一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最差時延感知跨層優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體為無線傳感網(wǎng)絡(luò)中單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸最差 時延感知跨層優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感網(wǎng)絡(luò)近年來獲得全球范圍內(nèi)越來越多的關(guān)注，尤其是隨著微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)的擴(kuò)散，智能傳感器得到了快速的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)通常只由一些傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這 些節(jié)點(diǎn)可以分工協(xié)作并獲得所在區(qū)域的環(huán)境信息。傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不需要改變或預(yù)先確 定，這允許我們在難以接近的地形或救災(zāi)行動中對其進(jìn)行隨機(jī)的部署。另一方面，這也意味 著傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法必須具備自組織的能力。
[0003] 在實際應(yīng)用當(dāng)中，跨層優(yōu)化中的數(shù)據(jù)隨機(jī)叢發(fā)性抵達(dá)和時延性能是除了傳統(tǒng)的 PHY層性能外非常重要的一項性能指標(biāo)。時延在無線通信網(wǎng)絡(luò)中可以分為許多方面，如單個 節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)隊列傳輸時延，無線網(wǎng)絡(luò)端到端通信時延等。無線網(wǎng)絡(luò)理論研宄中存在許多 關(guān)于時延感知資源控制的方法。在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中，基于優(yōu)化設(shè)計的方法學(xué)也已經(jīng)被廣泛 地使用于處理隊列時延問題。Bui等人提出了一種新的架構(gòu)和算法并將其應(yīng)用于改進(jìn)背壓 算法中的時延性能。Ying等人提出了一種基于跳數(shù)的隊列架構(gòu)使得節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時能夠 基于最短路徑信息自適應(yīng)地選擇最優(yōu)路由集，并獲得較傳統(tǒng)的背壓算法更小的端到端傳輸 時延。Huang等人提出了一種完全分布式的聯(lián)合擁塞控制和調(diào)度算法，并保證了每條回話的 順序最優(yōu)端到端時延。Xue等人提出了一種基于多跳無線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合擁塞控制，路由和調(diào)度 算法，該算法保證了每條回話流的平均端到端時延約束以及最小速率要求。
[0004] 綜上，上述研宄一般只討論平均時延約束，均沒有給出最差時延上界約束。Neely 等人設(shè)計出一種隨機(jī)調(diào)度算法使得隊列中的每條會話流數(shù)據(jù)都存在一個最差等待時延上 界，從而保證了每個數(shù)據(jù)包從進(jìn)入數(shù)據(jù)隊列到離開數(shù)據(jù)隊列最長等待時間。但并沒有給出 最差時延感知跨層優(yōu)化方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最差時 延感知跨層優(yōu)化方法，該方法能在保障網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，給出網(wǎng)絡(luò)中每個傳感器節(jié)點(diǎn) 的數(shù)據(jù)傳輸最差時延，同時優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。
[0006] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)： 所述的一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最差時延感知跨層優(yōu)化方法，其特征在于該方法包括以下 步驟： 1) 網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前時隙數(shù)據(jù)隊列和構(gòu)造的虛擬隊列的隊列狀態(tài)，做出相應(yīng)的 決策行為，進(jìn)而更新當(dāng)前時隙的隊列狀態(tài)； 2) 源節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)隊列狀態(tài)和虛擬輔助隊列狀態(tài)，對數(shù)據(jù)采集行為進(jìn)行優(yōu)化決策； 3) 源節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前時隙數(shù)據(jù)隊列和虛擬時延隊列狀態(tài)，對數(shù)據(jù)丟包行為以 及路由調(diào)動和數(shù)據(jù)傳輸行為進(jìn)行優(yōu)化決策； 4)重復(fù)步驟1)到步驟3)的決策過程，在完成設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時隙過程中，觀察網(wǎng)絡(luò)中 節(jié)點(diǎn)的隊列積壓，丟包情況以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量效用變化情況。
[0007] 所述的一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最差時延感知跨層優(yōu)化方法，其特征在于步驟1)中的 更新過程為，在每個源節(jié)點(diǎn).《中，對任意會話流./的隊列，實施如下過程： a) :觀察實際數(shù)據(jù)隊列呔的和虛擬隊列2/⑷的隊列積壓，對數(shù)據(jù)隊列⑷的數(shù) 據(jù)輸入速率、r/⑷進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)條件⑷<Zr/⑷得到滿足時，令J⑷=，否則，令 '彳⑷= 〇.，其中，屯".為單個時隙內(nèi)數(shù)據(jù)采集上限； b) :對虛擬隊列Z/⑷的虛擬輸入速率⑷進(jìn)行控制決策，觀察當(dāng)前時隙虛擬輔 助隊列2/⑷的隊列積壓，若z/⑷=0，令.f的=4m;若4 ，令< W = 0 ;若
【主權(quán)項】
1. 一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最差時延感知跨層優(yōu)化方法，其特征在于該方法包括以下步 驟： 1) 網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前時隙數(shù)據(jù)隊列和構(gòu)造的虛擬隊列的隊列狀態(tài)，做出相應(yīng)的 決策行為，進(jìn)而更新當(dāng)前時隙的隊列狀態(tài)； 2) 源節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)隊列狀態(tài)和虛擬輔助隊列狀態(tài)，對數(shù)據(jù)采集行為進(jìn)行優(yōu)化決策； 3) 源節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前時隙數(shù)據(jù)隊列和虛擬時延隊列狀態(tài)，對數(shù)據(jù)丟包行為以 及路由調(diào)動和數(shù)據(jù)傳輸行為進(jìn)行優(yōu)化決策； 4) 重復(fù)步驟1)到步驟3)的決策過程，在完成設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時隙過程中，觀察網(wǎng)絡(luò)中 節(jié)點(diǎn)的隊列積壓，丟包情況以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量效用變化情況。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最差時延感知跨層優(yōu)化方法，其特征 在于步驟1)中的更新過程為，在每個源節(jié)點(diǎn)B中，對任意會話流/的隊列，實施如下過程： a) :觀察實際數(shù)據(jù)隊列g(shù)f(i)和虛擬隊列之(!）的隊列積壓，對數(shù)據(jù)隊列的數(shù) 據(jù)輸入速率r/仍進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)條件⑷得到滿足時，令= ，否則，令 其中，毛《為單個時隙內(nèi)數(shù)據(jù)采集上限； b) :對虛擬隊列的虛擬輸入速率進(jìn)行控制決策，觀察當(dāng)前時隙虛擬輔 助隊列態(tài)⑷的隊列積壓，若<(f)=0,令= I ;若璲(4>咕，令;若 岑(4<咕/(1+毛_)，令;^(4 = 1^ ;否則，令?/(?)<?^/2·?(?Η ;其中，政表示效 用函數(shù)σ? (X)的最大右導(dǎo)數(shù)，且〇<#<〇〇, F為李雅普諾夫懲罰因子； C):結(jié)合步驟a)和b)得到的決策結(jié)果，同時根據(jù)虛擬輔助隊列的隊列演變方式 對其進(jìn)行隊列更新。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最差時延感知跨層優(yōu)化方法，其 特征在于步驟2)中優(yōu)化決策過程為：對網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)B及每條會話流/，實施如 下過程：觀察當(dāng)前時隙的數(shù)據(jù)隊列和虛擬時延隊列逐的隊列積壓，當(dāng)條件 GiW+迓滿足時，令該時隙的隊列丟包量紀(jì)否則，令Df (〇=0,即 此時相應(yīng)的數(shù)據(jù)隊列不進(jìn)行任何的丟包行為。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最差時延感知跨層優(yōu)化方法，其特征 在于步驟3)中的優(yōu)化決策過程為：對網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚烧{(diào)度和鏈路傳輸速 率的控制決策，實施如下過程： Α):定義鏈路(0)上會話流/的鏈路權(quán)重為4⑴蘭efW-漢⑴+if(r)，同時，定 義4 (i) = iiiax (/h 為對應(yīng)鏈路上的最優(yōu)權(quán)重，其中表示對應(yīng)權(quán)重下的傳輸會話 流，即當(dāng)條件 (? > O滿足時，選擇會話流/作為鏈路0^0上的傳輸會話； B) :完成步驟1)后，確定傳輸會話流/，進(jìn)一步對傳輸速率進(jìn)行決策控制，觀察節(jié)點(diǎn)b 中的數(shù)據(jù)隊列fii的和虛擬時延隊列逐的的隊列積壓以及節(jié)點(diǎn)A中的數(shù)據(jù)隊列GfM的 隊列積壓，當(dāng)條件滿足時，令W=/W ，否則，令/CO0 ，其中，Am表示單條會話流在一個時隙內(nèi)的傳輸速率上限； C) :結(jié)合步驟1)，2)和3)的決策結(jié)果，同時根據(jù)數(shù)據(jù)隊列€(60和虛擬時延隊列逐 的演變方式對其進(jìn)行隊列更新。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中最差時延感知跨層優(yōu)化方法，涉及無線通信傳輸技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟：網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前時隙數(shù)據(jù)隊列和構(gòu)造的虛擬隊列的隊列狀態(tài)，做出相應(yīng)的決策行為，進(jìn)而更新當(dāng)前時隙的隊列狀態(tài)；源節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)隊列狀態(tài)和虛擬輔助隊列狀態(tài)，對數(shù)據(jù)采集行為進(jìn)行優(yōu)化決策；源節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前時隙數(shù)據(jù)隊列和虛擬時延隊列狀態(tài)，對數(shù)據(jù)丟包行為以及路由調(diào)動和數(shù)據(jù)傳輸行為進(jìn)行優(yōu)化決策。經(jīng)過多次迭代后，使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)的隊列狀態(tài)逐漸穩(wěn)定。該方法同時可使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)的吞吐量效用逐漸趨于最優(yōu)，及使得網(wǎng)絡(luò)整體的時間平均數(shù)據(jù)丟包量趨于0，并為網(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點(diǎn)中每條會話流的數(shù)據(jù)提供一個最差傳輸時延上界。
【IPC分類】H04W24-02, H04L1-00, H04L12-863
【公開號】CN104734808
【申請?zhí)枴緾N201510099667
【發(fā)明人】徐偉強(qiáng), 涂建臣, 史清江, 俞晴里
【申請人】浙江理工大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月7日