專利名稱：基于路徑優(yōu)先級的無線傳感器網絡擁塞避免與控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網絡領域，尤其將路徑優(yōu)先級與節(jié)點路由能量值的估計相 結合引用到了無線傳感器網絡節(jié)點的擁塞避免與控制應用中。
背景技術：
無線傳感器網絡(wireless sensor network, WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量 的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式組成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其 目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳 感器網絡(WSN)具有大規(guī)模密集部署、節(jié)點資源有限、無線帶寬小、拓撲結構動態(tài)變化等特 點。在本文的應用場景中，其多跳的數據傳輸方式和多對一的通信模式常常導致靠近匯聚 節(jié)點(或基站)處由于漏斗效應發(fā)生擁塞。同時無線信道的復雜性，不同無線鏈路上并發(fā) 數據相互干擾，被感知事件產生的突發(fā)數據流等，都會引起WSN中的擁塞。在WSN中，擁塞 不但會導致全局信道質量的下降和丟包率的上升，增大了延遲，而且極大的消耗傳感器有 限的能源，造成關鍵節(jié)點提前死亡，以至于整個網絡提前癱瘓。擁塞控制和擁塞避免技術主要有兩類，一類是基于擁塞檢測和恢復的控制策略， 另一類是基于預先速率分配的擁塞避免策略?；趽砣麢z測和恢復的控制策略是指根據緩 存區(qū)占用率，擁塞度，逼真度等檢測指標判定擁塞是否發(fā)生，當擁塞發(fā)生時采取不同的恢復 策略消除擁塞。根據它們采取的擁塞恢復策略的不同可以分為端到端的速率控制和分布式 控制。ESRT是一種基于端到端速率調節(jié)的擁塞控制協(xié)議，它通過綜合衡量網絡的擁塞狀況 和傳輸可靠性來強制調整源節(jié)點的發(fā)送速率使網絡趨近最優(yōu)運行點(OOR)。因此，ESRT要 求匯聚節(jié)點通信范圍能夠覆蓋整個網絡，對不同的源節(jié)點都采取了相同的調整方式，對傳 感器網絡的部署限制很高。PORT在ESRT基礎上做了改進，根據不同的源節(jié)點對逼真度的貢 獻不同，優(yōu)化了速率調整方案，同時增加了多跳轉發(fā)的方式將速率通知源節(jié)點。STCP是一種 基于分簇的支持多類型流傳輸的協(xié)議。當根據節(jié)點隊列長度檢測到擁塞發(fā)生時，STCP通過 標記的方式通知源節(jié)點轉移路徑發(fā)送或者減速，從而緩解擁塞。以上介紹的協(xié)議都是端對 端的，即直接對源節(jié)點進行速率調整或路徑轉移。分布式的擁塞控制是指在發(fā)生擁塞的區(qū) 域就地調整上游節(jié)點的發(fā)送速率或者對數據進行分流，達到緩解擁塞的目的。它又可以分 為基于速率調整的分布式控制和基于流量調度的分布式控制。CODA當根據緩存區(qū)占用率和 通道采樣檢測到擁塞后，采用開環(huán)的Hop-by-Hop后壓機制沿著源節(jié)點的方向發(fā)送，接收到 后壓消息的節(jié)點根據本地擁塞策略丟棄分組或調整速率，再根據本地的擁塞情況決定是否 繼續(xù)向其上游節(jié)點傳播。當某事件源節(jié)點速率超出閥值時，開始閉環(huán)多源調節(jié)，由匯聚節(jié)點 調整該事件所有源節(jié)點的發(fā)送速率，并顯式的通知源節(jié)點。CCF和Flush是兩種基于速率預先分配的擁塞避免機制，它們主要是通過對網絡 中各節(jié)點之間的協(xié)作對節(jié)點的速率進行合理的分配和嚴格的限制，以避免擁塞的產生。由 于基于速率預先分配擁塞避免機制需要節(jié)點之間更好的共享信息，協(xié)同計算，網絡拓撲結 構和規(guī)模的變化對這種算法提出了更高的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決無線傳感器網絡節(jié)點發(fā)送大量數據帶來的擁塞丟包問 題，提供一種無線傳感器網絡中分布式的擁塞避免與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在盡可能避免擁塞的 情況下均衡使用整個網絡的能量和隊列空間，降低網絡能量消耗，延長網絡生存時間。本發(fā)明所采取的技術方案如下所述無線傳感器網絡擁塞避免與控制系統(tǒng)由擁塞檢測模塊和擁塞控制模塊組成， 當傳感器節(jié)點接收數據時，它就啟用擁塞檢測模塊，檢測節(jié)點的擁塞狀態(tài)；當節(jié)點發(fā)送數據 時，它就啟用擁塞控制模塊，根據統(tǒng)計的下一跳路由狀態(tài)值選擇通過哪一條路徑發(fā)送數據。 本發(fā)明實施例假設通信信道是雙向、對稱的，每一節(jié)點都有一條或多條路徑與上游和下游 節(jié)點通信。擁塞檢測模塊包括隊列檢測模塊、擁塞時間檢測模塊、擁塞狀態(tài)指數判定模塊；隊 列檢測模塊以設定的兩個隊列門限值為參考，檢測節(jié)點當前的隊列占用情況，擁塞時間檢 測模塊統(tǒng)計節(jié)點在某一擁塞狀態(tài)所持續(xù)的時間，擁塞狀態(tài)指數判定模塊根據接收到的隊列 檢測模塊和擁塞時間檢測模塊的數據為參考，負責實時計算節(jié)點的擁塞狀態(tài)指數等級。本 發(fā)明在擁塞檢測模塊通過綜合節(jié)點隊列占用情況和擁塞持續(xù)時間作為判斷節(jié)點擁塞級別 的依據，有助于在節(jié)點擁塞發(fā)生的短時間內采取相應的控制措施以緩解擁塞。所述無線傳感器網絡擁塞檢測與控制系統(tǒng)的核心部分是擁塞控制模塊，其包括節(jié) 點能量計算模塊、數據優(yōu)先級提取模塊、路由狀態(tài)指數計算模塊、路由優(yōu)先級統(tǒng)計模塊和路 由狀態(tài)指數反饋模塊。節(jié)點能量計算模塊負責實時更新節(jié)點的剩余能量值并估計下游路徑 節(jié)點的剩余路由能量值變化；數據優(yōu)先級提取模塊負責收集接收數據的優(yōu)先等級；路由狀 態(tài)指數計算模塊根據設定好的規(guī)則計算路由狀態(tài)指數值，將計算結果提交給路由優(yōu)先級統(tǒng) 計模塊；路由優(yōu)先級統(tǒng)計模塊負責保存下游路徑的路由優(yōu)先級，路由狀態(tài)指數反饋模塊接 收擁塞檢測模塊傳遞的擁塞狀態(tài)變化消息，將節(jié)點的路由狀態(tài)指數反饋給路由的上一條節(jié) 點。本發(fā)明將節(jié)點路由能量值的估計引入到路由優(yōu)先級的判定中。通過對路由能量值的估 計，減少了獲得實際節(jié)點能量值所需的交互信息，又保證了路由能量值在路由優(yōu)先級判定 中的作用。為了克服某些對數據速率要求高的傳感器網絡不允許通過調整速率的方式避免 擁塞的問題，本發(fā)明采用多路徑流量調度的方式來避免和緩解節(jié)點級擁塞。在針對傳送多 種優(yōu)先級不同的混合數據的傳感器網絡中，通過綜合衡量下一跳節(jié)點剩余能量、距離匯聚 節(jié)點的跳數、擁塞狀態(tài)指數(CSI)等因素作為不同路徑優(yōu)先級的度量，定義了路由狀態(tài)指 數(RPSI)的概念，通過優(yōu)先級的對應關系來選擇不同的路徑發(fā)送數據，達到在盡可能避免 發(fā)生擁塞的情況下整個網絡能量得到均勻使用的目的。


為了使本發(fā)明容易理解和實現(xiàn)，現(xiàn)在通過參考附圖進行說明，附圖中相似的附圖 標記是指所有各個視圖中同樣的或功能相似的部件。這些附圖和下面的詳細說明一起被包 含進來并形成說明書的一部分，以進一步示意這些實施例并解釋各種原理和優(yōu)點，其中圖1是基于路徑優(yōu)先級的無線傳感器網絡擁塞避免與控制系統(tǒng)模型，所述系統(tǒng)包括擁塞檢測模塊和擁塞控制模塊。圖2是本發(fā)明實施例采用的擁塞避免與控制機制的方法流程圖；圖3是本發(fā)明實施例采用的無線通信能耗模型；圖4是本發(fā)明實施例采用的傳感器節(jié)點的系統(tǒng)框圖及工作流程；圖5是本發(fā)明提出的基于路徑優(yōu)先級的擁塞避免與控制算法與隨機路由算法的 丟包量曲線；圖6是本發(fā)明提出的基于路徑優(yōu)先級的擁塞避免與控制算法的隊列占用率曲線；圖7是基于隨機路由算法的隊列占用率曲線；圖8本發(fā)明提出的基于路徑優(yōu)先級的擁塞避免與控制算法與隨機路由算法的吞 吐量比較曲線；圖9本發(fā)明提出的基于路徑優(yōu)先級的擁塞避免與控制算法與隨機路由算法(當網 絡死亡后)的收包數量比較曲線。
具體實施例方式所述無線傳感器網絡擁塞避免與控制系統(tǒng)由擁塞檢測模塊和擁塞控制模塊組成， 當傳感器節(jié)點接收數據時，它就啟用擁塞檢測模塊，檢測節(jié)點的擁塞狀態(tài)；當節(jié)點發(fā)送數據 時，它就啟用擁塞控制模塊，根據統(tǒng)計的下一跳路由優(yōu)先級和提取的數據優(yōu)先級選擇通過 哪一條路徑發(fā)送數據。參考圖1，所述無線傳感器網絡擁塞避免與控制系統(tǒng)由擁塞檢測模塊和擁塞控制 模塊組成。擁塞檢測模塊包括隊列檢測模塊101、擁塞時間檢測模塊102、擁塞狀態(tài)指數判 定模塊103，擁塞控制模塊包括節(jié)點能量計算模塊104、數據優(yōu)先級提取模塊105、路由狀態(tài) 指數計算模塊106、路由優(yōu)先級統(tǒng)計模塊107和路由狀態(tài)指數反饋模塊108。下面對該擁塞 避免與控制系統(tǒng)的工作原理做具體說明(1)擁塞檢測模塊隊列檢測模塊101根據隊列緩存區(qū)占有率r，以及預先設定的 兩個門限值Rmin、Rmax，獲得當前節(jié)點的隊列空間占用情況，擁塞時間檢測模塊102記錄節(jié)點 的擁塞持續(xù)時間Th(門限值為T。)，101與102模塊所得信息作為擁塞狀態(tài)指數判定模塊103 的輸入，103計算節(jié)點的擁塞狀態(tài)指數CSI，根據節(jié)點擁塞情況的不同，CSI有四種不同的狀 態(tài)CSI = 0 無擁塞{Th = 0 且 r < RmiJCSI = 1 輕度擁塞{Rmin <r < Rmax 且 Th < Tj圖2是本發(fā)明實施例所采用擁塞避免與控制機制的方法流程圖，在網絡初始化階
段，匯聚節(jié)點廣播初始化消息，每個節(jié)點記錄初始化信息中所包含的距匯聚節(jié)點的跳數、下
游路徑的路由狀態(tài)指數RPSI和路由能量值&。由于傳感器網絡的網狀拓撲，節(jié)點收到的
來自不同下游路徑的跳數值可能不同，這里取最小值作為自己距離匯聚節(jié)點的跳數。以i
節(jié)點為例，假設i節(jié)點的路由能量值為與其連接的k條下游路徑節(jié)點的路由能量值為
k，路由狀態(tài)指數值為[RPSIpl，RPSIp2, · · .，RPSIpk]，取 min{~,[、}作為 i
；=1
節(jié)點的路由能量，更新i節(jié)點路由能量值Epi和路由狀態(tài)指數值RPSIi,這樣當i節(jié)點向上游 路徑發(fā)送初始化信息時，就可以同步更新上游各條路徑節(jié)點保存的i節(jié)點的路由能量值和RPSI值。節(jié)點通過對下游路徑節(jié)點路由能量值的估計來更新各路徑的路由狀態(tài)指數，通過 這種對下游路徑路由狀態(tài)指數的動態(tài)估計，根據RPSI的不同確定下游路徑的優(yōu)先級，RPSI 值越大的下游路徑具有越高的路徑優(yōu)先級，即擁有越多的剩余能量和隊列剩余空間，用來 發(fā)送優(yōu)先級高的數據信息。當節(jié)點接收到數據信息時，首先判斷隊列空間是否足夠接收此數據包當，空間不 夠則直接丟包，接收數據后根據圖3所示的能量模型，更新自己的路由能量值和隊列剩余 空間，節(jié)點的擁塞檢測與控制系統(tǒng)開始工作，當節(jié)點檢測到自己的擁塞狀態(tài)指數發(fā)生改變 時，由于上游路徑節(jié)點不能預測到這種改變，節(jié)點需重新計算路由狀態(tài)指數值并發(fā)送反饋 消息通知上游路徑節(jié)點更新節(jié)點所在路徑的路由能量值和RPSI值。這樣可以保證每個節(jié) 點都能即時更新下游路徑的優(yōu)先級，均衡使用各條路徑的能量和隊列空間以避免擁塞丟包 的產生。參考圖4，下面詳細敘述本發(fā)明實施例的網絡工作流程，1、匯聚節(jié)點應用層發(fā)送初始化消息，初始值為^ji = 0，hopcount = 0，RPSI = 0，CSI = 2 中度擁塞 Ir > Rfflax 或 Rmin <r < Rfflax 且 Th > TjCSI = 3 重度擁塞 Ir 彡 Rmax 且 Th > Tj103將計算所得的擁塞狀態(tài)指數值傳遞給擁塞控制模塊。(2)擁塞控制模塊節(jié)點能量計算模塊104實時更新節(jié)點的剩余路由能量值^ji,并 聯(lián)同103傳遞的擁塞狀態(tài)指數值傳遞給路由狀態(tài)指數計算模塊106，在106模塊中，以i節(jié) 點為例，定義路由狀態(tài)指數RPSI如下。
‘
權利要求
1.一種基于路徑優(yōu)先級的無線傳感器網絡節(jié)點擁塞避免與控制系統(tǒng)，由擁塞檢測模 塊和擁塞控制模塊組成，其特征是每個傳感器節(jié)點里既有擁塞檢測模塊，也有擁塞控制模 塊。當傳感器節(jié)點接收數據時，它就啟用擁塞檢測模塊，檢測節(jié)點的擁塞狀態(tài)；當節(jié)點發(fā)送 數據時，它就啟用擁塞控制模塊，根據統(tǒng)計的下一跳路由狀態(tài)值選擇通過哪一條路徑發(fā)送 數據。
2.如權利要求1所述的一種基于路徑優(yōu)先級的無線傳感器網絡節(jié)點擁塞避免與控制 系統(tǒng)，其特征是所述的擁塞檢測模塊包括隊列檢測模塊、擁塞時間檢測模塊、擁塞狀態(tài)指 數判定模塊；隊列檢測模塊以設定的兩個隊列門限值為參考，檢測節(jié)點當前的隊列占用情 況，擁塞時間檢測模塊統(tǒng)計節(jié)點在某一擁塞狀態(tài)所持續(xù)的時間，擁塞狀態(tài)指數判定模塊根 據接收到的隊列檢測模塊和擁塞時間檢測模塊的數據為依據，負責實時計算節(jié)點的擁塞狀 態(tài)指數等級。
3.如權利要求1所述的一種基于路徑優(yōu)先級的無線傳感器網絡節(jié)點擁塞避免與控制 系統(tǒng)，其特征是所述的擁塞控制模塊包括節(jié)點能量計算模塊、數據優(yōu)先級提取模塊、路由 狀態(tài)指數計算模塊、路由優(yōu)先級統(tǒng)計模塊和路由狀態(tài)指數反饋模塊，節(jié)點能量計算模塊負 責實時更新節(jié)點的剩余能量值并估計下游路徑節(jié)點的剩余路由能量值變化；數據優(yōu)先級提 取模塊負責收集接收數據的優(yōu)先等級；路由狀態(tài)指數計算模塊根據設定好的規(guī)則計算路由 狀態(tài)指數值，將計算結果提交給路由優(yōu)先級統(tǒng)計模塊；路由優(yōu)先級統(tǒng)計模塊負責保存下游 路徑的路由優(yōu)先級，路由狀態(tài)指數反饋模塊接收擁塞檢測模塊傳遞的擁塞狀態(tài)變化消息， 將節(jié)點的路由狀態(tài)指數反饋給路由的上一條節(jié)點。
4.如權利要求1所述的一種基于路徑優(yōu)先級的無線傳感器網絡節(jié)點擁塞避免與控制 系統(tǒng)，其特征是擁塞控制模塊根據下游節(jié)點的擁塞控制模塊反饋回來的擁塞狀態(tài)指數值， 實時更新統(tǒng)計的下游路徑的路由優(yōu)先級，將接收到的數據根據數據優(yōu)先級的不同選擇相應 優(yōu)先級的路由進行傳送。
5.如權利要求1所述的一種基于路徑優(yōu)先級的無線傳感器網絡節(jié)點擁塞避免與控制 系統(tǒng)，其特征是在初始化階段，節(jié)點通過廣播發(fā)送包含自身據離匯聚節(jié)點的跳數、下游路 徑的路由狀態(tài)指數及路由能量值的初始化信息，使各節(jié)點對下游路徑的路徑優(yōu)先級有初始 估計，在網絡運行期間，節(jié)點根據接收到的數據不斷更新下游路徑的路徑優(yōu)先級，以調整不 同優(yōu)先級數據的發(fā)送路徑，使各條路徑的能量和隊列空間得到均衡的使用，減少擁塞丟包 的產生。
全文摘要
本發(fā)明實施例提出了一種基于路徑優(yōu)先級的多路徑傳感器網絡擁塞避免和控制方法。傳感器節(jié)點通過監(jiān)測隊列剩余空間大小和擁塞持續(xù)時間實時更新節(jié)點的擁塞狀態(tài)指數(CSI)，并檢查其是否發(fā)生改變，如果發(fā)生改變，計算節(jié)點的路由狀態(tài)指數(RPSI)并通知路由的上一跳節(jié)點，上一跳節(jié)點更新所記錄的下一跳節(jié)點的路由狀態(tài)指數(RPSI)，調整下一跳路徑的優(yōu)先級。傳感器節(jié)點根據路徑優(yōu)先級的不同發(fā)送不同優(yōu)先級的數據信息。本發(fā)明實施例在減少網絡擁塞的發(fā)生，均衡使用各節(jié)點的能量和隊列空間方面取得了很好的性能。
文檔編號H04W28/08GK102065480SQ20101055313
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權日2010年11月22日
發(fā)明者孫學斌, 毛松, 蔣挺, 譚虎, 趙成林 申請人:北京郵電大學