一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法，包括以下步驟：1）根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡應用環(huán)境和監(jiān)測對象對傳感器節(jié)點接收的數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級劃分；2）根據(jù)劃分的優(yōu)先級，將帶有路由功能的無線傳感器節(jié)點的緩沖區(qū)隊列進行優(yōu)先級劃分；3）配置L-RQS算法相應的參數(shù)并確定各初始值；4）組建無線傳感器網(wǎng)絡，并進行網(wǎng)絡的初始化操作，使各傳感器正常工作；5）當傳感器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，L-RQS中的緩沖區(qū)管理算法根據(jù)當前隊列的狀態(tài)和數(shù)據(jù)包優(yōu)先級進行相應操作；6）L-RQS中的隊列調(diào)度算法選擇相應的數(shù)據(jù)包進行調(diào)度，并根據(jù)連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的個數(shù)或等待時間設置高優(yōu)先級隊列狀態(tài)；7）當完成一次數(shù)據(jù)包的調(diào)度后，調(diào)度器根據(jù)隊列中數(shù)據(jù)包的個數(shù)選擇狀態(tài)。本發(fā)明用于對實時性要求較高的無線傳感器網(wǎng)絡應用領(lǐng)域。
【專利說明】一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，大量的應用領(lǐng)域要求其提供服務質(zhì)量(QoS)的保障，如低延遲、高可靠性，然而無線傳感器節(jié)點一般體積較小、靠電池供電、計算能力較弱且內(nèi)存資源有限，因此在無線傳感器網(wǎng)絡中提供服務質(zhì)量的保障具有很大的挑戰(zhàn)性。目前很多基于無線傳感器網(wǎng)絡的新型應用對數(shù)據(jù)的實時性要求較高，即需要保障數(shù)據(jù)包在規(guī)定的時間內(nèi)從監(jiān)測地到達數(shù)據(jù)處理中心，并由數(shù)據(jù)處理中心做出相應的反應，而數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中進行轉(zhuǎn)發(fā)所消耗的時間是主要的延遲時間，因此減少數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中的延遲是提高實時性的有效方式。數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中的延遲主要分為傳播延遲和處理延遲，傳播延遲主要由傳輸介質(zhì)的物理特性決定，因而減少傳播延遲較困難，相比之下，處理延遲則主要由網(wǎng)絡中的路由節(jié)點決定，因此減少節(jié)點的處理延遲是減少數(shù)據(jù)包延遲可行且有效的方式。
[0003]每個(帶有路由功能的)傳感器節(jié)點都有一個接收數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)隊列，新到來的數(shù)據(jù)包在這個隊列中等待調(diào)度或被丟棄，但是緩沖區(qū)隊列的容量是有限的，而數(shù)據(jù)包的到達又具有一定的猝發(fā)性，并且由于無線傳感器網(wǎng)絡的應用都具有一定的目的性，因而不同的數(shù)據(jù)包就可能具有不同程度的重要性，因此對于傳感器節(jié)點來說接收哪些數(shù)據(jù)包、緩沖哪些數(shù)據(jù)包、丟棄哪些數(shù)據(jù)包、以及如何進行數(shù)據(jù)包的(轉(zhuǎn)發(fā))調(diào)度是一項重要的任務。由于先到先服務(FCFS)的隊列調(diào)度方式具有簡單、相對公平性的優(yōu)點，因此是目前大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡應用的主要隊列調(diào)度方式。
[0004]隨著研究的不斷發(fā)展，很多學者發(fā)現(xiàn)先到先服務的隊列調(diào)度方式已不能滿足應用的需求，因此提出了其它類型的隊列調(diào)度方式，例如:基于優(yōu)先級的隊列調(diào)度方式、基于冗余信息的隊列調(diào)度方式、以及兼顧優(yōu)先級和公平性的動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度方式，但是這些隊列調(diào)度方式在每個優(yōu)先級的內(nèi)部都還是采取先到先服務(FCFS)的方式，在監(jiān)測、追蹤等大部分無線傳感器網(wǎng)絡的應用中，新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總能代表監(jiān)測(或追蹤)對象的最當前情況，然而最新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包相對于之前產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包而言，在選取相同的路由時，總是較晚到達轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的隊列，若采取先到先服務的隊列調(diào)度方式，則新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總是在一定程度上被延遲了。另外，當較短時間內(nèi)有大量的數(shù)據(jù)包到達傳感器節(jié)點時，傳感器節(jié)點的隊列很可能會發(fā)生擁塞，這時對數(shù)據(jù)包的選擇調(diào)度以及選擇丟棄就變得尤為重要，目前傳感器節(jié)點大都采取尾部丟棄方式，也就是說很可能丟棄了最當前的信息，卻保留了“歷史”信息。因此如果能夠徹底改變傳感器節(jié)點采取的先到先服務隊列調(diào)度方式和尾部丟棄方式，則可以有效的提高數(shù)據(jù)包的實時性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法，能夠有效保障數(shù)據(jù)包的實時性和區(qū)分服務。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法，其包括以下步驟:1)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡應用環(huán)境和監(jiān)測對象特點對傳感器節(jié)點接收的數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級劃分，即將接收的數(shù)據(jù)劃分為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)和普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)；2)根據(jù)所述步驟I)劃分數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級，將帶有路由功能的無線傳感器節(jié)點的緩沖區(qū)隊列劃分為高優(yōu)先級隊列Q1和普通優(yōu)先級隊列Q2 ；3)配置L-RQS算法的相應參數(shù)并確定各相應參數(shù)的初始值；4)根據(jù)需要組建無線傳感器網(wǎng)絡，并進行網(wǎng)絡的初始化操作，使各個傳感器都正常工作；5)當帶有路由功能的傳感器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，L-RQS中的緩沖區(qū)管理算法根據(jù)當前隊列的狀態(tài)和數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級進行相應的緩存操作和丟棄操作；6)L-RQS中的隊列調(diào)度算法根據(jù)高優(yōu)先級隊列所處的狀態(tài)和LCFS原則選擇相應的數(shù)據(jù)包進行調(diào)度，并根據(jù)連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的個數(shù)或等待時間設置高優(yōu)先級隊列的狀態(tài)； 7)當完成一次數(shù)據(jù)包的調(diào)度后，調(diào)度器根據(jù)隊列中數(shù)據(jù)包的個數(shù)選擇繼續(xù)執(zhí)行所述步驟6)或者進入睡眠狀態(tài)，即當調(diào)度器完成一次數(shù)據(jù)包的調(diào)度后，若此時有新的數(shù)據(jù)包到來，或者隊列中有未調(diào)度的數(shù)據(jù)包，則調(diào)度器繼續(xù)按照步驟6)執(zhí)行調(diào)度；若隊列中沒有數(shù)據(jù)包等待調(diào)度則調(diào)度器進入睡眠狀態(tài)。
[0007]所述步驟3)中配置L-RQS算法的相應參數(shù)包括用于確定丟棄哪個隊列中的數(shù)據(jù)包的最少數(shù)據(jù)包閾值Tht，1=(^或Q2、執(zhí)行丟棄數(shù)據(jù)包操作后對Tht更新的更新步長λ
i = Q1或Q2、最多連續(xù)調(diào)度Q1隊列中數(shù)據(jù)包個數(shù)的調(diào)度閾值Wy'、Q1隊列第k次處于等待狀態(tài)的等待時間Tkw，k = 1，2，...、第k次等待時間滿后的增加步長λ k\
[0008]所述步驟5)中L-RQS中的緩沖區(qū)管理算法根據(jù)當前隊列的狀態(tài)和數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級進行相應的緩存操作和丟棄操作的具體過程為:當帶有路由功能的傳感器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，首先判斷當前緩沖區(qū)隊列是否擁塞即判斷Q1和Q2的長度之和是否等于Q的長度，若當前傳感器節(jié)點的緩沖區(qū)隊列未滿，即有空閑空間，并且接收到一個普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)包將該數(shù)據(jù)包插入到普通優(yōu)先級隊列的隊尾；若緩沖區(qū)隊列空間未滿，且當前節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包為高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，則判斷高優(yōu)先級隊列的狀態(tài)，若高優(yōu)先級隊列處于調(diào)度狀態(tài)，則將該數(shù)據(jù)包插入到高優(yōu)先級隊列的對尾，若高優(yōu)先級隊列處于等待狀態(tài)，則丟棄該數(shù)據(jù)包；若當前傳感器節(jié)點的緩沖區(qū)隊列已滿，即沒有空閑空間，則判斷當前接收到的數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級，若為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包則根據(jù)預設原則一判斷是否插入該數(shù)據(jù)包以及從哪個隊列的隊頭位置刪除數(shù)據(jù)包，并將新到達的數(shù)據(jù)包插入到高優(yōu)先級隊列的隊尾；若當前接收到的數(shù)據(jù)包為普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，則根據(jù)如下預設原則二判斷從哪個隊列的隊頭位置刪除數(shù)據(jù)包從而將新到達的數(shù)據(jù)包插入到相應隊列的隊尾。
[0009]所述預設原則一的工作過程為:首先判斷高優(yōu)先級隊列的狀態(tài)，若高優(yōu)先級隊列處于等待狀態(tài)，則丟棄該數(shù)據(jù)包，若高優(yōu)先級隊列處于調(diào)度狀態(tài)，則判斷隊列Q2的長度與隊
列Q2最少數(shù)據(jù)包閾值ThQ2ls之差是否小于0，若小于0，則表示隊列Q2中的數(shù)據(jù)包個數(shù)很少，
不適合丟棄Q2中的數(shù)據(jù)包，此時丟棄Q1隊列隊頭位置的數(shù)據(jù)包，若Q2的長度與最少數(shù)據(jù)包
閾值ThQ2ls之差大于0，則表示Q2隊列滿足丟棄數(shù)據(jù)包的條件，此時丟棄Q2隊列隊頭位置的
數(shù)據(jù)包，具體公式如下公式所示:
【權(quán)利要求】
1.一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法，其包括以下步驟:1)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡應用環(huán)境和監(jiān)測對象特點對傳感器節(jié)點接收的數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級劃分，即將接收的數(shù)據(jù)劃分為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)和普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)；2)根據(jù)所述步驟I)劃分數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級，將帶有路由功能的無線傳感器節(jié)點的緩沖區(qū)隊列劃分為高優(yōu)先級隊列Q1和普通優(yōu)先級隊列Q2 ；3)配置L-RQS算法的相應參數(shù)并確定各相應參數(shù)的初始值；4)根據(jù)需要組建無線傳感器網(wǎng)絡，并進行網(wǎng)絡的初始化操作，使各個傳感器都正常工作；5)當帶有路由功能的傳感器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，L-RQS中的緩沖區(qū)管理算法根據(jù)當前隊列的狀態(tài)和數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級進行相應的緩存操作和丟棄操作；6)L-RQS中的隊列調(diào)度算法根據(jù)高優(yōu)先級隊列所處的狀態(tài)和LCFS原則選擇相應的數(shù)據(jù)包進行調(diào)度，并根據(jù)連續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的個數(shù)或等待時間設置高優(yōu)先級隊列的狀態(tài)；7)當完成一次數(shù)據(jù)包的調(diào)度后，調(diào)度器根據(jù)隊列中數(shù)據(jù)包的個數(shù)選擇繼續(xù)執(zhí)行所述步驟6)或者進入睡眠狀態(tài)，即當調(diào)度器完成一次數(shù)據(jù)包的調(diào)度后，若此時有新的數(shù)據(jù)包到來，或者隊列中有未調(diào)度的數(shù)據(jù)包，則調(diào)度器繼續(xù)按照步驟6)執(zhí)行調(diào)度；若隊列中沒有數(shù)據(jù)包等待調(diào)度則調(diào)度器進入睡眠狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法，其特征在于:所述步驟3)中配置L-RQS算法的相應參數(shù)包括用于確定丟棄哪個隊列中的數(shù)據(jù)包的最少數(shù)據(jù)包閾值Tht，I=Q1或Q2、執(zhí)行丟棄數(shù)據(jù)包操作后對Tht更新的更新步長λ i = Q1或Q2、最多連續(xù)調(diào)度Q1隊列中·數(shù)據(jù)包個數(shù)的調(diào)度閾值Q1隊列第k次處于等待狀態(tài)的等待時間Tkw，k = 1，2，...、第k次等待時間滿后的增加步長λ k\
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法，其特征在于:所述步驟5)中L-RQS中的緩沖區(qū)管理算法根據(jù)當前隊列的狀態(tài)和數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級進行相應的緩存操作和丟棄操作的具體過程為:當帶有路由功能的傳感器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，首先判斷當前緩沖區(qū)隊列是否擁塞即判斷Q1和Q2的長度之和是否等于Q的長度，若當前傳感器節(jié)點的緩沖區(qū)隊列未滿，即有空閑空間，并且接收到一個普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)包將該數(shù)據(jù)包插入到普通優(yōu)先級隊列的隊尾；若緩沖區(qū)隊列空間未滿，且當前節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包為高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，則判斷高優(yōu)先級隊列的狀態(tài)，若高優(yōu)先級隊列處于調(diào)度狀態(tài)，則將該數(shù)據(jù)包插入到高優(yōu)先級隊列的對尾，若高優(yōu)先級隊列處于等待狀態(tài)，則丟棄該數(shù)據(jù)包；若當前傳感器節(jié)點的緩沖區(qū)隊列已滿，即沒有空閑空間，則判斷當前接收到的數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級，若為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包則根據(jù)預設原則一判斷是否插入該數(shù)據(jù)包以及從哪個隊列的隊頭位置刪除數(shù)據(jù)包，并將新到達的數(shù)據(jù)包插入到高優(yōu)先級隊列的隊尾；若當前接收到的數(shù)據(jù)包為普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，則根據(jù)如下預設原則二判斷從哪個隊列的隊頭位置刪除數(shù)據(jù)包從而將新到達的數(shù)據(jù)包插入到相應隊列的隊尾。
4.如權(quán)利要求3所述的一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法，其特征在于:所述預設原則一的工作過程為:首先判斷高優(yōu)先級隊列的狀態(tài)，若高優(yōu)先級隊列處于等待狀態(tài)，則丟棄該數(shù)據(jù)包，若高優(yōu)先級隊列處于調(diào)度狀態(tài)，則判斷隊列Q2的長度與隊列Q2最少數(shù)據(jù)包閾值7_\:之差是否小于0，若小于0，則表示隊列Q2中的數(shù)據(jù)包個數(shù)很少，不適合丟棄Q2中的數(shù)據(jù)包，此時丟棄Q1隊列隊頭位置的數(shù)據(jù)包，若Q2的長度與最少數(shù)據(jù)包閾值7^22&之差大于0，則表示Q2隊列滿足丟棄數(shù)據(jù)包的條件，此時丟棄Q2隊列隊頭位置的數(shù)據(jù)包,具體公式如下公式所示:
5.如權(quán)利要求3所述的一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法，其特征在于:所述預設原則二的工作過程為:首先判斷隊列Q1的長度與隊列Q1最少數(shù)據(jù)包閾值7/s之差是否小于0，若小于0，則表示不適合丟棄Q1中的數(shù)據(jù)包，此時丟棄Q2隊列隊頭位置的數(shù)據(jù)包；若Q1的長度與最少數(shù)據(jù)包閾值之差大于0，則表示可以丟棄Q1隊列中的數(shù)據(jù)包，于是判斷Q2的長度與最少數(shù)據(jù)包閾值7?:之差和Q1的長度與最少數(shù)據(jù)包閾值^差之間的比值，即判斷哪個隊列中數(shù)據(jù)包的個數(shù)更多于此隊列的最少閾值，若比值大于等于1，則表示更適合丟棄Q2隊列中的數(shù)據(jù)包，此時丟棄Q2隊列中隊頭位置的數(shù)據(jù)包；若比值小于1，則表示Q1隊列更適合丟棄數(shù)據(jù)包，此時丟棄Q1隊列隊頭位置的數(shù)據(jù)包，具體公式如下公式所示:
6.如權(quán)利要求1或2或4或5所述的一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法，其特征在于:所述步驟6)的具體工作過程為:當高優(yōu)先級隊列中有數(shù)據(jù)包時，調(diào)度器優(yōu)先調(diào)度高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，若高優(yōu)先級隊列中沒有數(shù)據(jù)包，但是在調(diào)度普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的過程中有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包到來，則調(diào)度器立即放棄普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的調(diào)度，轉(zhuǎn)而進行高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的調(diào)度，同時對連續(xù)調(diào)度的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包進行統(tǒng)計，若連續(xù)調(diào)度的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包個數(shù)滿足調(diào)度閾值，則高優(yōu)先級隊列從調(diào)度狀態(tài)轉(zhuǎn)為等待狀態(tài)，并將高優(yōu)先級隊列中未調(diào)度的數(shù)據(jù)包全部丟棄，當高優(yōu)先級隊列處于等待狀態(tài)時不進行任何高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的調(diào)度，調(diào)度器僅調(diào)度普通隊列中的普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，這段時間內(nèi)若有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包到達，則無條件丟棄，每一次高優(yōu)先級隊列進入等待狀態(tài)，需要在等待狀態(tài)滯留ΤΛ k =1,2,...，長的時間，其中k代表第k次進入等待狀態(tài)，滿足等待時間后高優(yōu)先級隊列從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)回調(diào)度狀態(tài)，同時更新下一次的等待時間。
7.如權(quán)利要求3所述的一種保障無線傳感器網(wǎng)絡信息實時傳輸?shù)恼{(diào)度方法，其特征在于:所述步驟6)的具體工作過程為:當高優(yōu)先級隊列中有數(shù)據(jù)包時，調(diào)度器優(yōu)先調(diào)度高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，若高優(yōu)先級隊列中沒有數(shù)據(jù)包，但是在調(diào)度普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的過程中有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包到來，則調(diào)度器立即放棄普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的調(diào)度，轉(zhuǎn)而進行高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的調(diào)度，同時對連續(xù)調(diào)度的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包進行統(tǒng)計，若連續(xù)調(diào)度的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包個數(shù)滿足調(diào)度閾值，則高優(yōu)先級隊列從調(diào)度狀態(tài)轉(zhuǎn)為等待狀態(tài)，并將高優(yōu)先級隊列中未調(diào)度的數(shù)據(jù)包全部丟棄，當高優(yōu)先級隊列處于等待狀態(tài)時不進行任何高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的調(diào)度，調(diào)度器僅調(diào)度普通隊列中的普通優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，這段時間內(nèi)若有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包到達，則 無條件丟棄，每一次高優(yōu)先級隊列進入等待狀態(tài)，需要在等待狀態(tài)滯留Tkw，k = 1，2，...，長的時間，其中k代表第k次進入等待狀態(tài)，滿足等待時間后高優(yōu)先級隊列從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)回調(diào)度狀態(tài)，同時更新下一次的等待時間。
【文檔編號】H04L12/823GK103532877SQ201310521866
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】田立勤, 張琪, 陳振國 申請人:華北科技學院