[发明专利]一种基于生命期最优DAG的节能调度方法

说明书

本发明属于无线传感器网络技术领域，公开了一种基于生命期最优的有向非循环图DAG的节能调度方法。无线传感器网络中的数据量往往动态变化且不可预测。本发明直接基于生命期最优的DAG结构构造唯一的传输时间表，避免将DAG结构分解为多颗路由树，并为每棵树构造路由表给传感器节点带来的通信和存储的代价。时间表将彼此冲突的无线传输分割在不同的时间片中，并在同一时间片中安排尽可能多的传输，降低数据收集的时延。在数据收集的过程中，每个中间节点能够为不同的数据包灵活的选择不同的父节点进行发送，在每个采样周期，每条链接上的数据流量非常接近于给定的生命期最优的DAG结构，最大限度的节省节点能量，延长网络生命期。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于生命期最优有向非循环图DAG(Directed Acyclic Graph)的节能的调度方法。

背景技术

无线传感器网络由密集部署的无线传感器节点构成，无线传感器网络通常被安置在自然区域中，通过节点之间的互相协作，对目标环境中物理量的变化进行监测。无线传感器网络通常由一个基站和众多的传感器节点构成。传感器节点由电池供电，节点间通过无线通信的方式，自组织为一个网络。在每个采样周期，传感器节点将采集到的数据需要发送到中心节点，方便用户对数据进行进一步的处理。在网络运行的过程中，一旦网络中某个节点消耗掉所有的电能，整个网络将不再连通。在连续数据收集中延长网络的生命期非常重要。

由于无线通信的特点，网络中同时进行的传输很可能会进行碰撞,通过载波侦听的方法无法解决隐藏终端带来的碰撞，也无法避免暴露终端所带来的不必要的时延。如图2(a)展示了无线网络中隐藏终端所带来的碰撞问题。节点A希望传送数据给节点B。A首先载波侦听，由于信号传播的距离有限，在A处无法获知节点C的传输，A无法知道此时节点C的信号已经覆盖到节点B。载波侦听的结果是A发现信道空闲，于是A发送数据包给B。而B节点接收到的信号来自A和C信号的混叠，B无法正确的解析出来自A的消息。图2(b)中，节点B正在传送数据给节点A。于此同时,节点C希望传送数据给节点D。C首先侦听信道，由于B,C距离较近，节点C接收到了来自B的信号，C认为信道忙，于是延迟了自己对D的数据传输。实际上这样做是完全不必要的。因为同时存在的B节点的发送信号，到达不了接收端D，或者说到达D处时已经衰减到非常微弱，无法干扰D的传输。

时分多址技术是能量高效的调度方法，它将时间分割成一个个小的时间片，在每个时间片中只进行哪些彼此没有冲突的无线传输，避免了由于碰撞带来的数据重传的能量耗费和造成的时延。如图2(b)展示了一个用时分多址技术构造的传输时间表。其中每一个方框中的每一对字母(i→j)代表了在相应的时间片，数据从节点i传输到节点j。若同一时间片中重叠着多个字母对(多个方框)，代表这些传输可以同时进行而不会引起任何碰撞。

(1)为了节省电量，在很多应用场景中，用户能够容忍采集到的数据存在一定程度的模糊(不精确性)，去换取无线传输中数据量的下降。只有当新的采样数值与上次报送的数据之间的偏差大到一定程度时，或者本次采样值与其他相邻区域的采样值的相关性有显著的改变时，节点才需要向基站发送本次采集到的数据。而在节点对环境采样之前，每个传感器节点并不能提前计算其两次报送数据的偏差是多少。因此，在不同采样周期中报送数据给基站的节点各不相同，且这种变化无法预测。

(2)由条件触发的监测是一种很重要的传感监测应用，其目的是辨认出网络中出现异常的区域的位置。如火山监控、煤矿瓦斯泄露监控、建筑物安全性检测等。在这些应用中，只有当采样到的数据满足某些条件(突破了设定的阈值)时，才需要传送数据给基站。例如，在火山监控中，只有当震动和声波信号产生突变时，才需要传送数据。但是，在节点采样到数据之前，它并不知道自己未来的数据是否会满足先前设定好的条件。所以各个采样周期中，报送数据给基站的节点各不相同。