一种低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及低功耗有损网络技术领域，公开了一种低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法及系统，包括以下步骤：S1.设计三种单播时隙帧，将三种单播时隙帧分别作为LLN网络的链路的发送节点、接收节点、流量处理帧；S2.根据网络的每条链路的发送节点计算并适配时隙帧的大小；计算发送帧大小后，每个节点设立并维护一棵资源二叉树以避免相邻节点的时隙冲突；接收节点通过资源二叉树选择空闲资源返回；由此通过交互完成每条链路在下个周期的帧配置，实现自适应按需TSCH调度；S3.基于每条链路的方向和当前周期计算链路在当前周期的传输信道，实现信道的周期性跳变。本发明专利技术解决了现有技术不考虑LLN网络节点的能量约束的问题，且具有可避免时隙冲突的特点。具有可避免时隙冲突的特点。具有可避免时隙冲突的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法及系统


[0001]本专利技术涉及低功耗有损网络
，更具体的，涉及一种低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法及系统。

技术介绍

[0002]低功耗有损网络被视为物联网和网络物理系统的基石，通过无线链路连接多个低功耗且资源受限的设备，被广泛应用于环境监控、工业自动化和智能建筑等领域。为应对不断增加的LLN网络流量需求和严格的能源限制，IEEE 802.15.4e标准提出的TSCH，即Time Slotted Channel Hopping链路层协议被认为是应用LLN网络较有前景的方法。TSCH有两个主要贡献：1.利用增强信标Enhanced Beacon,EB保持全网时间同步，通过为节点分配准确的调度时隙，避免冗余传输和空闲监听造成的能量浪费；2.使用多个信道实现跳频，对无线干扰和多径衰落更具鲁棒性。
[0003]TSCH定义了时隙跳频通信机制，但没有定义针对控制流量，包括EB流量和LLN网络使用的RPL路由协议流量，和应用数据流量的时隙和信道分配方法，由此产生了TSCH资源调度问题。针对该问题已经提出了许多方法，大致分为自主式、分布式和集中式三类。分布式调度方法是一种折衷方案，一方面通过邻近节点间的交互扩展本地信息用于调度计算，避免自主式调度方法无法解决负载均衡的问题；另一方面，信息交互仅在局部范围内进行，避免集中式调度方法带来的控制开销，因此分布式调度方法设计更灵活，有更广泛的应用场景。
[0004]为缓解无线传感器网络节点的能源限制，能量采集，Energy
‑
Harvesting，即EH技术被应用于各种无线传感器网络，其中EH节点在工作时采集周围环境能源，如太阳能，风能，射频等，来获得可持续运行。将能量采集技术引入LLN网络将进一步减轻能源挑战，在相同的调度方法下，LLN网络有更长的工作寿命。
[0005]将TSCH调度方法应用在能量采集LLN网络存在的挑战是，EH节点的能量采集和数据收集是耦合且随机的。例如，在节点调度的传输时隙，可能因节点能源不足导致调度失败，也可能因为没有数据缓存导致调度失败。此前提出的TSCH调度方法大多不考虑LLN网络节点的能量约束。
[0006]现有方法有了一种针对接入方法为TSCH的无线通信协议的时隙调度与信道分配算法，用于为每个超帧生成时隙调度和信道分配方案，并优化通信时延，该算法采用对超帧内所有数据流逐跳优化的方法，先将流链路、信道和时隙组合成一种四维元组，然后基于这种四维元组建立多维冲突图来描述时隙调度和信道分配过程中的约束条件，在多维冲突图的模型下，时隙调度和信道分配被转换成一个求最大权重独立子集的问题，从而得以求解。
[0007]然而现有方法没有考虑LLN网络节点的能量约束的问题，因此如何专利技术一种能够考虑LLN网络节点的能量约束的TSCH调度方法，是本
亟需解决的问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术为了解决现有技术不考虑LLN网络节点的能量约束的问题，提供了一种低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法及系统，其具有可避免时隙冲突的特点。
[0009]为实现上述本专利技术目的，采用的技术方案如下：
[0010]一种低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法，包括以下步骤：
[0011]S1.设计三种单播时隙帧，将三种单播时隙帧分别作为LLN网络的链路的发送节点、接收节点、流量处理帧；
[0012]S2.根据LLN网络的每条链路的发送节点计算并适配时隙帧的大小；计算发送帧大小后，LLN网络中每个节点设立并维护一棵资源二叉树以避免相邻节点的时隙冲突；接收节点通过资源二叉树选择空闲资源返回；由此通过交互完成每条链路在下个周期的帧配置，实现自适应按需TSCH调度；
[0013]S3.基于每条链路的方向和当前周期计算链路在当前周期的传输信道，实现信道的周期性跳变。
[0014]优选的，所述的步骤S1中，设计三种单播时隙帧，具体为：
[0015]设计一种定期配置发送时隙帧，将定期配置发送时隙帧称为PTS帧，所述的PTS帧用于LLN网络中每条链路的发送节点；
[0016]设计一种定期配置接收时隙帧，将定期配置接收时隙帧称为PRS帧，所述的PRS帧用于LLN网络中每条链路的接收节点；
[0017]设计一种自主单播时隙帧，所述的自主单播时隙帧用于处理LLN网络的RPL帧单播控制流量，以及在链路未配置PTS/PRS时临时处理单播数据流量。
[0018]进一步的，LLN网络还包括用于处理TSCH控制流量的EB帧，LLN网络的节点在一个时隙被调度多个动作时，按以下优先级选择：EB帧>RPL帧>自主单播时隙帧>PTS/PRS帧。
[0019]更进一步的，所述的步骤S2中，根据LLN网络的每条链路的发送节点计算并适配时隙帧的大小；计算发送帧大小后，LLN网络中每个节点设立并维护一棵资源二叉树以避免相邻节点的时隙冲突；接收节点通过资源二叉树选择空闲资源返回；由此通过交互完成每条链路在下个周期的帧配置，具体步骤为：
[0020]S201.根据LLN网络的每条链路的流量负载和能量缓存状态计算适配发送节点的PTS/PRS帧大小；
[0021]S202.将适配发送节点的PTS/PRS帧的配置请求发送给接收节点，LLN网络中每个节点设立并维护一棵资源二叉树以避免相邻节点的时隙冲突，接收节点通过资源二叉树选择空闲资源返回，完成时隙帧发送。
[0022]更进一步的，所述的步骤S201中，根据LLN网络的每条链路的流量负载和能量缓存状态计算适配发送节点的PTS/PRS帧大小，具体步骤为：
[0023]A1.对于LLN网络的链路的发送节点i，设其有n个邻居节点；节点i统计上个周期T中能量分组到达数和发往每个邻居的数据分组到达数；用E
i
表示节点i的能量分组到达数，D
i,j
表示节点i发往邻居j的数据分组到达数；
[0024]A2.周期开始时，将变量数据和能量分组到达数初始化为0，T时间内每收集一个能量分组将E
i
加1，每收集一个发往j的数据分组将D
i,j
加1；节点i根据上个周期的分组到达速率和当前缓存分组数量，确定一组PTS帧大小率和当前缓存分组数量，确定一组PTS帧大小用于当前周期向每个
邻居调度发送数据；
[0025]A3.根据流量负载对S
T
初始化，用D
′
i,j
表示周期开始时节点i缓存中发往节点j的数据分组数，每个帧大小满足保证当前周期每条链路调度次数匹配流量负载，同时避免数据不足调度失败；根据能量缓存状态调整S
T
；
[0026]A4.用S
R
表示节点当前维护的一组PRS帧大小，所有PTS/PRS帧的平均调度间隔ISS通过方程计算；用E
′
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.设计三种单播时隙帧，将三种单播时隙帧分别作为LLN网络的链路的发送节点、接收节点、流量处理帧；S2.根据LLN网络的每条链路的发送节点计算并适配时隙帧的大小；计算发送帧大小后，LLN网络中每个节点设立并维护一棵资源二叉树以避免相邻节点的时隙冲突；接收节点通过资源二叉树选择空闲资源返回；由此通过交互完成每条链路在下个周期的帧配置，实现自适应按需TSCH调度；S3.基于每条链路的方向和当前周期计算链路在当前周期的传输信道，实现信道的周期性跳变。2.根据权利要求1所述的低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法，其特征在于：所述的步骤S1中，设计三种单播时隙帧，具体为：设计一种定期配置发送时隙帧，将定期配置发送时隙帧称为PTS帧，所述的PTS帧用于LLN网络中每条链路的发送节点；设计一种定期配置接收时隙帧，将定期配置接收时隙帧称为PRS帧，所述的PRS帧用于LLN网络中每条链路的接收节点；设计一种自主单播时隙帧，所述的自主单播时隙帧用于处理LLN网络的RPL帧单播控制流量，以及在链路未配置PTS/PRS时临时处理单播数据流量。3.根据权利要求2所述的低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法，其特征在于：LLN网络还包括用于处理TSCH控制流量的EB帧，LLN网络的节点在一个时隙被调度多个动作时，按以下优先级选择：EB帧>RPL帧>自主单播时隙帧>PTS/PRS帧。4.根据权利要求2所述的低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法，其特征在于：所述的步骤S2中，根据LLN网络的每条链路的发送节点计算并适配时隙帧的大小；计算发送帧大小后，LLN网络中每个节点设立并维护一棵资源二叉树以避免相邻节点的时隙冲突；接收节点通过资源二叉树选择空闲资源返回；由此通过交互完成每条链路在下个周期的帧配置，具体步骤为：S201.根据LLN网络的每条链路的流量负载和能量缓存状态计算适配发送节点的PTS/PRS帧大小；S202.将适配发送节点的PTS/PRS帧的配置请求发送给接收节点，LLN网络中每个节点设立并维护一棵资源二叉树以避免相邻节点的时隙冲突，接收节点通过资源二叉树选择空闲资源返回，完成时隙帧发送。5.根据权利要求4所述的低功耗有损网络中能量敏感的TSCH调度方法，其特征在于：所述的步骤S201中，根据LLN网络的每条链路的流量负载和能量缓存状态计算适配发送节点的PTS/PRS帧大小，具体步骤为：A1.对于LLN网络的链路的发送节点i，设其有n个邻居节点；节点i统计上个周期T中能量分组到达数和发往每个邻居的数据分组到达数；用E
i
表示节点i的能量分组到达数，D
i,j
表示节点i发往邻居j的数据分组到达数；A2.周期开始时，将变量数据和能量分组到达数初始化为0，T时间内每收集一个能量分组将E
i
加1，每收集一个发往j的数据分组将D
i,j
加1；节点i根据上个周期的分组到达速率和当前缓存分组数量，确定一组PTS帧大小当前缓存分组数量，确定一组PTS帧大小用于当前周期向每个邻居
调度发送数据；A3.根据流量负载对S
T
初始化，用D
′
i,j
表示周期开始时节点i缓存中发往节点j的数据分组数，每个帧大小满足保证当前周期每条链路调度次数匹配流量负载，同时避免数据不足调度失败；根据能量缓存状态调整S
T
；A4.用S
R
表示节点当前维护的一组PRS帧大小，所有PTS/PRS帧的平均调度间隔ISS通过方程计算；用E
′
i
表示节点i在周期开始时缓存的能量分组数；A5.判断ISS是否满足如果满足，按照当前PTS/PRS帧...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈权，周万强，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：