[论文解读] Joint Routing and STDMA-based Scheduling to Minimize Delays in Grid Wireless Sensor Networks

Ichrak Amdouni, Cédric Adjih+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2014

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 18被引用 3

一句话总结

本文提出 ORCHID，一种用于基于网格的无线传感器网络的联合路由与STDMA调度方案，通过将基于空间周期性着色的分层路由与TDMA周期中的优化时隙排序相结合，协同设计以最小化端到端延迟和能量消耗。结果表明，与以延迟为启发式指标的最短路径路由相比，ORCHID能有效降低延迟和能耗；并且在SINR模型下，通过VCM++实现干扰感知的单元着色，该方案可推广至任意拓扑结构。

ABSTRACT

In this report, we study the issue of delay optimization and energy efficiency in grid wireless sensor networks (WSNs). We focus on STDMA (Spatial Reuse TDMA)) scheduling, where a predefined cycle is repeated, and where each node has fixed transmission opportunities during specific slots (defined by colors). We assume a STDMA algorithm that takes advantage of the regularity of grid topology to also provide a spatially periodic coloring ("tiling" of the same color pattern). In this setting, the key challenges are: 1) minimizing the average routing delay by ordering the slots in the cycle 2) being energy efficient. Our work follows two directions: first, the baseline performance is evaluated when nothing specific is done and the colors are randomly ordered in the STDMA cycle. Then, we propose a solution, ORCHID that deliberately constructs an efficient STDMA schedule. It proceeds in two steps. In the first step, ORCHID starts form a colored grid and builds a hierarchical routing based on these colors. In the second step, ORCHID builds a color ordering, by considering jointly both routing and scheduling so as to ensure that any node will reach a sink in a single STDMA cycle. We study the performance of these solutions by means of simulations and modeling. Results show the excellent performance of ORCHID in terms of delays and energy compared to a shortest path routing that uses the delay as a heuristic. We also present the adaptation of ORCHID to general networks under the SINR interference model.

研究动机与目标

• 解决STDMA型WSN中由于时隙排序不优导致的延迟退化这一尚未被充分探索的问题。
• 设计一种跨层解决方案，联合优化路由与调度，以最小化端到端延迟。
• 确保所有节点能在单个STDMA周期内将数据传送到汇聚节点。
• 通过最小化活跃传输时隙和空闲监听时间，提升能量效率。
• 将该方案扩展至SINR干扰模型下的通用网络拓扑结构。

提出的方法

• 使用空间周期性图着色（VCM）将网格划分为着色单元，以实现空间复用。
• 构建以基于颜色的聚合节点为根的分层支配树，以引导数据汇聚。
• 根据与汇聚节点的路由距离对STDMA周期中的颜色传输进行排序，以最小化端到端延迟。
• 引入CO-Route与CO-Highway机制实现颜色排序，优先处理靠近汇聚节点的节点。
• 通过计算干扰受限的传输范围并最大化空间复用，将VCM方法适配至SINR模型（即VCM++）。
• 将全局STDMA周期构成为周期性交替的Route阶段与Highway阶段，确保单周期内完成数据交付。

实验结果

研究问题

• RQ1 STDMA周期中随机时隙排序对网格型WSN端到端延迟有何影响？
• RQ2 与以延迟为度量标准的最短路径路由相比，联合优化路由与时隙排序是否能有效降低延迟与能耗？
• RQ3 基于颜色聚合节点的分层路由对周期效率与延迟有何影响？
• RQ4 如何将ORCHID适配至更现实的SINR干扰模型下的通用图结构？
• RQ5 在干扰受限环境中，空间复用（颜色数量）与可靠传输范围之间的权衡关系如何？

主要发现

• 与以延迟为启发式指标的最短路径路由相比，ORCHID显著减少了STDMA周期所需的时隙数量。
• 通过最小化活跃传输时隙并减少空闲监听时间，ORCHID实现了更低的能量消耗。
• 所有节点均能在单个STDMA周期内将数据送达汇聚节点，从而确保最小端到端延迟。
• 通过理论建模与仿真验证，对随机颜色排序下的单位距离归一化延迟进行了分析建模。
• VCM++通过计算干扰感知的单元着色及最优生成向量，使ORCHID可适配至通用图结构。
• 所提方法在SINR模型下实现了空间复用与可靠传输之间的合理权衡。