤醒时刻 从而快速地  
) ， ，  
标点 的最短环状路径 是一个组合优化问题 并不容易  
Sink ． Sink  
即将经过的停留点 当移动  
把数据传送到移动  

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