满足公平性的无线传感器网络时分复用调度算法

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随着微机电技术、机械制造技术、无线通信技术和数字电子电路技术的飞速发展,无线传感器越来越受到人们的重视,并得到了广泛的研究。无线传感器网络有很广阔的应用空间,无论在民用还是军事都有其用武之地。在这些应用环境中,网络中的各个节点周期性产生数据的速率可能不同,甚至差异很大。如果每个节点仍然按照相同的概率访问信道,势必会造成节点共享信道的不公平性。本文提出了一种调度算法GTFA来解决无线传感器网络中节点访问信道公平性的情况。GTFA算法是一种基于图染色算法的TDMA时分复用调度算法,所以其结合了图染色算法和TDMA算法的优点。图染色算法的主要目的是把网络中的节点划分为独立集,每个独立集内的节点是颜色相同的节点,这些节点不发生数据冲突和传输干扰。然后TDMA算法就可以将网络时间分成独立的时隙,然后将时隙分配给不同的独立集,这样可以保证节点能够协同工作而不会产生由于冲突造成的能量损耗。由于缺乏对网络拓扑和路由的全局掌握,设计一个完全分布式的解决公平性的方法是一个巨大的挑战。本文基于DVCA图染色算法,使用考虑通信干扰的冲突模型定义来对非簇头节点的通信实现无冲突调度。GTFA算法主要分为网络分簇、节点染色、独立集调度三个步骤。第一步应用DWEHC分簇协议对无线传感器网络进行分簇,然后使用DVCA算法对网络中的节点染色,根据颜色划分为不同独立集,最后根据数据流量统计信息对独立集进行调度。这种调度方式充分考虑了网络结构和数据流量分布,对环境变化的适应能力强。其中有两个创新点,第一个是根据网络数据信息情况来分配时隙,第二个是将时隙分配阶段划分为两轮,每一轮根据不同的侧重来为调度独立集,这样能够保证网络中数据量大的节点获得更多的信道带宽。仿真结果表明,GTFA算法能够提高无线通信信道带宽利用率,有效地解决了数据流量分布不均匀的网络场景中信道分配的公平性问题,降低网络能量损耗,延长网络生命周期。
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