一种工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法技术

本发明专利技术提供一种工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法，主要分为三个部分：(1)节点的候选传输调度计算；(2)传输调度的回复方法；(3)传输调度的冲突判定机制。首先计算出节点在一个系统给定的时间槽上的候选传输调度信息，并设置好该传输调度的权重值，然后根据传输调度的冲突判定方法，节点将该候选传输调度信息广播给一组特定的邻居节点集，特定的邻居节点接收到传输调度信息后根据传输调度的竞争机制给该节点回复数据包。本发明专利技术针对占空比网络中节点在一个时间槽内醒来的场景，实现了完整，无冲突的实时信标传输调度。

【技术实现步骤摘要】
一种工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法
本专利技术涉及工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法领域，更具体地，涉及一种工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法。
技术介绍
智能制造业的发展离不开工业物联网，工业物联网是实现“工业4.0”的重要方式。物联网与工业生产环节的深度融合，能够有效的推动工业生产效率。工业物联网是一门综合学科，涉及多个领域，其中传感器技术便是工业物联网应用的重要基石。为了使传感器节点能够更持久有效地作业，提高一个工业物联网的性能，已经引入了传感器睡眠机制来减少电量的消耗，即传感器节点采用占空比模式工作。在占空比网络中，每个节点具有两个工作状态，活动状态和睡眠状态。处于睡眠状态的传感器的所有功能模块将被关闭来节省能耗，只有当传感器节点处于活动状态时才能够接收由邻居节点发送过来的信标数据包。信标调度是占空比网络中一项非常重要的工作，其中每个传感器节点需要在本地将信标数据包无冲突的广播给所有一跳范围内的邻居节点，则信标传输调度延迟为全部传感器节点无冲突的将信标数据包广播给所有的邻居节点所需要的工作周期数。最小信标传输调度延迟问题(MinimumLatencyBeaconingSchedule,MLBS)即为寻求一个无冲突的最小信标延迟调度方案,吸引了大量的关注。针对传感器节点一直醒着的MLBS问题，已经有许多的研究者做出了研究贡献，并且都取得了不错的效果。由于占空比网络中传感器节点的工作模式与传统网络完全不同，因此占空比网络中的MLBS问题更为复杂，难度更大。<br>此前的研究大都是针对集中式算法开展的，不能适用于工业物联网中节点和网络拓扑结构频繁动态变化的情况。公开日为2008年11月05日，公开号为CN101299699A的中国专利公开了一种ad－hoc网络中的用于信标调度的节点设备和方法及其数据发送方法，其当节点间的数据通信频繁发生时减少ad－hoc网络中节点的能量消耗。信标发送节点检查其剩余能量。如果剩余能量低于预定水平，信标发送节点将改变其信标周期的计划通知其它节点。然后，信标发送节点增加信标周期并以增加后的信标周期发送信标。该专利同样不能适用于工业物联网中节点和网络拓扑结构频繁动态变化的情况。
技术实现思路
本专利技术提供一种工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法，研究了占空比网络中的实时分布式信标调度问题，实现了一个完整无冲突的信标传输调度。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法，包括以下步骤：S1：定义一个多跳的占空比传感器网络G＝(V，E)，其中，V表示网络中传感器节点的集合，E表示网络中边的集合，两个传感器节点之间存在一条边当且仅当两者位于彼此的传输范围之内，每个传感器节点随机、独立的选择一个活动时间槽，并且只在每一个工作周期的活动时间槽上醒来接收由其邻居节点发送过来的信标数据包；S2：在所述占空比传感器网络G中加入干扰模型，定义具有一个活动时隙的占空比传感器网络的最小延迟信标调度优化问题；S3：计算工作周期起始时间槽j上的节点候选调度信息，然后将候选调度信息广播给对应的邻居节点；S4：接受候选调度信息的节点，根据自身状态以及传输调度的冲突判定机制进行回复数据包；S5：步骤S4后，得到每一个时间槽的候选调度信息，根据每一个时间槽的候选调度信息，得到无冲突的实时信标传输调度方案。优选地，步骤S1中所述传感器节点有两个状态，包括活动状态和睡眠状态，所述传感器节点当且仅当处于活动状态时才接收其邻居节点发送过来的信标数据包，所述占空比定义为活动状态的时间与整个工作周期的时间的比值，所述工作周期分为若干个相同大小的时间槽，每个传感器节点随机、独立的选择其中一个时间槽为活动时间槽，在每个工作周期的活动时间槽中，传感器节点处于活动状态，在每个工作周期的其它时间槽中，传感器节点处于睡眠状态。优选地，步骤S2中所述干扰模型，具体为协议干扰模型：占空比传感器网络G中，任意传感器节点v的信标传输范围为一个以v为中心的单位圆，干扰半径为R(v)≥1，干扰范围是一个以R(v)为半径的圆，用INR(v)表示与节点v冲突的节点集合，所述与节点v冲突的节点集合即不能跟v同时发送信标数据包的节点，任意一对传感器节点不能同时传输信标数据包当且仅当以下三个条件中有一个成立：(1)节点u，v位于彼此的信标传输范围内；(2)存在一个节点w位于u的信标传输范围内且位于v的干扰范围内；(3)存在一个节点w位于v的信标传输范围内且位于u的干扰范围内。优选地，具有一个活动时隙的占空比传感器网络的最小延迟信标调度优化问题定义为：定义1.1给定多跳的占空比工业传感器网络G＝(V，E)，网络G上基于时间槽的分布式调度，用Sch表示，其中并且满足以下的条件：a.对于任意的一个传输调度有t＝C×|T|+x，其中C为一个大于等于0的整数且x＝W(w)，W(w)表示节点w的活动时间槽，其中，表示在时间t时，从节点u发送至节点w的传输调度，|T|表示工作周期；b.对于任意两个传输调度和v≠u，当t1＝t2时当且仅当和根据上述定义得到问题的形式化定义：输入：一个占空比网络G＝(V，E)；每一个传感器节点的活动时间槽，即W(u)，输出：基于顶点的信标调度其中Schmin满足如下的条件：Schmin满足定义1.1；对于任意一个满足定义1.1的调度Sch′，BL(Schmin)≤BL(Sch)，其中BL(Schmin)和BL(Sch)分别代表信标传输调度Schmin和Sch的延迟。优选地，所述占空比传感器网络G中，每个传感器节点维护以下信息：节点u唯一的ID和自己的工作计划；节点u的邻居信息，包括邻居节点v唯一的ID和工作计划；节点u的禁止传输时间槽FTS(u)。优选地，步骤S3中所述计算工作周期起始时间槽j上的节点候选调度信息，具体如下：节点u的候选传输调度CTS(u)←[u，v，j，weight]，其中，其中v和j分别表示信标接收节点和传输时间槽，weight表示候选传输调度的权重值；在一个系统给定的时间槽j上，首先判断在这个时间槽上节点u是否可以传输且是否存在处于活动状态的邻居节点，如果条件成立则计算对应的候选传输调度，并将调度权重设置为处于活动状态的邻居节点个数；如果条件不成立，则说明在时间槽j上节点u不存在处于活动状态的节点或者节点u不可以在该时间槽上进行传输。优选地，步骤S4中接受候选调度信息的节点，根据自身状态以及传输调度的冲突判定机制进行回复数据包，具体为：当节点v收到节点u广播过来的候选调度信息后，首先判断在CTS(u).t(u)这个时间槽上自己是否处于活动状态，如果处于睡眠状态则忽略该调度信息；如果处于活动状态，当节点v收到了所有相关邻居节点传输过来的候选调度信息后，采用节点回复算法，从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：定义一个多跳的占空比传感器网络G＝(V,E)，其中，V表示网络中传感器节点的集合，E表示网络中边的集合，两个传感器节点之间存在一条边当且仅当两者位于彼此的传输范围之内，每个传感器节点随机、独立的选择一个活动时间槽，并且只在每一个工作周期的活动时间槽上醒来接收由其邻居节点发送过来的信标数据包；/nS2：在所述占空比传感器网络G中加入干扰模型，定义具有一个活动时隙的占空比传感器网络的最小延迟信标调度优化问题；/nS3：计算工作周期起始时间槽j上的节点候选调度信息，然后将候选调度信息广播给对应的邻居节点；/nS4：接受候选调度信息的节点，根据自身状态以及传输调度的冲突判定机制进行回复数据包；/nS5：步骤S4后，得到每一个时间槽的候选调度信息，根据每一个时间槽的候选调度信息，得到无冲突的实时信标传输调度方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：定义一个多跳的占空比传感器网络G＝(V,E)，其中，V表示网络中传感器节点的集合，E表示网络中边的集合，两个传感器节点之间存在一条边当且仅当两者位于彼此的传输范围之内，每个传感器节点随机、独立的选择一个活动时间槽，并且只在每一个工作周期的活动时间槽上醒来接收由其邻居节点发送过来的信标数据包；
S2：在所述占空比传感器网络G中加入干扰模型，定义具有一个活动时隙的占空比传感器网络的最小延迟信标调度优化问题；
S3：计算工作周期起始时间槽j上的节点候选调度信息，然后将候选调度信息广播给对应的邻居节点；
S4：接受候选调度信息的节点，根据自身状态以及传输调度的冲突判定机制进行回复数据包；
S5：步骤S4后，得到每一个时间槽的候选调度信息，根据每一个时间槽的候选调度信息，得到无冲突的实时信标传输调度方案。


2.根据权利要求1所述的工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法，其特征在于，步骤S1中所述传感器节点包括活动状态和睡眠状态，所述传感器节点当且仅当处于活动状态时才接收其邻居节点发送过来的信标数据包，所述占空比定义为活动状态的时间与整个工作周期的时间的比值，所述工作周期分为若干个相同大小的时间槽，每个传感器节点随机、独立的选择其中一个时间槽为活动时间槽，在每个工作周期的活动时间槽中，传感器节点处于活动状态，在每个工作周期的其它时间槽中，传感器节点处于睡眠状态。


3.根据权利要求2所述的工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法，其特征在于，步骤S2中所述干扰模型，具体为协议干扰模型：
占空比传感器网络G中，任意传感器节点v的信标传输范围为一个以v为中心的单位圆，干扰半径为R(v)≥1，干扰范围是一个以R(v)为半径的圆，用INR(v)表示与节点v冲突的节点集合，所述与节点v冲突的节点集合即不能跟v同时发送信标数据包的节点，任意一对传感器节点不能同时传输信标数据包当且仅当以下三个条件中有一个成立：
(1)节点u,v位于彼此的信标传输范围内；
(2)存在一个节点w位于u的信标传输范围内且位于v的干扰范围内；
(3)存在一个节点w位于v的信标传输范围内且位于u的干扰范围内。


4.根据权利要求3所述的工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法，其特征在于，具有一个活动时隙的占空比传感器网络的最小延迟信标调度优化问题定义为：
定义1.1给定多跳的占空比工业传感器网络G＝(V,E)，网络G上基于时间槽的分布式调度，用Sch表示，其中并且满足以下的条件：
a.对于任意的一个传输调度有t＝C×|T|+x，其中C为一个大于等于0的整数且x＝W(w)，W(w)表示节点w的活动时间槽，其中，表示在时间t时，从节点u发送至节点w的传输调度，|T|表示工作周期；
b.对于任意两个传输调度和v≠u，当t1＝t2时当且仅当和
根据上述定义得到问题的形式化定义：
输入：
一个占空比网络G＝(V,E)；
每一个传感器节点的活动时间槽，即W(u)，
输出：
基于顶点的信标调度其中Schmin满足如下的条件：
Schmin满足定义1.1；
对于任意一个满足定义1.1的调度Sch′，BL(Schmin)≤BL(Sch′)，其中BL(Schmin)和BL(Sch′)分别代表信标传输调度Schmin和Sch′的延迟。


5.根据权利要求4所述的工业物联网中基于时间槽的分布式实时信标调度方法，其特征在于，所述占空比传感器网络G中，每个传感器节点维护以下信息：
节点u唯一的ID和自己的工作计划；
节点u的邻居信息,包括邻居节点v唯一的ID和工作计划；
节点u的禁止传输时间槽FTS(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈权，龙鹏，林晓妍，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44