CN101742554A - 无线多媒体传感器网络多路径传输机制的拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线多媒体传感器网络多路径传输机制及其拥塞控制方法，该方法以密集部署的无线传感器网络节点和无线多媒体传感器网络节点为依托，以提高传感数据的传输质量和可靠性为目标，利用中继节点构建从源节点到目的节点的多条传感数据传输路径，保证了多媒体传感数据和普通传感数据及时、准确、可靠地到达目的节点。同时，以提高网络资源利用率为目标，设计了针对中继节点及其所在链路的拥塞发现、拥塞通告及拥塞调整方法，进一步保证了数据传输可靠性。

Description

无线多媒体传感器网络多路径传输机制的拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及一种无线多媒体传感器网络的路径选择与数据传输方法。该方法为多类型传感数据及时、准确、高效地传输提供保障，属于传感器网络技术和无线通信技术的交叉领域。

背景技术

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始出现，并且引起了人们的极大关注。由此形成的传感器网络能够协调地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境或监测对象信息，并发布给需要这些信息的用户。传感器网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，深刻地改变了人与自然的交互方式，可以广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。

目前，传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环境数据(如温度、湿度、光强等)采集、传输与处理。然而，随着监测环境的日趋复杂多变，由这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等多媒体信息引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。由此，多媒体传感器网络应运而生。

然而，由于自身硬件资源和网络条件的限制，无线多媒体传感器网络的发展面临着许多的挑战和困难。其中，如何提高视频、音频、图像等多媒体传感数据在网络中的传输质量，如何保证数据传输的准确性、实时性和高效率，成为无线多媒体传感器网络亟待解决的问题之一。

发明人在研究中发现，在节点随机撒播的传感器网络中，利用密集部署的各个节点建立多条从源节点到目的节点的数据传输路径，将能够有效提高节点、尤其是多媒体传感器节点的传输效率，提升其数据传输成功率。同时，在数据传输过程中进行相应的拥塞通告和拥塞控制，能够进一步增加对无线多媒体传感器网络的资源利用率。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种无线多媒体传感器网络多路径传输机制的拥塞控制方法，该方法以密集部署的无线传感器网络节点和无线多媒体传感器网络节点为依托，以提高传感数据的传输质量和可靠性为目标，利用中继节点构建从源节点到目的节点的多条传感数据传输路径，保证了多媒体传感数据和普通传感数据及时、准确、可靠地到达目的节点。同时，以提高网络资源利用率为目标，设计了针对中继节点及其所在链路的拥塞发现、拥塞通告及拥塞调整方法，进一步保证了数据传输可靠性。

技术方案：本发明建立了一种无线多媒体传感器网络多路径传输机制的拥塞控制方法，其基本的系统组成包括：

普通节点：可以感知其周围空间的温度、湿度、光照度、气体浓度等环境信息的无线传感器网络节点。普通节点同时具备数据包转发能力，可以将其自身产生的传感数据或接收到的其它节点的传感数据发送到其通信能力可达的任何节点；

多媒体节点：可以感知其周围空间的图像、视频、音频等多媒体信息的无线传感器节点。本发明中定义多媒体节点只进行传感，不进行数据包转发；

中继节点：具备数据转发能力的节点。本发明中定义网络中任何普通节点都可以成为中继节点。中继节点拥有一块数据接收缓冲区，用于暂存接收到的数据，一旦该数据被中继节点处理完毕，则其占用的部分缓冲区将释放；

源节点：具有传感能力并发出传感数据的普通节点或多媒体节点；

目的节点：传感数据最终传输到的节点。

无线多媒体传感器网络多路径传输机制及其拥塞控制方法的步骤为：

步骤1).在网络环境内，随机、均匀撒播多个具有相同初始能量、相同通信能力与传感能力的普通节点，每个普通节点都已获知自身及网络中其它普通节点的位置信息，且可以随时获知自己的剩余能量信息；

步骤2).在网络环境内，随机、均匀撒播多个具有相同初始能量、相同通信能力与传感能力的多媒体节点，所有的普通节点和多媒体节点都拥有一个2字节长度的、唯一的ID号，用以标识自身；

步骤3).每个充当中继节点的普通节点将其数据接收缓冲区划分为三个独立的数据接收缓存队列，分别为多媒体传感数据队列、普通传感数据队列和信息队列；其中，多媒体传感数据队列拥有最大的长度，存放该中继节点接收到的多媒体传感数据；普通传感数据队列拥有中等大小的队列长度，存放该中继节点接收到的非多媒体传感数据；信息队列拥有最小的队列长度，存放控制数据与元数据；当某一类型的数据接收缓存队列没有空间存放其所接收到的相应类型的数据时，该缓存队列溢出；数据接收缓冲区中同时还拥有一个数据类型分发器，用来将节点接收到的各个数据分发到各个不同的数据接收缓存队列中；

步骤4).网络中的普通节点和多媒体节点在将其传感数据发送到目的节点之前，将首先产生并广播一个描述该传感数据的信息包，称为“元数据”；

步骤5).网络中的节点在发出元数据后，立即开启一个计时器，开始计时，并设定最大计时时间T_i；

步骤6).每一个中继节点都建立一个存储表，表中存储其所收到的每一个元数据包，当中继节点接收到一个元数据包时，首先判断在其存储表中是否有相同ID的元数据包存在，若存在，则中继节点丢弃该元数据包，否则，对该元数据包、当前的链路状况以及节点的自身状况进行评价，若不符合条件，则中继节点丢弃该元数据包，不再继续转发，否则，中继节点将更新并存储该元数据包，同时将更新后的元数据包发送给它的邻居节点，但不包括其上一跳节点；

步骤7)中继节点在完成对元数据包的转发后，立刻开启一个针对该包的计时器，并设定最大计时时间为P_i；

步骤8).当目的节点收到了某一ID号的元数据包时，则开启一个计时器并设定某一固定计时时间，开始等待由其它路径传输来的同一ID号的元数据包；

步骤9)若在计时器结束计时之前，目的节点没有再收到任何元数据，则将其收到的唯一的元数据包所经过的路径设置为从源节点传输传感数据到目的节点的主路径，同时产生一个针对该元数据的应答包，应答包结构中，ID字段存放元数据包的ID；“主路径”、“备选路径”和“次路径”字段分别表示从源节点到目的节点的各个路径，其后分别是各个链表项，用来标识所建立的各条路径上的各个节点。若某条路径没有建立，则其后的链表项为空，此时，目的节点取出其所接收到的唯一的元数据包的路径信息字段中的各个ID号，将其填充到应答包的“主路径”字段后的各个链表项中；

步骤10)若在计时器结束计时之前，目的节点又收到了另外一个相同ID号的元数据包，则目的节点对比其所收到的两个元数据包中各个字段的值，并计算“实际最小剩余能量”、“实际最小链路传输速率”以及“实际最低链路信噪比”这三个字段中的值的乘积，选择乘积结果较大的一个元数据包所经历的路径作为主路径，另一个作为备选路径，并将这两个元数据包中的路径信息字段中的各个ID号填充到应答包的“主路径”和“备选路径”字段后的相应的链表项中；

步骤11)若在计时器结束计时之前，目的节点又收到了两个或两个以上相同ID的元数据包，则目的节点按照步骤9)中的方式进行计算，选择乘积最大的一个元数据包所经历的路径作为主路径，选择乘积第二大和第三大的元数据包所经历的路径分别作为备选路径和次路径；并将这三个元数据包中的路径信息字段中的各个ID号填充到应答包的“主路径”、“备选路径”和“次路径”字段后的相应的链表项中；

步骤12)目的节点沿着其所建立的路径，反向广播应答包，若目的节点没有收到任何元数据包，则不产生应答包；

步骤13)在中继节点针对某元数据包的计时时间到达P_i之前，

若收到了目的节点针对该元数据包的应答包，则节点停止针对该元数据包的计时，同时删除其存储表中针对该元数据的相关表项，并转发该应答包；

若中继节点没有收到关于该元数据包的应答包，则节点删除其存储表中针对该元数据包的相关表项；

步骤14)在源节点的计时时间到达T_i之前，若收到了关于元数据包的应答包，则源节点查看该应答包的内容后执行以下操作：

若该应答包中有且仅有主路径的信息，则：

①若源节点将要发送的是多媒体传感数据，则降低节点的采样分辨率或采样帧率，或者增大采样时间间隔，并调整节点对传输路径的速率、信噪比、中继节点的剩余能量以及传感数据最大允许传输时间等条件的要求，重新生成并发送元数据包，以建立备选路径和次路径，同时，开始在主路径上传输多媒体数据；

②若源节点将要发送的是普通传感数据，则降低节点的数据采样精度或增大其采样时间间隔，并调整节点对传输路径的速率、信噪比、中继节点的剩余能量以及传感数据最大允许传输时间等条件的要求，重新生成并发送元数据包，以建立备选路径和次路径，同时，开始在主路径上传输普通传感数据；

若应答包中有且仅有主路径和备选路径的信息，则源节点重新生成并发送元数据包，以建立次路径，同时，开始在主路径上传输传感数据；

若应答包中同时含有主路径、备选路径和次路径的信息，则源节点开始在主路径上传输传感数据，在次路径上传输控制数据；

步骤15)在源节点的计时时间到达T_i之前，若没有收到关于元数据包的应答包，则：若源节点将要发送的是多媒体传感数据，则降低节点的采样分辨率和采样帧率，同时增大采样时间间隔；

若源节点将要发送的是普通传感数据，则降低节点的数据采样精度，同时增大采样时间间隔；

随后，源节点重新计算对传输路径的速率、信噪比、中继节点的剩余能量以及传感数据最大允许传输时间等条件的要求，重新生成并发送元数据包，转步骤5)；

步骤16)若源节点将其对网络的资源要求降低到最低限度后，仍无法收到关于其元数据包的应答包，则该源节点放弃其传感数据发送要求，直到有新的传感数据需要发送时，转步骤4)；

步骤17)在中继节点转发传感数据的过程中，以一定的时间间隔监听其相应的数据接收缓冲队列，查看其是否溢出，同时监听本节点所在的链路的传输情况，包括链路的拥塞状况、丢包率、误码率；

若多媒体传感数据队列溢出，则：

①中继节点通知产生该传感数据的源节点，启用备选路径，分担部分传感量；

②若在源节点启用备选路径后，多媒体传感队列仍然溢出，则中继节点通知源节点降低多媒体数据的采样分辨率，同时考察队列是否继续溢出；

③若多媒体传感数据队列仍然溢出，则中继节点通知源节点增大数据采样时间间隔，以降低到达该队列的数据接收速率；

④若队列仍然溢出，则中继节点通知源节点以快照形式而非多媒体流的形式传输传感数据，即源节点只发送非连续的关键帧；

⑤执行④后，队列仍然溢出，则中继节点通知源节点停止对该传感数据的发送；若普通传感数据队列溢出，则：

①中继节点通知产生该传感数据的源节点，增大数据采样时间间隔，以降低到达该队列的数据接收速率，同时考察队列是否仍然溢出；

②若普通传感数据队列仍然溢出，则中继节点通知源节点，降低其数据采样精度，同时考察队列是否继续溢出；

③若普通传感数据队列仍然溢出，则中继节点为产生传感数据的源节点设定一个“数据突变门限值”，并将该值返回给源节点，源节点只发送超出该门限的传感数据；

④若此时普通传感队列仍然溢出，则中继节点通知源节点，启用备选路径，分担部分传感数据量；

⑤若在源节点启用备选路径后，普通传感队列仍然溢出，则中继节点通知源节点，停止对该传感数据的发送；

若中继节点所在链路的信噪比、传输差错率、丢包率等指标，不足以保证传感数据的可靠传输，则中继节点通知源节点启用备选路径，以分担部分传感数据量，同时通知其上一跳节点降低数据发送速率，以提高链路的可靠性指标，若中继节点所在链路仍不能保证传感数据的可靠传输，则中继节点通知源节点，停止对该传感数据的发送，以节约网络资源。

所述元数据包包括：

1)ID字段：表明该节点在网络中的具体编号，其字段长度为2个字节；

2)数据类型字段：表明节点所要发送的传感数据的类型是普通的环境监测传感数据还是多媒体数据，该字段长度为1个字节；

3)数据包大小字段：表明节点所要发送的传感数据的平均数据包的大小，其所存放的数据的单位为字节，该字段长度为2个字节；

4)所允许的最大传输时间字段：规定了节点所允许的将其传感数据发送到目的节点的最长时间，其所存放的数据的单位为秒，字段长度为2个字节；

5)所允许的最小剩余能量字段：规定了源节点对中继节点的最低剩余能量的要求，剩余能量小于该值的节点将不能参与该源节点的传感数据传输，其所存放的数据单位为焦耳，字段长度为1个字节；

6)所允许的最低链路传输速率字段：设定了节点传感数据的最小传输速率要求，其所存放的数据的单位为千字节/秒，字段长度为2个字节；

7)所允许的最低链路信噪比字段：定义了节点对其传感数据所经过的无线链路的传输质量要求，其所存放的数据的单位为分贝，字段长度为1个字节；

8)路径字段：记录元数据包即将经过的各个节点，以便于目的节点据此来建立多路径，该字段设置为一链表结构，链表中的每一项长度为2个字节，用于存放元数据所经过的节点的ID号，链表初始为空；

9)实际最小剩余能量字段：记录元数据包所经过的各个节点中，剩余能量最小的那个节点的剩余能量值，其所存放的数据单位为焦耳，初始值为无穷大，字段长度为1个字节；

10)实际最小链路传输速率字段：记录了元数据所经过的链路中，最小传输速率的数值，其所存放的数据单位为千字节/秒，初始值为无穷大，字段长度为2个字节；

11)实际最低链路信噪比字段：记录了元数据所经过的链路中，最小信噪比的数值，其所存放的数据单位为分贝，初始值为无穷大，字段长度为1个字节；

在所述的步骤6)中，对当前的链路状况及节点的自身状况的评价包括：

1)中继节点自身的剩余能量必须大于元数据包的“所允许的最小剩余能量字段”中的数值；

2)从上一跳节点到本中继节点的链路数据传输速率必须大于元数据包的“所允许的最低链路传输速率字段”中的数值且该链路的信噪比必须大于元数据包的“所允许的最低链路信噪比字段”中的数值；

3)该中继节点比转发该元数据包的上一跳节点在地理位置上，更接近于元数据包所要到达的目的节点；

4)中继节点的拥塞发现单元没有发现节点自身或同节点相关的链路存在拥塞；

5)从元数据包从源节点出发开始，到本中继节点为止所耗费的时间，没有超过元数据包的“所允许的最大传输时间”字段中的数值；

在步骤6)中，所述的元数据包的更新过程包括：

步骤1)将元数据包中“所允许的最大传输时间”字段的值减去该元数据包从上一跳节点传输到本中继节点的时间后，重新写入该字段；

步骤2)将本中继节点的ID号写入元数据包中“路径字段”的相应的链表项中；

步骤3)判断本中继节点当前的剩余能量是否小于元数据包中“实际最小剩余能量”字段中的数值，若小于，则将本中继节点的剩余能量值写入该字段，覆盖其原有值；

步骤4)判断本中继节点所在链路的传输速率是否小于元数据包中“实际最小链路传输速率”字段中的数值，若小于，则将本中继节点所在链路的传输速率的值写入该字段，覆盖其原有值；

步骤5)判断本中继节点所在链路的信噪比是否小于元数据包中“实际最低链路信噪比”字段中的数值，若小于，则将本中继节点所在链路的信噪比的值写入该字段，覆盖其原有值。

有益效果：作为无线多媒体传感器网络的一种高效、可靠的数据传输方法，本发明具有以下一些有益成果：

1.源节点在发送传感数据之前，首先通过元数据进行路径选择，避免了不必要的错误路径传输开销，提高了传感数据的传输效率；

2.针对网络中大量不同类型的传感数据，建立主路径、次路径和备选路径，分别起到传输传感数据、传输控制数据以及分担主路径负担的作用。这样一种多路径的方式保证了传感器网络中的可靠数据传输；

3.在中继节点中建立了多个不同类型的数据接收缓存队列，对节点所接收的数据进行分类处理，保证了各类型数据在中继节点中的高效运转；

4.建立了针对中继节点及其所在链路的拥塞发现和拥塞通告机制，并对链路质量进行持续观测。当节点或链路出现拥塞或通信质量下降时，中继节点能够促使源节点调整其所发送的传感数据质量，以降低拥塞程度，提高数据传输成功率；

附图说明

图1是本发明所面向的无线多媒体传感器网络多路径传输结构。普通节点和多媒体节点通过多跳传输路径，将传感数据传送到目的节点；

图2是本发明的中继节点中的数据接收缓冲区及其内部的多个数据接收缓存队列的示意图；

图3是本发明中的普通节点和多媒体节点在所生成的元数据包的基本内容与结构；

图4是本发明中的目的节点所生成的应答包的基本内容与结构；

图5是本发明中的中继节点的拥塞发现、拥塞通告和拥塞控制的流程图。

具体实施方式

本发明的方法以网络中多种类型的传感器节点为依托，构建拥有一定服务质量保证的多条数据包传输路径，并在此基础上，根据节点、链路及网络的实际情况，实施相应的拥塞控制方案，保证了部署于网络环境中的各类型多媒体传感器节点的数据和信息及时、准确、高效地传输到目的节点。其具体实施方式为：

1)在网络环境内，随机、均匀撒播多个具有相同初始能量、相同通信能力与传感能力的普通节点。每个普通节点都已获知自身及网络中其它普通节点的位置信息，且可以随时获知自己的剩余能量信息；

2)在网络环境内，随机、均匀撒播多个具有相同初始能量、相同通信能力与传感能力的多媒体节点。所有的普通节点和多媒体节点都拥有一个2字节长度的、唯一的ID号，用以标识自身；

3)每个充当中继节点的普通节点将其数据接收缓冲区划分为三个独立的数据接收缓存队列，其具体表现形式如图2。其中，多媒体传感数据队列拥有最大的长度，存放该中继节点接收到的多媒体传感数据(如视频流数据、音频流数据、图像帧数据等)；普通传感数据队列拥有中等大小的队列长度，存放该中继节点接收到的非多媒体传感数据(如温度传感数据、湿度传感数据等)；信息队列拥有最小的队列长度，存放控制数据(如拥塞通告数据包等)与元数据。当某一类型的数据接收缓存队列没有空间存放其所接收到的相应类型的数据时，该缓存队列溢出。数据接收缓冲区中同时还拥有一个数据类型分发器，用来将节点接收到的各个数据分发到各个不同的数据接收缓存队列中；

4)网络中的普通节点和多媒体节点在将其传感数据发送到目的节点之前，将首先产生并广播一个描述该传感数据的信息包，称为“元数据”。元数据包的格式如图3所示，其具体组成部分包括：

(1)ID字段：表明该节点在网络中的具体编号，其字段长度为2个字节；

(2)数据类型字段：表明节点所要发送的传感数据的类型是普通的环境监测传感数据还是多媒体数据，该字段长度为1个字节；

(3)数据包大小字段：表明节点所要发送的传感数据的平均数据包的大小，其所存放的数据的单位为字节，该字段长度为2个字节；

(4)所允许的最大传输时间字段：规定了节点所允许的将其传感数据发送到目的节点的最长时间。该字段可以保证传感数据传输的实时性，其所存放的数据的单位为秒，字段长度为2个字节；

(5)所允许的最小剩余能量字段：规定了源节点对中继节点的最低剩余能量的要求。剩余能量小于该值的节点将不能参与该源节点的传感数据传输。其所存放的数据单位为焦耳，字段长度为1个字节；

(6)所允许的最低链路传输速率字段：设定了节点传感数据的最小传输速率要求。该字段可以保证传感数据、尤其是多媒体传感数据的传输质量，降低数据的丢失率和出错率，其所存放的数据的单位为千字节/秒，字段长度为2个字节；

(7)所允许的最低链路信噪比字段：定义了节点对其传感数据所经过的无线链路的传输质量要求。其所存放的数据的单位为分贝，字段长度为1个字节；

(8)路径字段：记录元数据包即将经过的各个节点，以便于目的节点据此来建立多路径。该字段设置为一链表结构，链表中的每一项长度为2个字节，用于存放元数据所经过的节点的ID号，链表初始为空；

(9)实际最小剩余能量字段：记录元数据包所经过的各个节点中，剩余能量最小的那个节点的剩余能量值，其所存放的数据单位为焦耳，初始值为无穷大，字段长度为1个字节；

(10)实际最小链路传输速率字段：记录了元数据所经过的链路中，最小传输速率的数值，其所存放的数据单位为千字节/秒，初始值为无穷大，字段长度为2个字节；

(11)实际最低链路信噪比字段：记录了元数据所经过的链路中，最小信噪比的数值，其所存放的数据单位为分贝，初始值为无穷大，字段长度为1个字节；

5)网络中的节点在发出元数据后，立即开启一个计时器，开始计时，并设定最大计时时间T_i；

6)每一个中继节点都建立一个存储表，表中存储其所收到的每一个元数据包。当中继节点接收到一个元数据包时，首先判断在其存储表中是否有相同ID的元数据包存在。若存在，则可认为本次收到的元数据包为其它节点错误转发而来，中继节点丢弃该元数据包。否则，将对该元数据包、当前的链路状况以及节点的自身状况进行评价，若不符合以下5个条件之一，则中继节点丢弃该元数据包，不再继续转发；

(1)中继节点自身的剩余能量必须大于元数据包的“所允许的最小剩余能量字段”中的数值；

(2)从上一跳节点到本中继节点的链路数据传输速率必须大于元数据包的“所允许的最低链路传输速率字段”中的数值且该链路的信噪比必须大于元数据包的“所允许的最低链路信噪比字段”中的数值；

(3)该中继节点比转发该元数据包的上一跳节点在地理位置上，更接近于元数据包所要到达的目的节点；

(4)中继节点的拥塞发现单元没有发现节点自身或同节点相关的链路存在拥塞；

(5)从元数据包从源节点出发开始，到本中继节点为止所耗费的时间，没有超过元数据包的“所允许的最大传输时间”字段中的数值；

若以上5个条件均满足，则中继节点将更新并存储该元数据包，同时将更新后的元数据包发送给它的邻居节点，但不包括其上一跳节点。元数据包的更新过程包括：

(1)将元数据包中“所允许的最大传输时间”字段的值减去该元数据包从上一跳节点传输到本中继节点的时间后，重新写入该字段；

(2)将本中继节点的ID号写入元数据包中“路径字段”的相应的链表项中；

(3)判断本中继节点当前的剩余能量是否小于元数据包中“实际最小剩余能量”字段中的数值，若小于，则将本中继节点的剩余能量值写入该字段，覆盖其原有值；

(4)判断本中继节点所在链路的传输速率是否小于元数据包中“实际最小链路传输速率”字段中的数值，若小于，则将本中继节点所在链路的传输速率的值写入该字段，覆盖其原有值；

(5)判断本中继节点所在链路的信噪比是否小于元数据包中“实际最低链路信噪比”字段中的数值，若小于，则将本中继节点所在链路的信噪比的值写入该字段，覆盖其原有值；

中继节点在完成对元数据包的转发后，立刻开启一个针对该包的计时器，并设定最大计时时间为P_i；

7)当目的节点收到了某一ID号的元数据包时，证明至少有一条从该ID号所标识的源节点到该目的节点的数据传输路径已建立，则目的节点开启一个计时器并设定某一固定计时时间，开始等待由其它路径传输来的同一ID号的元数据包；

(1)若在计时器结束计时之前，目的节点没有再收到任何元数据，则将其收到的唯一的元数据包所经过的路径设置为从源节点传输传感数据到目的节点的主路径。同时产生一个针对该元数据的应答包。应答包为十字链表结构，如图4。其中，ID字段存放元数据包的ID，也即源节点的ID；“主路径”、“备选路径”和“次路径”字段分别表示从源节点到目的节点的各个路径，其后分别是各个链表项，用来标识所建立的各条路径上的各个节点。若某条路径没有建立，则其后的链表项为空。

在本情况下，目的节点取出其所接收到的唯一的元数据包的路径信息字段中的各个ID号，将其填充到应答包的“主路径”字段后的各个链表项中；

(2)若在计时器结束计时之前，目的节点又收到了另外一个相同ID号的元数据包，则表明从源节点到目的节点存在多条可传输的路径。此时，目的节点对比其所收到的两个元数据包中各个字段的值，并计算“实际最小剩余能量”、“实际最小链路传输速率”以及“实际最低链路信噪比”这三个字段中的值的乘积，选择乘积结果较大的一个元数据包所经历的路径作为主路径，另一个作为备选路径，并将这两个元数据包中的路径信息字段中的各个ID号填充到应答包的“主路径”和“备选路径”字段后的相应的链表项中；

(3)若在计时器结束计时之前，目的节点又收到了两个或两个以上相同ID的元数据包，则目的节点按照(2)中的方式进行计算，选择乘积最大的一个元数据包所经历的路径作为主路径，选择乘积第二大和第三大的元数据包所经历的路径分别作为备选路径和次路径；并将这三个元数据包中的路径信息字段中的各个ID号填充到应答包的“主路径”、“备选路径”和“次路径”字段后的相应的链表项中；

8)目的节点沿着其所建立的路径，反向广播应答包。若目的节点没有收到任何元数据包，则不产生应答包；

9)在中继节点针对某元数据包的计时时间到达P_i之前，

(1)若收到了目的节点针对该元数据包的应答包，则表明该中继节点位于主路径或次路径或备选路径上。此时，节点停止针对该元数据包的计时，同时删除其存储表中针对该元数据的相关表项，并转发该应答包；

(2)若中继节点没有收到关于该元数据包的应答包，则表明元数据包在转发过程中被丢弃，或本中继节点所在路径无法成为主路径或次路径或备选路径。此时，节点删除其存储表中针对该元数据包的相关表项；

10)在源节点的计时时间到达T_i之前，若收到了关于元数据包的应答包，则源节点查看该应答包的内容后执行以下操作：

(1)若该应答包中有且仅有主路径的信息，则：

①若源节点将要发送的是多媒体传感数据，则降低节点的采样分辨率或采样帧率，或者增大采样时间间隔，并调整节点对传输路径的速率、信噪比、中继节点的剩余能量以及传感数据最大允许传输时间等条件的要求，重新生成并发送元数据包，以建立备选路径和次路径，同时，开始在主路径上传输多媒体数据；

②若源节点将要发送的是普通传感数据，则降低节点的数据采样精度或增大其采样时间间隔，并调整节点对传输路径的速率、信噪比、中继节点的剩余能量以及传感数据最大允许传输时间等条件的要求，重新生成并发送元数据包，以建立备选路径和次路径，同时，开始在主路径上传输普通传感数据；

(2)若应答包中有且仅有主路径和备选路径的信息，则源节点按照(1)中的方式，重新生成并发送元数据包，以建立次路径。同时，开始在主路径上传输传感数据；

(3)若应答包中同时含有主路径、备选路径和次路径的信息，则说明该源节点到目的节点的多路径已经完全建立。源节点开始在主路径上传输传感数据，在次路径上传输控制数据；

11)在源节点的计时时间到达T_i之前，若没有收到关于元数据包的应答包，则可以认为该元数据包在转发途中被丢弃或网络中没有任何一条路径可以满足该源节点的传感数据传输要求。此时源节点调整其传感灵敏度和精确度，以降低其对网络的资源要求。具体如下：

(1)若源节点将要发送的是多媒体传感数据，则降低节点的采样分辨率和采样帧率，同时增大采样时间间隔；

(2)若源节点将要发送的是普通传感数据，则降低节点的数据采样精度，同时增大采样时间间隔；

随后，源节点根据上述调整后的值，重新计算对传输路径的速率、信噪比、中继节点的剩余能量以及传感数据最大允许传输时间等条件的要求，重新生成并发送元数据包，转5)；

12)若源节点将其对网络的资源要求降低到最低限度后，仍无法收到关于其元数据包的应答包，则该源节点放弃其传感数据发送要求。直到有新的传感数据需要发送时，转4)；

13)在中继节点转发传感数据的过程中，将以一定的时间间隔监听其相应的数据接收缓冲队列，查看其是否溢出，同时监听本节点所在的链路的传输情况，包括链路的拥塞状况、丢包率、误码率等；

(1)若多媒体传感数据队列溢出，则：

①中继节点通知产生该传感数据的源节点，启用备选路径，分担部分传感数据量，以保证多媒体数据的实时性和精确性；

②若在源节点启用备选路径后，多媒体传感队列仍然溢出，则中继节点通知源节点降低多媒体数据的采样分辨率，同时考察队列是否继续溢出；

③若多媒体传感数据队列仍然溢出，则中继节点通知源节点增大数据采样时间间隔，以降低到达该队列的数据接收速率；

④若队列仍然溢出，则中继节点通知源节点以快照形式而非多媒体流的形式传输传感数据，即源节点只发送非连续的关键帧，以进一步减少数据传输量；

⑤执行④后，队列仍然溢出，则中继节点通知源节点，停止对该传感数据的发送，以节约网络资源；

(2)若普通传感数据队列溢出，则：

①中继节点通知产生该传感数据的源节点，增大数据采样时间间隔，以降低到达该队列的数据接收速率，同时考察队列是否仍然溢出；

②若普通传感数据队列仍然溢出，则中继节点通知源节点，降低其数据采样精度，同时考察队列是否继续溢出；

③若普通传感数据队列仍然溢出，则中继节点为产生传感数据的源节点设定一个“数据突变门限值”，并将该值返回给源节点，源节点只发送超出该门限的传感数据，以进一步降低传感数据量；

④若此时普通传感队列仍然溢出，则中继节点通知源节点，启用备选路径，分担部分传感数据量；

⑤若在源节点启用备选路径后，普通传感队列仍然溢出，则中继节点通知源节点，停止对该传感数据的发送，以节约网络资源；

(3)若中继节点所在链路的信噪比、传输差错率、丢包率等指标，不足以保证传感数据的可靠传输，则中继节点通知源节点启用备选路径，以分担部分传感数据量，同时通知其上一跳节点降低数据发送速率，以提高链路的可靠性指标。若中继节点所在链路仍不能保证传感数据的可靠传输，则中继节点通知源节点，停止对该传感数据的发送，以节约网络资源；中继节点的拥塞发现、拥塞通告与拥塞控制流程如图5所示。

Claims (4)

1.一种无线多媒体传感器网络多路径传输机制的拥塞控制方法，其特征在于该方法的步骤为：

步骤1).在网络环境内，随机、均匀撒播多个具有相同初始能量、相同通信能力与传感能力的普通节点，每个普通节点都已获知自身及网络中其它普通节点的位置信息，且可以随时获知自己的剩余能量信息；

步骤2).在网络环境内，随机、均匀撒播多个具有相同初始能量、相同通信能力与传感能力的多媒体节点，所有的普通节点和多媒体节点都拥有一个2字节长度的、唯一的ID号，用以标识自身；

步骤3).每个充当中继节点的普通节点将其数据接收缓冲区划分为三个独立的数据接收缓存队列，分别为多媒体传感数据队列、普通传感数据队列和信息队列；其中，多媒体传感数据队列拥有最大的长度，存放该中继节点接收到的多媒体传感数据；普通传感数据队列拥有中等大小的队列长度，存放该中继节点接收到的非多媒体传感数据；信息队列拥有最小的队列长度，存放控制数据与元数据；当某一类型的数据接收缓存队列没有空间存放其所接收到的相应类型的数据时，该缓存队列溢出；数据接收缓冲区中同时还拥有一个数据类型分发器，用来将节点接收到的各个数据分发到各个不同的数据接收缓存队列中；

步骤4).网络中的普通节点和多媒体节点在将其传感数据发送到目的节点之前，将首先产生并广播一个描述该传感数据的信息包，称为“元数据”；

步骤5).网络中的节点在发出元数据后，立即开启一个计时器，开始计时，并设定最大计时时间T_i；

步骤6).每一个中继节点都建立一个存储表，表中存储其所收到的每一个元数据包，当中继节点接收到一个元数据包时，首先判断在其存储表中是否有相同ID的元数据包存在，若存在，则中继节点丢弃该元数据包，否则，对该元数据包、当前的链路状况以及节点的自身状况进行评价，若不符合条件，则中继节点丢弃该元数据包，不再继续转发，否则，中继节点将更新并存储该元数据包，同时将更新后的元数据包发送给它的邻居节点，但不包括其上一跳节点；

步骤7)中继节点在完成对元数据包的转发后，立刻开启一个针对该包的计时器，并设定最大计时时间为P_i；

步骤8).当目的节点收到了某一ID号的元数据包时，则开启一个计时器并设定某一固定计时时间，开始等待由其它路径传输来的同一ID号的元数据包；

步骤9)若在计时器结束计时之前，目的节点没有再收到任何元数据，则将其收到的唯一的元数据包所经过的路径设置为从源节点传输传感数据到目的节点的主路径，同时产生一个针对该元数据的应答包，应答包结构中，ID字段存放元数据包的ID；“主路径”、“备选路径”和“次路径”字段分别表示从源节点到目的节点的各个路径，其后分别是各个链表项，用来标识所建立的各条路径上的各个节点。若某条路径没有建立，则其后的链表项为空，此时，目的节点取出其所接收到的唯一的元数据包的路径信息字段中的各个ID号，将其填充到应答包的“主路径”字段后的各个链表项中；

步骤10)若在计时器结束计时之前，目的节点又收到了另外一个相同ID号的元数据包，则目的节点对比其所收到的两个元数据包中各个字段的值，并计算“实际最小剩余能量”、“实际最小链路传输速率”以及“实际最低链路信噪比”这三个字段中的值的乘积，选择乘积结果较大的一个元数据包所经历的路径作为主路径，另一个作为备选路径，并将这两个元数据包中的路径信息字段中的各个ID号填充到应答包的“主路径”和“备选路径”字段后的相应的链表项中；

步骤11)若在计时器结束计时之前，目的节点又收到了两个或两个以上相同ID的元数据包，则目的节点按照步骤9)中的方式进行计算，选择乘积最大的一个元数据包所经历的路径作为主路径，选择乘积第二大和第三大的元数据包所经历的路径分别作为备选路径和次路径；并将这三个元数据包中的路径信息字段中的各个ID号填充到应答包的“主路径”、“备选路径”和“次路径”字段后的相应的链表项中；

步骤12)目的节点沿着其所建立的路径，反向广播应答包，若目的节点没有收到任何元数据包，则不产生应答包；

步骤13)在中继节点针对某元数据包的计时时间到达Pi之前，

若收到了目的节点针对该元数据包的应答包，则节点停止针对该元数据包的计时，同时删除其存储表中针对该元数据的相关表项，并转发该应答包；

若中继节点没有收到关于该元数据包的应答包，则节点删除其存储表中针对该元数据包的相关表项；

步骤14)在源节点的计时时间到达T_i之前，若收到了关于元数据包的应答包，则源节点查看该应答包的内容后执行以下操作：

若该应答包中有且仅有主路径的信息，则：

③若源节点将要发送的是多媒体传感数据，则降低节点的采样分辨率或采样帧率，或者增大采样时间间隔，并调整节点对传输路径的速率、信噪比、中继节点的剩余能量以及传感数据最大允许传输时间等条件的要求，重新生成并发送元数据包，以建立备选路径和次路径，同时，开始在主路径上传输多媒体数据；

④若源节点将要发送的是普通传感数据，则降低节点的数据采样精度或增大其采样时间间隔，并调整节点对传输路径的速率、信噪比、中继节点的剩余能量以及传感数据最大允许传输时间等条件的要求，重新生成并发送元数据包，以建立备选路径和次路径，同时，开始在主路径上传输普通传感数据；

若应答包中有且仅有主路径和备选路径的信息，则源节点重新生成并发送元数据包，以建立次路径，同时，开始在主路径上传输传感数据；

若应答包中同时含有主路径、备选路径和次路径的信息，则源节点开始在主路径上传输传感数据，在次路径上传输控制数据；

步骤15)在源节点的计时时间到达T_i之前，若没有收到关于元数据包的应答包，则：

若源节点将要发送的是多媒体传感数据，则降低节点的采样分辨率和采样帧率，同时增大采样时间间隔；

若源节点将要发送的是普通传感数据，则降低节点的数据采样精度，同时增大采样时间间隔；

随后，源节点重新计算对传输路径的速率、信噪比、中继节点的剩余能量以及传感数据最大允许传输时间等条件的要求，重新生成并发送元数据包，转步骤5)；

步骤16)若源节点将其对网络的资源要求降低到最低限度后，仍无法收到关于其元数据包的应答包，则该源节点放弃其传感数据发送要求，直到有新的传感数据需要发送时，转步骤4)；

步骤17)在中继节点转发传感数据的过程中，以一定的时间间隔监听其相应的数据接收缓冲队列，查看其是否溢出，同时监听本节点所在的链路的传输情况，包括链路的拥塞状况、丢包率、误码率；

若多媒体传感数据队列溢出，则：

①中继节点通知产生该传感数据的源节点，启用备选路径，分担部分传感量；

②若在源节点启用备选路径后，多媒体传感队列仍然溢出，则中继节点通知源节点降低多媒体数据的采样分辨率，同时考察队列是否继续溢出；

⑥若多媒体传感数据队列仍然溢出，则中继节点通知源节点增大数据采样时间间隔，以降低到达该队列的数据接收速率；

⑦若队列仍然溢出，则中继节点通知源节点以快照形式而非多媒体流的形式传输传感数据，即源节点只发送非连续的关键帧；

⑧执行④后，队列仍然溢出，则中继节点通知源节点停止对该传感数据的发送；若普通传感数据队列溢出，则：

①中继节点通知产生该传感数据的源节点，增大数据采样时间间隔，以降低到达该队列的数据接收速率，同时考察队列是否仍然溢出；

⑥若普通传感数据队列仍然溢出，则中继节点通知源节点，降低其数据采样精度，同时考察队列是否继续溢出；

⑦若普通传感数据队列仍然溢出，则中继节点为产生传感数据的源节点设定一个“数据突变门限值”，并将该值返回给源节点，源节点只发送超出该门限的传感数据；

⑧若此时普通传感队列仍然溢出，则中继节点通知源节点，启用备选路径，分担部分传感数据量；

⑨若在源节点启用备选路径后，普通传感队列仍然溢出，则中继节点通知源节点，停止对该传感数据的发送；

若中继节点所在链路的信噪比、传输差错率、丢包率等指标，不足以保证传感数据的可靠传输，则中继节点通知源节点启用备选路径，以分担部分传感数据量，同时通知其上一跳节点降低数据发送速率，以提高链路的可靠性指标，若中继节点所在链路仍不能保证传感数据的可靠传输，则中继节点通知源节点，停止对该传感数据的发送，以节约网络资源。

2.根据权利要求1所述的无线多媒体传感器网络多路径传输机制的拥塞控制方法，其特征在于所述元数据包包括：

1)ID字段：表明该节点在网络中的具体编号，其字段长度为2个字节；

2)数据类型字段：表明节点所要发送的传感数据的类型是普通的环境监测传感数据还是多媒体数据，该字段长度为1个字节；

3)数据包大小字段：表明节点所要发送的传感数据的平均数据包的大小，其所存放的数据的单位为字节，该字段长度为2个字节；

4)所允许的最大传输时间字段：规定了节点所允许的将其传感数据发送到目的节点的最长时间，其所存放的数据的单位为秒，字段长度为2个字节；

5)所允许的最小剩余能量字段：规定了源节点对中继节点的最低剩余能量的要求，剩余能量小于该值的节点将不能参与该源节点的传感数据传输，其所存放的数据单位为焦耳，字段长度为1个字节；

6)所允许的最低链路传输速率字段：设定了节点传感数据的最小传输速率要求，其所存放的数据的单位为千字节/秒，字段长度为2个字节；

7)所允许的最低链路信噪比字段：定义了节点对其传感数据所经过的无线链路的传输质量要求，其所存放的数据的单位为分贝，字段长度为1个字节；

8)路径字段：记录元数据包即将经过的各个节点，以便于目的节点据此来建立多路径，该字段设置为一链表结构，链表中的每一项长度为2个字节，用于存放元数据所经过的节点的ID号，链表初始为空；

9)实际最小剩余能量字段：记录元数据包所经过的各个节点中，剩余能量最小的那个节点的剩余能量值，其所存放的数据单位为焦耳，初始值为无穷大，字段长度为1个字节；

10)实际最小链路传输速率字段：记录了元数据所经过的链路中，最小传输速率的数值，其所存放的数据单位为千字节/秒，初始值为无穷大，字段长度为2个字节；

11)实际最低链路信噪比字段：记录了元数据所经过的链路中，最小信噪比的数值，其所存放的数据单位为分贝，初始值为无穷大，字段长度为1个字节；

3.根据权利要求1所述的无线多媒体传感器网络多路径传输机制的拥塞控制方法，其特征在于在所述的步骤6)中，对当前的链路状况及节点的自身状况的评价包括：

1)中继节点自身的剩余能量必须大于元数据包的“所允许的最小剩余能量字段”中的数值；

2)从上一跳节点到本中继节点的链路数据传输速率必须大于元数据包的“所允许的最低链路传输速率字段”中的数值且该链路的信噪比必须大于元数据包的“所允许的最低链路信噪比字段”中的数值；

3)该中继节点比转发该元数据包的上一跳节点在地理位置上，更接近于元数据包所要到达的目的节点；

4)中继节点的拥塞发现单元没有发现节点自身或同节点相关的链路存在拥塞；

5)从元数据包从源节点出发开始，到本中继节点为止所耗费的时间，没有超过元数据包的“所允许的最大传输时间”字段中的数值；

4.根据权利要求1所述的无线多媒体传感器网络多路径传输机制的拥塞控制方法，其特征在于在步骤6)中，所述的元数据包的更新过程包括：

步骤1)将元数据包中“所允许的最大传输时间”字段的值减去该元数据包从上一跳节点传输到本中继节点的时间后，重新写入该字段；

步骤2)将本中继节点的ID号写入元数据包中“路径字段”的相应的链表项中；

步骤3)判断本中继节点当前的剩余能量是否小于元数据包中“实际最小剩余能量”字段中的数值，若小于，则将本中继节点的剩余能量值写入该字段，覆盖其原有值；

步骤4)判断本中继节点所在链路的传输速率是否小于元数据包中“实际最小链路传输速率”字段中的数值，若小于，则将本中继节点所在链路的传输速率的值写入该字段，覆盖其原有值；

步骤5)判断本中继节点所在链路的信噪比是否小于元数据包中“实际最低链路信噪比”字段中的数值，若小于，则将本中继节点所在链路的信噪比的值写入该字段，覆盖其原有值。

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