CN111447643B - 一种无线传感器网络中拥塞避免的路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，包括如下步骤：S10发现由无线传感器结点通往网关结点的路径；S20当网络中一父结点感知到在该结点处即将发生数据拥塞时，向该父结点所有子结点发布拥塞避免报文，通知其所有子结点降低数据采集和数据发送速率；当子结点接收到父结点发来的拥塞避免报文时，向该子结点的所有子结点转发此拥塞避免报文；以及S30生成一个避免期，在避免期内降低该子结点的数据采集和发送速率，避免期结束后，恢复正常。本发明所述无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，可以发现网络路由；通过降低数据采集频率、减少数据传输量来避免拥塞；同时可以均衡无线传感器网络中各结点能量消耗，延长网络寿命。

Description

一种无线传感器网络中拥塞避免的路由方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络以及数据传输路由方法技术领域，具体涉及一种无线传感器网络中拥塞避免的路由方法。
背景技术
无线传感器网络大量使用于诸如军事、环境监测、城市交通、仓储管理、健康监护、大型工业园区安全监控、灾难拯救等多种不同场合。随着传感器技术、物联网技术的发展和广域无线通信基础网络建设的日益完善与成熟，无线传感器网络将逐步深入到人类生产生活的各个领域。
无线传感器网络由无线传感器结点和网关组成，无线传感器结点承担数据采集和数据传输任务，网关结点汇集各传感器结点传输来的数据并提交给用户进行处理。数据传输方式为逐跳传输。无线传感器结点之间、无线传感器结点与网关结点之间采用无线通信方式，网关结点和用户机(服务器)之间采用有线通信方式。
无线传感器结点能源来自于内置电池，在数据采集和无线数据传输中，如何更加有效的节约能量；如何将传感器结点准确可靠地传输给网关结点；如何避免在网络中出现数据拥塞而导致的网络性能下降，是本发明所要解决的核心问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，可以发现网络路由；通过降低数据采集频率、减少数据传输量来避免拥塞；同时可以均衡无线传感器网络中各结点能量消耗，延长网络寿命。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
一种无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，包括如下步骤：S10发现由无线传感器结点通往网关结点的路径；在传输路径中，某个无线传感器结点的下一跳结点称为该结点的父结点，该结点称为其父结点的子结点；S20当网络中一父结点感知到在该结点处即将发生数据拥塞时，向该父结点所有子结点发布拥塞避免报文，通知其所有子结点降低数据采集和数据发送速率；当网络中一子结点接收到父结点发来的拥塞避免报文时，向该子结点的所有子结点转发此拥塞避免报文；以及S30在向子结点转发拥塞避免报文时，生成一个避免期，在避免期内降低该子结点的数据采集和发送速率，避免期结束后，数据采集和发送速率恢复正常。
进一步地，所述步骤S10在路径发现的过程中，每个结点可以依据自身剩余能量情况，自主决定是否参与该条路径上的数据传输。
进一步地，路径发现周期性进行，所述发现周期为1h；每执行发现一次，路径查询广播报文序号值加1。
进一步地，所述步骤S20当网关结点感知到网络中即将发生数据拥塞时，向所述网关结点所有子结点发布拥塞避免报文，通知所述网关结点的所有子结点降低数据采集和数据发送速率。
进一步地，所述步骤S20当某一结点的输入队列长度与输入缓存总长度之比大于0.8时，判断该结点处即将发生数据拥塞。
进一步地，所述步骤S30所述避免期Tvoid＝m*T，其中T为max[(2*(路径通知报文中的接收时间字段值-发送时间字段值)，2*(结点当前时间值-路径通知报文中的发送时间字段值)]，m＝min(p，50)，p为[0，5*n]中任意一个整数，n为拥塞避免次数。
进一步地，网络中各无线传感器结点通往所述网关结点的路径构成了一个树状结构，在路径生成后，各无线传感器结点的数据传输沿所述路径逐跳进行，每个无线传感器结点将其采集到的和它的子结点要求其转发的数据传输给该无线传感器的父结点进行转发。
进一步地，所述路径包括路径一，所述路径一包括依次连接的结点b、结点c、结点d以及网关结点，所述网关结点是所述结点d的父结点，所述结点d是所述结点c的父结点，所述结点c是所述结点b的父结点；所述结点b是所述结点c的子结点，所述结点c是所述结点d的子结点，所述结点d是所述网关结点的子结点。
进一步地，当所述结点c感知到在所述结点c处即将发生数据拥塞时，向所述结点c的子结点b发布拥塞避免报文，通知所述结点b降低数据采集和数据发送速率。
进一步地，当网络中结点c接收到结点d发来的拥塞避免报文时，向所述结点b转发此拥塞避免报文；同时生成一个避免期，在避免期内降低所述结点c的数据采集和发送速率，避免期结束后，数据采集和发送速率恢复正常。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明的一种无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，当网络数据传输发生拥塞或发生拥塞迹象时，父结点向其所有子结点发布拥塞避免报文，通知其所有子结点降低数据采集频率同时减少网络数据传输量，避免了拥塞的产生。之后生成一个避免期，避免期结束后，数据采集和发送速率恢复正常。可以为单网关无线传感器网络中的所有结点确定一条时延最短的通往网关的传输路径；均衡网络结点负载，使一定范围内结点能量消耗趋同，延长网络工作寿命。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
图1所示为本发明一实施例的一种无线传感器网络中拥塞避免的路由方法流程图；
图2所示为本发明一实施例的一种单网关无线传感器网络示意图；
图3所示为本发明一实施例的主要报文参考格式图；
图4所示为本发明一实施例的邻居结点剩余能量表表头。
图中部件编号如下：
1路径一、2网关结点、3结点e。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本实施例中，提供一种无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，如图1～图2所示，包括如下步骤：S10发现由无线传感器结点通往网关结点的路径。S20当网络中一父结点感知到在该结点处即将发生数据拥塞时，向该父结点所有子结点发布拥塞避免报文，通知其所有子结点降低数据采集和数据发送速率；当网络中一子结点接收到父结点发来的拥塞避免报文时，向该子结点的所有子结点转发此拥塞避免报文。以及S30在向子结点转发拥塞避免报文时，生成一个避免期，在避免期内降低该子结点的数据采集和发送速率，避免期结束后，数据采集和发送速率恢复正常。
所述步骤S10在传输路径中，某个无线传感器结点的下一跳结点称为该结点的父结点，该结点称为其父结点的子结点，每个所述无线传感器结点仅有一个父结点。在路径发现的过程中，每个结点可以依据自身剩余能量情况，自主决定是否参与该条路径上的数据传输。路径发现周期性进行，每执行发现一次，路径查询广播报文序号值加1。所述发现周期优选为1h。网络中各无线传感器结点通往所述网关结点的路径构成了一个树状结构，在路径生成后，各无线传感器结点的数据传输沿所述路径逐跳进行，每个无线传感器结点将其采集到的和它的子结点要求其转发的数据传输给该无线传感器的父结点进行转发。
所述步骤S20当某一结点的输入队列长度与输入缓存总长度之比大于0.8时，判断该结点处即将发生数据拥塞。当网关结点2感知到网络中即将发生数据拥塞时，向所述网关结点2所有子结点发布拥塞避免报文，通知所述网关结点2的所有子结点降低数据采集和数据发送速率。
所述步骤S30所述避免期Tvoid＝m*T，其中T为max[(2*(路径通知报文中的接收时间字段值-发送时间字段值)，2*(结点当前时间值-路径通知报文中的发送时间字段值)]，m＝min(p，50)，p为[0，5*n]中任意一个整数，n为拥塞避免次数。
实施例一
S10发现由无线传感器结点通往网关结点的路径一1。所述路径一1包括依次连接的结点a、结点b、结点c、结点d以及所述网关结点2，所述网关结点2是所述结点d的父结点，所述结点d是所述结点c的父结点，所述结点c是所述结点b的父结点，所述结点b是所述结点a的父结点。所述结点a是所述结点b的子结点，所述结点b是所述结点c的子结点，所述结点c是所述结点d的子结点，所述结点d是所述网关结点2的子结点。所述结点e3是所述网关结点2的子结点。
当所述结点c感知到在所述结点c处即将发生数据拥塞时，向所述结点c的子结点b发布拥塞避免报文，通知所述结点b降低数据采集和数据发送速率。当网络中结点c接收到结点d发来的拥塞避免报文时，向所述结点b转发此拥塞避免报文。同时生成一个避免期，在避免期内降低所述结点c的数据采集和发送速率，避免期结束后，数据采集和发送速率恢复正常。
结点a发布一个包含其自身ID在内的路径查询广播报文，报文格式如图3中a所示，其中类型字段值设置为1，ID字段值设置为“a”，路径字段值设置为“a”。发送时间字段值设置为结点a当前时间，能量字段设置为结点a当前剩余能量值，序号字段值设置为“a-1-0001”。序号字段值按如下规则设置：发布结点ID值a，路径查询广播报文类型值1，路径查询广播报文序号0001。当路径查询广播报文序号值达到9999后，下一个序号值还原到0001。该报文仅被结点a的邻居结点所接收，该报文不被转发。同时结点a启动超时计时器，如果是首次发送路径查询广播报文，计时器设置为1min。如果不是首次发送路径查询广播报文，计时器设置为上一轮查询发送得到的距网关超时时间T。当此计时器到时后，结点b如果没有收到路径通知报文，重新发送此路径查询广播报文。重新发送的路径查询广播报文除剩余能量字段和发送时间字段根据发送时的结点状态重新设置外，其余字段值不变。
接收到此路径查询广播报文的邻居结点b，首先提取此报文的序号“a-1-0001”和能量字段值，如图4所示，在结点b中的邻居结点剩余能量表中更新保存报文路径字段中最后一个结点(此处以结点a为例)的当前剩余能量值，若该序号已有存储，忽视此报文。否则以覆盖方式存储此报文序号“a-1-0001”，然后根据自身剩余能量的情况，决定是否加入传输路径：如果决定加入，修改此报文的路径字段值，将自身ID添加在路径字段值最后，使报文路径字段值成为“a-b”。修改此报文的能量字段值，将其设置为自身(此处为结点b)剩余能量值，不修改此报文其余字段值，然后广播发布此报文。如果决定不加入，忽视此报文。以覆盖方式存储指使用新收到的来自同一子结点的路径查询广播报文序号替换已存储的前一个序号，例如，新收到一个路径查询广播报文的序号为“a-1-0002”，则在存储记录中用“a-1-0002”替换“a-1-0001”。
网关结点2在接收到一个路径查询广播报文时，首先提取此报文的序号(例如“a-1-0001”)，若该序号已有存储，忽视此报文。否则以覆盖方式存储此报文序号“a-1-0001”，构造路径通知报文以响应接收到的这个路径查询广播报文，报文格式如图3中b。设网关响应一个路径字段值为“a-b-c-d”的路径查询广播报文，路径通知报文类型值设置为2，目的地字段值设置为“d”，路径字段值与所响应的路径查询广播报文路径字段值相同，为“a-b-c-d”。请求报文序号字段设置为所响应的路径查询广播报文的序号字段值，查询报文发送时间字段值为所响应的路径查询广播报文的发送时间字段值，查询报文接收时间字段值为网关结点2接收到路径查询广播报文的时间。该响应报文以单播方式发送给无线传感器结点d。
无线传感器网络结点x在收到路径通知报文时，如果结点x不是路径通知报文对应的路径查询广播报文的发起者(例如，路径“a-b-c-d”中的除结点a以外的结点b、c、d)，则按报文路径字段中规定的路径向下一个结点单播转发此路径通知报文(例如，x是结点c，则向路径中前一个结点b转发)。否则如果结点x是路径通知报文对应的路径查询广播报文的发起者(例如，路径“a-b-c-d”中的结点a)，则将此报文的上一跳转发者(例如，路径“a-b-c-d”中的结点b)作为自己的父结点，修改距网关超时时间T为max[(2*(路径通知报文中的接收时间字段值-发送时间字段值)，2*(结点当前时间值-路径通知报文中的发送时间字段值)]，同时在父结点中将自己注册为子结点。
S20如果结点b接收到的路径查询广播报文中的序号值“a-1-0001”是首次收到，若结点b的剩余能量低于其所有邻居结点剩余能量的平均值，则忽视此路径查询广播报文，不参与该条路径上的数据传输。若结点b的剩余能量不低于其所有邻居结点剩余能量的平均值，则修改相关字段，广播转发此路径查询广播报文，参与该条路径上的数据传输。
如果结点b接收到的路径查询广播报文中的序号值“a-1-0001”不是首次收到(意味结点a上一轮路径查询失败)，无论结点b剩余能量值是多少，均修改相关字段，广播转发此路径查询广播报文，参与该条路径上的数据传输。
每当结点输入队列长度与输入缓存总长度之比超过0.8时，结点预判在该结点处有存在数据拥塞的风险，向所有子结点发布拥塞避免报文。当下一个采样周期到来时，如果结点输入队列长度与输入缓存总长度之比仍然超过0.8，再次向所有子结点发布拥塞避免报文，依此类推。如果该结点子结点列表不为空，即该结点还有子结点，向其所有子结点转发此拥塞避免报文。
同时，网关结点2记录路径查询广播报文生成结点a到网关结点的时延为：网关结点2当前时间-路径查询广播报文发送时间。每当网关结点检测到某个结点发送的数据传输时延超过网关结点当前时间-路径查询广播报文发送时间时延的4倍时，向该结点传输路径上的结点发布拥塞避免报文。
S30生成避免期，设置拥塞避免次数n，第一次收到来自父结点的拥塞避免报文时，n值为1。确定拥塞避免期Tvoid，在[0,5*n]中随机选取一个整数p，设m＝min(p,50)，Tvoid＝m*T，其中T为max[(2*(路径通知报文中的接收时间字段值-发送时间字段值)，2*(结点当前时间值-路径通知报文中的发送时间字段值)]。在随后的拥塞避免期Tvoid内，在每一个数据采样周期，结点以(0.8)n概率执行数据采集发送任务。Tvoid期满后，恢复正常数据采集频率，同时将n值置为0。在Tvoid周期内再次收到来自父结点的拥塞避免报文，n值自增1。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10、发现由无线传感器结点通往网关结点的路径；在传输路径中，某个无线传感器结点的下一跳结点称为该结点的父结点，该结点称为其父结点的子结点；
S20、当网络中一父结点感知到在该结点处即将发生数据拥塞时，向该父结点所有子结点发布拥塞避免报文，通知其所有子结点降低数据采集和数据发送速率；当网络中一子结点接收到父结点发来的拥塞避免报文时，向该子结点的所有子结点转发此拥塞避免报文；以及
S30、在向子结点转发拥塞避免报文时，生成一个避免期，在避免期内降低该子结点的数据采集和发送速率，避免期结束后，数据采集和发送速率恢复正常；
步骤S30中所述避免期Tvoid＝m*T，其中T为max[(2*(路径通知报文中的接收时间字段值-发送时间字段值)，2*(结点当前时间值-路径通知报文中的发送时间字段值)]，m＝min(p，50)，p为[0，5*n]中任意一个整数，n为拥塞避免次数。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，其特征在于，所述步骤S10中在路径发现的过程中，每个结点可以依据自身剩余能量情况，自主决定是否参与该条路径上的数据传输。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，其特征在于，路径发现周期性进行，所述发现周期为1h；每执行发现一次，路径查询广播报文序号值加1。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，其特征在于，所述步骤S20中当网关结点感知到网络中即将发生数据拥塞时，向所述网关结点所有子结点发布拥塞避免报文，通知所述网关结点的所有子结点降低数据采集和数据发送速率。
5.根据权利要求1所述的无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，其特征在于，所述步骤S20中当某一结点的输入队列长度与输入缓存总长度之比大于0.8时，判断该结点处即将发生数据拥塞。
6.根据权利要求1所述的无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，其特征在于，网络中各无线传感器结点通往所述网关结点的路径构成了一个树状结构，在路径生成后，各无线传感器结点的数据传输沿所述路径逐跳进行，每个无线传感器结点将其采集到的和它的子结点要求其转发的数据传输给该无线传感器的父结点进行转发。
7.根据权利要求1所述的无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，其特征在于，所述路径包括路径一，所述路径一包括依次连接的结点b、结点c、结点d以及网关结点，所述网关结点是所述结点d的父结点，所述结点d是所述结点c的父结点，所述结点c是所述结点b的父结点；所述结点b是所述结点c的子结点，所述结点c是所述结点d的子结点，所述结点d是所述网关结点的子结点。
8.根据权利要求7所述的无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，其特征在于，当所述结点c感知到在所述结点c处即将发生数据拥塞时，向所述结点c的子结点b发布拥塞避免报文，通知所述结点b降低数据采集和数据发送速率。
9.根据权利要求7所述的无线传感器网络中拥塞避免的路由方法，其特征在于，当网络中结点c接收到结点d发来的拥塞避免报文时，向所述结点b转发此拥塞避免报文；同时生成一个避免期，在避免期内降低所述结点c的数据采集和发送速率，避免期结束后，数据采集和发送速率恢复正常。
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