CN102065480A - 基于路径优先级的无线传感器网络拥塞避免与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出了一种基于路径优先级的多路径传感器网络拥塞避免和控制方法。传感器节点通过监测队列剩余空间大小和拥塞持续时间实时更新节点的拥塞状态指数(CSI)，并检查其是否发生改变，如果发生改变，计算节点的路由状态指数(RPSI)并通知路由的上一跳节点，上一跳节点更新所记录的下一跳节点的路由状态指数(RPSI)，调整下一跳路径的优先级。传感器节点根据路径优先级的不同发送不同优先级的数据信息。本发明实施例在减少网络拥塞的发生，均衡使用各节点的能量和队列空间方面取得了很好的性能。

Description

基于路径优先级的无线传感器网络拥塞避免与控制方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其将路径优先级与节点路由能量值的估计相结合引用到了无线传感器网络节点的拥塞避免与控制应用中。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式组成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络(WSN)具有大规模密集部署、节点资源有限、无线带宽小、拓扑结构动态变化等特点。在本文的应用场景中，其多跳的数据传输方式和多对一的通信模式常常导致靠近汇聚节点(或基站)处由于漏斗效应发生拥塞。同时无线信道的复杂性，不同无线链路上并发数据相互干扰，被感知事件产生的突发数据流等，都会引起WSN中的拥塞。在WSN中，拥塞不但会导致全局信道质量的下降和丢包率的上升，增大了延迟，而且极大的消耗传感器有限的能源，造成关键节点提前死亡，以至于整个网络提前瘫痪。

拥塞控制和拥塞避免技术主要有两类，一类是基于拥塞检测和恢复的控制策略，另一类是基于预先速率分配的拥塞避免策略。基于拥塞检测和恢复的控制策略是指根据缓存区占用率，拥塞度，逼真度等检测指标判定拥塞是否发生，当拥塞发生时采取不同的恢复策略消除拥塞。根据它们采取的拥塞恢复策略的不同可以分为端到端的速率控制和分布式控制。ESRT是一种基于端到端速率调节的拥塞控制协议，它通过综合衡量网络的拥塞状况和传输可靠性来强制调整源节点的发送速率使网络趋近最优运行点(OOR)。因此，ESRT要求汇聚节点通信范围能够覆盖整个网络，对不同的源节点都采取了相同的调整方式，对传感器网络的部署限制很高。PORT在ESRT基础上做了改进，根据不同的源节点对逼真度的贡献不同，优化了速率调整方案，同时增加了多跳转发的方式将速率通知源节点。STCP是一种基于分簇的支持多类型流传输的协议。当根据节点队列长度检测到拥塞发生时，STCP通过标记的方式通知源节点转移路径发送或者减速，从而缓解拥塞。以上介绍的协议都是端对端的，即直接对源节点进行速率调整或路径转移。分布式的拥塞控制是指在发生拥塞的区域就地调整上游节点的发送速率或者对数据进行分流，达到缓解拥塞的目的。它又可以分为基于速率调整的分布式控制和基于流量调度的分布式控制。CODA当根据缓存区占用率和通道采样检测到拥塞后，采用开环的Hop-by-Hop后压机制沿着源节点的方向发送，接收到后压消息的节点根据本地拥塞策略丢弃分组或调整速率，再根据本地的拥塞情况决定是否继续向其上游节点传播。当某事件源节点速率超出阀值时，开始闭环多源调节，由汇聚节点调整该事件所有源节点的发送速率，并显式的通知源节点。

CCF和Flush是两种基于速率预先分配的拥塞避免机制，它们主要是通过对网络中各节点之间的协作对节点的速率进行合理的分配和严格的限制，以避免拥塞的产生。由于基于速率预先分配拥塞避免机制需要节点之间更好的共享信息，协同计算，网络拓扑结构和规模的变化对这种算法提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决无线传感器网络节点发送大量数据带来的拥塞丢包问题，提供一种无线传感器网络中分布式的拥塞避免与控制系统，实现在尽可能避免拥塞的情况下均衡使用整个网络的能量和队列空间，降低网络能量消耗，延长网络生存时间。

本发明所采取的技术方案如下：

所述无线传感器网络拥塞避免与控制系统由拥塞检测模块和拥塞控制模块组成，当传感器节点接收数据时，它就启用拥塞检测模块，检测节点的拥塞状态；当节点发送数据时，它就启用拥塞控制模块，根据统计的下一跳路由状态值选择通过哪一条路径发送数据。本发明实施例假设通信信道是双向、对称的，每一节点都有一条或多条路径与上游和下游节点通信。

拥塞检测模块包括队列检测模块、拥塞时间检测模块、拥塞状态指数判定模块；队列检测模块以设定的两个队列门限值为参考，检测节点当前的队列占用情况，拥塞时间检测模块统计节点在某一拥塞状态所持续的时间，拥塞状态指数判定模块根据接收到的队列检测模块和拥塞时间检测模块的数据为参考，负责实时计算节点的拥塞状态指数等级。本发明在拥塞检测模块通过综合节点队列占用情况和拥塞持续时间作为判断节点拥塞级别的依据，有助于在节点拥塞发生的短时间内采取相应的控制措施以缓解拥塞。

所述无线传感器网络拥塞检测与控制系统的核心部分是拥塞控制模块，其包括节点能量计算模块、数据优先级提取模块、路由状态指数计算模块、路由优先级统计模块和路由状态指数反馈模块。节点能量计算模块负责实时更新节点的剩余能量值并估计下游路径节点的剩余路由能量值变化；数据优先级提取模块负责收集接收数据的优先等级；路由状态指数计算模块根据设定好的规则计算路由状态指数值，将计算结果提交给路由优先级统计模块；路由优先级统计模块负责保存下游路径的路由优先级，路由状态指数反馈模块接收拥塞检测模块传递的拥塞状态变化消息，将节点的路由状态指数反馈给路由的上一条节点。本发明将节点路由能量值的估计引入到路由优先级的判定中。通过对路由能量值的估计，减少了获得实际节点能量值所需的交互信息，又保证了路由能量值在路由优先级判定中的作用。

为了克服某些对数据速率要求高的传感器网络不允许通过调整速率的方式避免拥塞的问题，本发明采用多路径流量调度的方式来避免和缓解节点级拥塞。在针对传送多种优先级不同的混合数据的传感器网络中，通过综合衡量下一跳节点剩余能量、距离汇聚节点的跳数、拥塞状态指数(CSI)等因素作为不同路径优先级的度量，定义了路由状态指数(RPSI)的概念，通过优先级的对应关系来选择不同的路径发送数据，达到在尽可能避免发生拥塞的情况下整个网络能量得到均匀使用的目的。

附图说明

为了使本发明容易理解和实现，现在通过参考附图进行说明，附图中相似的附图标记是指所有各个视图中同样的或功能相似的部件。这些附图和下面的详细说明一起被包含进来并形成说明书的一部分，以进一步示意这些实施例并解释各种原理和优点，其中：

图1是基于路径优先级的无线传感器网络拥塞避免与控制系统模型，所述系统包括拥塞检测模块和拥塞控制模块。

图2是本发明实施例采用的拥塞避免与控制机制的方法流程图；

图3是本发明实施例采用的无线通信能耗模型；

图4是本发明实施例采用的传感器节点的系统框图及工作流程；

图5是本发明提出的基于路径优先级的拥塞避免与控制算法与随机路由算法的丢包量曲线；

图6是本发明提出的基于路径优先级的拥塞避免与控制算法的队列占用率曲线；

图7是基于随机路由算法的队列占用率曲线；

图8本发明提出的基于路径优先级的拥塞避免与控制算法与随机路由算法的吞吐量比较曲线；

图9本发明提出的基于路径优先级的拥塞避免与控制算法与随机路由算法(当网络死亡后)的收包数量比较曲线。

具体实施方式

所述无线传感器网络拥塞避免与控制系统由拥塞检测模块和拥塞控制模块组成，当传感器节点接收数据时，它就启用拥塞检测模块，检测节点的拥塞状态；当节点发送数据时，它就启用拥塞控制模块，根据统计的下一跳路由优先级和提取的数据优先级选择通过哪一条路径发送数据。

参考图1，所述无线传感器网络拥塞避免与控制系统由拥塞检测模块和拥塞控制模块组成。拥塞检测模块包括队列检测模块101、拥塞时间检测模块102、拥塞状态指数判定模块103，拥塞控制模块包括节点能量计算模块104、数据优先级提取模块105、路由状态指数计算模块106、路由优先级统计模块107和路由状态指数反馈模块108。下面对该拥塞避免与控制系统的工作原理做具体说明：

(1)拥塞检测模块：队列检测模块101根据队列缓存区占有率r，以及预先设定的两个门限值R_min、R_max，获得当前节点的队列空间占用情况，拥塞时间检测模块102记录节点的拥塞持续时间T_h(门限值为T_c)，101与102模块所得信息作为拥塞状态指数判定模块103的输入，103计算节点的拥塞状态指数CSI，根据节点拥塞情况的不同，CSI有四种不同的状态：

CSI＝0：无拥塞{T_h＝0且r＜R_min}

CSI＝1：轻度拥塞{R_min＜r＜R_max且T_h＜T_c}

图2是本发明实施例所采用拥塞避免与控制机制的方法流程图，在网络初始化阶段，汇聚节点广播初始化消息，每个节点记录初始化信息中所包含的距汇聚节点的跳数、下游路径的路由状态指数RPSI和路由能量值E_p。由于传感器网络的网状拓扑，节点收到的来自不同下游路径的跳数值可能不同，这里取最小值作为自己距离汇聚节点的跳数。以i节点为例，假设i节点的路由能量值为E_pi，与其连接的k条下游路径节点的路由能量值为[E_p1，E_p2，...，E_pk]，路由状态指数值为[RPSI_p1，RPSI_p2，...，RPSI_pk]，取

作为i节点的路由能量，更新i节点路由能量值E_pi和路由状态指数值RPSI_i，这样当i节点向上游路径发送初始化信息时，就可以同步更新上游各条路径节点保存的i节点的路由能量值和RPSI值。节点通过对下游路径节点路由能量值的估计来更新各路径的路由状态指数，通过这种对下游路径路由状态指数的动态估计，根据RPSI的不同确定下游路径的优先级，RPSI值越大的下游路径具有越高的路径优先级，即拥有越多的剩余能量和队列剩余空间，用来发送优先级高的数据信息。

当节点接收到数据信息时，首先判断队列空间是否足够接收此数据包当，空间不够则直接丢包，接收数据后根据图3所示的能量模型，更新自己的路由能量值和队列剩余空间，节点的拥塞检测与控制系统开始工作，当节点检测到自己的拥塞状态指数发生改变时，由于上游路径节点不能预测到这种改变，节点需重新计算路由状态指数值并发送反馈消息通知上游路径节点更新节点所在路径的路由能量值和RPSI值。这样可以保证每个节点都能即时更新下游路径的优先级，均衡使用各条路径的能量和队列空间以避免拥塞丢包的产生。

参考图4，下面详细叙述本发明实施例的网络工作流程，

1、汇聚节点应用层发送初始化消息，初始值为E_pi＝0，hopcount＝0，RPSI＝0，

CSI＝2：中度拥塞{r＞R_max或R_min＜r＜R_max且T_h＞T_c}

CSI＝3：重度拥塞{r≥R_max且T_h＞T_c}

103将计算所得的拥塞状态指数值传递给拥塞控制模块。

(2)拥塞控制模块：节点能量计算模块104实时更新节点的剩余路由能量值E_pi，并联同103传递的拥塞状态指数值传递给路由状态指数计算模块106，在106模块中，以i节点为例，定义路由状态指数RPSI如下。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{RPSI}=\frac{\frac{1}{S}\·E_{\mathrm{pi}}}{(1+\mathrm{CSI})\·f\left(n\right)}\\ f\left(n\right)=0.1+\log n\end{array}\right.$

其中E_pi表示i节点的路由能量值。CSI为i节点的拥塞状态指数，n为i节点距离汇聚节点的跳数。S为一个变量，它的值等于i节点上游路径的数量，以保证i节点的能量公平的被上游路径使用。对i节点的每条上游路径来说，i节点的初始路由能量都是一致的，向i节点发送数据时可以近似估计出i节点路由能量值的变化，不需要考虑其它上游路径向i节点发送数据产生的能量消耗。上游路径可以通过接收到的反馈消息来调整自己对节点路由能量值的估计，这样既保证了估计的相对准确性，又免去了节点之间通过交互获得剩余能量信息所带来的网络负载。当106检测到接收的拥塞状态指数发生改变时，通知路由状态指数反馈模块108发送反馈消息，通知数据上一跳节点自己的路由能量值(E_pi)和路由状态指数值(RPSI)。当上一跳节点的路由优先级统计模块107接收到反馈消息后，更新自己保存的下一跳节点的路由优先级列表。由于各节点检测到的拥塞情况是相互独立的，当节点收到反馈消息后需要检查自己拥塞状态指数的变化情况来决定是否需要继续向上游节点发送后压消息，这种反馈机制减少了网络中控制消息的交互，减轻了网络的负载。

route＝0发送给拥塞层。

2、拥塞层将初始化消息向链路层转发。

3、链路层将消息转发给每个连接的下游节点，E_pi＝0，hopcount＝0，RPSI＝0。

4、其他节点的链路层将收到的初始化消息向拥塞层转发并记录哪条路径发来的消息route，E_pi＝0，hopcount＝0，RPSI＝0，route＝k。

5、拥塞层接收到链路层发送的初始化消息，将n＝hopcount+1作为自己的跳数，并判断自己的跳数是否为1，当跳数不为1时记录下route和对应的RPSI值RPSI[route][0]＝RPSI，RPSI[route][1]＝Epi值，将消息向应用层转发。

6、应用层收到消息后，重新产生初始化消息，转发给拥塞层。

7、拥塞层收到初始化消息，开始计数，当计数值等于上游路径的连接数s2时更新自己的E_pi，计算RPSI值，以保证将自己的跳数，RPSI，1/s1*Epi(s1为后向连接数)值，发送给链路层。

8、链路层收到初始化消息，转发给每个连接的下游节点。

9、当所有节点接收到初始化消息后，网络开始工作，数据源节点产生不同的优先级消息M_DATAUP1，M_DATAUP2，M_DATAUP3，发送给拥塞层。

10、拥塞层接收到数据消息，实时更新路由能量值和队列剩余空间值，如果检测到拥塞状态指数值发生变化，向链路层发出反馈消息(跳到17)，更新此消息的Epi和RPSI值，如没有发生变化则查询路由优先级表，根据提取到的数据优先级，将route设为不同的值，拥塞层将消息发给链路层。

11、链路层根据数据消息中route值确定将数据消息发给不同节点。

12、链路层接收到其他节点发来的数据后，传送给拥塞层。

13、拥塞层实时更新自己的队列空间Bpi和路由能量值Epi，将消息传送给应用层。

14、应用层将消息转发给拥塞层。

15、之后15等价于10的操作

本发明实施例设计了仿真模型，在区域为500m*500m的范围内部署100个传感器节点，节点队列空间为150，R_min为75，R_max为112，数据产生周期为0.5s，拥塞持续时间门限值为T_c为0.5s，仿真时间为200s。假设节点产生三种优先级分别为0，1，2的数据信息，优先级为0的数据信息优先级最高，每一个数据包占20个队列空间，优先级为1的数据包占10个队列空间，优先级为2的数据包占2个队列空间。网络链路发送速率为250kbps。

图5表明在相同仿真条件下，本发明实施例产生的丢包数量明显少于将多种优先级的数据包随机选择一个路由进行发送产生的丢包数量，明显减少了网络拥塞的发生。

图6和图7表明本发明实施例使网络各节点的队列占用率比随机路由算法的队列占用率更均衡，减少了离汇聚节点近的节点的队列占用率，充分利用了各节点的队列空间资源。

图8说明随着网络中数据源节点个数增多，即网络负载增大时，本发明实施例的吞吐量明显增加。说明本发明实施例具有更好的数据通信效率。

图9显示在网络死亡(即汇聚节点不能收到任何包)时，本发明实施例比随机路由算法能接收到更多的数据，即拥有更好的感知精度。表明在接收到相同数量数据整个网络的能量的消耗更少，说明本发明实施例使整个网络的能量利用率得到提高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于路径优先级的无线传感器网络节点拥塞避免与控制系统，由拥塞检测模块和拥塞控制模块组成，其特征是：每个传感器节点里既有拥塞检测模块，也有拥塞控制模块。当传感器节点接收数据时，它就启用拥塞检测模块，检测节点的拥塞状态；当节点发送数据时，它就启用拥塞控制模块，根据统计的下一跳路由状态值选择通过哪一条路径发送数据。

2.如权利要求1所述的一种基于路径优先级的无线传感器网络节点拥塞避免与控制系统，其特征是：所述的拥塞检测模块包括队列检测模块、拥塞时间检测模块、拥塞状态指数判定模块；队列检测模块以设定的两个队列门限值为参考，检测节点当前的队列占用情况，拥塞时间检测模块统计节点在某一拥塞状态所持续的时间，拥塞状态指数判定模块根据接收到的队列检测模块和拥塞时间检测模块的数据为依据，负责实时计算节点的拥塞状态指数等级。

3.如权利要求1所述的一种基于路径优先级的无线传感器网络节点拥塞避免与控制系统，其特征是：所述的拥塞控制模块包括节点能量计算模块、数据优先级提取模块、路由状态指数计算模块、路由优先级统计模块和路由状态指数反馈模块，节点能量计算模块负责实时更新节点的剩余能量值并估计下游路径节点的剩余路由能量值变化；数据优先级提取模块负责收集接收数据的优先等级；路由状态指数计算模块根据设定好的规则计算路由状态指数值，将计算结果提交给路由优先级统计模块；路由优先级统计模块负责保存下游路径的路由优先级，路由状态指数反馈模块接收拥塞检测模块传递的拥塞状态变化消息，将节点的路由状态指数反馈给路由的上一条节点。

4.如权利要求1所述的一种基于路径优先级的无线传感器网络节点拥塞避免与控制系统，其特征是：拥塞控制模块根据下游节点的拥塞控制模块反馈回来的拥塞状态指数值，实时更新统计的下游路径的路由优先级，将接收到的数据根据数据优先级的不同选择相应优先级的路由进行传送。

5.如权利要求1所述的一种基于路径优先级的无线传感器网络节点拥塞避免与控制系统，其特征是：在初始化阶段，节点通过广播发送包含自身据离汇聚节点的跳数、下游路径的路由状态指数及路由能量值的初始化信息，使各节点对下游路径的路径优先级有初始估计，在网络运行期间，节点根据接收到的数据不断更新下游路径的路径优先级，以调整不同优先级数据的发送路径，使各条路径的能量和队列空间得到均衡的使用，减少拥塞丢包的产生。

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