基于网络吞吐量的TSCH调度机制解析

### 基于网络吞吐量的TSCH调度机制解析 #### 1. 引言 在无线通信网络中，TSCH（Time Slotted Channel Hopping）调度机制对于优化网络性能至关重要。一种新的调度方案通过最大化二分图边权，综合考虑网络吞吐量和时隙帧延迟，为TSCH调度提供了更实用的解决方案。该方案不仅考虑了动态功率分配，还结合了匈牙利算法，旨在提高网络的可靠性和公平性。 #### 2. 主要贡献 该方案的主要贡献如下： - **构建二分图模型**：将链路（节点对）作为顶部顶点，时隙帧单元作为底部顶点，建立二分图结构进行链路到单元的分配。 - **定义二分图边权**：边权为网络吞吐量和时隙帧延迟之和，其中吞吐量计算考虑动态功率分配，延迟则确保了公平性。 - **采用匈牙利算法**：通过最大化二分图边权进行调度，保证在固定延迟下实现最大数据传输，增强网络可靠性。 - **仿真验证**：仿真结果表明，该方案比先前提出的技术更公平，且吞吐量和延迟关系更符合无线通信实际情况。 #### 3. 方案基本流程 下面是该方案的基本流程图： ```mermaid graph LR A[考虑网络] --> B[利用瑞利衰落确定信道状态和功率分配] B --> C[计算吞吐量] C --> D[计算时隙延迟] D --> E[确定二分图边权] E --> F[执行匈牙利算法] F --> G[进行调度] G --> H[生成样本数据观察网络行为] ``` #### 4. TSCH网络模型 ##### 4.1 网络拓扑 TSCH网络中有一个网关接入点，用于同步所有节点。考虑一个具有N个节点和一个网关的TSCH网络，网络拓扑表示为 \(G = \{N, M\}\)，其中 \(N = \{n_1, \cdots, n_N\}\) 是节点集合，\(M = \{m_1, \cdots, m_M\}\) 是链路（节点对）集合。 例如，一个四节点图结构的时隙 - 信道矩阵中，一些非冲突链路可以分配到同一单元，如 \((A \to M)\) 和 \((C \to B)\) 由于互不干扰可分配在同一单元。 ##### 4.2 数据传输模型 数据传输的基本资源是由信道 \(F = \{f_1, \cdots, f_F\}\) 和时隙 \(S = \{s_1, \cdots, s_S\}\) 组成的单元 \(C = \{c_1, \cdots, c_C\}\)。链路 \(M\) 通常根据信道增益 \(h = H_{m, c}\) 分配到单元 \(C\)。 - **信道增益模型**：采用瑞利衰落模型，其概率密度函数为 \(F_R(x) = \frac{2x}{\mu} e^{-\frac{x^2}{\mu}}\)，其中 \(\mu = R[R^2]\)，\(R\) 是随机变量。 - **动态功率分配**：与以往将功率 \(p\) 视为常数不同，考虑到无线通信信道中功率的随机特性，采用动态功率分配，计算公式为 \(p = P_{m, c}(h) = \frac{\beta \Omega_0}{h} 2^{\frac{l}{\beta}} - 1\)，其中 \(\beta\) 是带宽，\(\Omega_0\) 是噪声方差。 - **吞吐量计算**：当链路 \(m\) 分配到特定单元 \(c\) 时，根据香农公式计算吞吐量 \(\Phi_{m, c} = \beta \log_2(1 + \frac{h \cdot p}{\beta \Omega_0})\)。 - **延迟计算**：考虑单元位置计算延迟，延迟性能与延迟值成反比。每个单元的延迟性能计算公式为 \(\Upsilon_{m, n}(c) =