JS 杂志上的传感器 1687 - 7268 1687 - 725 x Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/8671516 8671516 研究文章 最佳的公平调度S-TDMA传感器网络监测河流羽流 http://orcid.org/0000 - 0002 - 9287 - 2329 Luque-Nieto 安吉尔 http://orcid.org/0000 - 0001 - 5023 - 2350 Moreno-Roldan 何塞·米格尔· Poncela 哈维尔 奥特罗 巴勃罗 Brocchini 莫里吉奥 Departamento Ingenieria de Comunicaciones 大学的马拉加 29010马拉加 西班牙 uma.es 2016年 29日 2 2016年 2016年 24 09年 2015年 26 01 2016年 07年 02 2016年 2016年 版权©2016 miguel angel Luque-Nieto et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

水下无线传感器网络(UWSNs)是一种有希望的技术来为海洋学家提供实时环境数据。合适的网络拓扑监控河口是由字符串一起到水槽节点。这个网络可能被理解为一个有向图。很多MAC技术可用于UWSNs,但Spatial-TDMA优先固定网络。本文调度过程来获取最优公平框架,在理想条件下的同步和传输错误。主要目标是找到理论最大吞吐量通过重叠节点的传输,同时保持一个平衡的从每个传感器接收的数据率,无论其位置在网络。程序搜索所有派系的兼容性矩阵网络图和解决Multiple-Vector本包装(MVBP)问题。这项工作解决优化问题并提供分析和数值计算结果为最小帧长度和可实现的最大吞吐量。

 1。介绍

River-fed沉淀物在河口三角洲对被监控很重要,因为对水质和环境的影响。用来监控近岸环境的技术可以分为两大类:远程和原位方法。遥感、卫星设备(AVHR辐射计( 1从MODIS-Aqua[],图片 2])或无人机 3已经被使用。原位测量可以通过水下传感器(即。,河漂流者 4)或视频遥感( 5])。水下无线传感器网络(UWSNs)是一个非常有前途的海洋学和方便的工具,尤其是污染监测和海上勘探 6]。沉淀物可能显示不同的模式由于电流和风力。图 1礼物可能部署UWSN,旨在覆盖感兴趣的领域。网络中有两种类型的节点:传感器和水槽节点。水槽节点从传感器节点收集数据和作为网络网关。浅海声信道高度敌对。因此,一个高效的MAC协议的选择是至关重要的设计UWSN [ 7]。两个多次反射传导机制:从传感器到水槽节点广播或点对点。后者的选择选择目前的工作。关于channel-partitioning之间的选择或随机访问协议( 8, 9],时分多路复用(TDM)是首选方法,因为它的简单性和功率效率。为了克服吞吐量有限,空间时分多路访问(STDMA),这是一个无碰撞多次反射信道访问协议( 10),用于目前的工作。

在河口:(a)感兴趣的领域与西方漂移(a)或东漂流(B)。(B)提出的拓扑结构的网络与一个网关和12个传感器节点覆盖感兴趣的区域(B标记,以防(a))。

因为所有节点的位置同样重要的数据采集、传输公平( 11)是一种调度目标。在这个分析中,公平意味着所有节点传输相同数量的自己的数据从长远来看,不管他们的距离汇聚节点。

本文将分析网络和一个水槽。两个不同的网关的位置被认为是,表明它的位置有一个强大的影响网络吞吐量。之前的工作由其他作者处理公平调度STDMA网络。王等人提出了一个调度算法,但是他们强调自适应调度,而不是最短帧( 12]。关于UWSNs,钻石和Lutz提出了特设UWSNs STDMA协议被认为是公平但没有统一实现( 13]。奇特雷等人证明了随机网络的最优时间表是周期性的,提出了一个计算高效的算法,找到好的时间表( 14),而我们的工作提供了一个新的程序,发现最优调度节点的位置是已知的。肖等人还提出了一个算法来找到最优调度在TDMA网络,但只有线性拓扑UWSNs[(一行) 15]。我们的公平调度程序决定了最优的情况下(即饱和负荷条件。,the sensor nodes have always data to transmit) in a network where the topology follows the estuary shape. Analytical expressions for the frame length and numerical results for the throughput are presented as well.

 2。网络描述和调度

在深度STDMA网络调度分析之前,应该考虑一些方面。网络拓扑结构如图 1 (b)节点位于一个等边三角形网格的顶点,他们是静止的。两种可能的网关位置如图 2:网关在街角和中心。考虑这两个位置的主要原因是,他们是两个极限情况下的性能和成本的网络部署。如果网络中央网关选择为代价获得最大吞吐量更高的成本,由于更大的距离网关到岸上。

用12个传感器网络的例子:拓扑和吞吐量。网关节点节点1,灰色的圆,在这两种情况下。其他节点是顺时针编号。(一)网关在街角。(b)网关中心。

这个词表明,羽毛一根大羽毛的形状;也就是说,它占地面积超过宽,如图 1(一)。适合这个领域的兴趣,选择网络拓扑包含三个或六(取决于网关位置)字符串一起到网关。图 2还显示在13-node网络中每个节点的吞吐量(12个传感器节点和网关)。邻居节点的传输范围,并以不相邻的节点,因为传输功率控制( 15]。传输模式是单纯形;也就是说,一个节点同时传输不接收,反之亦然。一个初始同步阶段后,转发表(箭头所示图 2)将和仍将保持不变。

由传感器获得的数据量会使每个节点总是有一个包准备传输(饱和负荷条件)。时间分为同样长槽。长声波的传播延迟和相关的时空不确定性时考虑考虑时间段,不仅包括传输时间,还传播时间和一个守卫时间。当一个节点传输,它以一种恒定的二进制利率:信道数据速率, R b 对所有节点、平等。一套公平的框架被定义为所有节点成功所需的槽发送一个且只有一个包的数据网关。因此,网络操作周期,周期是帧持续时间。同步传输是允许的,为了减少帧长度。这是空间的好处TDMA ( 10]。

TDMA调度是名额的分配节点,以找到合适的周期性的帧。在TDMA调度,两种类型的作业是可能的:node-oriented [ 16]和link-oriented [ 17]。在声学网络,当传感器(投影仪和水听器)不定向,node-oriented分配建议。STDMA调度的第一步是确定的节点,这些节点可以同时传输不会引起任何内部网干扰。有两种类型的传输不兼容( 17]:1型发生在一个节点传输邻国在相同的字符串是发射信号;2型发生在一个节点同时收到两个,或者更多,不同的传输节点。调度将应对网络的不兼容性。STDMA调度的下一步是找到最短的公平的框架。这需要解决两个约束条件下的优化问题:(i)只有兼容的节点可以计划在同一个槽和(2)的传输网络中每个节点必须履行公平操作。

 3所示。公平框架优化

本节详细介绍该算法找到最优公平的框架。让 N 传感器节点的数量(标记 2 , … , N + 1 ;节点1是网关),让 λ 0 单个节点的吞吐量,让 λ 我 是聚合节点的吞吐量 我 ,也就是说,由于收集的数据节点的吞吐量 我 加上从上游节点接收到的数据转发节点 我 。一个框架是一个特定的 z 时段,每一个位置可能包含节点同时传输的兼容。为了设置一个公平的行为在网络,网关应该收到确切 λ 0 从网络的每个节点的框架。这个约束力量的传输 t 我 对于每一个节点 我 框架,由集 T = t 2 , t 3 , … , t N + 1 。例如,在图 2(一个), T = { 4,4 , 4、3 , 3,3 , 2、2 , 2、1 , 1,- 1 } 。过程用于查找最短公平框架包括两个步骤:(A)寻找套兼容所有节点和(B)制定和解决组合优化问题找到最短的公平的框架。第三步,删除多余的传输,是一种谨慎的做法,以避免重载节点靠近网关。

3.1。兼容的节点

让 G = V , E 是网络图, V 节点的集合。的红衣主教 V 是 N + 1 ( V = N + 1 ), E 边的集合。如图 2(一个),在我们的网络 E = N 和有一个边缘节点 n ,所谓的边缘 e n - - - - - - 1 (因为传感器节点编号从2 N + 1 )。当一个特定的节点传输,元素 米 我 j 的兼容性矩阵 米 ( 10]将1如果边缘( e 我 , e j )可以同时活跃和0。启发兼容性的概念矩阵在图提供了一个例子 3,我们可以注意节点6没有兼容的节点( 米 我 , 5 = 米 5 , j = 0 ),因为传输节点6时,

节点3不能发送,因为它是接收节点6,

邻居节点9无法传输,因为节点6不是在接收模式下,

邻居节点5和7将干扰节点3,

邻居节点8和10无法传输,因为节点6传输会干扰节点5和7,

节点11、12和13(标签“pn”图 3(一个))无法传输,因为节点6会影响节点8,9,10,

节点2和4(标签“cn”图 3(一个))无法传输,因为他们会影响节点3。

网络与13节点和网关节点6时传递一个角落里。(一)深灰色:邻居节点,浅灰色:父母(pn)和孩子(cn)的邻居节点。(b)兼容性矩阵。

网络中继方案可以表示为一个有向图。派系的封面, C = C 1 , C 2 , … , C l ,是一组最大派系的图。自然的数量 l 先天是未知的。有许多算法的技术文献[ 18)找到 C 。我们的首选算法是在( 19),由于其效率和简单实现。每一个小团体 C 我 包含一个或一组边缘的边缘可以活跃没有冲突;显然,任何的子集 C 我 也满足要求。图中的每一条边至少包含在一个小团体的封面,每次槽框架将包含一个小团体(或集团)的一个子集,这保证了传输兼容性的槽。

 3.2。Multiple-Vector本包装问题

我们需要找到最短的帧,每个槽包含一组,或一个子集的边缘 C 恰当的实例数量,每一个活跃的边框架(实现公平的要求操作),是集 T 。这是一个Multiple-Vector本包装(MVBP)问题[ 20.],垃圾箱是时段和产品包装是向量,的元素 C 或其子集。这是一个组合优化,这是被广泛接受的np完全问题[ 21]。我们有具体的一般公式目前MVBP问题并获得 (1) 米 我 n 我 米 我 z e ∑ j = 1 n y j (2) 年代 u b j e c t t o ∑ j = 1 n x 我 j ≥ b 我 , 我 = 1 , … , 米 (3) ∑ 我 = 1 米 w 我 k x 我 j ≤ y j W k , j = 1 , … , n , k = 1 , … , p (4) y j ∈ 0 1 , j = 1 , … , n (5) x 我 j ∈ 0 1 , 我 = 1 , … , 米 , j = 1 , … , n , 输出变量在哪里

:1如果时间槽 j 使用或0,否则;

x 我 j :节点的次数 我 分配时间槽吗 j (二进制,因为一个节点可以只发送一次在一个槽);

n :长度最短的框架。

框架的约束搜索问题

b 我 需求: 我 节点, b 我 = t 我 一个公平的框架;

米 :数量的传感器节点( N )( 米 = 1 节点2等等);

p :总数 C 我 (兼容传输: C 和子集);

w 我 k :重量的节点 我 在 k 维度。每一个 k 向量 w k = w 我 k 我 = 1 , … , 米 代表集团 C k ∈ C ; w 我 k = 1 如果 我 节点是一个元素 C k ,否则或0;

W k :能力 k 维度。在我们的例子中, W k 将元素的数量最大的集团吗 C G , W k = 米 一个 x C 1 , C 2 , … , C l ∀ k 。

重要的是要注意,每一个子集 我 的集团 C k 被分配到另一个向量 w k 我 。例如,在图 3,每一个 w k 将会有 N = 12 组件。一个最大的集团 C k = 3、12 和三个 w k 我 创建向量: w ( k 1 ) = 0 1 , 0 , … , 0 ; w ( k 2 ) = 0 , … , 0 1 , 0 ; w ( k 3 ) = 0 1 , 0 , … , 0 1 , 0 ,这意味着两个节点3 ( w ( k 1 ) 12()和节点 w ( k 2 ) )可以同时传输自己的或( w ( k 3 ) )。

找到最优调度的传输 x 我 j 在( 1)- ( 5),解决MVBP问题的一种算法,基于arc-flow图表公式( 22),使用。

 3.3。多余的传输

约束( 2)意味着对传输的需求( b 我 )可能超过最初的设置 T 。不按章工作( 22),否则,MVBP规划求解算法可能排除其他最优解决方案。在我们的例子中,需求 b 我 应该实现完全 t 我 因为预期的公平行为的网络。如果超过,会出现两个不便:(i)可能的交通瓶颈,因为额外的数据不能传送到网关在框架和(2)由于不必要的传输,浪费能源的能源消耗在UWSNs节点是一个关键参数。最简单的解决方案是去掉多余的框架中存在的传输。

 4所示。结果

为了简单起见,STDMA协议被认为是理想的(无错频道)和网络的性能已经在这种情况下计算。在一个现实的通道,必须考虑包错误率。长传播延迟表明首选的错误检测和校正技术是选举委员会(前向纠错)。在这种情况下,吞吐量下降了一个因素等于联邦选举委员会的冗余因素开销,但最优公平调度保持不变。

在前一节中描述的程序已被用于不同规模的网络获得最短的公平的框架。帧长度 l ,如图 4不能知道先天的,因为问题是np完全的。我们分析了网络高达42节点和一个多项式拟合的算法用于寻找解析表达式 l ,如表所示 1。这些结果可以帮助设计一个网络因为他们允许一个下界计算所需的时间从每个节点获得一个完整的数据包。是引人注目的,当网关中心,帧的长度总是等于传感器的数量( N )。这意味着它的调度长度最短。

长度的优化公平的框架。

网络类型 对称的网络( N 国防部6)= 0 不对称网络( N 国防部6) ≠ 0
中心 l = N
角落里 l = 7 为 N = 6 l = 11 6 N - - - - - - 5 为 N > 6 l = 11 6 N - - - - - - 9 2

公平的帧长度优化STDMA调度。

传输的帧数, ∑ 我 = 2 N + 1 t 我 有关能源消耗,是一个重要的数字。它只取决于集 T 。当网络有三个或六个枝子 N 是3的倍数,传输的优化公平框架遵循二次法律吗 N ,由 (6) ∑ 我 = 2 N + 1 t 我 C o r n e r = N 2 6 + N 2 , ∑ 我 = 2 N + 1 t 我 C e n t e r = N 2 12 + N 2 , 我 f N 米 o d 6 = 0 , N 2 12 + N 2 + 3 4 , 我 f N 米 o d 6 = 3 , “国防部”代表模操作。这些结果在图所示 5。值得注意的是,每个节点传输的平均数量 ∑ 我 = 2 N + 1 t 我 / N 之前,一个线性法 N 。

传输的总数在一个公平的框架。

归一化吞吐量之间的比率被定义为二进制数据速率通过网关和信道数据速率, R b 。在目前的情况下,这个数字可以计算数量的传感器节点之间的比例和插槽的数量在一个框架, N/ l。使用最优长度的公平框架表所示 1图中给出了归一化吞吐量 6。可以看出网络的网关中心归一化吞吐量是1,可以得到70%以上的理想在网络吞吐量多达12个传感器节点与网关在街角。我们认为这是一个可控的性能损失,如果我们考虑到网关接近岸边比较方便。

归一化吞吐量。

 5。结论

在本文中,一个过程,确定一个最优帧STDMA UWSN公平提出了要求。网络包括三个或六个字符串一起网关。调度程序使用两个算法,一个在一个有向图,找到派系MVBP问题解决者找到最短的框架。最优帧长度的解析表达式,也被提出了。两个网关位置被认为是:中心/网络的边缘。在理想条件下,前者的最大性能,而后者达到最大归一化吞吐量的70%和12个传感器网络节点。

 利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 Marsouin 一个。 Le Borgne P。 勒让德 G。 父亲 年代。 击中 H。 六年的OSI-SAF METOP-A AVHRR海洋表面温度 环境遥感 2015年 159年 3 288年 306年 10.1016 / j.rse.2014.12.018 2 - s2.0 - 84921444368 Devlin m·J。 Petus C。 达席尔瓦 E。 特蕾西 D。 沃尔夫 N。 沃特豪斯 J。 布罗迪 J。 水质在大堡礁和河流羽流监测:概述的方法基于海洋颜色卫星数据 遥感 2015年 7 10 12909年 12941年 10.3390 / rs71012909 Klemas 诉V。 沿海和环境从无人机遥感:概述 沿海研究期刊》的研究 2015年 31日 5 1260年 1267年 Postacchini M。 Centurioni l R。 Braasch l Brocchini M。 Vicinanza D。 拉格朗日观测波浪和洋流从河里漂流物 IEEE海洋工程》杂志上 2016年 41 1 94年 104年 10.1109 / joe.2015.2418171 Morichon D。 Dailloux D。 Aarninkhof 年代。 Abadie 年代。 使用岸上视频系统每小时监控雨水滚滚(阿杜尔河,比斯开湾) 沿海研究期刊》的研究 2008年 24 4 133年 140年 10.2112 / 06 - 0705.1 2 - s2.0 - 51549094556 Pompili D。 笛管音栓 T。 研究挑战水下传感器网络的通信协议设计 水声传感器网络 2010年 美国佛罗里达州波卡拉顿 CRC的新闻 Akyildiz i F。 Pompili D。 笛管音栓 T。 水声传感器网络:研究的挑战 特设网络 2005年 3 3 257年 279年 10.1016 / j.adhoc.2005.01.004 otn R。 Asterjadhi 一个。 Casari P。 水声网络技术 2012年 德国海德堡 施普林格 Shahabudeen 年代。 奇特雷 M。 藻 M。 自适应多模介质访问控制为水声网络 IEEE海洋工程》杂志上 2014年 39 3 500年 514年 10.1109 / joe.2013.2268273 2 - s2.0 - 84904739760 纳尔逊 R。 让 l 空间TDMA:无碰撞多次反射信道访问协议 IEEE通信 1985年 33 9 934年 944年 10.1109 / tcom.1985.1096405 MR895048 莫 J。 Walrand J。 公平的端到端安装视窗的拥塞控制 IEEE / ACM交易网络 2000年 8 5 556年 567年 10.1109/90.879343 2 - s2.0 - 0034297878 王 Z。 余 F。 田 J。 张 Z。 公平适应TDMA调度算法与不可靠的无线传感器网络链接 国际通信系统杂志》上 2014年 27 10 1535年 1552年 10.1002 / dac.2416 2 - s2.0 - 84911442516 钻石 R。 兰佩 l 空间复用时分多址广播特设水声通信网络 IEEE海洋工程》杂志上 2011年 36 2 172年 185年 10.1109 / joe.2011.2107950 2 - s2.0 - 79957872481 奇特雷 M。 藻 M。 Shahabudeen 年代。 与大吞吐量的网络传播延迟 IEEE海洋工程》杂志上 2012年 37 4 645年 658年 10.1109 / JOE.2012.2203060 2 - s2.0 - 84867884362 肖 Y。 彭 M。 吉布森 J。 谢 G·G。 杜 D.-Z。 Vasilakos 答:V。 严格的性能界限多次反射公平访问无线传感器网络的MAC协议和水下传感器网络 IEEE移动计算 2012年 11 10 1538年 1554年 10.1109 / TMC.2011.190 2 - s2.0 - 84865420766 比约克隆德 P。 Vabrand P。 元 D。 列生成方法空间TDMA调度特设网络 特设网络 2004年 2 4 405年 418年 10.1016 / j.adhoc.2003.09.002 2 - s2.0 - 5444254504 周 a m。 李 诉好受些。 槽分配策略在多次反射TDMA协议数据包广播网络 2 《第十一届年会的IEEE计算机和通信的社会(92年IEEE INFOCOM”) 1992年5月 意大利的佛罗伦萨 710年 716年 2 - s2.0 - 0027005599 哈雷 e·R。 clique-listing算法的比较 4 学报》国际会议建模、仿真与可视化方法和算法的数学与计算机科学国际会议(MSV-AMCS ' 04) 2004年6月 拉斯维加斯,内华达州,美国 433年 438年 布朗的 C。 Kerbosch J。 457年算法:找到一个无向图的所有派系 ACM的通信 1973年 16 9 575年 577年 10.1145/362342.362367 Patt-Shamir B。 Rawitz D。 向量用多项选择题本包装 离散应用数学 2012年 160年 外扩 1591年 1600年 10.1016 / j.dam.2012.02.020 MR2915395 2 - s2.0 - 84859922814 Garey m·R。 约翰逊 d S。 电脑和棘手,np完全的理论指南 1979年 旧金山,加州,美国 弗里曼 巴兰 F。 Pedroso j . P。 本包装及相关问题:一般arc-flow配方与图像压缩 dcc - 2013 - 13所示 葡萄牙的波尔图街头 Faculdade de Ciencias da大学波尔图 2013年, http://www.optimization-online.org/DB_FILE/2013/10/4096.pdf