一种面向6TiSCH网络的周期性数据流调度聚合方法技术

本发明专利技术属于IPv6无线传感网技术领域，具体涉及一种面向6TiSCH网络的周期性数据流调度聚合方法，本方法针对具有不同时延约束的周期性数据流进行聚合和确定性调度，根据数据流的时延属性集合计算每个节点数据包传输周期、整个调度最大周期和节点第一个数据包的传输时刻，完成每个节点的时隙分配；采用指数加权移动平均滤波器对信道进行建模，计算出每个节点的最优传输信道；由每个节点的最优传输信道和时隙构成整个时隙调度表；设计数据包聚合方法，实现子节点的共同父节点队列中的两个或两个以上的数据包进行聚合。本发明专利技术能有效避免数据包冲突，节省网络资源，提高网络的交付能力和通信质量。和通信质量。和通信质量。

【技术实现步骤摘要】
一种面向6TiSCH网络的周期性数据流调度聚合方法


[0001]本专利技术属于IPv6无线传感网
，具体涉及一种面向6TiSCH网络的周期性数据流调度聚合方法。

技术介绍

[0002]无线传感器网络(WSN)凭借功耗低、部署快、效率高的特点正在进入新的要求更高的领域，如工业自动化和控制场景以及航空电子设备。这些领域的共同特点是，它们需要及时、可靠地交付关键数据包，以避免造成系统不稳定、造成经济损失，甚至对人类安全构成威胁。目前多数无线传感器网络都是基于IEEE802.15.4标准，采用CSMA/CA解决信道接入，但随着流量负载的增加，会出现网络拥塞，导致延迟增加，吞吐量恶化，这种方式不适合具有严格时延约束的数据流传输的应用。
[0003]IETF制定的工业物联网协议栈6TiSCH，在链路层引入了IEEE802.15.4e TSCH新协议，TSCH采用了一种结合时隙调控和信道跳频的方法来有效地对抗多径衰落和潜在的外部干扰，能够为上层提供稳定可靠性的链路支持。因此6TiSCH很好的满足工业无线传输的可靠性、实时性以及低功耗的需求。
[0004]目前，6TiSCH网络没有对具有关键时间限制的高优先级数据包，如告警命令、控制命令等进行优先调度。因此，为了支持6TiSCH网络中的关键时间应用，可靠的实时通信是一个关键要求，必须在严格的最后期限内可靠地交付到DODAG根，所以面临如何分配时隙以及如何在最后期限内将数据流快速准确交付的问题。

技术实现思路

[0005]为确保在6TiSCH网络下支持关键时间应用，实现严格时延约束型数据流的传输，能够在最后期限内可靠地交付到DODAG根，解决如何分配时隙以及在最大允许时延内将关键数据流快速准确交付的问题，本专利技术提出一种面向6TiSCH网络的周期性数据流调度聚合方法，具体包括以下步骤：
[0006]S1：构建6TiSCH网络中节点数据流的时延属性集合，根据6TiSCH节点数据流时延属性集合确定时隙长度和基本调度超帧单元的大小；
[0007]S2：根据基本调度超帧单元的大小和节点数据流的时延属性集合，计算每个节点数据包的传输周期以及整个调度最大重复周期；
[0008]S3：根据预留时隙计算基本调度超帧单元中用于传输周期性数据的时隙数；
[0009]S4：根据基本调度超帧单元中的单元号和时隙数，计算节点第一个数据包的传输时刻，完成每个节点的时隙分配；
[0010]S5：根据链路信号强度和节点包投递率，使用指数加权移动平均滤波器对最优信道函数进行建模，计算每个节点的最优传输信道，由每个节点的最优传输信道构成整个时隙调度表；
[0011]S6：节点间的传输周期互为2的幂次方，在第2
k
次传输时，子节点的共同父节点将
队列中的两个或两个以上的数据包进行聚合。
[0012]进一步的，根据6TiSCH节点数据流时延属性集合确定时隙长度和基本调度超帧单元的大小包括：
[0013]由节点路由跳数、数据包的最大约束时延和传输周期来表示周期性数据流，则周期性数据流表示为：
[0014][0015]将6TiSCH网络中的时隙设置成10ms；
[0016]基本调度超帧单元的大小不得超过所有节点的最大允许时延，则基本调度单元的大小表示为：
[0017][0018]其中，R
i
为周期性数据流，C
i
为节点路由跳数，为数据包的最大约束时延，T
i
为传输周期；BSU为基本调度单元的大小；为所有节点的最大允许时延的集合。
[0019]进一步的，计算每个节点数据包的传输周期以及整个调度最大重复周期的过程包括：
[0020]若第i个节点的最大允许时延为的节点第i个节点的传输周期T
i
必须满足：
[0021]节点传输周期不得超过最大允许时延；
[0022]且节点间传输周期互为2的幂次方；
[0023]则第i个节点的传输周期T
i
表示为：
[0024][0025]节点的最大传输周期，即整个调度最大重复周期为：
[0026]RSP＝max{T1,T2,
………
T
i
}；
[0027]其中，BSU为基本调度单元的大小；T
min
为所有节点中传输周期的最小值。
[0028]进一步的，根据分配的预留时隙计算基本调度超帧单元中用于传输周期性数据的时隙数包括：
[0029][0030]约束条件：(FTSA+FRTS)
×
TS≤BSU；
[0031]其中，FTSA为一个基本调度超帧单元中用于传输周期性数据的时隙数；为第i个节点的最大允许时延；T
min
为所有节点中传输周期的最小值；k为所有节点的集合；FRTS为固定分配预留时隙；BSU为基本调度单元的大小；TS为时隙。
[0032]进一步的，完成每个节点的时隙分配包括：
[0033]根据基本超帧中的起始单元号和时隙数，计算出每个节点第一个数据包传输时刻，同时检查每个基本超帧中当前分配的剩余时隙数，若还有剩余时隙则继续分配，若没有剩余，则在下一个基本超帧单元中分配，第i个节点第一个数据包传输时刻表示为：
[0034]FDTS
i
＝(SBSU
i
‑
1)
×
BSU+(SSN
i
‑
1)
×
TS
[0035]其中，FDTS
i
为第i个节点第一个数据包传输时刻；SBSU
i
表示起始超帧单元号，初始化为1；SSN
i
表示起始时隙数，初始化为1；当满足SSN
i
>FTSA时，SBSU
i
将增加1，SSN
i
将初始化，FTSA为第i个节点的基本调度超帧单元中的固定时隙数；TS为时隙。
[0036]进一步的，计算每个节点的最优传输信道包括：
[0037][0038]其中，CR
i
表示第i信道的信道数值，数值越小则表示该信道质量越高；PDR表示当前节点数据包投递率，RSSI表示当前链路信号强度；N为信道数，6TiSCH网络中信道从0到15，一共有16个信道。
[0039]进一步的，子节点的共同父节点将队列中的两个或两个以上的数据包进行聚合包括：
[0040]若父节点具有n个子节点，第i个子节点传输周期为T
i
，且在FDTS
i
时刻将数据传输给父节点；第j个子节点输出周期为T
j
，在FDTS
j
时刻将数据传输给父节点，n个子节点中的第j个子节点和第i个子节点间传输周期满足T
j
＝2
k
T
i
；
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向6TiSCH网络的周期性数据流调度聚合方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建6TiSCH网络中节点数据流的时延属性集合，根据6TiSCH节点数据流时延属性集合确定时隙长度和基本调度超帧单元的大小；S2：根据基本调度超帧单元的大小和节点数据流的时延属性集合，计算每个节点数据包的传输周期以及整个调度最大重复周期；S3：根据预留时隙计算基本调度超帧单元中的用于传输周期性数据的时隙数；S4：根据基本调度超帧单元中的单元号和时隙数，计算节点第一个数据包的传输时刻，完成每个节点的时隙分配；S5：根据链路信号强度和节点包投递率，使用指数加权移动平均滤波器对信道进行建模，计算出每个节点的最优传输信道，由每个节点的最优传输信道和时隙构成整个时隙调度表；S6：节点间的传输周期互为2的幂次方，在第2
k
次传输时，子节点的共同父节点将队列中的两个或两个以上的数据包进行聚合。2.根据权利要求1所述的一种面向6TiSCH网络的周期性数据流调度聚合方法，其特征在于，根据6TiSCH节点数据流时延属性集合确定时隙长度和基本调度超帧单元的大小包括：由节点路由跳数、数据包的最大约束时延和传输周期来表示周期性数据流，则周期性数据流表示为：将6TiSCH网络中的时隙设置成10ms；基本调度超帧单元的大小不得超过所有节点的最大允许时延，则基本调度单元的大小表示为：其中，R
i
为周期性数据流，C
i
为节点路由跳数，为数据包的最大约束时延，T
i
为传输周期；BSU为基本调度单元的大小；为所有节点的最大允许时延的集合。3.根据权利要求1所述的一种面向6TiSCH网络的周期性数据流调度聚合方法，其特征在于，计算每个节点数据包的传输周期以及整个调度最大重复周期的过程包括：若第i个节点的最大允许时延为的节点第i个节点的传输周期T
i
必须满足：节点传输周期不得超过最大允许时延；且节点间传输周期互为2的幂次方；则第i个节点的传输周期T
i
表示为：节点的最大传输周期，即整个调度最大重复周期为：RSP＝max{T1,T2,
………
T
i
}；其中，BSU为基本调度单元的大小；T
min
为所有节点中传输周期的最小值。4.根据权利要求1所述的一种面向6TiSCH网络的周期性数据流调度聚合方法，其特征
在于，根据预留时隙计算基本调度超帧单元中用于传输周期性数据的时隙数包括：约束条件：(FTSA+FRTS)
×
TS≤BSU；其中，FTSA为一个基本调度超帧单元中用于传输周期性数据的时隙数；为第i个节点的最大允许时延；T
min
为所有节点中传输周期的最小值；k为所有节点的集合；FRTS为预留时隙；BSU为基本调度单元的大小；TS为时隙。5.根据权利要求1所述的一种面向6TiSCH网络的周期性数据流调度聚合方法，其特征在于，完成每个节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，陈煜，蒲宬亘，罗佳，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：