一种无线传感器网络拥塞的控制方法及系统技术方案

本发明专利技术适用于数据传输控制技术领域，提供了一种无线传感器网络拥塞的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：A、判断时间指数是否小于节点的发送时隙；B、判断本发送节点是否是源节点；C、判断本节点是否是转发节点；D、判断时间指数是否可以被整除迭代次数；E、在本节点执行自适应发送时间分配算法；F、对时间分配指数及对网络时间指数进行递增调整。本发明专利技术所提出的算法收敛性好，在改善网络效能和提高数据流速率和降低传输功耗方面，均优于其它现有的方法。该算法提高了单收发无线传感器网络的网络效能，有效地节省了传输功率，从而减轻和避免无线传感器网络拥塞。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数据传输控制
，尤其涉及一种无线传感器网络拥塞的控制方法及系统。
技术介绍
由于无线传感器网络中的资源的稀少性(例如，带宽和电力供应)，所以传感器数据流的有效传播是非常重要的。传输带宽在网络中是及其有限的资源，因此开发一种自优化技术，能够按照底层的无线传感器网络链路容量调整传感器源的数据流速率，以避免网络拥塞以及网络效能最大化。在有线网络中，网络效能最大化(Network Utility Maximization，NUM)框架已得到广泛应用，通过优化分配数据流速率来解决网络拥塞问题。最近，NUM已经被扩展到无线网络，其中的群体效能和网络拥塞程度不仅取决于流量，还取决于每个参与转发的节点的传输功率，这定义了每条链路的传输容量。因此，在无线传感器网络中的拥塞控制问题成为一个联合优化问题，包含数据流速率和传输功率的优化。例如，文献″Balancing transport and physical Layers in wireless multi-hop networks：jointly optimal congestion control and power control，″IEEE Journal on Selected Areas in Communications，Vol.23，no.1，pp.104-116，2005.和文献″Mission-Based Joint Adaptation of Data Rates and Transmission Power for Multicast Wireless Sensor Networks.″Proc.of ACITA 2008，September 16-18，London，UK.分别研究了单播和多播情况下的联合数据流速率和传输功率分配的问题。但它没有考虑发送时间分配问题，控制网络拥塞效果不理想。文献″Utility-based Adaptation in Mission-Oriented Wireless Sensor Networks，″Proceedings of IEEE SECON，pp.278-286，2008.介绍了多播传感器网络中节点发送时间的分时概念，但它没有考虑通过传输功率的自适应控制解决拥塞问题。在有线网络的网络效用最大化框架下，为了避免网络拥塞，网络效能在以下约束条件下进行优化：这里X(i，j)代表节点i到节点j之间链路的总的传输数据率，C(i，j)代表链路(i，j)的容量。约束(1)表示一个链接所承载的聚合流量不能超过该链路的容量，目的是避免该链路的拥塞。由于约束(1)应用于网络中每一条链路，因此它可以被认为是单链路约束。单链路约束已作为标准用于有线网络的拥塞控制，例如，文献″Charging and rate control for elastic traffic，European Transactions on Telecommunications″，vol.8，1997，pp.33-37和文献″Optimization flow control.I.Basic algorithm and convergence，″IEEE/ACM transactions on networking，vol.7，no.6，pp.861-874，1999。近年来，被应用到无线网络拥塞控制中，例如，文献″Balancing transport and physical Layers in wireless multi-hop networks：jointly optimal congestion control and power control，″IEEE Journal on Selected Areas in Communications，Vol.23，no.1，pp.104-116，2005。然而，在无线传感器网络中每一个传感器只配备一个无线收发器，因此，约束(1)不再是避免拥塞的充分条件，原因如下：在一个单收发器传感器节点的空中接口，通过这个节点的多个数据流，会被一个接一个地路由指向到不同的下一跳。即使两个数据流被指向同一个下一跳，它们的数据包也需要一个接一个地处理。因此，一个传感器节点的发送时隙是由该节点上转发的所有的数据流共享的，这意味着每一个数据流只得到一部分该节点的发送时隙，而不是全部。这表明，系统对于单个数据流的有效容量不仅取决于链路质量(例如，链路的信干噪比)，也受限于转发节点分配给该数据流的发送时间。但是，如果没有指定链路(i，j)从节点i得到的发送时间的比例，约束(1)会假设链路(i，j)占用节点i全部的发送时间，即便节点i服务于多条链路。因为这个原因，约束(1)不适用于发送时间共享的情况。尽管发送时间共享是单收发传感器网络普遍的事实，但很少用于无线传感器网络拥塞控制，因为现有的无线传感器网络都只使用约束条件(1)。除了以上实践上的考虑之外，根据实时的流量和链路质量对数据流的发送时间进行精准的控制，对于缓解网络拥塞作用明显。接下来，将通过图1和图2说明节点自适应发送时间配置的优势。在图1和图2中，节点1为数据流1和数据流2提供转发服务，Tf表示节点1分配给数据流f的发送时间的比例。在以上两种情况下，有T1+T2＝1。如果链路承载的数据流率超过链路的容量，就可以认为该链路拥塞。在图1中，设定节点1分别给链路(1，2)和链路(1，3)平均分配发送时隙，链路(1，2)和链路(1，3)的有效容量分别是5Mps和10Mps。由于链路(1，2)承载的数据流速率为X(1，2)＝7.5Mps，大于链路(1，2)的有效容量Ce(1，2)＝5Mps，因此链路(1，2)拥塞。节点1服务的另外一条链路(1，3)承载的数据流速率为X(1，3)＝5Mps，远小于链路(1，3)的有效容量Ce(1，3)＝10Mps。在传统的拥塞控制算法中只考虑流量控制和功率控制这两种手段，为了解决链路(1，2)拥塞问题，只能降低数据流1的数据流速率或者提高节点1的传输功率，造成整个网络效能的下降。然而，如果发送时间的比例也可调整，在不改变数据率和传输功率的情况下，拥塞问题可以很容易地得到解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无线传感器网络拥塞的控制方法，旨在解决无线传感器网路拥塞的技术问题。本专利技术是这样实现的，一种无线传感器网络拥塞的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：A、判断时间指数t是否小于节点的发送时隙T，如是，则执行步骤B，如否，则结束本次控制检测；B、判断本发送节点是否是源节点，如是，对数据流(X，P)速率Xf(t+1)进行调整并执行步骤C，如否，则直接执行步骤C；C、判断本节点是否是转发节点，如是，则对传输功率Pn(t+1)及容量Cn，f(t+1)进行调整并执行步骤D；如否，则直接执行步骤D；D、判断时间指数t是否可以被整除迭代次数M，如是，则执行步骤E，如否，则执行步骤F；E、在本节点执行自适应发送时间分配算法，其公式： α n , f ( t + 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络拥塞的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：A、判断时间指数t是否小于节点的发送时隙T，如是，则执行步骤B，如否，则结束本次控制检测；B、判断本发送节点是否是源节点，如是，对数据流(X，P)速率Xf(t+1)进行调整并执行步骤C，如否，则直接执行步骤C；C、判断本节点是否是转发节点，如是，则对传输功率Pn(t+1)及容量Cn，f(t+1)进行调整并执行步骤D；如否，则直接执行步骤D；D、判断时间指数t是否可以被整除迭代次数M，如是，则执行步骤E，如否，则执行步骤F；E、在本节点执行自适应发送时间分配算法，其公式：αn,f(t+1)=[αn,f(t)-ξ(αn,f(t)-ηn,f(t)/Σe∈Fnηn,e(t))]+;]]>F、对时间分配指数τ＝τ+1及对网络时间指数t＝t+1进行递增调整；其中，t是时间指数，T是发送时隙，(X，P)是数据流，Xf(t+1)是速率，Pn(t+1)是传输功率，Cn，f(t+1)是容量，M是迭代次数，τ是时间分配指数，αn，f是节点n用于发送数据流f的发送时间比例，ηn，f是数据流f相对于节点n的最大可用容量Cn，f的饱和程度，即数据流f在节点n的饱和因子，n为节点索引，f为数据流索引，α和η是决策变量，ξ是固定步长，e属于节点n发送的数据流集合Fn中任意一个元素。...

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络拥塞的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：A、判断时间指数t是否小于节点的发送时隙T，如是，则执行步骤B，如否，则结束本次控制检测；B、判断本发送节点是否是源节点，如是，对数据流(X，P)速率Xf(t+1)进行调整并执行步骤C，如否，则直接执行步骤C；C、判断本节点是否是转发节点，如是，则对传输功率Pn(t+1)及容量Cn，f(t+1)进行调整并执行步骤D；如否，则直接执行步骤D；D、判断时间指数t是否可以被整除迭代次数M，如是，则执行步骤E，如否，则执行步骤F；E、在本节点执行自适应发送时间分配算法，其公式： α n , f ( t + 1 ) = [ α n , f ( t ) - ξ ( α n , f ( t ) - η n , f ( t ) / Σ e ∈ F n η n , e ( t ) ) ] + ; ]]>F、对时间分配指数τ＝τ+1及对网络时间指数t＝t+1进行递增调整；其中，t是时间指数，T是发送时隙，(X，P)是数据流，Xf(t+1)是速率，Pn(t+1)是传输功率，Cn，f(t+1)是容量，M是迭代次数，τ是时间分配指数，αn，f是节点n用于发送数据流f的发送时间比例，ηn，f是数据流f相对于节点n的最大可用容量Cn，f的饱和程度，即数据流f在节点n的饱和因子，n为节点索引，f为数据流索引，α和η是决策变量，ξ是固定步长，e属于节点n发送的数据流集合Fn中任意一个元素。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤E中每执行M次数据流速率和传输功率的迭代之后才执行1次发送时隙比例的调整。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤E中使用时间分配指数τ来标识发送时间调整的执行次数是否相对少于数据流速率和传输功率调整的执行次数加快函数的收敛。4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤E中只需要局部信息与节点关联的数据流速率和链路容量作为调整节点发送时间分配依据。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤E中的节点自适应发送时间分配算法只要数据流速率和传输功率能够得到正确的调整，可以与任何类型的联合数据流速率和传输功率分配方法集成在一起。6.根据权利要求1-5任一项所述的控制方法，其特征在于，所述步骤E中算法函数具有收敛性。7.一种无线传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾捷，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44