一種基于擁塞控制的無線傳感器網(wǎng)絡路由優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術領域，尤其設及一種基于擁塞控制的無線傳感器網(wǎng)絡路 由優(yōu)化方法。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡由于其低成本、低功耗、自組織等優(yōu)點目前被廣泛應用于環(huán)境監(jiān) 、軍事應用、道路交通、醫(yī)療衛(wèi)生等領域。而路由協(xié)議一直是WSN的研究熱點，傳統(tǒng)的路 由協(xié)議針對WSN節(jié)點能量受限的特點主要W延長網(wǎng)絡生命周期為主要目標，如LEACH，E抓C等。然而，在某些場景下如用電信息采集、輸電線路檢測等，節(jié)點可由線路持續(xù)供電，能量持 續(xù)，W往的路由算法有可能導致選路不合理，造成網(wǎng)絡能量的浪費；同時，當W數(shù)據(jù)為中屯、 的無線傳感器網(wǎng)絡應用中，由于突發(fā)事件流或集中式數(shù)據(jù)采集等原因都易造成網(wǎng)絡擁塞， 嚴重影響網(wǎng)絡的傳輸性能。因此，設計有效的路由協(xié)議W優(yōu)化全網(wǎng)能耗并緩解網(wǎng)絡擁塞是 有必要的。
[0003] 目前，設及網(wǎng)絡擁塞的路由算法還比較少。張智、崔國華提出的CAAR路由方法同 時采用擁塞檢測和本地數(shù)據(jù)存儲策略，只能一定程度上緩解網(wǎng)絡擁塞，降低網(wǎng)絡丟包率和 時延；Ra化Kumar等人提出的擁塞感知路由方法（CAR)能夠動態(tài)發(fā)現(xiàn)擁塞區(qū)域，基于數(shù)據(jù) 優(yōu)先級提供區(qū)分服務，有效保證了高優(yōu)先級業(yè)務的傳輸要求，同時減少了網(wǎng)絡能耗，延長了 網(wǎng)絡生命周期；郝曉辰等人提出的基于擁塞預知的WSN多徑尋優(yōu)路由方法（MOPC)基于主動 避免擁塞的設計思想，依據(jù)節(jié)點的擁塞預知度、剩余能量和最小跳數(shù)建立路徑滿意度模型， 實現(xiàn)了最優(yōu)路徑的選取，具有良好的可靠性和實時性；FengyuanRen等人提出的TADR路由 方法基于節(jié)點跳數(shù)和隊列長度構建混合虛擬勢能場，使得數(shù)據(jù)包在最大虛擬力的作用下轉 發(fā)到sink節(jié)點，有效提高了網(wǎng)絡吞吐量。然而，上述路由方法多采取簡單的擁塞檢測方法 并不能準確的判斷網(wǎng)絡的擁塞情況，單路徑路由也只能一定程度上緩解擁塞，同時都沒有 結合WSN中節(jié)點能量持續(xù)的情況進行路由優(yōu)化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 針對上述現(xiàn)有技術存在的不足之處，本發(fā)明提供一種基于擁塞控制的無線傳感器 網(wǎng)絡路由優(yōu)化方法，目的是用于解決現(xiàn)有技術中缺乏對節(jié)點能量持續(xù)的考慮、未對擁塞進 行有效控制等缺陷的問題。 陽〇化]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明是通過W下技術方案實現(xiàn)的：
[0006] 一種基于擁塞控制的無線傳感器網(wǎng)絡路由優(yōu)化方法，步驟如下：
[0007] 步驟1 :根據(jù)節(jié)點的地理位置信息建立每個節(jié)點到各前向鄰居節(jié)點的鏈路比降函 數(shù)；
[0008] 步驟2:構建節(jié)點隊列模型，根據(jù)節(jié)點的數(shù)據(jù)包服務率，建立鏈路的流量半徑函 數(shù)；
[0009] 步驟3 :根據(jù)已經(jīng)建立的鏈路比降函數(shù)和流量半徑函數(shù)構建節(jié)點間鏈路流速模 型；
[0010] 步驟4 :節(jié)點根據(jù)各鏈路流速的不同創(chuàng)建路由轉發(fā)概率函數(shù)，完成路由的建立；
[0011] 步驟5 :創(chuàng)建擁塞檢測函數(shù)對網(wǎng)絡的擁塞程度進行實時檢測，一旦出現(xiàn)節(jié)點擁塞 則進行局部路由維護。
[0012] 所述步驟1中鏈路比降函數(shù)的計算公式為：
[0014] 式中，Ji, ,為節(jié)點i與節(jié)點j的鏈路比降函數(shù)值；d為兩節(jié)點間的歐式距離； sink為無線傳感器網(wǎng)絡中的匯聚節(jié)點；FN(i)為節(jié)點i的前向鄰居節(jié)點集，F(xiàn)N(i)=UIdi,RWdi,unk<d ，其中，Rtx為節(jié)點的最大通信半徑。
[0015] 所述步驟2中流量半徑函數(shù)的計算公式為：
[0016] RiJ=u.j;
[0017] 式中，R,,為節(jié)點i與前向鄰居節(jié)點j的流量半徑函數(shù)值；U,為節(jié)點j的平均數(shù)據(jù) 包服務率，其計算公式為：
[0019] 式中，^為節(jié)點j對數(shù)據(jù)包的平均服務時間，其計算公式為：
[0021] 式中，Ptk為節(jié)點J到其前向鄰居節(jié)點k的路由轉發(fā)概率，n為節(jié)點j的前向鄰居 節(jié)點個數(shù)；為節(jié)點j對傳輸?shù)焦?jié)點k數(shù)據(jù)包的平均服務時間，其計算公式為：
[002引式中，P為數(shù)據(jù)包大小，假設網(wǎng)絡中所有數(shù)據(jù)包大小相同；(；為鏈路帶寬；Z,,k為節(jié) 點j在進行數(shù)據(jù)包傳輸之前其他競爭節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包的個數(shù)，該個數(shù)服從幾何分布，E[Zik] 為其期望，其計算公式為：
[00對式中，T,,k為節(jié)點j在節(jié)點k空閑之后立刻轉發(fā)數(shù)據(jù)包的概率，其計算公式為：
陽027] 式中，h, 1分別為節(jié)點j,k的干擾節(jié)點；4h為節(jié)點h接收數(shù)據(jù)包的時間比例，4 1 為節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間比例aj為節(jié)點j的干擾節(jié)點集，Ck分別為節(jié)點k的干擾節(jié)點 集，C.i=化 |dh,.i《（1+A) -RJ，U=a|di,k《（1+A) -RJ式中，A為一正常數(shù)（A 二 0. 1)。
[0028] 所述步驟3中流速模型的計算公式為：
[0029] Vi,=Ji,?Ri,;
[0030] 式中，Vi,為節(jié)點i到前向鄰居節(jié)點j的鏈路流速值，J1,.，為節(jié)點i與節(jié)點j的鏈 路比降函數(shù)值；Ri, ,為節(jié)點i與節(jié)點j的流量半徑函數(shù)值。
[0031] 所述步驟4中由轉發(fā)概率函數(shù)，概率轉發(fā)函數(shù)的計算公式為：
陽〇3引式中，Pi,為節(jié)點i到節(jié)點j的轉發(fā)概率；V1,,為節(jié)點i到前向鄰居節(jié)點j的鏈路 流速值；g為節(jié)點i的前向鄰居節(jié)點；FN(i)為節(jié)點i的前向鄰居節(jié)點集。
[0034] 所述步驟5中檢測的具體步驟為：
[0035] 步驟5. 1擁塞檢測：通過擁塞檢測函數(shù)對網(wǎng)絡中節(jié)點的擁塞程度進行判斷，一旦 出現(xiàn)擁塞，首先撤銷擁塞節(jié)點和其子節(jié)點之間的鏈路，在其子節(jié)點的前向鄰居節(jié)點集中排 除擁塞節(jié)點，擁塞檢測函數(shù)的公式為；
[0037] 式中，S，為節(jié)點j的擁塞程度，為節(jié)點j自身產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的平均速率，為節(jié) 點j接收其子節(jié)點h數(shù)據(jù)包的平均速率，為節(jié)點j向節(jié)點k傳輸時重傳數(shù)據(jù)包的平均 速率，U,為節(jié)點j的平均數(shù)據(jù)包服務率；
[0038] 步驟5. 2路由維護：根據(jù)步驟4中的路由轉發(fā)概率函數(shù)重新選擇路徑，完成局部路 由維護；同時原路徑的撤銷并不影響其每次數(shù)據(jù)傳輸之后節(jié)點各個參數(shù)的更新，也就是說 被排除的擁塞節(jié)點在下一次局部路由維護時仍然有可能被選為備選節(jié)點，W此達到緩解擁 塞的目的。
[0039] 本發(fā)明的有益效果在于： W40] (1)本發(fā)明所述的路由方法克服了傳統(tǒng)WSN路由方法只考慮節(jié)點能量有限的缺 陷，通過借鑒水文學中的基本概念和原理建立鏈路比降函數(shù)，充分地實現(xiàn)了節(jié)點能耗的有 效性，使全網(wǎng)能耗最優(yōu)化，具有良好的實時性和可靠性。
[0041] (2)本發(fā)明所述的路由方法通過構建網(wǎng)絡排隊模型，計算節(jié)點的數(shù)據(jù)包到達率和 數(shù)據(jù)包服務率，W進一步判斷節(jié)點的擁塞程度，克服W往路由方法不能準確判斷節(jié)點擁塞 的缺陷。同時在進行路由選擇時綜合考慮優(yōu)化全網(wǎng)能耗和擁塞控制，運樣會使無線傳感器 網(wǎng)絡在能耗較低的同時，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。
【附圖說明】
[0042] 圖1為本發(fā)明實施例所使用的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構圖；
[0043] 圖2為本發(fā)明實施例所使用的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的隊列模型； W44] 圖3為本發(fā)明實施例所使用的CSMA/CA協(xié)議節(jié)點傳輸原理圖； W45] 圖4是本發(fā)明實施例所述的路由方法與TADR、MOPC網(wǎng)絡總能耗的對比結果；
[0046] 圖5是本發(fā)明實施例所述的路由方法與TADR、MOPC丟包率的對比結果；
[0047] 圖6是本發(fā)明實施例所述的路由方法與TADR、MOPC路由平均跳數(shù)的對比結果。
【具體實施方式】
[0048] 本發(fā)明是一種基于擁塞控制的無線傳感器網(wǎng)絡路由優(yōu)化方法。下面結合附圖，對 優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明 的范圍及其應用。 W例本發(fā)明克服了現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡路由方法的不足，引入水文學的基本概念和原 理，并建立節(jié)點隊列模型，基于節(jié)點地理位置和數(shù)據(jù)包服務率構建鏈路比降和流量半徑函 數(shù)，最后根據(jù)鏈路流速為各條路徑分配合適的路由選擇概率，從而有效地優(yōu)化了全網(wǎng)能耗， 降低了網(wǎng)絡時延和丟包率。
[0050] 本發(fā)明包括W下步驟：
[0051] 步驟1 :根據(jù)節(jié)點的地理位置信息建立每個節(jié)點到各前向鄰居節(jié)點的鏈路比降函 數(shù)；
[0052] 步驟2:構建節(jié)點隊列模型，根據(jù)節(jié)點的數(shù)據(jù)包服務率，建立鏈路的流量半徑函 數(shù)；
[0053] 步驟3 :根據(jù)已經(jīng)建立的鏈路比降函數(shù)和流量半徑函數(shù)構建節(jié)點間鏈路流速模 型；
[0054] 步驟4 :節(jié)點根據(jù)各鏈路流速的不同創(chuàng)建路由轉發(fā)概率函數(shù)，完成路由的建立； 陽化5] 步驟5 :創(chuàng)建擁塞檢測函數(shù)對網(wǎng)絡的擁塞程度進行實時檢測，一旦出現(xiàn)節(jié)點擁塞 則進行局部路由維護。
[0056] 圖1為本發(fā)明實施例所使用的網(wǎng)絡拓撲結構圖。
[0057] 初始化網(wǎng)絡環(huán)境：100個具有相同通信能力和感知能力的傳感器節(jié)點隨機、均勻 地分布在200米X200米的區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點可獲取自己的地理位置并具有唯一的ID; 匯聚節(jié)點部署在網(wǎng)絡中央，坐標為（100,100);每個傳感器節(jié)點的最大通信半徑為30米；所 有節(jié)點能量持續(xù)。
[005引在進行路由選擇時，節(jié)點能否成為下一跳節(jié)點與傳輸?shù)皆摴?jié)點所消耗能量與節(jié)點 的擁塞程度有關。將無線傳感器網(wǎng)絡抽象成一個河流分布網(wǎng)，sink節(jié)點處于地勢最低點， 節(jié)點間的鏈路相當于河道，所有數(shù)據(jù)包向河水一樣向下游流動。在網(wǎng)絡初始階段，數(shù)據(jù)包幾 乎沿著最大比降（即最短路徑）向下游流動。隨著發(fā)送時間的增長，節(jié)點的擁塞程度的變 化導致河道傳輸能力的差異，致使數(shù)據(jù)包不能再沿著最短路徑流動。運時，數(shù)據(jù)包將根據(jù)鏈 路流速尋找合適的分流路徑，W此來緩解網(wǎng)絡擁塞并優(yōu)化網(wǎng)絡能耗。
[0059] 步驟1 :根據(jù)節(jié)點的地理位置信息建立每個節(jié)點到各前向鄰居節(jié)點的鏈路比降函 數(shù)，其計算公式為：
[0061] 式中，Ji, ,為節(jié)點i與節(jié)點j的鏈路比降函數(shù)值；d為兩節(jié)點間的歐式距離； sink為無線傳感器網(wǎng)絡中的匯聚節(jié)點；FN(i)為節(jié)點i的前向鄰居節(jié)點集，F(xiàn)N(i)=UIdi,RWdi,unk<d，其中，Rtx為節(jié)點的最大通信半徑。
[0062] 圖2為本發(fā)明所述方法步驟2中的節(jié)點隊列模型，下面結合圖2說明步驟2的具 體實施過程。為了對無線傳感器網(wǎng)絡進行擁塞控制，引入水文學中水力半徑的概念。在水 文學中，水力半徑反應了河流輸水能力的大小。類似地，在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點的數(shù)據(jù) 包服務率反應了節(jié)點處理數(shù)據(jù)包的能力，從擁塞控制的角度出發(fā)，引入水力半徑的概念并 重新定義為流量半徑。
[0063] 步驟2:構建節(jié)點隊列模型，根據(jù)節(jié)點的數(shù)據(jù)包服務率，建立鏈路的流量半徑函 數(shù)，具體為：
[0064] Ri_j=Uj； W65] 式中，Ri,,為節(jié)點i與前向鄰居節(jié)點j的流量