IWSNs中的混合式共享鏈路調(diào)度

蘆 娜，栗雪娟，吳靜松

(1.安陽(yáng)工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000； 2.西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710000)

0 引 言

工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(industrial wireless sensor networks，IWSNs)有助于提高工廠的靈活性和可重構(gòu)性，使得移動(dòng)子系統(tǒng)或設(shè)備能夠互連[1]。盡管工業(yè)自動(dòng)化和控制應(yīng)用的無(wú)線HART[2]和ISA100.11a[3]標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展迄今已取得了重大進(jìn)展，但I(xiàn)WSNs在確保工業(yè)應(yīng)用的可靠性和延遲性能要求方面仍然面臨著重大挑戰(zhàn)[4]；無(wú)線HART和ISA100.11a基于IEEE802.15.4物理層和MAC層，共享一些基本的無(wú)線技術(shù)和機(jī)制[5]，如集中式網(wǎng)絡(luò)管理和結(jié)合跳頻的時(shí)分多址(time division multiple access，TDMA)[6]。在這兩種標(biāo)準(zhǔn)中，調(diào)度方案對(duì)于確保IWSNs中信息的可靠和低延遲傳輸至關(guān)重要；但無(wú)線HART和ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)沒有指定任何鏈路調(diào)度方案，而只是定義了一些必須滿足的要求。這些要求之一就是調(diào)度方案必須每跳分配至少3個(gè)鏈路，以便在給定的傳輸截止期限之前嘗試傳輸每個(gè)消息。無(wú)線HART標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，不能在兩個(gè)不同的信道中安排任何設(shè)備處于接收模式。

對(duì)于多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)的研究提出了集中式和分布式調(diào)度方案[7,8]。分布式方案從原理上講可以更好地應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和動(dòng)態(tài)變化[9]。文獻(xiàn)[10]提出的方案利用節(jié)點(diǎn)從其本地鄰域獲得的信息來分配鏈路；在文獻(xiàn)[11]提出的分布式方案中，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)生成的流量特性負(fù)責(zé)分配鏈路。盡管分布式方案通常比集中式方案能提供更大的靈活性和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)條件的能力，但不適合于具有嚴(yán)格可靠性和延遲要求以及利用集中式架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)管理的IWSNs[12]。

在集中式方案中，全部調(diào)度決策由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，其余節(jié)點(diǎn)僅負(fù)責(zé)信息的無(wú)線傳輸和接收，以及一些有限的數(shù)據(jù)處理功能。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于路由圖的鏈路調(diào)度方案；文獻(xiàn)[14]提出在一組源和目的節(jié)點(diǎn)之間分配信息傳輸鏈路，尋求確保全部傳輸截止期限都得到滿足，同時(shí)避免并發(fā)傳輸之間的沖突；文獻(xiàn)[15]研究了IWSNs中控制平面的邏輯控制功能、數(shù)據(jù)平面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程、協(xié)議棧的跨層調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)資源抽象及調(diào)度策略?？傊?，大多數(shù)集中式調(diào)度方案都專注于考慮源和目的節(jié)點(diǎn)之間多種可能路徑的鏈路調(diào)度問題。

對(duì)此，本文針對(duì)IWSNs提出了一種鏈路調(diào)度方案。方案利用屬于同一路徑或多跳路由的節(jié)點(diǎn)間的共享鏈路，路徑中的消息傳輸充當(dāng)一個(gè)虛擬令牌，以確定允許哪個(gè)節(jié)點(diǎn)在共享鏈路中的每個(gè)時(shí)間點(diǎn)傳輸，從而允許靈活分配和使用鏈路，因此具有更好的防止傳輸差錯(cuò)和減小延遲的能力。結(jié)果表明，與現(xiàn)有的IWSNs鏈路調(diào)度方案相比，本文方案不僅可以提高可靠性和延遲性能，還能更有效地利用鏈路。

1 本文提出的混合式鏈路調(diào)度方案

1.1 兩種典型的集中式鏈路調(diào)度方案

對(duì)于單個(gè)路徑的調(diào)度，目前存在2種普遍采用的集中式鏈路調(diào)度方案，本文將這兩種方案作為參考和加以比較的基礎(chǔ)；第一種方案連續(xù)分配路徑每跳使用的全部鏈路，包括將信息從路徑中一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)较乱粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的初始鏈路，以及信息在第一次傳輸失敗時(shí)潛在重傳的附加鏈路，將這一方案稱為逐跳(hop by hop，HbH)，其工作原理如圖1(a)所示，它表示源和目的節(jié)點(diǎn)之間3-跳的主路徑(用變量H表示跳數(shù))。根據(jù)無(wú)線HART，在源和目的節(jié)點(diǎn)之間的主路徑中，必須為每跳分配2個(gè)鏈路，圖1(b)為應(yīng)用HbH得到的鏈路調(diào)度。第一個(gè)鏈路分配給信息的初始傳輸，第二個(gè)鏈路分配給初始傳輸失敗時(shí)的潛在重傳。在這種情況下，從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的信息傳輸將利用第一個(gè)鏈路l1，接下來的鏈路l2被預(yù)留用于從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的同一信息的可能重傳，以防節(jié)點(diǎn)B不能成功接收初始傳輸。遵循同樣的原理，接下來的兩個(gè)鏈路預(yù)留作為節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)C之間的跳，等等；只要每跳的傳輸差錯(cuò)數(shù)小于為每跳預(yù)留的鏈路數(shù)，HbH方案就能成功地將信息傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。但這種方案即使在不存在傳輸差錯(cuò)的情況下，將全部鏈路按順序規(guī)劃分配給每跳會(huì)增加延遲；本文把第二種方案稱為RTE。方案首先為每跳的初始信息傳輸分配鏈路，然后為可能的重傳分配鏈路。對(duì)于圖1(a)的示例，RTE將第一個(gè)鏈路l1分配給從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的信息傳輸，如圖1(c)所示，將鏈路l2分配給從節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)C的同一信息的傳輸，等等。然后將鏈路l4、l5和l6預(yù)留分別作為從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B、從節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)C和從節(jié)點(diǎn)C到節(jié)點(diǎn)D的可能信息重傳。在沒有傳輸差錯(cuò)的情況下，RTE方案減少了傳輸信息的時(shí)間，但也降低了向目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息的可靠性。例如，如果用l1將信息從節(jié)點(diǎn)A傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)B失敗，則不能使用鏈路l2和鏈路l3，因?yàn)閺墓?jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的信息重傳(鏈路l4)是在l2和l3之后。如果使用l4重傳成功，則節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C將各只有一次嘗試(使用鏈路l5和l6)成功將信息傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)D。

圖1 兩種典型的集中式鏈路調(diào)度方案

針對(duì)上述2種典型的集中式鏈路調(diào)度方案存在的不足，本文提出一種鏈路調(diào)度方案。方案利用HbH和RTE方案的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免其缺點(diǎn)。提出的方案將共享鏈路集中分配給屬于同一路徑的節(jié)點(diǎn)，但至于哪些節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)使用共享鏈路的決策又是分布式的。為簡(jiǎn)化起見，將本文提出的方案稱為混合式共享鏈路調(diào)度方案(hybrid shared link scheduling scheme，HSLSS)。HSLSS提供了根據(jù)實(shí)際鏈路質(zhì)量條件調(diào)整鏈路調(diào)度和利用的能力，不僅可以降低工業(yè)應(yīng)用所要求的延遲，同時(shí)還可保持高可靠性。

1.2 HSLSS工作原理

為了闡明其工作原理，仍考慮圖1(a)所示示例，并定義R為完整路徑允許的消息重傳總數(shù)。在傳輸開始，除源節(jié)點(diǎn)外，路徑中全部節(jié)點(diǎn)都處于接收模式，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)以不同的鏈路進(jìn)入接收模式，如節(jié)點(diǎn)B在l1中進(jìn)入接收模式，而節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)D分別在l2和l3中進(jìn)入接收模式。節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)保持以下R條鏈路的接收模式，直至它們正確接收需要傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)的消息。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)正確接收消息時(shí)，它會(huì)將消息傳輸?shù)蕉嗵酚芍械南乱粋€(gè)節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)分配R+1條鏈路發(fā)送消息，目的節(jié)點(diǎn)分配R+1條鏈路接收消息。路徑中全部中繼節(jié)點(diǎn)(即圖1(a)中節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C)分配R+2條鏈路接收和發(fā)送消息，如圖2所示。中繼節(jié)點(diǎn)在它正確接收到來自前面節(jié)點(diǎn)的消息前，不能使用任何分配的鏈路進(jìn)行傳輸。路徑中每跳都與其前跳共享R條鏈路。圖2表明了HSLSS如何為圖1(a)情形(路徑中H=3跳)分配不同的鏈路，完整路徑允許的消息重傳總數(shù)(R)等于1、2和3。圖中給出了當(dāng)R分別等于1、2和3時(shí)，HSLSS為完整路徑分配4、5或6條鏈路。如果R=H，則HSLSS使用與HbH和RTE相同數(shù)量的鏈路。如果R1時(shí)，l3被節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)B或節(jié)點(diǎn)C共享，用于消息的潛在傳輸，但單個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠在給定的時(shí)間點(diǎn)通過共享鏈路傳輸消息，并且消息充當(dāng)虛擬令牌來確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通過共享鏈路傳輸。為了說明這個(gè)原理，考慮R=3的例子，假設(shè)從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B使用l1的消息首次傳輸是錯(cuò)誤的，這時(shí)，可用l2作為消息從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的消息傳輸，即節(jié)點(diǎn)B保持接收模式，而不使用鏈路傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)C。如果第二次傳輸正確，則節(jié)點(diǎn)B使用l3將消息傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)C，而節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)D處于接收模式，如果第二次傳輸是錯(cuò)誤的，則節(jié)點(diǎn)A將使用l3第三次嘗試將消息傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)B，如果這次傳輸是正確的，則節(jié)點(diǎn)B將使用l4將消息傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)C。過程繼續(xù)進(jìn)行，直至目的節(jié)點(diǎn)接收到消息或達(dá)到完整路徑允許的消息重傳總數(shù)(R)為止。

圖2 當(dāng)R=1、2和3時(shí)，HSLSS對(duì)有3-跳路徑的 鏈路調(diào)度原理

只要在路徑的全部跳的傳輸差錯(cuò)總和等于或小于完全路徑允許的消息重傳總數(shù)(R)，則HSLSS就可以確保消息可靠地傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，這個(gè)特性獨(dú)立于傳輸差錯(cuò)發(fā)生的特定跳。此外，在無(wú)傳輸差錯(cuò)的情況下，HSLSS可以在相當(dāng)于H個(gè)鏈路的時(shí)間內(nèi)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸消息。盡管RTE在無(wú)傳輸差錯(cuò)的情況下可以確保相同的延遲，但只有當(dāng)傳輸差錯(cuò)總數(shù)小于分配給每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸鏈路數(shù)時(shí)，才能確保消息正確傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。HbH在無(wú)傳輸差錯(cuò)的情況下需要比HSLSS和RTE更多的時(shí)間將消息傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，此外，只有當(dāng)每跳的傳輸差錯(cuò)數(shù)小于分配給消息傳輸?shù)拿刻逆溌房倲?shù)(包括重傳)時(shí)，HbH才能確保消息正確地傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)；在存在傳輸差錯(cuò)的情況下，HSLSS也可以最小化消息傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，因?yàn)樗粫?huì)延遲重傳。RTE不能最小化傳輸消息的時(shí)間，因?yàn)橹貍餍枰却偣睭條鏈路。HSLSS還能最大化分配給路徑或多跳路由的給定數(shù)量鏈路(H+R)的可靠性，因?yàn)橹灰獋鬏敳铄e(cuò)數(shù)等于或小于R，HSLSS就可以將消息傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。如果存在R+1個(gè)差錯(cuò)或更多，則不存在有H+R條鏈路的方案可以將消息傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，因?yàn)樗鼘⑿枰狧+R+1次傳輸。

1.3 性能指標(biāo)建模及分析

采用2個(gè)主要性能指標(biāo)來評(píng)價(jià)方案的性能。一是用端到端數(shù)據(jù)包交付比(end-to-end packet delivery ratio，PDRE2E)來度量鏈路調(diào)度方案的可靠性，計(jì)算為目的節(jié)點(diǎn)正確接收到的消息數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息總數(shù)之比；二是用端到端交付延遲(end-to-end delivery delay，DDE2E)來度量鏈路調(diào)度方案的延遲性能，計(jì)算為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息與它的目的節(jié)點(diǎn)接收之間經(jīng)過的平均鏈路數(shù)，且該計(jì)算時(shí)只考慮在目的節(jié)點(diǎn)正確接收到的消息；另外定義一個(gè)利用鏈路平均百分比指標(biāo)來評(píng)價(jià)調(diào)度方案的效率，為在多跳路由中用于傳輸消息使用的鏈路數(shù)與為該路由分配的鏈路總數(shù)之比。

下面主要對(duì)在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間具有H-跳的路徑或多跳路由來得到2個(gè)主要性能指標(biāo)—可靠性和延遲性能的解析表達(dá)式。

1.3.1 可靠性

用PDRi表示跳-i上的PDR。如果考慮每跳上穩(wěn)定的PDR，則PDRE2E可以從解析上進(jìn)行計(jì)算；在下一跳的鏈路之前，HbH將全部鏈路分配給給定的跳(包括用于重傳的鏈路)。在跳-i正確傳輸一個(gè)消息的概率Pi計(jì)算為

Pi=1-(1-PDRi)Li

(1)

式中：Li表示分配給跳-i的鏈路數(shù)?？紤]在路徑每跳得到的PDRi是相互獨(dú)立的，這時(shí)，對(duì)于HbH來說，就可以用式(1)來計(jì)算PDRE2E

(2)

RTE首先為每跳的初始消息傳輸分配鏈路，然后為潛在重傳分配鏈路。將P0-rtx定義為在從源到目的節(jié)點(diǎn)路徑中不需要任何重傳消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的概率，則P0-rtx可計(jì)算為

(3)

將Prtx-h定義為消息在跳-h重傳后到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的概率，則Prtx-h可以計(jì)算為

(4)

式中：(1-PDRh)表示消息第一次在跳-h不正確傳輸?shù)母怕?，且需要重傳?？梢詫⒏怕蔖1-rtx計(jì)算為消息在路徑H-跳的任何一跳單次重傳后在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)正確接收的概率，這個(gè)概率等于路徑中全部H-跳的Prtx-h概率之和

(5)

則對(duì)于RTE，PDRE2E計(jì)算為

(6)

對(duì)于HSLSS，可以得到PDRE2E的解析表達(dá)式為R的函數(shù)。當(dāng)R為1時(shí)(即只允許1次重傳)，如果沒有傳輸差錯(cuò)(即式(3)的P0-rtx)或只有1次傳輸差錯(cuò)(即式(5)的P1-rtx)，則消息傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。當(dāng)R=1時(shí)，則HSLSS的PDRE2E是P0-rtx和P1-rtx的和，其值由式(6)表示。當(dāng)R=2時(shí)，如果總共有2次重傳，則消息也可以傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。根據(jù)確定P1-rtx相同的過程，可以計(jì)算2次重傳后目標(biāo)節(jié)點(diǎn)正確接收消息的概率P2-rtx為

(7)

按照同樣的過程，可以計(jì)算P3-rtx

(8)

最后，HSLSS的PDRE2E可以表示為R的函數(shù)：

當(dāng)R=1時(shí)

(9)

當(dāng)R=2時(shí)

(10)

當(dāng)R=3時(shí)

(11)

1.3.2 延遲性能

如果考慮每跳i的PDRi是不變的，則可以從解析上得到DDE2E為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)H的函數(shù)。

根據(jù)1.1節(jié)的分析，對(duì)于HbH，DDE2E指標(biāo)可以計(jì)算為兩個(gè)延遲分量DD0和DD1的和。DD0為消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)而在最后一跳不需要重傳時(shí)所經(jīng)過的端到端延遲，DD1為消息在最后一跳重傳之后到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)所經(jīng)過的端到端延遲。DD0是通過將消息到達(dá)最后一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的概率乘以消息在最后一跳不需要重傳正確到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的概率(PDRH)并乘以相應(yīng)的延遲2(H-1)+1，然后將這個(gè)乘積結(jié)果除以PDRE2E得到。DD1是將消息到達(dá)最后一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的概率乘以消息在最后一跳重傳輸后正確到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的概率(PDRH)并乘以相應(yīng)的延遲2H，然后將這個(gè)乘積結(jié)果除以PDRE2E得到。則DDE2E可以計(jì)算為

(12)

對(duì)式(12)簡(jiǎn)化并得到僅依賴于PDRH和H的HbH的DDE2E為

(13)

RTE的DDE2E可計(jì)算如下

(14)

式(14)中的第一項(xiàng)等于概率P0-rtx乘以相應(yīng)延遲(H)并除以PDRE2E，第二項(xiàng)等于概率P1-rtx乘以相應(yīng)延遲(2H)并除以PDRE2E。

HSLSS的DDE2E可得到為R+1項(xiàng)之和：

當(dāng)R=1

(15)

當(dāng)R=2

(16)

當(dāng)R=1時(shí)，式(15)中的第一項(xiàng)為概率P0-rtx乘以相應(yīng)的延遲(H)并除以PDRE2E的結(jié)果，第二項(xiàng)為概率P1-rtx乘相應(yīng)的延遲(H+1)并除以PDRE2E的結(jié)果；當(dāng)R=2時(shí)，得到的DDE2E為式(15)的前兩項(xiàng)加第三項(xiàng)即概率P2-rtx乘以其相應(yīng)的延遲(H+2)并除以PDRE2E。按照同樣的過程，可得到更大R值的DDE2E。

2 性能評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與環(huán)境

將本文提出的鏈路調(diào)度方案與HbH和RTE方案得到的性能進(jìn)行比較來評(píng)價(jià)本文提出的鏈路調(diào)度方案。全部方案在4種多-跳情形下進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 評(píng)價(jià)的4種情形

第一種情形考慮一條路徑或H=3的多跳路由，且每跳中有相同的PDR(即PDRAB=PDRBC=PDRCD)。通過改變每跳的PDR，來分析所提出方案在不同鏈路質(zhì)量下的性能；第二種情形將跳數(shù)擴(kuò)展到4，并考慮每跳相同的PDR(即PDRAB=PDRBC=PDRCD=PDRDE)，來研究源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)對(duì)鏈路調(diào)度方案性能的影響；第三種情形考慮每跳具有不同PDRi的更實(shí)際的情形，來評(píng)價(jià)鏈路調(diào)度方案的性能；第四種情形考慮一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A，它在節(jié)點(diǎn)B的無(wú)線電覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)，來評(píng)價(jià)由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而產(chǎn)生的可變鏈路質(zhì)量條件下鏈路調(diào)度方案的性能。對(duì)于4種情形，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間的最大距離(dAB)設(shè)置為150 m，也考慮靜態(tài)節(jié)點(diǎn)間的兩個(gè)距離值(50 m和150 m)。

對(duì)于仿真，所有參與鏈路調(diào)度過程的函數(shù)都在Matlab中實(shí)現(xiàn)?？紤]節(jié)點(diǎn)集成XDM2510H無(wú)線HART無(wú)線電收發(fā)器[16]，無(wú)線電收發(fā)器采用3.6 V電源供電，在傳輸和接收模式下，功耗分別為18 mA和6 mA，傳輸功率為8 dBm，接收機(jī)靈敏度為-90 dBm。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 情形1

圖4為情形1和R設(shè)置為1、2、3和4時(shí)得到的結(jié)果(將這時(shí)的HSLSS方案分別記為HSLSS1、HSLSS2、HSLSS3和HSLSS4)。

圖4 可靠性和延遲作為PDRi的函數(shù)

從圖4(a)可以看到，對(duì)于全部可能的PDRi值，HSLSS2和HSLSS3優(yōu)于其它方案。這意味著HSLSS可以獲得比HbH和RTE更高的PDRE2E。所得結(jié)果還表明，降低PDRi值對(duì)HSLSS的影響小于其它方案。例如，當(dāng)PDRi=0.95時(shí)，HSLSS3獲得的PDRE2E=0.9999，而HbH和RTE獲得的PDRE2E分別為0.9925和0.9860。當(dāng)PDRi減小到0.75時(shí)，HSLSS3可以保持較0.9624的較高PDRE2E，而HbH和RTE的PDRE2E分別顯著下降為0.8240和0.7383；還可看到，HbH獲得比RTE更高的PDRE2E，這是因?yàn)镠bH允許在路徑的每跳進(jìn)行可能的重傳，而RTE只允許在完整路徑中進(jìn)行一次重傳；圖4(b)表明，HbH有較高的DDE2E，這是因?yàn)镠bH只能在l5上向目的節(jié)點(diǎn)傳輸消息(即使沒有傳輸差錯(cuò))，而其它方案可以在l3上進(jìn)行。因此，對(duì)于HbH，最小可能延遲DDE2E為5，而對(duì)于其它方案，最小可能延遲DDE2E為3。正如預(yù)期的那樣，RTE相比于HbH減小了延遲，但與HSLSS方案的全部配置包括采用與RTE相同的鏈路總數(shù)配置(即HSLSS3)相比，RTE增大了延遲。

圖5為傳輸消息所用鏈路的平均百分比作為PDRi的函數(shù)?？梢钥吹?，HSLSS運(yùn)行總比HbH和RTE更高效，獲得了更高的分配鏈路的平均利用率；從圖5的結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，方案HbH和RTE在低PDRi值(0～0.2之間)下運(yùn)行時(shí)，鏈路利用率較低(約33%)，這表明很少消息被傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，實(shí)際上甚至很少有消息到達(dá)路徑的第二跳；圖5還表明，當(dāng)對(duì)于完整路徑使用較小數(shù)量的鏈路，在高PDRi值(0.9～1之間)下，HSLSS可以提高使用鏈路的平均百分比，HSLSS1比HSLSS2和HSLSS3有更高的利用率。這是因?yàn)樵谳^好的無(wú)線電鏈路質(zhì)量條件下，消息通常不需要重傳到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

圖5 平均鏈路利用百分比作為PDRi的函數(shù)

2.2.2 情形2

情形2相對(duì)于情形1在路徑中增加了額外的跳，如圖3所示。這時(shí)，HbH和RTE每跳分配2個(gè)鏈路，因此對(duì)于完整路徑總共分配8個(gè)鏈路。結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)可見，當(dāng)至少有2個(gè)共享鏈路用于重傳且H等于或小于4時(shí)，HSLSS優(yōu)于HbH和RTE。相比于其它方案，HSLSS獲得的PDRE2E增益隨著跳數(shù)的增加而增加。例如，當(dāng)PDRi=0.95時(shí)，HSLSS3獲得的PDRE2E=0.9998，類似于在情形1獲得的PDRE2E=0.9999的性能，而HbH和RTE的PDRE2E性能相比于情形1中的0.9925和0.9860分別下降為0.9885和0.9765；圖6(b)表明，DDE2E性能類似于情形1中的DDE2E性能，HSLSS還是優(yōu)于HbH和RTE。對(duì)于全部鏈路調(diào)度方案，盡管延遲隨著跳數(shù)增加而增大，但HSLSS與其它方案相比，增幅較小。

圖6 可靠性和延遲作為PDRi的函數(shù)

圖7表明，與情形1相比，HSLSS在情形2提高了利用鏈路的平均百分比，這是因?yàn)橛懈嗟墓蚕礞溌酚糜谥貍鳌?/p>

圖7 平均鏈路利用百分比作為PDRi的函數(shù)

2.2.3 情形3

情形3仿真了每跳具有可變PDRi的更實(shí)際的情形?？紤]節(jié)點(diǎn)相隔50 m或150 m來模擬PDRi條件。對(duì)于H=3的路徑，對(duì)跳數(shù)(8)間的全部可能距離配置進(jìn)行仿真。dAB、dBC和dCD和分別表示節(jié)點(diǎn)A和B、B和C、C和D之間的距離。

表1為不同方案和跳數(shù)間距離全部可能配置得到的PDRE2E。從表1可見，HSLSS相比于HbH和RTE，提高了可靠性。結(jié)果還表明，當(dāng)路徑包括至少一個(gè)長(zhǎng)距離跳時(shí)，HSLSS3獲得的PDRE2E明顯高于其它方案。相對(duì)于HSLSS3、HSLSS2有輕微的下降，但仍然顯著優(yōu)于HbH和RTE。HSLSS更魯棒，因?yàn)樗梢岳糜休^低PDR的更多長(zhǎng)距離跳鏈路；另一方面，HbH和RTE每跳最多只能利用2個(gè)鏈路，且不依賴于它們的鏈路質(zhì)量，同樣，獲得的PDRE2E依賴于路徑中長(zhǎng)距離的跳數(shù)，但不依賴于它們?cè)诼窂街械奈恢谩?/p>

表1 全部可能距離配置的PDRE2E

表2所示的結(jié)果也表明了HSLSS更好的DDE2E性能。值得注意的是，由HSLSS3、HSLSS2和RTE獲得的DDE2E依賴于路徑中的長(zhǎng)距離跳數(shù)，長(zhǎng)距離跳數(shù)越少，延遲就越小。這是因?yàn)閷?duì)于3種方案，每次重傳都會(huì)增大DDE2E，而獨(dú)立于需要重傳的跳數(shù)；另一方面，HbH的延遲性能不依賴于路徑中的長(zhǎng)距離跳數(shù)，而主要依賴于路徑中最后一跳的鏈路質(zhì)量。事實(shí)上對(duì)于HbH，只有路徑的最后一跳上的重傳增加DDE2E。

表2 全部可能距離配置的DDE2E

表3為利用鏈路的平均百分比?？梢钥吹?，當(dāng)路徑中沒有長(zhǎng)距離跳時(shí)，HSLSS3利用的鏈路類似于HbH和RTE。當(dāng)這種跳數(shù)增加時(shí)，HSLSS3相對(duì)于HbH和RTE，提高了分配鏈路的利用率。這意味著當(dāng)鏈路質(zhì)量下降時(shí)，HSLSS3使用更多可用鏈路進(jìn)行重傳，這最終有利于其PDRE2E性能。表3的結(jié)果表明，實(shí)際上HSLSS2方案獲得了更高的分配鏈路利用率(比HSLSS3高10%)。這是由于與HSLSS3相比，HSLSS2有較少的鏈路分配給完整路徑。這時(shí)，當(dāng)鏈路質(zhì)量條件下降時(shí)，HSLSS2需要更多地利用可用鏈路來進(jìn)行重傳，但隨著路徑中長(zhǎng)距離跳數(shù)的增加，相對(duì)于HSLSS3，它有效克服差鏈路質(zhì)量條件的能力降低了。

表3 全部可能距離配置的平均鏈路利用百分比

2.2.4 情形4

仿真中，節(jié)點(diǎn)A以1 m/s的速度朝節(jié)點(diǎn)B的覆蓋區(qū)域周圍移動(dòng)。節(jié)點(diǎn)A與B之間的最大距離設(shè)置為150 m。還考慮每跳可變的PDRi，節(jié)點(diǎn)B和C之間、節(jié)點(diǎn)C和D之間50 m或150 m的距離。

圖8為得到的全部指標(biāo)的結(jié)果。圖8表明，HSLSS即使在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)存在的情況下也優(yōu)于其它方案。R=3的HSLSS配置即HSLSS3獲得了最高的PDRE2E如圖8(a)所示和最小的DDE2E如圖8(b)所示。與HbH和RTE相比，HSLSS3還提高了可用鏈路的平均利用率如圖8(c)所示。具體而言，當(dāng)鏈路質(zhì)量條件(PDRi)降低時(shí)，相對(duì)于其它方案，HSLSS獲得的增益提高了。例如，在配置[50,50]下，HSLSS3相對(duì)于HbH，將PDRE2E提高了2%，在配置[150,150]下，改進(jìn)提高到14%。當(dāng)鏈路質(zhì)量條件降低時(shí)，與其它方案相比，HSLSS也有更小的PDRE2E下降。例如，當(dāng)在最佳配置[50,50]和最差配置[150,150]的鏈路質(zhì)量條件下時(shí)，HSLSS3的PDRE2E性能僅下降3.4%，而在相同條件下，HbH和RTE的PDRE2E性能分別下降了15.4%和21.4%。HSLSS在克服差鏈路質(zhì)量條件下所表現(xiàn)出的能力對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用非常重要，例如需要非常高可靠性水平的工業(yè)應(yīng)用。只要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不離開其連接節(jié)點(diǎn)的通信范圍，HSLSS就不需要重新調(diào)度鏈路，因?yàn)樗梢跃S持較高的PDRE2E水平。

圖8 情形4下得到的結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并評(píng)價(jià)了一種有嚴(yán)格可靠性和延遲要求的IWSNs的鏈路調(diào)度方案，并提出了可用于性能計(jì)算的可靠性和延遲性能的解析表達(dá)式。方案采用屬于給定路徑或多跳路由的一部分節(jié)點(diǎn)間的共享鏈路，通過路由傳輸?shù)南⒊洚?dāng)虛擬令牌，以確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)使用共享鏈路。采用共享鏈路和虛擬令牌可以更靈活地利用可用鏈路。結(jié)果表明，提出的鏈路調(diào)度方案不僅可顯著改善現(xiàn)有方案的可靠性和端到端延遲，還能更有效利用鏈路資源；本文提出的鏈路調(diào)度方案不僅可應(yīng)用于IWSNs，也可用于其它基于TDMA的集中式多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。