一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中基于最大匹配的時(shí)隙信道分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中基于最大匹配的時(shí)隙信道分配方法，該方法利用最大匹配算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)隙資源進(jìn)行分配，提升了網(wǎng)絡(luò)中單位時(shí)隙內(nèi)的數(shù)據(jù)流量，保障節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間；通過點(diǎn)著色算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的信道資源進(jìn)行分配，解決網(wǎng)絡(luò)中的干擾問題。綜合兩種分配方法為通信網(wǎng)絡(luò)建立調(diào)度表，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)行為的調(diào)度管理，增加節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間，在保障時(shí)隙通信確定性、可靠性的同時(shí)節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
【專利說明】一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中基于最大匹配的時(shí)隙信道分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工業(yè)無線通信領(lǐng)域，具體涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中一種基于最大匹配的時(shí) 隙信道分配的實(shí)現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，工業(yè)無線通信領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研究得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注， 并取得了迅猛的發(fā)展。工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，由于其特殊的應(yīng)用場景，存 在很多現(xiàn)實(shí)的約束條件，如傳感器節(jié)點(diǎn)能量限制、通信能力限制以及計(jì)算和儲(chǔ)存能力限制 等，如何在諸多限制之下實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的通信資源進(jìn)行合理調(diào)度分配成為該 領(lǐng)域的一個(gè)重要研究內(nèi)容。
[0003] 在工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)中，通信資源是指數(shù)據(jù)源點(diǎn)到目的點(diǎn)之間有向通信路徑及其 所使用的一系列點(diǎn)到點(diǎn)之間通信所占用的時(shí)間和頻率。其中時(shí)間以時(shí)隙的形式體現(xiàn)，時(shí)隙 通信機(jī)制通過時(shí)分復(fù)用將時(shí)間分割成連續(xù)的時(shí)間片，保障不同節(jié)點(diǎn)之間在不同時(shí)間片內(nèi)進(jìn) 行數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)中不同的節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)隙進(jìn)行合理的收發(fā)配置能夠有效的避免節(jié)點(diǎn)之間 的數(shù)據(jù)沖突。頻率以信道的形式體現(xiàn)，跳信道機(jī)制通過頻分復(fù)用在不同的頻率傳送數(shù)據(jù)，不 僅可以增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，還能有效的降低干擾和多徑衰落的影響。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中通信資源的有效分配，工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)通過合理利用時(shí)隙通 信機(jī)制與跳信道機(jī)制制定調(diào)度表，調(diào)度表通過合理分配時(shí)隙和信道等通信資源安排節(jié)點(diǎn)在 網(wǎng)絡(luò)中的行為，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)已經(jīng)制定好的調(diào)度表來執(zhí)行相應(yīng)行為，比如節(jié)點(diǎn)在某一 時(shí)隙和某一信道上發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，在某些時(shí)隙進(jìn)入休眠狀態(tài)。這種基于時(shí)隙通信和跳 信道機(jī)制建立調(diào)度表的時(shí)隙信道分配方式能夠保證網(wǎng)絡(luò)中相互競爭的節(jié)點(diǎn)獲得合理的通 信資源，能夠有效避免沖突，提高吞吐量和帶寬利用率，解決現(xiàn)場設(shè)備間數(shù)據(jù)通信的確定 性、可靠性問題。
[0005] 在工業(yè)無線通信領(lǐng)域中，傳統(tǒng)基于時(shí)隙的調(diào)度方法在研究的過程中往往只考慮在 單一的信道上面進(jìn)行基于時(shí)隙的調(diào)度，直接對(duì)信道資源調(diào)度的問題避而不談，或者將信道 資源調(diào)度過程理想化，這在一定程度上造成信道資源的浪費(fèi)，限制了網(wǎng)絡(luò)中通信資源調(diào)度 分配的合理性。
[0006] 本發(fā)明針對(duì)以上工業(yè)無線通信領(lǐng)域傳統(tǒng)調(diào)度方法的缺陷，創(chuàng)新性地提出了一種基 于最大匹配的時(shí)隙信道分配的實(shí)現(xiàn)方法，該調(diào)度方法可以直接應(yīng)用在基于時(shí)隙通信和跳信 道機(jī)制的工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)中，保障網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，可靠性以及較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種增加了網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)吞吐 率、減少延時(shí)、節(jié)約大量的能量、確定性加強(qiáng)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中基于最大匹配的時(shí)隙信道分 配方法，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中基于最大匹配的時(shí)隙信道分配方法， 其包括以下步驟：
[0008] 101、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，設(shè)定初始時(shí)隙k = 0，將此時(shí)初始時(shí)隙k = 0對(duì) 應(yīng)的調(diào)度表part進(jìn)行初始化，即part = 0 ;
[0009] 102、統(tǒng)計(jì)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙巾貞slotframe中初始時(shí)隙k初始=0到k時(shí)隙為止 從葉子節(jié)點(diǎn)匯聚到主節(jié)點(diǎn)PAN協(xié)調(diào)器總的流量數(shù) qtl(k)及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中總的流量數(shù)Q， 當(dāng)qtl(k) = Q時(shí)，則表明調(diào)度表part已經(jīng)生成，根據(jù)調(diào)度表進(jìn)行時(shí)隙信道分配，結(jié)束；當(dāng) q〇(k)關(guān)Q時(shí)，貝丨J表明調(diào)度表還沒有完全生成，跳轉(zhuǎn)至步驟103 ;
[0010] 103、獲取k時(shí)隙時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及k時(shí)隙時(shí)的物理連通圖，并采用最大匹配算法 匈牙利算法求得k時(shí)隙時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的免多沖突鏈路集合VMCL(k);
[0011] 104、將步驟103求得的免多沖突鏈路集合VMCL(k)與k時(shí)隙時(shí)的物理連通圖進(jìn)行 對(duì)比，以k時(shí)隙物理連通圖作為參考，對(duì)VMCL(k)鏈路集合進(jìn)行修正，剔除VMCL(k)鏈路集 合中存在而k時(shí)隙物理連通圖中不存在的鏈路，將k時(shí)隙物理連通圖中存在而VMCL(k)鏈 路集合中不存在且與現(xiàn)有VMCL(k)鏈路集合不產(chǎn)生沖突的鏈路填補(bǔ)進(jìn)VMCL(k)鏈路集合 中，由此形成沖突干擾圖IC(k) = {^ 〇〇，&〇〇}，其中Vjk)表示沖突干擾圖IC(k)中節(jié)點(diǎn) 的集合，氏(1〇表示沖突干擾圖IC(k)中鏈路的集合。
[0012] 105、將步驟104中得到的沖突干擾圖IC(k) = {VdkhEjk)}采用順序點(diǎn)著色算 法著色，選取質(zhì)量較好的信道制作成抗干擾信道序列對(duì)著色的點(diǎn)進(jìn)行信道的分配，將上述 過程中分配得到的時(shí)隙和信道信息的填入調(diào)度表part，將所述調(diào)度表part進(jìn)行升級(jí)更新， 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)調(diào)度表中的時(shí)隙信道分配信息進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行。
[0013] 進(jìn)一步的，步驟104中的最大匹配算法匈牙利算法步驟如下：
[0014] 201、將k時(shí)隙時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D頂點(diǎn)劃分為兩個(gè)互不相交子集X，Y,且拓?fù)鋱D中的 每條邊的所關(guān)聯(lián)的兩個(gè)頂點(diǎn)分別屬于這兩個(gè)不同的頂點(diǎn)集，由此形成該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂卸?劃分（Χ，Υ)的二分圖，在二分圖中任意選定一初始匹配集合Μ ;
[0015] 202、若頂點(diǎn)集X或Υ中每一個(gè)頂點(diǎn)都在匹配集合Μ中，則稱匹配集合Μ飽和，若匹 配集合Μ飽和，則跳至步驟207,若匹配集合Μ不飽和，則跳至步驟203 ;
[0016] 203、若圖中一頂點(diǎn)不在匹配集合Μ中，則稱該頂點(diǎn)為非Μ飽和點(diǎn)，在集合X中任 意選定初始匹配集合Μ的一個(gè)非Μ飽和點(diǎn)X，將X存入集合X對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合S中，即 S = {χ}，集合Υ對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合Τ為空集，即Τ = Φ ;
[0017] 204、獲取非飽和點(diǎn)集合S中所有與X相鄰的點(diǎn)的集合N(S)，若N(S) = Τ，則跳轉(zhuǎn) 至步驟207 ;否則任選一點(diǎn)y e N(S)-T ;
[0018] 205、若y為匹配集合Μ的一個(gè)頂點(diǎn)，即y為Μ飽和點(diǎn)，則轉(zhuǎn)到步驟206,否則選取一 條從X到y(tǒng)的Μ可增廣路Ρ，將集合Μ與集合Ρ的并集去除集合Μ與集合Ρ的交集后的集合 作為新的匹配集合Μ，即Μ = Μ θ Ρ，轉(zhuǎn)到步驟202 ;
[0019] 206、由于y是匹配集合Μ中的Μ飽和點(diǎn)，則匹配集合Μ中必然存在一條邊{y，u}， 將這條邊的另一個(gè)頂點(diǎn)u加入到X對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合S中，即S = S U {u}，將y加入到 Y對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合T中，S卩T = T U {y}，最后從頂點(diǎn)u的相鄰的點(diǎn)的集合中選出非Μ 飽和點(diǎn)加入到N(S)中，轉(zhuǎn)到步驟/204 ;
[0020] 207、結(jié)束尋找，得到最大匹配集合M'。
[0021] 進(jìn)一步的，所述步驟105中的順序點(diǎn)著色算法步驟中，還包括采用選擇函數(shù)仏〇〇 =max{Qj(k) In』e chbi) Λ qj(k)關(guān)0},對(duì)節(jié)點(diǎn)i的流量Qi(k)進(jìn)行逆序排列的步驟，其中 ch (Pi)表示節(jié)點(diǎn)Pi的所有子節(jié)點(diǎn)。
[0022] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0023] 本發(fā)明提出的時(shí)隙信道分配方法通過利用最大匹配算法以及點(diǎn)著色算法對(duì)網(wǎng)絡(luò) 中的時(shí)隙資源以及信道資源進(jìn)行合理的分配，并且通過匹配問題解決了網(wǎng)絡(luò)中的隱蔽端問 題，最大匹配提升了網(wǎng)絡(luò)中的對(duì)流量發(fā)送最大的要求，增加了網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)吞吐率，通過點(diǎn)著 色問題解決了網(wǎng)絡(luò)中干擾問題，使網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定。兩種方法的結(jié)合使網(wǎng)絡(luò)中的延時(shí)減少，確 定性加強(qiáng)，由于調(diào)度表在每個(gè)時(shí)隙都安排最多的數(shù)據(jù)發(fā)送，可以使節(jié)點(diǎn)有更多的時(shí)間休眠， 因此可以節(jié)約大量的能量，使節(jié)點(diǎn)的生存期更長。因此本發(fā)明提出的算法滿足資源受限無 線傳感網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性、確定性以及低功耗的設(shè)計(jì)要求。
[0024] 本發(fā)明提出的分配方法有效的實(shí)現(xiàn)了時(shí)隙和信道資源的合理分配，根據(jù)該分配方 法制定的調(diào)度表，可以直接應(yīng)用在基于時(shí)隙通信和跳信道機(jī)制的工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)中，滿 足了工業(yè)無線領(lǐng)域中對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源合理分配的需求，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的長期可靠運(yùn)行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例時(shí)隙信道分配算法流程圖；
[0026] 圖2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及相應(yīng)的二分圖；
[0027] 圖3 -個(gè)任意匹配圖；
[0028] 圖4步驟1?4的循環(huán)后獲得的匹配；
[0029] 圖5簡單網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；
[0030] 圖6 2. 4Ghz信道分配舉例圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖給出一個(gè)非限定性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0032] 參照?qǐng)D1-6所示，本發(fā)明的總體技術(shù)方案如下，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)設(shè)備未通電前保持 關(guān)閉狀態(tài)，協(xié)調(diào)器上電后，首先初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，形成一個(gè)新的PAN網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)物理連通圖 為空，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)流量為0。
[0033] (1)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，規(guī)定時(shí)隙從零開始，即k = 0 ;調(diào)度表進(jìn)行初始化，即part =0 ; (2)qQ(k)表示在slotframe巾貞上到k時(shí)隙為止，網(wǎng)絡(luò)中從其它葉子節(jié)點(diǎn)匯聚到的主 節(jié)點(diǎn)PAN協(xié)調(diào)器中總的流量數(shù)，Q表示網(wǎng)絡(luò)中總的流量數(shù)。當(dāng) qtl(k)尹Q時(shí)，k時(shí)隙網(wǎng)絡(luò)中 的主節(jié)點(diǎn)的流量數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中的流量數(shù)不相同，表示調(diào)度表還沒有完全生成，繼續(xù)進(jìn)行執(zhí)行 (3)-(7);否則表示調(diào)度表已經(jīng)完成生成，返回生成的調(diào)度表，并結(jié)束算法。
[0034] (3)根據(jù)在k時(shí)隙時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，運(yùn)用匹配相關(guān)知識(shí)制作免多沖突鏈路，這時(shí)查 找到的鏈路可以放在同一個(gè)時(shí)隙上，但是找到的鏈路數(shù)不一定是最多的，即這個(gè)時(shí)候發(fā)送 的流量數(shù)不一定是最大的，因此這時(shí)引入了最大匹配的概念，用最大匹配查找網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D 中的鏈路，此時(shí)找到的鏈路數(shù)是最多的，這個(gè)時(shí)候可以發(fā)送的流量數(shù)是最大的，該時(shí)隙的網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)鋱D中的免多沖突鏈路集合VMCL (k)查找完成。
[0035] (4)將免多沖突鏈路集合VMCL (k)與k時(shí)隙時(shí)的物理連通圖進(jìn)行對(duì)比，以k時(shí)隙物 理連通圖作為參考，對(duì)VMCL (k)鏈路集合進(jìn)行修正，剔除VMCL (k)鏈路集合中存在而k時(shí)隙 物理連通圖中不存在的鏈路，將k時(shí)隙物理連通圖中存在而VMCL(k)鏈路集合中不存在且 與現(xiàn)有VMCL(k)鏈路集合不產(chǎn)生沖突的鏈路填補(bǔ)進(jìn)VMCL(k)鏈路集合中，由此形成沖突干 擾圖1(：(1〇 = {￥1(1〇義(1〇}，其中￥1(1〇表示沖突干擾圖1(：(1〇中節(jié)點(diǎn)的集合七(1〇表示 沖突干擾圖IC(k)中鏈路的集合。
[0036] (5)利用得到的沖突干擾圖IC(k)，根據(jù)點(diǎn)著色的原理對(duì)IC(k)圖中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行著色并生成點(diǎn)著色后的圖。
[0037] (6)選取信道質(zhì)量較好的信道制作成抗干擾信道序列對(duì)著色的點(diǎn)進(jìn)行信道的分 配。
[0038] (7)將k時(shí)隙的發(fā)送鏈路安排在調(diào)度表中，記錄此時(shí)q的流量數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)中的流量 數(shù)并升級(jí)調(diào)度表，最后將時(shí)隙k進(jìn)行加1處理，跳轉(zhuǎn)至步驟（2)進(jìn)行循環(huán)判斷。
[0039] 具體地，下面介紹最大匹配算法；
[0040] (1)最大匹配算法
[0041] 本發(fā)明利用圖論中最大匹配算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D進(jìn)行免多沖突鏈路VMCL(k)的查 找，在時(shí)隙k上找到網(wǎng)絡(luò)最多的免多沖突鏈路，可以實(shí)現(xiàn)該時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)流量最大。首先對(duì) 最大匹配問題進(jìn)行闡述：
[0042] 由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量資源有限，在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以及空閑狀態(tài)時(shí)會(huì)消耗很多的 能量，而在休眠過程中幾乎不消耗能量。如果有一種調(diào)度方法能保障數(shù)據(jù)都安排在一個(gè)相 對(duì)集中的時(shí)隙中接收或者發(fā)送，那么將會(huì)節(jié)約網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的總體能量開銷，使網(wǎng)絡(luò)生命周 期最大化。因此在本算法中引入了最大匹配的概念，即在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)時(shí)隙上都安排最多的 鏈路進(jìn)行發(fā)送，在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)量一定的情況下，以一種流量最大的方式發(fā)送數(shù)據(jù)將使 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有較多的時(shí)間進(jìn)行休眠。
[0043] 對(duì)最大匹配的進(jìn)一步說明如下，一個(gè)圖中的任何匹配m，均存在m < M，則Μ就是 這個(gè)圖的最大匹配。也就是說，最大匹配問題就是為了使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中的免多沖突鏈路 VMCL(k)數(shù)最大的問題，即解決k時(shí)隙網(wǎng)絡(luò)中能夠發(fā)送最多不沖突數(shù)據(jù)的問題。從網(wǎng)絡(luò)整體 運(yùn)行的角度看，通過調(diào)度使得在同一個(gè)時(shí)隙k上能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)越多，就能大幅提高網(wǎng)絡(luò) 吞吐量，也能夠使網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)盡快傳送完畢后進(jìn)入空閑狀態(tài)，進(jìn)而節(jié)約大量的電能，使網(wǎng) 絡(luò)能夠運(yùn)行更長的時(shí)間，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。
[0044] 為了更好地解釋最大匹配算法，下面通過舉例介紹一種基于匹配查找最大匹配的 算法。
[0045] 在數(shù)學(xué)界，通過圖G中任一匹配Μ擴(kuò)充為最大匹配的算法稱謂匈牙利算法，假設(shè)給 出的圖都是具有二部劃分（Χ，γ)的二分圖。匈牙利算法步驟如下：
[0046] (1)將k時(shí)隙時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D頂點(diǎn)劃分為兩個(gè)互不相交子集Χ，Υ，且拓?fù)鋱D中的每 條邊的所關(guān)聯(lián)的兩個(gè)頂點(diǎn)分別屬于這兩個(gè)不同的頂點(diǎn)集，由此形成該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂卸縿?分（Χ，Υ)的二分圖，在二分圖中任意選定一初始匹配集合Μ ;
[0047] (2)若頂點(diǎn)集X或Υ中每一個(gè)頂點(diǎn)都在匹配集合Μ中，則稱匹配集合Μ飽和，若匹 配集合Μ飽和，則跳至步驟（7)，若匹配集合Μ不飽和，則跳至步驟（3);
[0048] (3)若圖中一頂點(diǎn)不在匹配集合Μ中，則稱該頂點(diǎn)為非Μ飽和點(diǎn)，在集合X中任 意選定初始匹配集合Μ的一個(gè)非Μ飽和點(diǎn)X，將X存入集合X對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合S中，即 S = {χ}，集合Υ對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合Τ為空集，即Τ = Φ ;
[0049] (4)獲取非飽和點(diǎn)集合S中所有與X相鄰的點(diǎn)的集合N(S)，若N(S) =Τ，則跳轉(zhuǎn)至 步驟⑵；否則在集合N⑶-T中任選一點(diǎn)y，即y e N⑶-T ;
[0050] (5)若點(diǎn)y為匹配集合Μ的一個(gè)頂點(diǎn)，即y為Μ飽和點(diǎn)，則轉(zhuǎn)到步驟（6)，否則選取 一條從X到y(tǒng)的Μ可增廣路Ρ，將集合Μ與集合Ρ的并集去除集合Μ與集合Ρ的交集后的集 合作為新的匹配集合Μ，即Μ = Μ θ Ρ，轉(zhuǎn)到步驟（2);
[0051] (6)由于y是匹配集合Μ中的Μ飽和點(diǎn)，則匹配集合Μ中必然存在一條邊{y，u}， 將這條邊的另一個(gè)頂點(diǎn)u加入到X對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合S中，即S = S U {u}，將y加入到 Y對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合T中，S卩T = T U {y}，最后從頂點(diǎn)u的相鄰的點(diǎn)的集合中選出非Μ 飽和點(diǎn)加入到N(S)中，轉(zhuǎn)到步驟（4);
[0052] (7)結(jié)束尋找，得到最大匹配集合M'。
[0053] 對(duì)上述算法過程中出現(xiàn)的術(shù)語進(jìn)行如下解釋，M-頂點(diǎn)即為Μ飽和點(diǎn)，Μ是圖G的 匹配，G中與Μ中的邊關(guān)聯(lián)的頂點(diǎn)。非Μ-頂點(diǎn)則為G中的部分頂點(diǎn)不是Μ匹配中邊關(guān)聯(lián)的 頂點(diǎn)。S表示非飽和點(diǎn)集合，N(S)集合表示集合S中點(diǎn)的相鄰點(diǎn)的集合。二部劃分的二分 圖，該算法運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)沖突的定義可以理解為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械钠鏀?shù)層節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù) 的時(shí)候，偶數(shù)層的節(jié)點(diǎn)肯定不能再發(fā)送數(shù)據(jù)，同理偶數(shù)層的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，奇數(shù)層 的節(jié)點(diǎn)也不能發(fā)送數(shù)據(jù)。則本算法研究的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠伎梢远縿澐殖蔀槎謭D。
[0054] 為了更好的解釋上述算法，分析圖2中A圖的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲得其對(duì)應(yīng)的二分圖 B，并根據(jù)二分圖B詳細(xì)介紹最大匹配算法，并找出在k時(shí)隙時(shí)該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中最多免沖突 鏈路集合VMCL(k)。
[0055] 具體操作步驟如下：
[0056] (1)首先在根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DA畫出原始的二分圖B，圖B中節(jié)點(diǎn)yl_y6組成集合Y， 節(jié)點(diǎn)X 1-χ7組成集合X，然后在二分圖中找出一個(gè)任意的初始匹配即免沖突鏈路集合。如圖 3,找到初始匹配為 Μ = {(y。X)，（y2, x2)，（y3, x4)，（y4, x3)}。
[0057] (2)由于集合Y中仍然存在頂點(diǎn)不在匹配M中，因此集合Y尚未飽和，在集合Y中 任取一個(gè)非飽和點(diǎn)y 5放入Y的非飽和點(diǎn)集合S中，此時(shí)S = {y5}，集合X對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn) 集合為空，艮卩T = Φ。
[0058] (3)從圖3找到集合S = {y5}相鄰的點(diǎn)的集合N(S) = {x4}，因?yàn)閧x4, y3}為匹配 的子集，此時(shí)X4為飽和點(diǎn)，將點(diǎn)X4加入到集合T中，則T = {x4}。將點(diǎn)y3加入到集合S中， 此時(shí)集合S = {y3, y5}。
[0059] (4)繼續(xù)在圖3中查找集合S = {y3, y5}的鄰集N(S) = {Xl，x4, x7}，該集合中點(diǎn) χ7是非飽和點(diǎn)，則做一條從點(diǎn)y5到點(diǎn)χ7的可增廣路Ρ，Ρ = {(y3, χ7)，（y3, χ4)，（y5, χ4)}。將 集合M與集合P的并集去除集合M與集合P的交集后的集合作為新的匹配集合M，即Μ = Μ θ P,則此時(shí)匹配集合 Μ = {(y。X)，（y2, x2)，（y3, x7)，（y4, x3)，（y5, x4)}。
[0060] (5)經(jīng)過步驟1?4的循環(huán)，得到了圖4所示的新的匹配集合M。此時(shí)的匹配是不 是最大匹配還需要重復(fù)上述步驟繼續(xù)進(jìn)行查找才能確認(rèn)。取圖4中集合Y的非飽和點(diǎn)y 6，則 此時(shí)有S= {y6},T= <KN(S) = {x4},由于義4是飽和點(diǎn)，加入到集合T中，此時(shí)T= {x4}; {x4，y5}是匹配Μ中的子集，則將y 5加入到集合S中，此時(shí)S= {y5,y6},N(S) = {x4}由于此 時(shí)N (S) = T,最大匹配的查找過程停止，得到了最大匹配Μ = {(yp χ) , (y2, x2), (y3, x7), (y 4，X3)，（y"5，X4) }。
[0061] 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖2-A，根據(jù)匈牙利算法的基本原理經(jīng)過推算得到了圖的最大匹 配，則最大匹配集中的鏈路都可以安排在同一個(gè)時(shí)隙k上發(fā)送數(shù)據(jù)，并且可以保證鏈路之 間不會(huì)產(chǎn)生任何干擾，這樣就可以使網(wǎng)絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送最大的數(shù)據(jù)量，增加了網(wǎng)絡(luò)的 吞吐量。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)能在相對(duì)較短的時(shí)間完成發(fā)送，則傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有更多的時(shí) 間用來休眠，節(jié)約了節(jié)點(diǎn)設(shè)備的能源，這對(duì)于資源受限的工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)有重大意義。
[0062] (2)點(diǎn)著色算法
[0063] 利用點(diǎn)著色算法對(duì)在k時(shí)隙的物理連通圖中存在的干擾沖突鏈路進(jìn)行信道的分 配，解決了在同時(shí)隙上網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送鏈路的干擾沖突問題。
[0064] 在時(shí)隙k上，建立網(wǎng)絡(luò)中的VMCL (k)集合，將免多沖突鏈路集合VMCL (k)與k時(shí)隙 時(shí)的物理連通圖進(jìn)行對(duì)比，以k時(shí)隙物理連通圖作為參考，對(duì)VMCL(k)鏈路集合進(jìn)行修正， 剔除VMCL(k)鏈路集合中存在而k時(shí)隙物理連通圖中不存在的鏈路，將k時(shí)隙物理連通圖 中存在而VMCL (k)鏈路集合中不存在且與現(xiàn)有VMCL (k)鏈路集合不產(chǎn)生沖突的鏈路填補(bǔ)進(jìn) ￥10^(1〇鏈路集合中，由此形成沖突干擾圖1(：(1〇 = {￥1(1〇，氏(1〇}，其中'(1〇表示沖突干 擾圖IC(k)中節(jié)點(diǎn)的集合，Ejk)表示沖突干擾圖IC(k)中鏈路的集合。獲得沖突干擾圖 IC(k)后給IC(k)中的鏈路分配不同的信道，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在不引起干擾的情 況下同時(shí)在時(shí)隙k發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0065] 本發(fā)明將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的頻率分配問題簡化成為一個(gè)相關(guān)圖的點(diǎn)著色問題， 即要對(duì)沖突干擾圖IC(k)進(jìn)行著色處理，由于目前沒有一個(gè)有效的算法用來確定圖色數(shù)， 我們使用了一種求點(diǎn)色數(shù)的近似有效算法，順序著色算法，其核心思路如下：
[0066] 設(shè)G = (V，E)是無向圖，V = {x^ x2, L, xn}用N(Xi)表示與Xi相鄰的全部頂點(diǎn)集 合；對(duì)頂點(diǎn)Xi著色C,記為π (Xi) = C
[0067] (1)i: = 1
[0068] (2)c: = 1
[0069] (3)若對(duì) ，則令 π (Xi) = c 并轉(zhuǎn)入第 5 步。
[0070] (4) c: = c+1 并轉(zhuǎn)入第 3 步。
[0071] (5)若i〈n，則i: = i+1并轉(zhuǎn)回第2步，否則停止
[0072] 以圖5為例對(duì)順序著色法進(jìn)行簡單的說明。
[0073] 首先給第一個(gè)節(jié)點(diǎn)Xi著第一種顏色，即i = 1，c = 1 ;
[0074] 對(duì)于與節(jié)點(diǎn)Xi相鄰的節(jié)點(diǎn)集合NUj = {x2, x3}，因?yàn)轫樞蛑ㄒ?guī)定與Xi相鄰的 點(diǎn)不能著同一種顏色，需要第二種顏色，此時(shí)c = c+1。
[0075] 找結(jié)點(diǎn)x2，x3的鄰居節(jié)點(diǎn)N(x2, x3) = {χ^ x4, x5, x6}，由于節(jié)點(diǎn)Xi著了第一種顏色， 并且Xi節(jié)點(diǎn)與X4, X5, X6節(jié)點(diǎn)都不相鄰，貝1J節(jié)點(diǎn)X4, X5, X6可以與節(jié)點(diǎn)Xi著同一種顏色。此時(shí) 停止，該圖的色數(shù)為2。
[0076] 現(xiàn)在詳細(xì)介紹順序著色法在信道分配中的應(yīng)用。
[0077] 首先Vjk)集合中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)Qjk)中流量大小按照逆序進(jìn)行排列，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò) 中所有節(jié)點(diǎn)的全局隊(duì)列水平大小進(jìn)行比較，第一次著色給網(wǎng)絡(luò)中擁有網(wǎng)絡(luò)中流量最大的節(jié) 點(diǎn)^，剩下的節(jié)點(diǎn)按照如下分組原則分為兩個(gè)組：與著色的節(jié)點(diǎn)叫有干擾（即圖中相鄰的 點(diǎn)）的節(jié)點(diǎn)分為一個(gè)組，與著色節(jié)點(diǎn)&沒有干擾的節(jié)點(diǎn)分為第二個(gè)組。從非干擾節(jié)點(diǎn)中找 出一個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后將這個(gè)節(jié)點(diǎn)著上與第一個(gè)節(jié)點(diǎn)相同的顏色，接下來剩余列表中的其他節(jié) 點(diǎn)利用上述規(guī)則再一次分為兩組。按照這種方法進(jìn)行著色完成后，相同著色的鏈路集合能 在時(shí)隙k上安排在同一個(gè)信道C上進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，VCLe(k)就這樣被建立起來。
[0078] 最后，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用相同的方法把建立的不同VCLjk)鏈路集合安排在不同的信道上 面，并完成時(shí)隙k時(shí)刻的調(diào)度資源的分配，形成了調(diào)度表。
[0079] 根據(jù)五色定理即連通簡單平面圖G的色數(shù)為5,可以分析對(duì)查找到干擾沖突圖1C 進(jìn)行頂點(diǎn)著色，其理論上使用信道數(shù)可以不超過5條。根據(jù)五色定理下面提供另一種方法 對(duì)信道序列進(jìn)行排列。
[0080] 對(duì)連通圖經(jīng)過順序著色算法實(shí)施后，根據(jù)五色定理分析得出網(wǎng)絡(luò)中有充裕的信道 可以進(jìn)行分配，本課題將工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)2. 4Ghz頻段分配成為5部分。
[0081] 如圖6所示，將在2. 4Ghz頻段分配成為5部分，首先信道掃描確定2. 4Ghz的16 條信道的質(zhì)量，根據(jù)圖中相應(yīng)的劃分盡量挑選每部分相對(duì)距離較遠(yuǎn)的信道，在信道質(zhì)量相 同的情況下，本課題建議選擇每部分中間的信道這樣可以避免不同網(wǎng)絡(luò)相互之間的干擾以 及信道之間的干擾。
[0082] (3)選擇函數(shù)
[0083] 在該時(shí)隙信道分配方法中，選擇函數(shù)使用了迭代的方式，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中的根節(jié) 點(diǎn)開始遍歷，直到遍歷完所有的葉子節(jié)點(diǎn)，這個(gè)函數(shù)可以表示為：
[0084] Qi (k) = max {Qj (k) | η』e ch (ρ) Λ qj (k)尹 0}
[0085] 由表達(dá)式可以看出，在時(shí)隙k，只有當(dāng)子節(jié)點(diǎn)ni有數(shù)據(jù)發(fā)送到它的父節(jié)點(diǎn)Pi時(shí)， 鏈路（ni， Pi)才能被激活，如果沒有數(shù)據(jù)在該時(shí)隙需要發(fā)送，則這條鏈路將不被激活。正是 因?yàn)檫x擇函數(shù)具有的這樣的一種能力，才最大限度避免了將寶貴的時(shí)隙資源分配給沒有任 何數(shù)據(jù)發(fā)送的空節(jié)點(diǎn)，減少了調(diào)度資源的浪費(fèi)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖蠈?duì)鏈路的選擇是基于局部鏈路 和全局鏈路流量的，通過網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路上的網(wǎng)絡(luò)流量來選擇查找匹配即免多沖突鏈路集 合，這樣可以使找到的鏈路具有此時(shí)刻在網(wǎng)絡(luò)中流量最大化的特征。同時(shí)，為了能夠節(jié)約更 多的能源，該調(diào)度方法中設(shè)計(jì)的VMCL(k)鏈路通過選擇函數(shù)進(jìn)行選擇，因此還可以將連續(xù) 的時(shí)隙保留給擁有大量數(shù)據(jù)發(fā)送的鏈路。
[0086] 在對(duì)點(diǎn)著色的過程中，選擇函數(shù)也發(fā)揮了其應(yīng)有的作用，Vjk)集合中的節(jié)點(diǎn)根據(jù) Qi(k)中流量大小按照逆序進(jìn)行排列，這里Qjk)流量的大小就是選擇函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的Qi(k)得到每次進(jìn)行比較的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每次都首先把時(shí)隙安排給最大 流量的鏈路進(jìn)行發(fā)送，這樣有利于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)盡快的傳遞完成。
[0087] 通過選擇函數(shù)這種機(jī)制，可以減少網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)，增強(qiáng)了算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)確定性的支持， 增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少了資源浪費(fèi)以及節(jié)約了能耗，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠更長時(shí)間的穩(wěn) 定運(yùn)行。
[〇〇88] 以上這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在 閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變 化和修飾同樣落入本發(fā)明方法權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中基于最大匹配的時(shí)隙信道分配方法，其特征在于包括以下步 驟： 101、 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，設(shè)定初始時(shí)隙kWiJ = 0,將此時(shí)初始時(shí)隙k = 0對(duì)應(yīng)的 調(diào)度表part進(jìn)行初始化，即part = 0 ; 102、 統(tǒng)計(jì)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙巾貞slotframe中初始時(shí)隙kWiJ= 0到k時(shí)隙為止從葉子節(jié) 點(diǎn)匯聚到主節(jié)點(diǎn)PAN協(xié)調(diào)器總的流量數(shù)qtl(k)及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中總的流量數(shù)Q，當(dāng) qtl(k)= Q時(shí)，則表明調(diào)度表part已經(jīng)生成，根據(jù)調(diào)度表進(jìn)行時(shí)隙信道分配，結(jié)束；當(dāng)qtl(k)尹Q時(shí)， 則表明調(diào)度表還沒有完全生成，跳轉(zhuǎn)至步驟103 ; 103、 獲取k時(shí)隙時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及k時(shí)隙時(shí)的物理連通圖，并采用最大匹配算法匈牙 利算法求得k時(shí)隙時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的免多沖突鏈路集合VMCL (k); 104、 將步驟103求得的免多沖突鏈路集合VMCL(k)與k時(shí)隙時(shí)的物理連通圖進(jìn)行對(duì) t匕，以k時(shí)隙物理連通圖作為參考，對(duì)VMCL(k)鏈路集合進(jìn)行修正，剔除VMCL(k)鏈路集合 中存在而k時(shí)隙物理連通圖中不存在的鏈路，將k時(shí)隙物理連通圖中存在而VMCL(k)鏈路 集合中不存在且與現(xiàn)有VMCL(k)鏈路集合不產(chǎn)生沖突的鏈路填補(bǔ)進(jìn)VMCL(k)鏈路集合中， 由此形成沖突干擾圖IC(k) = {VjkhEjk)}，其中Vjk)表示沖突干擾圖IC(k)中節(jié)點(diǎn)的 集合，Ejk)表示沖突干擾圖IC(k)中鏈路的集合。 105、 將步驟104中得到的沖突干擾圖IC(k) = {'(khEdk)}采用順序點(diǎn)著色算法著 色，選取質(zhì)量較好的信道制作成抗干擾信道序列對(duì)著色的點(diǎn)進(jìn)行信道的分配，將上述過程 中分配得到的時(shí)隙和信道信息的填入調(diào)度表part，將所述調(diào)度表part進(jìn)行升級(jí)更新，網(wǎng)絡(luò) 根據(jù)調(diào)度表中的時(shí)隙信道分配信息進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中基于最大匹配的時(shí)隙信道分配方法，其特征 在于：步驟104中的最大匹配算法匈牙利算法步驟如下： 201、 將k時(shí)隙時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D頂點(diǎn)劃分為兩個(gè)互不相交子集X，Y，且拓?fù)鋱D中的每條 邊的所關(guān)聯(lián)的兩個(gè)頂點(diǎn)分別屬于這兩個(gè)不同的頂點(diǎn)集，由此形成該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂卸縿澐?(Χ，Υ)的二分圖，在二分圖中任意選定一初始匹配集合Μ ; 202、 若頂點(diǎn)集X或Υ中每一個(gè)頂點(diǎn)都在匹配集合Μ中，則稱匹配集合Μ飽和，若匹配集 合Μ飽和，則跳至步驟207,若匹配集合Μ不飽和，則跳至步驟203 ; 203、 若圖中一頂點(diǎn)不在匹配集合Μ中，則稱該頂點(diǎn)為非Μ飽和點(diǎn)，在集合X中任意選 定初始匹配集合Μ的一個(gè)非Μ飽和點(diǎn)X，將X存入集合X對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合S中，即S = {χ}，集合Υ對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合Τ為空集，即Τ = Φ ; 204、 獲取非飽和點(diǎn)集合S中所有與X相鄰的點(diǎn)的集合N(S)，若N(S) = Τ，則跳轉(zhuǎn)至步 驟207 ;否則任選一點(diǎn)y e N(S)-T ; 205、 若y為匹配集合Μ的一個(gè)頂點(diǎn)，即y為Μ飽和點(diǎn)，則轉(zhuǎn)到步驟206,否則選取一條從 χ到y(tǒng)的Μ可增廣路Ρ，將集合Μ與集合Ρ的并集去除集合Μ與集合Ρ的交集后的集合作為 新的匹配集合Μ，即Μ = Μ θ Ρ，轉(zhuǎn)到步驟202 ; 206、 由于y是匹配集合Μ中的Μ飽和點(diǎn)，則匹配集合Μ中必然存在一條邊{y，u}，將這 條邊的另一個(gè)頂點(diǎn)u加入到X對(duì)應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合S中，即S = S U {u}，將y加入到Y(jié)對(duì) 應(yīng)的非飽和點(diǎn)集合T中，即T = T U {y}，最后從頂點(diǎn)u的相鄰的點(diǎn)的集合中選出非Μ飽和 點(diǎn)加入到N(S)中，轉(zhuǎn)到步驟/204 ; 207、結(jié)束尋找，得到最大匹配集合Μ'。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中基于最大匹配的時(shí)隙信道分配方法，其 特征在于：所述步驟105中的順序點(diǎn)著色算法步驟中，還包括采用選擇函數(shù)仏〇〇 = max{Qj(k) In』e chbi) Λ qj(k)關(guān)0},對(duì)節(jié)點(diǎn)i的流量％ (k)進(jìn)行逆序排列的步驟，其中 ch (pD表示節(jié)點(diǎn)Pi的所有子節(jié)點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】H04W72/04GK104093208SQ201410286957
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】王恒, 王平, 夏樞洋, 劉鋒 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)