Adaptive Time Slot Resource Allocation in SWIPT IoT Networks

The rapid advancement of Internet of Things(IoT)technology has brought convenience to people’s lives;however further development of IoT faces serious challenges,such as limited energy and shortage of network spectrum resources.To address the above challenges,this study proposes a simultaneous wireless information and power transfer IoT adaptive time slot resource allocation(SIATS)algorithm.First,an adaptive time slot consisting of periods for sensing,information transmission,and energy harvesting is designed to ensure that the minimum energy harvesting requirement ismet while the maximumuplink and downlink throughputs are obtained.Second,the optimal transmit power and channel assignment of the system are obtained using the Lagrangian dual and gradient descent methods,and the optimal time slot assignment is determined for each IoT device such that the sum of the throughput of all devices is maximized.Simulation results show that the SIATS algorithm performs satisfactorily and provides an increase in the throughput by up to 14.4%compared with that of the fixed time slot allocation(FTS)algorithm.In the case of a large noise variance,the SIATS algorithm has good noise immunity,and the total throughput of the IoT devices obtained using the SIATS algorithm can be improved by up to 34.7%compared with that obtained using the FTS algorithm.

An Effective Cloud Workflow Scheduling Approach Combining PSO and Idle Time Slot-Aware Rules

Workflow scheduling is a key issue and remains a challenging problem in cloud computing.Faced with the large number of virtual machine(VM)types offered by cloud providers,cloud users need to choose the most appropriate VM type for each task.Multiple task scheduling sequences exist in a workflow application.Different task scheduling sequences have a significant impact on the scheduling performance.It is not easy to determine the most appropriate set of VM types for tasks and the best task scheduling sequence.Besides,the idle time slots on VM instances should be used fully to increase resources'utilization and save the execution cost of a workflow.This paper considers these three aspects simultaneously and proposes a cloud workflow scheduling approach which combines particle swarm optimization(PSO)and idle time slot-aware rules,to minimize the execution cost of a workflow application under a deadline constraint.A new particle encoding is devised to represent the VM type required by each task and the scheduling sequence of tasks.An idle time slot-aware decoding procedure is proposed to decode a particle into a scheduling solution.To handle tasks'invalid priorities caused by the randomness of PSO,a repair method is used to repair those priorities to produce valid task scheduling sequences.The proposed approach is compared with state-of-the-art cloud workflow scheduling algorithms.Experiments show that the proposed approach outperforms the comparative algorithms in terms of both of the execution cost and the success rate in meeting the deadline.

A Practical Method for Improving Delay Performance of Time Slot Allocation in DVB-RCS

In digital video broadcasting and return channel via satellite (DVB-RCS) systems, the time slot location assigned to a given traffic in multiple frequency-time division multiple access (MF-TDMA) frame has significant effects upon the traffic delay per- formance. This article proposes models to analyze the relationships among frame length, bandwidth assignment (assigned time slot count), time slot location in frame, and traffic delay performance for traffics of constant bit rate (CBR) and variable bit rate (...

Hybrid time slot allocation algorithm based on LoRa Internet of things

To improve the efficiency and stability of data transmission in the long-range(LoRa) Internet of things(IoT),a hybrid time slot allocation algorithm is proposed, which implements a priority mechanism with high-priority nodes sending data in fixed time slots and low-priority nodes using the carrier sense multiple access(CSMA) algorithm to compete for shared time slots to transmit data. To improve network efficiency, a gateway is used to adjust the time slot allocation policy according to network status and balance the number of fixed and shared time slots. And more, a retransmission time slot is added to the time slot allocation algorithm, which redesigns the time frame structure, and adopts a retransmission mechanism to improve communication reliability. Simulation and measurement results show that the packet loss rate and transmission delay of the proposed hybrid algorithm are smaller than those of the fixed slot allocation algorithm, making the proposed algorithm more suitable for LoRa IoT.

Physical Frame Time-Slot Switching-A New Switching Technique over DWDM

A novel technique called physical frame time-slot switching （PFTS） is discussed and its technical and application aspects are analyzed. The format of the ethernet media access control （MAC） frame is borrowed in defining the physical frame for PFTS and the transmission time for the maximum size of the MAC frame is defined as a physical frame time-slot （PFT）. Consequently, user data can be fed into PFTS and switched in a single layer sub-network in an asynchronous mode.

无等待与时隙映射复用结合的时间触发流调度方法

工业控制系统中众多应用的正常运行依赖于确定性低时延的网络传输,这一需求推动了时间敏感网络的发展。为保证工业控制系统中流量传输的确定性,提出了无等待与时隙映射复用结合的时间触发流调度方法。首先,对工业控制系统时间敏感网络的通信要素进行建模,通过分析时间触发流的特性,简化了链路、流传输、流隔离和帧隔离等约束条件;其次,使用基础周期作为调度循环时间,实时流采取无等待调度,循环流采取时隙映射复用,从而缩短了门控列表长度;然后,提出了基于数据帧传输区间中点的冲突判别方法,降低了时隙冲突判断的时间复杂度;最后,设计了时间触发流调度优化函数,并基于改进的多目标遗传算法进行求解。实验验证了该方法的正确性与可行性,平均门控列表长度缩短了59.7%。

一种应用于TDMA无线传感网的低能耗同步机制

为了降低时分多址网络中时钟同步所导致的节点能耗,根据节点晶振器件的潜在漂移,提出了一种应用于星型无线传感网的低能耗同步机制。该机制中整个时间轴由长帧组成,每个长帧包含一个同步帧与多个子帧,每个子帧由所有子节点绑定的子时隙构成。根节点在长帧开始时发送同步帧,使得所有子节点时钟同步。每个子时隙增加了相应的保护间隔,有效地避免子节点之间因时钟漂移导致时隙间相互影响,从而最大限度地增加长帧中的子帧数量,降低子节点唤醒进行同步的频率。与传统的TDMA每个子帧均需同步相比,从接收同步帧角度来讲,大幅度减少了子节点能耗。最后,假定晶振频率误差为正态分布的情况下,利用MATLAB进行仿真,验证了该低能耗同步模型公式的正确性,并将仿真情况在CC1310器件构建的星型网上进行了应用验证。

基于自发数据传输的高效双LAN太赫兹无线局域网MAC协议

针对现有的双局域网(LAN)太赫兹无线局域网(Dual-LAN THz WLAN)相关介质访问控制(MAC)协议中存在的某些节点会在多个超帧内重复发送相同的信道时隙请求帧以申请时隙资源以及网络运行的一些时段存在空闲时隙等问题,提出一种基于自发数据传输的高效MAC协议——SDTE-MAC(high-Efficiency MAC protocol based on Spontaneous Data Transmission)。SDTE-MAC通过让各节点都维护一张或多张时间单元链表,使各节点与其余节点在网络运行时间上达到同步,从而获悉各节点应该在信道空闲时隙的什么位置开始发送数据帧,优化了传统的信道时隙分配和信道剩余时隙再分配的流程,提高了网络吞吐量和信道时隙利用率,降低了数据时延,能够进一步提升双LAN太赫兹无线局域网的性能。仿真结果表明,网络饱和时,相较于AHT-MAC(Adaptive High Throughout multi-pan MAC protocol)中的N-CTAP(Normal Channel Time Allocation Period)时段时隙资源分配新机制以及自适应缩短超帧时段机制,SDTE-MAC的MAC层吞吐量提升了9.2%,信道时隙利用率提升了10.9%,数据时延降低了22.2%。

分布式无线传感网中低延迟数据调度算法研究

分布式无线传感网中节点数据量增大,会导致节点能耗不均匀,数据传输过程出现低延迟现象,影响数据传输效率。为解决这一问题,提出分布式无线传感网中低延迟数据调度算法研究。基于分布式无线传感网络结构分析了低延迟数据调度延迟的主要因素,依据分析结果采用MDAS-ST算法,建立低延迟初始信息数据,对低延迟数据节点构建父节点候选集,建立低延迟数据候选调度模型,以低延迟数据父节点候选集为主,从中选取一个父节点,并分别分配到分布式无线传感网络时隙内;建立低延迟数据调度序列,利用该序列实现低延迟数据的调度研究。仿真结果表明,该方法的平均发送次数约为1.2次、调度延迟为322μs、网络吞吐率为99%,能耗为500 nJ/bit。

基于空闲时隙探测机制的分组帧时隙标签防碰撞算法

多标签碰撞是射频识别系统中无法避免的问题,大量的标签碰撞会增加系统的能量消耗和时间开销,严重影响系统的识别效率。为此提出一种新型的标签防碰撞算法,该算法结合了传统帧时隙算法简单易实施的优点,同时引入了分组和空闲时隙探测机制,以极小的探测时隙开销,消除了识别过程中的空闲时隙,同时减低了标签冲突概率。仿真结果显示,相对于FuzzyQ算法和帧时隙ALOHA算法,本算法平均吞吐率提高了22.64%和61.74%,系统通信传输量平均节省了16.73%和30.41%。

高效低碰撞的太赫兹无线定向MAC协议

针对网络中节点在争用访问时期发送消息碰撞、时隙分配机制低效和空闲时隙浪费等问题,提出了一种高效低碰撞的太赫兹无线定向MAC协议.文中提出了3种新机制,分别是基于缓存权重的分组机制、复用竞争机制以及时隙分配机制.首先,在微网控制器(Piconet Coordinator,PNC)中生成缓存映射表记录节点的缓存情况;然后,根据缓存映射表为节点分组,节点在分组对应的时隙中进行时隙请求,PNC根据节点缓存为节点分配时隙;最后,未申请到时隙的节点利用剩余时隙进行复用竞争操作.仿真结果表明,所提出的方案有效地提高了网络的吞吐量,减少了消息碰撞率并降低了平均时延.

基于改进差分算法的数据链时隙分配方法

针对当前时隙分配策略具有算法单一、容易陷入局部最优、泛化能力弱等问题,基于差分进化算法,引入了混沌算法、自适应变异交叉算法和问题解处理机制,提出了一种基于改进差分进化算法的时隙分配策略。利用混沌算法初始化种群,增加种群多样性避免算法过早收敛;利用选择概率参数使得交叉和变异过程更加灵活,使算法初期增加搜索范围,算法后期增加获取全局最优解的概率。实验结果表明:该算法时隙分配均衡度、稳定性、算法效率和泛化能力均优于差分算法和遗传算法,时隙分配均衡度和算法效率更高、稳定性更好、泛化能力更强。

IRS和UAV-IRS共同辅助中继网络公平下行通信方案

针对长距离中继通信系统中地面用户(ground user,GU)公平性不足和系统灵活性不高的问题,提出一种智能反射面(intelligent reflecting surface,IRS)和机载智能反射面(unmanned aerial vehicle-IRS,UAV-IRS)共同辅助的中继网络多用户公平下行通信传输方案。为实现该中继网络下行链路的通信公平,通过联合优化系统通信调度、系统时隙分配参数、IRS和UAV-IRS反射相移矩阵以及UAV-IRS飞行轨迹来最大化系统用户最小吞吐量。由于该优化问题是非凸问题,将优化问题分解为4个非凸子问题,引入线性规划(linear programming,LP)、松弛变量和连续凸近似(successive convex approximations,SCA)等方法分别对4个子问题进行求解,通过交替优化(alternating optimization,AO)算法得到原非凸问题的近似解。仿真结果表明,所提方案在有效提升系统用户最小吞吐量的同时保障了多用户通信的公平性,并发现系统用户最小吞吐量与IRS和UAV-IRS的反射元件数量、UAV-IRS飞行轨迹以及IRS和中继所处地理位置等因素有关。

一种中心节点调度时隙分配的无人机自组网TDMA协议

针对现有无人机自组网协议中,集中式树形网络中控制时隙存在冗余、帧中数据时段占比较小的问题,提出了一种基于中心节点调度时隙分配的无人机时分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)协议。该协议采用基于全网拓扑感知的时隙分配机制调整控制时段的帧结构与时隙顺序,基于中心节点调度的控制时隙复用机制提高控制时隙的利用率,缩短控制时段总长度以提高数据时段占比。与BiPi-TMAC(Bidirectional-Pipelined TDMA MAC)协议和ELDM-TDMA(Efficient and Low Delay Multi-hop TDMA)协议相比,该协议的数据平均时延和控制开销降低了9.6%和21.9%,网络吞吐量提高了10.5%,在无人机自组网场景中表现出良好的性能。

基于TDMA的空中自组网MAC层资源调度算法研究

空中移动无线自组织网络是一种拓扑结构快速变化,有自组织性的多跳无中心网络;针对传统时隙分配算法资源利用率低、吞吐量不足、通信距离近等问题,采用引入分配系数的混合时隙分配模式,通过节点业务优先级和流量预测相结合,设计了一种基于TDMA定向分布式资源动态调度算法(M-TDMA);对比分析了节点数量、传输速率、分配系数以及不同拓扑等多个维度对算法传输时延、吞吐量以及丢包率的影响;最后通过仿真实验对资源调度算法进行验证;仿真结果表明,在20个网络节点时,网络的最大传输时延小于600 ms,网络吞吐量可以达到4.5 Mbps以上,M-TDMA算法通过高效的资源调度,有效降低了网络传输时延并提高了网络吞吐量。

基于强化学习的无人机网络资源分配研究

以无人机网络的资源分配为研究对象,研究了基于强化学习的多无人机网络动态时隙分配方案,在无人机网络中,合理地分配时隙资源对改善无人机资源利用率具有重要意义;针对动态时隙分配问题,根据调度问题的限制条件,建立了多无人机网络时隙分配模型,提出了一种基于近端策略优化(PPO)强化学习算法的时隙分配方案,并进行强化学习算法的环境映射,建立马尔可夫决策过程(MDP)模型与强化学习算法接口相匹配;在gym仿真环境下进行模型训练,对提出的时隙分配方案进行验证,仿真结果验证了基于近端策略优化强化学习算法的时隙分配方案在多无人机网络环境下可以高效进行时隙分配,提高网络信道利用率,提出的方案可以根据实际需求适当缩短训练时间得到较优分配结果。

基于改进机器学习的无人机中继通信数据调度控制研究

为解决无人机通信网络中数据调度行为中断概率过大的问题,实现对通信资源的合理分配,提出基于改进机器学习的无人机中继通信数据调度控制方法;设计基本网络架构,联合BMRC协议,设置URLLC数据链路单元,联合相关通信数据样本,求解通信中断概率的具体数值,实现对无人机中继通信网络资源的联合优化处理;分别计算时隙分配参量与带宽分配参量,并以此为基础,确定无人机中继位置,实现对中继通信资源的调度;按照机器学习算法标准,定义PCA改进特征,从而完善改进机器学习算法,再联合最优控制器闭环,实现对通信数据调度行为的控制;实验结果表明,改进机器学习算法作用下,随着中继数据累积量的增大,无人机通信网络中数据调度行为中断概率的最大值只能达到7.3%,有效降低了中断概率,符合合理分配通信资源的实际应用需求。

基于四层结构的门诊统一预约挂号平台的应用

医院门诊统一预约挂号平台可以提升门诊预约服务质量和服务效率,使患者预约挂号更便捷,缩短无效候诊时间,提升患者就医体验,提高医院号源利用率和医院管理水平,是一项惠民便民的举措。文章通过搭建四层结构的统一预约挂号平台,接入多种预约挂号渠道,设计了集医院管理、号源管理、排班管理和预约管理等多功能于一体的统一预约挂号平台,提高了患者就医满意度。

变电站站内防误系统无线组网设计

为实现将防误系统中依赖4G的外网数据交互替换为基于LoRa的自组网通信,文章设计站内无线网络解决方案,在兼容输变电物联网传感器监测应用基础上实现站内自组网,包括网络架构设计及终端入网通信,将防误终端集成到传感器监测网络。针对原有物联网协议的传感器监测设计,以及手持控制终端接入时的传输实时性差、频点切换慢的问题,设计优化方案,在传感器采用竞争时隙的同时,引入操作终端固定时隙预分配方案,提高数据交互效率,并通过同步扫描设计实现移动作业频点自适应切换。验证结果表明,所提系统可在兼容输变电物联网监测方案基础上,满足防误系统的实时性控制类作业应用。