[论文解读] Near-Optimal Distributed Scheduling Algorithms for Regular Wireless Sensor Networks

K. Shashi Prabh|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2012

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 26被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种适用于具有空间复用的时分多址（TDMA）正则多跳无线传感器网络的近似最优、分布式、无消息传递的调度算法。通过利用k跳干扰模型，该算法实现了与网络规模无关的恒定调度复杂度，其近似比在六边形网络中为4/3，在方形网格网络中为5/4，并在SINR模型中确定了这些界限成立的可行性区域，同时满足信号干扰加噪声比（SINR）约束。

ABSTRACT

Wireless sensor networks are normally characterized by resource challenged nodes. Since communication costs the most in terms of energy in these networks, minimizing this overhead is important. We consider minimum length node scheduling in regular multi-hop wireless sensor networks. We present collision-free decentralized scheduling algorithms based on TDMA with spatial reuse that do not use message passing, this saving communication overhead. We develop the algorithms using graph-based k-hop interference model and show that the schedule complexity in regular networks is independent of the number of nodes and varies quadratically with k which is typically a very small number. We follow it by characterizing feasibility regions in the SINR parameter space where the constant complexity continues to hold while simultaneously satisfying the SINR criteria. Using simulation, we evaluate the efficiency of our solution on random network deployments.

研究动机与目标

• 设计适用于正则无线传感器网络的分布式、无冲突调度算法，以最小化通信开销。
• 在k跳干扰模型下，实现多跳六边形和方形网格网络中的近似最优调度长度。
• 表征在保持恒定调度复杂度（与n无关）的同时满足接收可靠性要求的SINR参数可行性区域。
• 消除调度过程中的消息传递，使该方法在资源受限的传感器节点上更具能量效率。
• 为正则拓扑提供精确的解析结果，以揭示一般网络中的渐近行为。

提出的方法

• 使用基于图的k跳干扰模型来定义空间复用约束，确保接收端k跳范围内无干扰。
• 基于节点逻辑地址设计无消息传递的分布式调度算法，降低通信开销。
• 对六边形网络应用4/3-近似算法，对方形网格网络应用5/4-近似算法，并证明在方形网格中对奇数k值的最优性。
• 通过分析路径损耗模型（路径损耗指数γ ∈ [3,4]）下的信号干扰加噪声比约束，推导SINR可行性区域。
• 采用基于距离的格点表征方法（通过MAX{|x|,|y|,|x−y|}）证明正则拓扑的结构特性。
• 通过随机部署的仿真验证结果，测量调度长度、干扰比（ρ）和网络可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在k跳干扰模型下，正则WSN中的分布式调度能否实现与网络规模n无关的恒定调度复杂度？
• RQ2 所提出的调度算法在六边形和方形网格网络中的近似比是多少？对于某些k值是否达到最优？
• RQ3 在SINR参数空间中，哪些区域满足恒定调度复杂度（与n无关）且同时满足物理层接收约束？
• RQ4 该算法的性能如何随网络规模和路径损耗指数γ变化？
• RQ5 在SINR模型中，非均匀功率分配在多大程度上可提升可行性与性能？

主要发现

• 在六边形和方形网格网络中，调度复杂度与节点数n无关，且随干扰半径k呈二次方增长。
• 所提算法在六边形网络中实现4/3-近似比，在方形网格网络中实现5/4-近似比，且在方形网格中对奇数k值已证明最优。
• 识别出SINR参数空间中的可行性区域，其中恒定调度复杂度（与n无关）得以保持，覆盖典型工作点。
• 仿真结果表明，随着网络规模增大，最小和平均干扰比ρ均下降或保持稳定，表明具有良好的可扩展性。
• 使用逻辑节点地址且无消息传递显著降低了通信开销，使该方案在传感器网络中更具能量效率。
• 结果表明，正则拓扑分析可提供精确表达式和主导系数，有助于理解一般网络中的渐近行为。