基于无线传感器网络的分布式时分多址调度策略

来源:用户上传      作者: 刘韬

　　摘要：针对周期汇报型无线传感器网络（WSN）中数据量大而导致的无线信号冲突概率高的问题，提出了一种分布式的时分多址调度策略（DTSS）。该策略采用了一种分布式的竞争算法来构建节点的时隙调度表，即每个节点根据自身搜集到的信息来决定下一跳目的节点，并和其他节点竞争传输时隙。所有节点完成时隙调度表的建立后，节点在每个数据采集周期根据自己的工作时隙调度表发送和接收数据。仿真结果表明，该策略避免了节点无线信号的冲突，降低了节点能耗，延长了网络生命周期。
　　关键词：无线传感器网络；分布式；调度算法；数据采集；周期汇报
　　中图分类号： TP393.0文献标志码：A英文标题
　　0引言
　　根据数据汇报方式，无线传感器网络大致可以分为事件驱动型和周期汇报型两类网络[1-2]。在事件驱动型传感器网络，节点平时很少产生数据，仅在待监测的事件发生时才产生事件报告，如火灾预警系统。而在周期汇报型传感器网络中，每个节点周期性地把它所感应到的数据通过单跳或多跳无线路由发送给汇聚节点，其应用范围包括：生态监控、战场监控、环境数据采集等。然而，该类型网络中，每个节点在每个数据采集周期都需要向汇聚节点发送信息， 频繁的数据采集会造成巨大的网络通信负担，并造成节点的无线信号冲突。于是，如何减少冲突、延长网络生命周期就成了周期汇报型无线传感器网络亟待解决的问题。
　　无线传感器网络的无线信道分配机制中，时分多址（Time Division Multiple Access， TDMA）机制具有零冲突、高能效、低时延的特点，因而被广泛地应用于无线传感器网络中。例如，SMAC[3] 协议采用周期性睡眠和监听方法减少空闲监听带来的能量损耗，通过选择和维护休眠调度表，使相邻节点组成休眠/唤醒自动同步的虚拟簇，从而实现信息传输的同步。但是，当网络比较繁忙时，SMAC协议的数据收发延时和信道碰撞的概率都急剧增大，且虚拟簇边界节点拥有多个调度，能量消耗快，容易导致网络堵塞和节点的“饿死”和“早死”现象。文献[4]提出了TMAC协议，可以根据流量动态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少空闲侦听时间，但是TMAC协议增加了控制开销，引入了“早睡”问题。
　　文献[5]提出了一种k跳无线传感网的TDMA调度算法，并在此算法基础上提出了能实现节点能耗均衡的全网调度策略；文献[5]所提算法是一种基于集中式计算的策略，集中式方案虽然是从全局的角度进行优化，但是这种集中式的算法缺乏可扩展性，网络也不具备可伸缩性[6]，且汇聚节点收集源节点信息和发布优化方案的过程中会消耗大量能量，不适用于大规模的周期汇报型无线传感器网络。文献[7]提出了一个基于TDMA的调度策略，并通过遗传算法和粒子群两种优化算法来最小化网络的能耗，以及缩短完成任务的时间；但该策略同样是一个集中式的优化方案。文献[8]则提出了一种基于TDMA调度策略的集中式的跨层设计方案，采用了分簇的结构，并通过构建涉及网络层、MAC层和物理层的跨层优化模型来获得高能效的调度方案。文献[9]提出了一种基于集中式计算的TDMA调度策略。该策略中，所有节点的位置等信息都要发送给汇聚节点，由汇聚节点经过优化计算后，再把优化路由或调度方案发送给每个节点；该策略同样缺乏可扩展性和可伸缩性。
　　5结语
　　本文针对周期汇报型无线传感器网络，提出了一种分布式的TDMA调度策略（DTSS），通过网络中各节点分布式的竞争发送时隙，建立节点在一个数据采集周期内的工作周期，实现了零冲突、高能效的节点数据收集，与传统的数据收集机制相比，具备可扩展性和可伸缩性，延长了网络生命周期。
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