步驟二為傳感器節(jié)點指派的時隙都被分配給已 有信道時，才會加入一條新信道，并將無法分配的時隙添加到該信道的時隙列表。
[0028] 步驟四：時隙分配調整：由于在步驟二中，非葉子傳感器節(jié)點V;為其子節(jié)點 集_分配的發(fā)送時隙是以的最后一個發(fā)送時隙為起點，這將導致其子節(jié)點的 發(fā)送時隙位于傳感器節(jié)點K之后。因此，為了避免此情況，在完成所有傳感器節(jié)點的 時隙分配之后，將根據時隙分配結果，求得網絡中已分配時隙的最大序號。將 傳感器節(jié)點分配的時隙與相減，所得結果即為傳感器節(jié)點執(zhí)行數據接收或發(fā)送 的最終時隙分配方案。因此，對于步驟二中的傳感器節(jié)點其最終時隙分配為：
[0029] 以圖6所示的si為例，其時隙分配過程如下：步驟一、采用深度優(yōu)先算法收集傳感 器節(jié)點的工作量（以時隙為單位表示）如下： si 的工作量：Tl = Wsl + Ws2+ Ws3+ Ws4+ Ws5=5 s2 的工作量：T2 = Ws2+ Ws3+ Ws4 =3 s3的工作量：T3 = Ws3 =1 s4的工作量：T4 = Ws4 =1 s5的工作量：T5 = Ws5 =1。
[0030] 步驟二、為傳感器節(jié)點劃分時隙： (1) 根據Tl，sl的時隙分配為：（1，5); (2) 根據si的時隙與T2, s2的時隙分配為： (5+L5+T2) = (6,8)； (3) 根據s2的時隙與T3, s3的時隙分配為： (8+1,8+ 1)= (9,9)； (4) 根據s2的時隙與T4, s4的時隙分配為： (8+1+ T3,8+ T3+T4)= (10，10); (5) 根據si與s2的時隙分配與T2、T5, s5的時隙分配為： (5+l+T2,5+T2+T5)= (9,9); 步驟三、調整時隙：根據分配的時隙，求得最大的時隙為10。因此，示例中各傳感器節(jié) 點的最終時隙分配為： si :(10-5，10-1)= (5,9); s2 ： (10-8,10-6)= (2,4)； s3 :(10-9，10-9)= (1，1); s4 ： (10-10,10-10)= (〇,〇)； s5 :(10-9，10-9)= (1，1); 為了保證TDMA調度的正確執(zhí)行，每個傳感器節(jié)點需要維護由信道號，時隙列表構成的 傳感器節(jié)點活動調度表。傳感器節(jié)點按照該活動調度表，在正確的時隙內，執(zhí)行數據接收或 發(fā)送，完成后傳感器節(jié)點切換至睡眠狀態(tài)，以節(jié)省能量消耗。
[0031] 采用模擬實驗的方式對文中提出的方法性能進行評估，實驗平臺為Matlab，文 中所提出方法命名為EM-TDMA，而用于比較的算法包括集中式TDMA調度算法（命名為 Centralized，包含了時隙重用，即reuse on與非重用機制，即reuse off)，支持多跳數據傳 輸的TDMA算法(命名為Multi-TDMA)。在所有實驗中，傳感器節(jié)點部署范圍均為100 m X 100 m，節(jié)點有效傳輸范圍為10 m。網絡中傳感器節(jié)點數在200~1000變化，并且傳感器節(jié) 點部署位置由系統(tǒng)隨機生成，其數據匯聚樹采用最短路徑路由算法生成。實驗采用的傳感 器節(jié)點為Mica2 Mote節(jié)點，其參數如表1所示。
[0032] 圖2展示了一個數據匯聚周期內，傳感器節(jié)點的狀態(tài)切換次數比較。從該圖中可 以看出，與Centralized算法與Multi-TDMA算法相比，利用EM-TDMA方法所產生的傳感器 節(jié)點狀態(tài)切換次數明顯下降。除此之外，傳感器節(jié)點狀態(tài)切換次數與傳感器節(jié)點數成線性 關系，即在每個數據匯聚周期內，每個傳感器節(jié)點均只需要喚醒一次就可完成所有的數據 匯聚工作。
[0033] 圖3描述了在一個數據匯聚周期內，傳感器節(jié)點狀態(tài)切換能量消耗結果。該實 驗結果表明：在網絡規(guī)模相同的情況下，采用EM-EDMA方法的傳感器節(jié)點狀態(tài)切換能量消 耗較Multi-TDMA算法與Centralized算法較低。而降低了能量消耗的主要原因是采用 EM-TDMA算法的傳感器節(jié)點每個周期內僅需要切換其工作狀態(tài)2次，即從休眠狀態(tài)切換至 工作狀態(tài)。當數據匯聚結束后，傳感器節(jié)點從工作狀態(tài)切換至休眠狀態(tài)。
[0034] 由于在采用Mica2 Mote節(jié)點的傳感器網絡中，其典型速率為19. 2 Kbps，因此在需 要長時間低功耗周期性運行的無線傳感器網絡中，EM-TDMA方法在延長網絡壽命方面將獲 得可觀的性能改善。
[0035] 為了驗證多信道技術在優(yōu)化數據匯聚時間上的性能，本文通過實驗比較了三種算 法在相同網絡規(guī)模情況下的TDMA調度長度。圖4顯示了三種算法得出的TDMA調度時間。從 圖中可以看出，通過在傳感器節(jié)點間的時隙重用策略，EM-TDMA和時隙重用的Centralized (reuse on)兩種算法能夠讓多個傳感器節(jié)點在同一時隙內進行無沖突數據傳輸，從而降低 數據匯聚時間。而在Multi-TDMA與非時隙重用的Centralized算法中，由于時隙無法被多 個傳感器節(jié)點同時使用，數據傳輸活動無法在傳感器節(jié)點間并發(fā)執(zhí)行，從而無法縮短數據 匯聚時間。
[0036] 最后，圖5顯示了完成傳感器節(jié)點狀態(tài)切換能量優(yōu)化對信道數的需求情況，以及 相應數據匯聚樹的路由跳數。實驗結果表明：在網絡規(guī)模較小(節(jié)點數為200~700之間）的 情況下，完成能量優(yōu)化的信道數不超過6條。隨著網絡規(guī)模的增加，信道使用數漸增至9條。 這表明在大多數網絡中，現有無線信道的頻譜劃分（16個信道）能夠滿足算法的需求。而 樹的最大路由跳數實驗表明，路由樹跳數的變化并不會明顯影響算法需求的信道數。文中 提出的方法充分利用了無線信道間的無沖突數據并發(fā)傳輸能力與TDMA在消除節(jié)點空閑偵 聽、信道訪問競爭的優(yōu)勢，實現了對傳感器節(jié)點喚醒能量消耗與數據匯聚時間的優(yōu)化，并通 過仿真實驗結果證明了文中提出的方法的性能。
【主權項】
1. 一種基于多信道TDM的高能量效率節(jié)點調度方法，其特征在于：包括以下步驟： 步驟一、傳感器節(jié)點形成多跳數據匯聚樹，并由一個數據匯聚節(jié)點Sink來完成數據匯 聚； 初始化：采用深度優(yōu)先遍歷算法，以數據匯聚節(jié)點Sink為頂點自上而下計算每個傳感 器節(jié)點的負載并建立子節(jié)點列表，表項采用二元組||丨_%|表示，其中表示子節(jié)點:康 的編號，表示子節(jié)點的負載大小； 步驟二、基于接收端的時隙分配策略：以數據匯聚節(jié)點Sink為時隙分配開始節(jié)點，逐 層往下為多跳數據匯聚樹中的所有傳感器節(jié)點分配時隙；對于網絡中具有負載的非 葉子傳感器節(jié)點V ，假設其子節(jié)點列表表示為，則其時隙分配方案為，而其為子節(jié)點分配的發(fā)送時隙區(qū)間為表示分配給傳感器節(jié)點的最后一個發(fā)送時隙的編 號；因此，對于每一個具有負載為的子節(jié)點^!而言，為其分配的發(fā)送時隙可表示為，相應的，為子節(jié)點_::所分配的發(fā)送時隙即為 傳感器節(jié)點||接收來自子節(jié)點的數據的接收時隙； 步驟三、多信道分配機制：當所有傳感器節(jié)點均獲得了時隙指派之后，以保證傳感器節(jié) 點間數據能無沖突并發(fā)傳輸為目標，基于式（3)所示的每條信道的時隙占用情況為傳感器 節(jié)點分配正交信道； 對任意時隙;:|:，應該滿足條件：當且僅當信道自的時隙列表中沒有包含時隙時， 時隙I才會分配給信道c/?.;步驟四、時隙分配調整：在完成所有傳感器節(jié)點的時隙分配后，根據時隙分配結果，求 得網絡中已分配時隙的最大序號Iil ，將傳感器節(jié)點分配的時隙與相減，所得結 果即為傳感器節(jié)點執(zhí)行數據接收或發(fā)送的最終時隙分配方案，對于步驟二中的傳感器節(jié)點 ，其最終時隙分配為：2.如權利要求1所述的一種基于多信道TDM的高能量效率節(jié)點調度方 法，其特征在于：所述的步驟三為了降低信道的使用數，僅當從已使用信道序列中無法保證所述步驟二為傳感器節(jié)點指派的時隙都被分配 給已有信道時，才會加入一條新信道，并將無法分配的時隙添加到該信道的時隙列表。
【專利摘要】一種基于多信道TDMA的高能量效率節(jié)點調度方法，包括以下步驟：步驟一、采用深度優(yōu)先遍歷算法，以數據匯聚節(jié)點Sink為頂點自上而下計算每個傳感器節(jié)點的負載并建立子節(jié)點列表；步驟二、以數據匯聚節(jié)點Sink為時隙分配開始節(jié)點，逐層往下為數據匯聚樹中的所有節(jié)點分配時隙；步驟三、多信道分配機制；步驟四、在完成所有傳感器節(jié)點的時隙分配后，根據時隙分配結果，求得網絡中已分配時隙的最大序號tmax，將節(jié)點分配的時隙與tmax相減，所得結果即為傳感器節(jié)點執(zhí)行數據接收或發(fā)送的最終時隙分配方案。本發(fā)明減小了傳感器節(jié)點的能量消耗，通過將干擾傳感器節(jié)點的時隙安排在相互正交的無線信道上，實現傳感器節(jié)點間無干擾的數據并發(fā)傳輸，降低了數據匯聚時間或TDMA幀長度。
【IPC分類】H04W72/04, H04W52/02
【公開號】CN105072673
【申請?zhí)枴緾N201510407032
【發(fā)明人】曾波, 王輝, 張治學, 張各各, 孫士保, 王利巧, 李沛諭, 李姍姍, 張自力
【申請人】河南科技大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月13日