CN102595487B - 一种基于多通信模块的传感网网关拥塞控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于多通信模块的传感网网关拥塞控制装置及方法。具体涉及网关增加通信模块，网关主控制器能快速地与各个模块进行通信，接收并处理多个模块接收的数据。当网关主控制器发现某一通信模块拥塞时，立即利用正常模块组播“离开命令帧”给拥塞模块下的路由节点，并组播“路由发现”命令帧，通知拥塞模块下的路由节点建立最优“临时路径”，让拥塞模块下的路由节点更改路由转发数据，从而绕开拥塞的通信模块。为了避免拥塞状况在通信模块之间来回震荡，还通过设定路由发现帧的radius参数来动态调整需要更改路由的节点个数，起到快速、平稳地缓解拥塞状况的作用。

Description

一种基于多通信模块的传感网网关拥塞控制装置及方法

技术领域

本发明涉及工业无线网络控制技术领域，具体涉及传感网网关处设计多通信模块以解除网关内数据大量拥塞的装置及方法。

背景技术

在无线传感网WSN(wireless sensor network)中，基于IEEE802.15.4和802.3的无线网关就是在无线传感器网络和外部网络之间搭建一条数据传输通道，实现它们之间的数据交互。现有的网关主要包括无线收发模块(例如CC2430)、电源模块、数据处理模块(如ARM)、存储模块等结构。

现有的网关在性能上存在一些缺陷。对于网关的通信模块来说，由于网络节点大量部署，并且最终汇聚到一点的多对一的通信模式，可以将其看做一个最终的汇聚节点。某些功能的传感网（如测量温湿度）遇到大区域的环境出现异常时，将产生大量的突发数据使得数据包堆积在网关传感网侧通信模块的缓冲区内，很容易引发拥塞，导致网关处数据包丢失、网络吞吐量下降，严重影响网络的传输服务质量。因此，网关拥塞控制的研究对提升网关的转发效率，促进其更深入的应用和发展具有重要意义。

由无线传感器网络工作组于2010-11-22发表的技术提案WGSN-PG3-T-057《一种拥塞处理方法》中给出了现有解决拥塞问题的现有技术CODA（Congestion Detection and Avoidance in Sensor Networks），即拥塞检测和避免方法，它结合了基于信道采样的拥塞检测、开环逐跳反压和闭环多源调节三种机制，适用于数据源到汇聚节点传输的拥塞控制。

对于CODA机制，传感器节点在缓存区非空时采样信道，检测到拥塞就广播反压消息，反压消息沿着通向数据源的方向传播。接收到反压消息的节点根据本地拥塞策略如分组丢弃、AIMD等，抑制其发送速率或者丢弃分组，并基于本地网络状况决定是否继续向上游节点传播。若网络拥塞长时间无法解决则进入闭环调节机制以降低数据源的分组速率。现有的拥塞控制技术针对的是传感网内汇聚节点的下游节点的拥塞问题，并没有针对网关的通信模块这种特殊的汇聚节点拥塞情况的处理机制。虽然在一定程度上能解决传感网内节点上的拥塞问题，但是完全基于速率控制，其性能有限。对于大范围内的节点产生突发数据而导致的拥塞情况，在某些应用场景中，如重大事件的报警监测，数据可靠性和精度非常重要，不允许降速或丢包等情况下，该方法基本不适用。

发明内容

本发明提出了一种基于多通信模块的传感网网关拥塞控制技术，适用于网关处收集传感网内数据时通信模块由于处理能力有限而发生的拥塞情况。通过在网关内设置多个通信模块，目前传感网网关内选择CC2530作为与传感网通信的通信模块，在网络部署好之后由网关主控制器给每个通信模块分配一个传感网内的16位通信短地址，每个通信模块分别服务于传感网内多个路由节点，共同构成网络的拓扑结构。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提出一种传感网网关拥塞控制技术，其实施步骤如下：

（1）首先需要在网关内增加通信模块，该通信模块在逻辑上与主控制器相连，同时由网关主控制器管理和通信。

（2）网关主控制器为每个通信模块分配传感网16位网络通信短地址，每个通信模块分别按照每个入网路由设备的地址进行分组。

（3）网关主控制器若检测到其中某个通信模块拥塞，利用通信模块组播离开命令帧NLME-LEAVE.request命令拥塞模块管理下的路由节点离开当前父节点，并组播路由发现Route-discovery命令帧发起路由发现，组播的目的地址是拥塞通信模块下的路由节点组播地址，源地址是正常通信模块。设置Route-discovery命令帧中的路由请求跳数radius控制更改路由的节点个数，从而控制需要转发的数据量，防止拥塞状况在正常模块与拥塞模块之间来回震荡。

拥塞控制的方法如下所述：本技术方案解决问题的前提是网关侧在接收传感网内数据，遇到突发事件数据量大时网关内通信模块接收数据能力有限而导致的数据在网关处拥塞的问题。当网关主控制器发现某一通信模块拥塞时，立即利用正常模块组播“离开命令帧”给拥塞模块下的路由节点，并组播“路由发现”命令帧，通知拥塞模块下的路由节点建立最优“临时路径”，让拥塞模块下的路由节点更改路由转发数据，从而绕开拥塞的通信模块。为了避免拥塞状况在通信模块之间来回震荡，还通过设定路由发现帧的radius参数来动态调整需要更改路由的节点个数，起到快速、平稳地缓解拥塞状况的作用。

网关主控制器从邻居表中找出所有路由节点的相邻路由节点，并生成邻接矩阵；网关主控制器创建每个路由节点到另一个通信模块下的子路由节点的最短路径表；主控制器轮询通信模块，监测通信模块状态，判断其是否处于拥塞状态；如某个通信模块处于拥塞状态，主控制器继续询问另一个通信模块是否拥塞？轮询完所有通信模块，如均未发生拥塞，等待下一周期，继续监视通信模块状态；网关主控制器通过非拥塞通信模块向处于拥塞状态的模块下的路由节点组播路由离开命令NLME-LEAVE.request，并组播路由发现帧Route-discovery携带网关建立的最优“临时路径”信息，路由节点按照最短路径转发数据；等待一个周期，询问拥塞的通信模块是否已解除拥塞。如解除拥塞，控制器利用命令帧携带“按原路由传输数据”给相应路由节点，否则，跳数加1。

本发明的优点在于：

由于本方案中所采取的缓解拥塞状况主要是由网关控制器和通信模块对网内路由节点依据拥塞处理方法实现的，相比现有技术中缓解拥塞状况简单易行，采用多通信模块的设计，能平衡网络负载、提高带宽，对于现存网关处的通信瓶颈有良好的改善。本设计相对于目前已有的网关，其主要的优点是从物理上提高全网的带宽，缓解了网关处数据拥塞状况，缩小了内外网之间的速率差距。并且本设计基于PG3的标准，便于实施。

本发明的其他优点也将在一下的具体实施方案中体现。

控制器周期性询问通信模块，根据拥塞持续时间来动态调整路由半径。这样可以避免深度过浅造成缓解通信模块的拥塞过慢，也可以避免深度过大，使拥塞状况在通信模块之间震荡。

本方案中控制器通过命令帧让正常通信模块下的路由节点去发现拥塞通信模块下的路由节点，建立新的传输路径。 相比现有技术，只需要网关处保存全局路由信息，而路由节点不用保存大量的全局路由信息，节约资源。

多通信模块、动态调整路有深度的设计可以增大网络路径的健壮性。可以提高接入点或者网络的数目，使一个网关服务更大规模的传感网。总体上提高了网关的转发效率。

附图说明

图1网关硬件结构图；

图2 本发明拥塞控制流程图；

图3拥塞控制节点图 ；

图4网关控制器建立邻接矩阵。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明：

  如图1所示为传感网网关的原理结构图，本发明在网关内增加通信模块，在网关内部增加逻辑上与主控制器相连的通信模块，由网关主控制器管理和通信。网关主控制器为每个通信模块分配传感网16位网络通信短地址，每个通信模块分别按照每个入网路由设备的地址进行分组。网关主控制器实时监测通信模块工作状态，若检测到某个通信模块拥塞，通过未拥塞的通信模块组播离开命令帧NLME-LEAVE.request命令拥塞的通信模块管理下的路由节点离开当前父节点。并向拥塞通信模块下的路由节点组播路由发现Route-discovery命令帧发起路由发现。设置Route-discovery命令帧中的路由请求跳数radius控制更改路由的节点个数，从而控制需要转发的数据量，防止拥塞状况在正常模块与拥塞模块之间来回震荡。当拥塞模块下管理的节点按照正常通信模块下发的命令建立好最优“临时路径”之后，如果节点通过当前“临时路径”将数据发送成功之后，节点原来所属的通信模块拥塞状况还未解除，并且当前的数据量变的更大，那么在不导致要发送的目的地正常通信模块不出现拥塞，则正常模块继续通过邻接矩阵表建立的最短路径表选择比最短“临时路径”要次优的第二路径，也就是加大了节点转发数据时的跳数。这样以免转发过快而导致本没有拥塞的正常模块出现拥塞，还能够为已经拥塞了的通信模块提供更长的缓冲时间解除拥塞。

如图2所示为本发明拥塞控制流程图。

拥塞控制的方法如下所述：网关主控制器能快速地与各个模块进行通信，接收并处理多个模块接收的数据。当网关主控制器发现某一通信模块拥塞时，立即利用正常模块组播“离开命令帧”给拥塞模块下的路由节点，并组播“路由发现”命令帧，通知拥塞模块下的路由节点建立最优“临时路径”，让拥塞模块下的路由节点更改路由转发数据，从而绕开拥塞的通信模块。为了避免拥塞状况在通信模块之间来回震荡，还通过设定路由发现帧的radius参数来动态调整需要更改路由的节点个数，起到快速、平稳地缓解拥塞状况的作用。

网关主控制器从邻居表中找出所有路由节点的相邻路由节点，并生成邻接矩阵；网关主控制器创建每个路由节点到另一个通信模块下的子路由节点的最短路径表；主控制器轮询通信模块，监测通信模块状态，判断其是否处于拥塞状态；如某个通信模块处于拥塞状态，主控制器继续询问另一个通信模块是否拥塞？轮询完所有通信模块，如均未发生拥塞，等待下一周期，继续监视通信模块状态；网关主控制器通过非拥塞通信模块向处于拥塞状态的模块下的路由节点组播路由离开命令NLME-LEAVE.request（具体命令内容见表一），并组播路由发现帧Route-discovery（具体命令内容见表2）携带网关建立的最优“临时路径”信息，路由节点按照最短路径转发数据；等待一个周期，询问拥塞的通信模块是否已解除拥塞。如解除拥塞，控制器利用命令帧携带“按原路由传输数据”给相应路由节点，否则，跳数i加1，即 i’=i+1。

 表1： NLME-LEAVE.request具体参数

名称	类型	值	描述
				DeviceAddress	设备地址	拥塞模块下所有的路由节点的IEEE地址	被要求离开网络的设备
RemoveChildren	布尔	True	被要求离开的设备其子设备也被要求离开
				Rejoin	布尔	True	被要求离开当前父设备而重新加入网络
Change parent	布尔	True	被要求离开当前父设备而通过新的父设备重新加入网络

表2： Route-discovery.request参数设置

名称	类型	值	描述
				DstAddrMode	整型	0x01	规定地址模式应该是16位网络组播地址
DstAddr	16位网络地址	拥塞模块下路由节点的组播地址	路由发现的目的地址
				Radius	整型	0x03	路由请求通过网络传输的跳数，该值将被放在向外发送的帧的网络层帧头的Radius字段中，作用是指定一个传输的半径范围，该字段应被每个接收设备减1。设置的值是0x03表示传输的半径最大是3跳。网关控制器可根据拥塞状况动态调整这个值。
NoRouteCache	布尔	——	在广播时才有效
				MultipathRoute	布尔	——	在广播时才有效
StableRouterFlag	布尔	False	稳定路由标识选项当StableRouterFlag设置为false时，表示请求一条普通的路由
				SymLinkFlag	布尔	True	SymLinkFlag即对称路由标识选项，即当SymLinkFlag设置为true表示为请求一条对称的路由，数据可以双向传输。

  首先，网关控制器在节点入网之后，对节点入网的情况进行分组，分组的原则依据节点入网时所接入的通信模块。网关在分组之后对每个通信模块下的节点建立邻接矩阵表，邻接矩阵表的建立可依据图论中的方法建立，用一个一维数组存放图中所有节点编号（如图3中对每个节点都用阿拉伯数字进行了编号）；用一个二维数组存放节点间关系（边或弧）的数据，二维数组最终表示节点与节点之间的距离关系也就是传感网中的跳数。邻接矩阵表建立之后，每个节点之间的距离关系就可以清晰的看出，其中邻接矩阵表中的数字1表示两个节点之间相邻跳数为1,数字0表示两个节点之间不是相邻节点。要计算最短路径，首先按照邻接表计算出一个节点相邻的节点都有哪些，然后再由相邻节点去找自己的相邻节点，由此，建立每个节点到其他通信模块下的最短路径即最短跳数。当网关主控制器发现某一通信模块拥塞时，立即利用距离最近的的正常模块组播离开命令给拥塞模块下的路由节点，这里所述的距离最近的正常模块的选择是通过通信模块所管理的节点来选择的，如果一个通信模块拥塞了，那么根据邻接矩阵表所建立的最短路径中肯定会有到网关内每一个通信模块的最短路径表，那么就找出所有邻接表中距离最近的那个路径所到达的目的通信模块。并组播“路由发现”命令帧，通知拥塞模块下的路由节点建立最优“临时路径”，让拥塞模块下的路由节点更改路由转发数据，从而绕开拥塞的通信模块。为了避免拥塞状况在通信模块之间来回震荡，本发明还通过设定路由发现帧的radius（路由深度）参数来动态调整需要更改路由的节点个数，起到快速、平稳地缓解拥塞状况的作用。当拥塞模块下管理的节点按照正常通信模块下发的命令建立好最优“临时路径”之后，如果节点通过当前“临时路径”将数据发送成功之后，节点原来所属的通信模块拥塞状况还未解除，并且当前的数据量变的更大，那么在不导致要发送的目的地正常通信模块不出现拥塞，则正常模块继续通过邻接矩阵表建立的最短路径表选择比最短“临时路径”要次优的第二路径，也就是加大了节点转发数据时的跳数。这样以免转发过快而导致本没有拥塞的正常模块出现拥塞，还能够为已经拥塞了的通信模块提供更长的缓冲时间解除拥塞。

本实施例以在网关内增加两个通信模块为例对本发明作具体描述，如图4所示：

1）初始化处理：网关主控制器根据入网后的路由节点地址进行分组，每个通信模块分管不同的路由组。

2）网关主控制器建立路由节点的邻接矩阵表，按照图4建立邻接矩阵表如图4所示。邻接矩阵表的建立可依据图论中的方法建立，用一个一维数组存放图中所有节点编号（如图3中对每个节点都用阿拉伯数字进行了编号）；用一个二维数组存放节点间关系（边或弧）的数据，二维数组最终表示节点与节点之间的距离关系也就是传感网中的跳数。邻接矩阵表建立之后，每个节点之间的距离关系就可以清晰的看出，其中邻接矩阵表中的数字1表示两个节点之间相邻跳数为1,数字0表示两个节点之间不是相邻节点。要计算最短路径，首先按照邻接表计算出一个节点相邻的节点都有哪些，然后再由相邻节点去找自己的相邻节点，由此，建立每个节点到其他通信模块下的最短路径即最短跳数。最后，根据邻接矩阵表按照最短路径计算出每个路由节点到另外的通信模块下的最优“临时路径”。

3）如图3拥塞处理节点图中，对网关所管理的节点用阿拉伯数字进行编号，在节点入网后，根据入网信息，通信模块A管理的节点包括⑦、⑧、⑨、⑩，通信模块B管理的节点包括                                                、、、、，当网关内的控制器轮询通信模块后发现某一通信模块拥塞，假如通信模块B拥塞。首先，网关控制器利用通信模块A发送组播离开命令帧NLME-LEAVE.request给通信模块B下的节点，令其离开当前所属的路由父节点；其次，组播路由发现帧Route-discovery携带网关建立的最优“临时路径”信息，路由节点按照最短路径转发数据。对于通信模块B下的子路由节点，按照最短路径的原则，节点本应该发送数据给节点再由节点发送给通信模块B。按上述方法创建的“暂时路径表”中对应的路径更改路由后，作为暂时路由的表头，转发路径为→→→→通信模块A。同样其它与通信模块B相关的路由节点的转发路径为：

→→→通信模块A

→→通信模块A

→→→通信模块A

→→通信模块A

同样通信模块A下的子路由节点新的转发路径为：

→→→通信模块B

→→通信模块B

→→→通信模块B

→→通信模块B

4）控制器轮询通信模块。

5）控制器发现通信模块B拥塞。控制器判定拥塞的标准应参见PG3附录中网络层信息库NIB里的ntwCongestionDT项。

6）控制器发现另一个通信模块未拥塞。

7）控制器利用为拥塞模块下的子节点所建立好的最优“临时路径”中的表头开始寻找，找出距离拥塞模块下子路由节点最近的正常通信模块下的子路由节点。例如距离11-15号节点最近的是7、10号节点。

8）控制器向前面找出的路由节点捎带拥塞通信模块B的子路由节点11-15号的ID，让7、10号节点通过邻居发现找到离自己两跳内的拥塞模块下的路由节点，建立“暂时路径”。路由深度参见PG3标准附录中网络层信息库NIB里的nwkMaxDepth项。

9）等待一个周期，控制器询问原拥塞的通信模块是否已解除拥塞。若解除，则控制器命令原通信模块通过命令帧向下广播一个“按原路由传输数据”。若拥塞未解除，则加大设备的可有的最大路由深度继续第7步。

10）重复第8步，直到拥塞解除为止。

上述实施方式中解决拥塞情况中网关内采用的是两个通信模块，对于多于两个模块的网关，其解决拥塞的方式同两个模块的相似，区别之处在于，首先，节点在入网之后会随机选择入网模块；模块选择后，网关建立每个节点到达其余通信模块的最优“临时路径”，此时意味着每一个节点所选择的最优临时路径的灵活性更大；其次，网关控制器仍然需要轮询的对多个模块进行检测其是否拥塞，检测到拥塞的模块之后，网关让拥塞模块下的节点离开路由父节点，之后按照之前建立的最优“临时路径”重新向临时通信模块传输数据，拥塞解除之后则恢复原来的数据转发路径。

Claims (3)

1. 一种基于多通信模块的传感网网关拥塞控制方法，其特征在于，在网关内部增加逻辑上与主控制器相连的通信模块，由主控制器管理和通信，主控制器为每个通信模块分配传感网16位网络通信短地址，每个通信模块分别按照每个入网路由设备的地址进行分组；主控制器实时监测通信模块工作状态，若检测到某个通信模块拥塞，主控制器从邻居表中找出所有路由节点的相邻路由节点，并生成邻接矩阵，根据邻接矩阵创建每个路由节点到另一个通信模块下的路由节点的最短路径表，主控制器轮询通信模块，如某个通信模块处于拥塞状态，主控制器继续询问另一个通信模块是否拥塞，轮询完所有通信模块，如均未发生拥塞，等待下一周期，继续监视通信模块状态；主控制器通过通信模块组播离开命令帧命令拥塞的通信模块下的路由节点离开当前父节点，并向拥塞通信模块下的路由节点组播路由发现命令帧发起路由发现，通知拥塞通信模块下的路由节点建立最优临时路径，让拥塞通信模块下的路由节点更改路由转发数据，绕开拥塞通信模块；设置路由发现命令帧中的路由深度参数来动态调整需要更改路由的节点个数，路由深度参数根据PG3标准附录中网络层信息库NIB里的nwkMaxDepth项确定。

2.根据权利要求1所述的传感网网关拥塞控制方法，其特征在于，路由发现命令帧发送的目的地址是拥塞通信模块下的路由节点组播地址，源地址是正常通信模块，路由发现命令帧中携带的消息为主控制器按照邻居表以最短路径计算出的最优临时路径，路由节点接收到消息后，按最优临时路径转发数据。

3.根据权利要求1所述的传感网网关拥塞控制方法，其特征在于，所述生成邻接矩阵具体为：用一个一维数组存放所有节点编号，用一个二维数组存放节点间关系的数据，二维数组最终表示节点与节点之间的距离关系，即传感网中的跳数。