IEEE 802.15.4实时通信调度算法研究

IEEE 802.15.4是低功耗无线通信媒体接入控制协议,目前已广泛应用于医疗健康、工业控制和楼宇自动化等物联网领域。为满足不同应用需求,研究者提出了多种适用于IEEE 802.15.4协议的实时通信算法。根据带宽利用率、延时约束和能效性等特征,对这些实时通信调度算法进行分类、比较和性能分析,以助于在实际应用中合理部署。另外,对未来的研究工作进行了展望。     

基于IEEE802.15.4的GTS调度算法优化

针对实时无线传感器网络(WSNs)系统对时延敏感的特点,对目前典型的IEEE802.15.4标准中保障时隙(GTS)调度算法进行了改进,提出一种基于时延优先级的GTS分配算法.根据网络微积分原理评估时延约束条件及GTS分配数目,按照优先级顺序响应GTS请求,并动态调整GTS中的时隙数量,确保实时传输和带宽利用率.通过在...     

基于802.15.4的无线传感器网络查询质量优化算法

在簇形结构的无线传感器网络中,针对基本单元簇,在IEEE 802.15.4协议的MAC层讨论查询质量的优化问题。建立了以查询质量为目标,带宽限制为约束条件的优化模型,并提出了动态规划法和查询质量因子动态更新算法相结合的动态查询质量保证算法。仿真实验表明,该方法能提高IEEE 802.15.4的实时带宽利用率,减少查询响应时间,并能根据不同的查询质量要求提供相应的服务。     

时延和时延差别受限的最大带宽多播路由分布式算法

本文采用反映网络实时特性的可用带宽代替代价作为第一度量，提出一种基于最大可用带宽路径且满足时延和时延差别约束的QoS实时多播路由分布式启发算法，该算法具有多项式复杂性，并通过分析得到每路径时延和二约束度量之间的关系，有效降低涉及时延和时延差别此类问题的复杂性。仿真实验证明，该算法具有较好的带宽性能。     

基于流量特性和时序约束的动态带宽分配算法

针对TDMA以太网构建的分布式实时系统中的带宽分配特点,提出了一种基于流量特性和时序约束的动态带宽分配算法;这种动态带宽分配算法既考虑了信息流的周期和传输时间,也考虑了间接来自于TDMA的开销,从而可实现更多实时任务集的调度和分配,以获得带宽的有效利用。仿真结果表明,提出的动态带宽分配算法不仅可以降低任务集的通信时延,而且可以提高全部可用带宽的带宽利用率。     

IEEE 802.16 Mesh模式下区分服务时隙调度算法

为了满足用户需求,IEEE802.16支持多种QoS。在IEEE802.16-2004定义的mesh模式的调度机制下,针对实时业务和非实时业务对时延具有不同敏感性的特点,提出了一种区分服务的时隙调度算法。该算法优先处理实时业务,并通过拥塞情况,自适应地调整实时业务的预留带宽。最后对算法进行了仿真,结果表明该算法下业务的延迟、服务请求拒绝率、时隙利用率均有所改善。     

WSN基于区分服务的MAC性能分析与建模

针对IEEE 802.15.4协议的无线传感网络,提出一种基于区分服务的马尔科夫链模型以支持实时多媒体应用.该机制的主要思想是根据服务质量要求(时延敏感与否)为不同的数据流分配不同的优先级.分析并研究了协议参数的设置对网络性能的影响.教学分析表明,对不同数据流设置合理的CSMA/CA参数能够显著提高高优先级数据流的性能,而对低优先级数据影响较小.     

异构多核上多级并行模型支持及性能优化

低功耗及廉价性使得异构多核在超级计算机计算资源中占有重要比例.然而,异构多核具有高带宽及松耦合一致性等特点,获得理想的存储及计算性能需要更多地考虑底层硬件细节.实现了一种针对典型的异构多核Cell BE 处理器的多级并行模型CellMLP,通过C 语言扩展编译指导语句,实现了对数据并行、任务并行以及流水并行编程模型的支持,提高了并行程序生产率.运行支持优化方面,数据并行采用SPE 并行数据传输、双缓冲等优化手段来提高数据传输带宽;任务并行使用一种新式混合任务队列以支持异步任务窃取,降低SPE 线程间竞争,提高了任务并行的可扩展性;流水并行首次使用阻塞信号传输机制实现SPE 线程间的低开销同步操作.实验对Stream,NASBenchmark 及BOTS 等应用进行了测试,结果表明,CellMLP 可对多种典型并行应用进行高效支持.与目前同类编程模型SARC 及CellSs 进行性能对比,其结果表明,CellMLP 实际数据传输带宽以及非规则应用的支持方面具有明显优势.     

支持QoS的异构并行交换结构研究

不同类型的交换结构具有不同的交换性能。为此,提出一种支持QoS的异构并行交换结构(HPSA),该结构支持3种类型的业务：保障带宽(GB)业务,保障时延(GD)业务和保障丢包(GL)业务。各业务通过HPSA的不同类型平面被交换,从而实现对各类业务的QoS支持。仿真结果表明,HPSA中的GB业务带宽性能、GD业务时延性能及GL业务丢包率性能,均优于它们在基于iSLIP算法的IQ交换结构和基本PPS结构中的性能。     

基于WiMAX的实时业务带宽优化调度策略

WiMAX是一项无线城域网(WMAN)技术,支持实时与非实时等多种业务,SS可以向BS动态申请所需求的带宽,由IEEE 802.16协议定义.但协议中没有具体定义实时服务QoS所需要的带宽调度策略.因此,如何高效地分配使用带宽,成为一个亟需解决的问题.本文提出一种自适应的实时轮询业务带宽分配策略,SS依据当前带宽需求和以往的实际分配带宽,提前预测实时业务数据包所需求的确切带宽.文中给出了数学分析模型和仿真.仿真结果表明,与传统的带宽分配机制和其他自适应算法相比,该自适应的带宽分配算法能更好地改善系统性能,提高吞吐量,减少时延和减少缓冲区需求.     

IEEE 802.15.4簇树网络实时通信中的冲突避免

无线簇树网络可以支持实时、确定的通信活动,但由于实际应用中的设备间位置关系,会产生簇间通信冲突,从而影响系统的实时性能。基于IEEE 802.15.4标准,本文系统地研究簇树网络中实时通信的冲突问题,提出避免簇间超帧冲突的算法。具体实例分析表明,该算法可以解决无线簇树网络实时通信中的冲突,并可以提高整个网络的通信性能。     

An implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4 for time-sensitive wireless sensor networks: theory and practice

Timeliness guarantee is an important feature of the recently standardized IEEE 802.15.4 protocol, turning it quite appealing for Wireless Sensor Network (WSN) applications under timing constraints. When operating in beacon-enabled mode, this protocol allows nodes with real-time requirements to allocate Guaranteed Time Slots (GTS) in the contention-free period. The protocol natively supports explicit GTS allocation, i.e. a node allocates a number of time slots in each superframe for exclusive use. The limitation of this explicit GTS allocation is that GTS resources may quickly disappear, since a maximum of seven GTSs can be allocated in each superframe, preventing other nodes to benefit from guaranteed service. Moreover, the GTS may be underutilized, resulting in wasted bandwidth. To overcome these limitations, this paper proposes i-GAME, an implicit GTS Allocation Mechanism in beacon-enabled IEEE 802.15.4 networks. The allocation is based on implicit GTS allocation requests, taking into account the traffic specifications and the delay requirements of the flows. The i-GAME approach enables the use of one GTS by multiple nodes, still guaranteeing that all their (delay, bandwidth) requirements are satisfied. For that purpose, we propose an admission control algorithm that enables to decide whether to accept a new GTS allocation request or not, based not only on the remaining time slots, but also on the traffic specifications of the flows, their delay requirements and the available bandwidth resources. We show that our approach improves the bandwidth utilization as compared to the native explicit allocation mechanism defined in the IEEE 802.15.4 standard. We also present some practical considerations for the implementation of i-GAME, ensuring backward compatibility with the IEEE 801.5.4 standard with only minor add-ons. Finally, an experimental evaluation on a real system that validates our theoretical analysis and demonstrates the implementation of i-GAME is also presented.     

IEEE802.15.4多时隙下GTS性能分析及配置优化

IEEE802.15.4标准的保障时隙(GTS)机制可分配多个时隙,用于保障实时性数据的传输。针对非竞争接入期多时隙下GTS性能分析的不足,利用网络微积分法分析时延和吞吐量服务曲线及其与能耗的关系,改进IEEE802.15.4传感器节点模型,建模仿真研究GTS参数对网络性能(时延、吞吐量及能耗)的影响。仿真结果表明：根据高低突发性数据率的情况,最优化配置下的GTS可以满足实时性数据的传输。     

Time delay characteristic of industrial wireless networks based on IEEE 802.15.4a

The IEEE 802.15.4a standard provides a framework for low-data-rate communication systems, typically sensor networks. In this paper, we established a realistic environment for the time delay characteristic of industrial network based on IEEE 802.15.4a. Several sets of practical experiments are conducted to study its various features, including the effects of 1) numeral wireless nodes, 2) numeral data packets, 3) data transmissions with different upper-layer protocols, 4) physical distance between nodes, and 5) adding and reducing the number of the wireless nodes. The results show that IEEE 802.15.4a is suitable for some industrial applications that have more relaxed throughput requirements and time-delay. Some issues that could degrade the network performance are also discussed.     

面向最小延迟的无线mesh网络时隙分配问题研究

在基于IEEE802.15.4的工业无线传感器网络中,通过时分复用技术来实现节点间并行通信,以提高网络的吞吐量.通常,网络中的管理器根据全网拓扑对网络中的每个连接分配一个超帧中相应的时隙.不同的时隙分配方案中,连接在超帧中活动的顺序也不同,对网络性能的影响也不同.本文研究了不同时隙分配方案在网络吞吐量和数据延迟方面对网络的影响,定性分析了时隙分配方案与数据延迟的关系,并根据mesh结构的特点提出一种使用粒子群优化的算法,用于在网络管理器上对时隙分配进行优化,使得数据延迟最小化,以满足工业无线网络实时性应用的要求.     

基于IEEE 8021.54.的工业无线网实时性改进方法

在面向工业自动化的无线传感网络应用中,实时性是一个非常重要的议题。而在诸多标准当中,IEEE802.15.4在工业无线传感网中有巨大的发展潜力。本文分析了现有的IEEE802.15.4的保证时隙(GTS)在工业应用中实时性方面存在的不足,结合工业应用各类业务的需求,对GTS的调度方法、发布方法进行了相应的改进。     

多节点共享保障时隙分配策略

在现代工业无线网络中,IEEE 802.15.4标准以其独特的低功耗、低成本特点被广泛应用。IEEE 802.15.4可以提供最低0.006%的占空比,最大限度降低功耗,同时提供的保障时隙GTS机制为节点提供了实时服务保障。然而,在为大规模节点提供保障时,IEEE 802.15.4提供的GTS机制缺乏灵活性,只能为有限节点提供实时保障服务。本文针对这一问题提出一种多节点共享保障时隙分配策略,允许多个数据流在满足延迟需求前提下,共享同一个GTS减少带宽浪费。分析表明,多节点共享的保障时隙分配策略与普通分配方法相比,可有效提高带宽利用率。     

非饱和状态下时隙CSMA/CA机制改进与性能分析

针对无线传感器网络中有重要信息的高优先级数据包需要尽快传输,且IEEE 802.15.4协议本身不支持任何优先级机制的情况,结合优先级调度策略和差分服务机制,对具有优先级级的时隙CSMA/CA机制进行全面数学建模,包括节点马尔科夫模型和信道马尔科夫模型,据此提出了一种非饱和状态下具有优先级的IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA机制性能的分析方法。通过比较分析,改进的机制对提高网络中高优先级数据包的传输性能具有积极作用。     

Flexible IEEE 802.15.4 deadline-aware scheduling for DPCSs using priority-based CSMA-CA

The IEEE 802.15.4 protocol offers great potential in several application fields, such as industrial Wireless Sensor Networks (WSNs). An industrial automation cell (field level) is characterized mostly by periodic traffic flows. Using the IEEE 802.15.4 protocol, it is necessary to manage Guaranteed Time Slots (GTSs) allocation and at the same time ensure adequate performance both to other periodic traffic flows and network management/control flows. For these reasons, this paper shows a flexible approach in order to improve GTSs assignment and medium access performance. Analytical results are shown in order to demonstrate benefits introduced by deadline-aware algorithm (for guaranteed access to reserved slots) and CSMA-CA-priority based (for latencies reduction during medium access attempts). Otherwise, obtained results show that the proposed technique improves the number of deadlines met and the probability to find the channel free for transmissions.     

基于IEEE802．15．4a的无线测控网络协议

为满足工业现场测控任务对网络通信实时性的要求,提出一种基于IEEE80215．4a的无线测控网络协议,其中的令牌控制子层采用令牌机制管理各站点对无线信道的访问,克服了CSMA／CA机制无序竞争的缺陷,保证数据传输的时间确定性,介绍协议栈模型、逻辑令牌环动态建立过程以及令牌故障的自恢复机制,并在硬件平台NanoNET上加以实现。实验结果表明,该协议能够在强电磁干扰环境中稳定运行,具备实时特性。