专利名称：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勻使用的目的。
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。
具体实施例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Rmin、Rmax，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Th(门限值为T。)，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{Th = 0 且 r < RmiJCSI = 1 轻度拥塞{Rmin <r < Rmax 且 Th < Tj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&。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与其连接的k条下游路径节点的路由能量值为
k，路由状态指数值为[RPSIpl，RPSIp2, · · .，RPSIpk]，取 min{~,[、}作为 i
；=1
节点的路由能量，更新i节点路由能量值Epi和路由状态指数值RPSIi,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^ji = 0，hopcount = 0，RPSI = 0，CSI = 2 中度拥塞 Ir > Rfflax 或 Rmin <r < Rfflax 且 Th > TjCSI = 3 重度拥塞 Ir 彡 Rmax 且 Th > Tj103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^ji,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。
‘
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号H04W28/08GK102065480SQ20101055313
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者孙学斌, 毛松, 蒋挺, 谭虎, 赵成林 申请人:北京邮电大学