[发明专利]一种针对TSCH网络的时隙调度和信道分配方法

说明书

本发明公开了一种针对接入方法为TSCH(Time Slotted Chanel Hopping)的无线通信协议的时隙(slot)调度与信道(channel)分配算法，用于为每个超帧(superframe)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(hop)优化的方法，先将流(flow)、链路(link)、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(MWIS)的问题，从而得以求解。本发明对流密度有较好的鲁棒性，同时可扩展性良好，能够适应于多种复杂的通信场景，极大的优化整个网络的通信时延。

技术领域

本发明属于工业无线网络技术领域，涉及TSCH接入方式下无线网络通信的时间与信道联合优化调度算法技术，具体涉及一种针对TSCH网络的时隙调度和信道分配方法。

背景技术

在工业无线网络中，通信的实时性是系统最重要的性能指标之一。信号传递的时延会直接影响到控制系统的性能，某些情况下甚至会直接导致系统的不稳定，从而极大地影响到工业生产的效益。以IEEE802.15.4为代表的许多无线通信协议都采用了时分多址接入(TDMA)和跳频技术相结合的TSCH(Time Slotted Channel Hopping)机制来提高实时性和可靠性，而在基于TSCH机制的无线通信协议中，时隙调度和信道分配紧密耦合并直接影响到网络通信的时延。

时隙调度和信道分配问题都是通信网络中的典型问题，已经有许多的研究成果。但现有的算法还存在一些不足：1)现有算法大都将时隙调度和信道分配作为两个分离的问题，但是在TSCH机制下，时隙调度和信道分配实际是机密耦合的，因此这两个问题的解决应该放在一起协同设计；2)以减小时延为目标的优化调度算法尚未得到充分研究。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，采用TSCH接入机制的无线通信网络提供一种针对TSCH网络的时隙调度和信道分配方法，为超帧内的每一个数据流的每一个传输链路分配一组合适的时隙和信道，在保证无干扰无冲突的、完整可行的前提下，寻求一个端到端加权延时(根据各个数据流的重要性加权)最小的时隙和信道分配方案。

本发明中已知通信网络的可用信道集合为C，对其通信期间任一长度为|T|的超帧(即时隙个数为|T|)，以T＝{1,2,…,|T|}表示该超帧内的时隙集合。把每个数据包从源节点发送到目标节点视为一个数据流，用F表示该超帧内的数据流集合。对于每一个数据流f∈F,其从源节点到目的节点的路径已知，并表示为一个链路序列其中每一个链路表示从一个节点u可以直接向另一个节点v发送数据，也可以表示为(u，v)。同时假设每个数据包的重要性有差异，用ω_f表示数据流f的重要性，网络各节点通信距离和干扰距离已知。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于多维冲突图模型的逐跳优化算法的针对TSCH网络的时隙调度和信道分配方法，其特点是将每个链路的所有可能方案构建成一个多维元组，然后以所有多维元组为点集，以元组之间的冲突关系为边构建一个多维冲突图，这样就完整的刻画了整个时隙调度和信道分配过程中的所有干扰和冲突，然后基于这个多维冲突图，时隙调度和信道分配问题就可以转化成在这个冲突图中寻找最大独立子集的问题。

其具体的实现步骤如下：

步骤一：生成多维元组。对于每一个数据流f∈F，其从源节点到目的节点的路径表示为一个链路序列其中每一个链路表示数据流f路径上的第i个链路。定义如下形式的“流(f)-链路(l)-信道(c)-时隙(t)”四维元组(FLCT元组)：

τ＝[f,(u,v),c,t]

根据上述已知信息生成所有FLCT元组的集合如下：