一种星型结构下无线传感器网络拥塞控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感器网络传输控制领域，特别是指一种星型结构下无线传感器 网络拥塞控制方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是由一组分布式部署的微小型节点组成的网络，这些微小节点配 备有嵌入式计算设备，拥有传感器或执行器的接口。在网络覆盖区域内各节点协作感知、监 测、处理和传输被采集的对象的信息，并使用短距离无线通信方式进行数据传输，最终把感 知信息传输至网络"中心"节点一一sink节点中。无线传感器网络技术在近年来有了飞速 的发展，应用前景也越来越广阔。
[0003] 星型结构是无线传感器网络的一种简单而又常见的拓扑结构，它是树型网络、网 状网络和分簇网络等其他拓扑结构的末端组成部分。星型网络的拥塞会导致网络传输能力 下降，数据堆积在节点队列中，时延增大，队列溢出数据包丢失，严重影响网络的服务质量。 这对星型网络的具体应用危害很大，因此，星型网络的拥塞控制成为了一项关键技术。
[0004] 星型网络是由一个协调器和多个子节点组成的简单拓扑网络，子节点负责事件信 息的感知与采集，并把数据发送至协调器中，协调器起网关的作用，负责与外界进行数据交 互。在星型网络中，很容易出现由缓存队列溢出而造成的节点级拥塞。这种拥塞出现的原 因是：当感知区域有未知突发事件发生时，传感器采集频率增加，队列输入速率增加，大量 数据流在短时间内涌入网络，节点缓存队列迅速增长并溢出，导致网络丢包率、时延增加， 吞吐量下降。这对星型网络的危害很大，特别是对于时延、可靠性要求较高的网络。因此， 必须采取有效的拥塞控制措施，阻止缓存队列的快速增长和溢出，保证信息的可靠传输。
[0005] 在星型网络场景下进行拥塞控制主要有以下技术问题：如何及时、有效的进行拥 塞检测、通告和解除；如何利用缓存队列进行拥塞的准确判断；如何进行有效的速率调节， 保证协调器和子节点队列在网络拥塞时能有效减缓队列的增长速率并阻止队列溢出而造 成丢包。
[0006] 现有的拥塞控制技术大多都是针对网状网络、树型网络等多跳传输的网络。传统 的拥塞控制机制一般分为三个部分：拥塞检测、拥塞通告和拥塞解除。
[0007] 现有的拥塞检测机制主要有：基于缓存队列长度的检测，基于信道采样的检测，基 于数据包丢失状况的检测，基于拥塞度的检测，基于数据包时延的检测等。基于缓存队列长 度的检测是现阶段使用最多的拥塞检测方法，但对缓存队列设置单一阈值的方法并不是一 个有效的拥塞检测方法，因此，如何基于队列长度设计一种有效的检测方法成为研宄者们 的一个挑战。
[0008] 拥塞通告机制分为隐式通告和显示通告两种方式。两种方式各有优缺点。隐式通 告方式把拥塞信息放在控制帧或信息帧里，不需要为拥塞信息增加额外开销，但存在一定 延时，有时候不能将拥塞信息进行及时的通告。显示通告方式为拥塞信息增加专门的通告 帧，进行及时的拥塞通告，但是却增加了网络传输负担。
[0009] 拥塞解除机制主要有：速率调节、传输调度、流量调度、资源控制、网内聚集处理、 速率预分配、分组丢弃等方式。其中，速率调节是最主要的拥塞解除手段。当得知下一跳节 点拥塞后，降低发送速率；当本地节点拥塞时，提升发送速率。
【发明内容】
[0010] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种星型结构下无线传感器网络拥塞控制方 法，能有效解决星型网络中的节点级拥塞问题。
[0011] 基于上述目的本发明提供的星型结构下无线传感器网络拥塞控制方法，包括：
[0012] 无线传感器网络初始化，包括设置协调器的拥塞控制周期以及根据协调器服务速 率设定子节点正常状态下的发送速率；
[0013] 监测协调器拥塞状况并得到协调器在当前拥塞控制周期的队列长度和队列拥塞 指数，判断当前拥塞控制周期的协调器所处的拥塞状态；
[0014] 协调器把其当前拥塞控制周期的拥塞信息通告给每个子节点，所述拥塞信息包 括：协调器在当前拥塞控制周期中所处的拥塞状态以及协调器在当前拥塞控制周期的队列 拥塞指数；
[0015] 子节点接收所述拥塞信息并监测子节点自身的当前拥塞控制周期的拥塞状况并 得到子节点自身的当前拥塞控制周期的队列长度和队列拥塞指数，判断当前拥塞控制周期 的子节点自身所处的拥塞状态；
[0016] 子节点根据协调器和自身的拥塞状态，调节子节点自身的发送速率及其所带有的 传感器的采集速率。
[0017] 在一些实施方式中，所述拥塞控制周期需根据具体应用场景拥塞出现的频率或采 用具体协议栈的情况而定。
[0018] 在一些实施方式中，为保证协调器不出现拥塞状态，正常状态下子节点的发送速 率应设置为小于或等于协调器的服务速率。
[0019] 在一些实施方式中，所述协调器把其当前拥塞控制周期的拥塞信息通告给每个子 节点的步骤中，拥塞通告采取隐式通告的方式。
[0020] 在一些实施方式中，所述协调器和/或子节点的队列拥塞指数的计算公式为：
[0021] 队列拥塞指数=(当前拥塞控制周期的队列长度-上一拥塞控制周期的队列长 度）+ (队列总长度-当前拥塞控制周期的队列长度）。
[0022] 在一些实施方式中，根据具体应用的需求，对队列长度和队列拥塞指数设置若干 阈值，确定不同的拥塞状态。
[0023] 在一些实施方式中，根据队列长度和队列拥塞指数，在进行拥塞状态划分时，把节 点（包括协调器和/或子节点）划分为5种拥塞状态，划分规则如下：
[0024] 状态0 :初始状态，队列长度等于零，队列拥塞指数等于零；
[0025] 状态1 :正常发送状态，表明所述节点无拥塞状况，队列长度小于初级门限值，队 列拥塞指数为任意值；
[0026] 状态2 :轻度拥塞状态，队列长度介于初级门限与高级门限之间，队列拥塞指数小 于固定门限；
[0027] 状态3 :中度拥塞状态，队列长度介于初级门限与高级门限之间，队列拥塞指数大 于固定门限；
[0028] 状态4:重度拥塞状态，队列长度超过高级门限的最大值，队列拥塞指数为任意 值。
[0029] 在一些实施方式中，所述子节点根据协调器和自身的拥塞状态，调节子节点自身 的发送速率及其所带有的传感器的采集速率的步骤包括：
[0030] 若协调器和子节点都无拥塞状态，说明网络处于正常状态，当前拥塞控制周期发 送速率等于初始值，采集速率无需调节；
[0031] 若检测出协调器或子节点出现拥塞状态，则计算当前拥塞控制周期的传感器发送 速率和子节点采集速率并对传感器发送速率和子节点采集速率进行调节，其计算方法为：
[0032] 根据子节点的拥塞状态，以降低队列拥塞指数为目的，采用迭代的方法逐步降低 传感器采集速率；
[0033] 根据子节点和协调器拥塞程度的严重性，以迭代的方式逐步提升或降低子节点发 送速率。
[0034] 从上面所述可以看出，本发明提供的一种星型结构下无线传感器网络拥塞控制方 法，根据星型网络的特点，采用基于缓存队列的拥塞检测方法，协调器使用隐式通告的方式 向子节点广播其拥塞状况，并采用调节子节点发送速率和采集速率的方式进行拥塞的解 除。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明所处的星型结构下的无线传感器网络实施例的结构示意图；
[0036] 图2为本发明提供的星型结构下无线传感器网络拥塞控制方法的一个实施例的 流程示意图；
[0037] 图3为本发明提供的星型结构下无线传感器网络拥塞控制方法的另一个实施例 的流程示意图；
[0038] 图4为本发明提供的星型结构下无线传感器网络拥塞控制方法实施例中拥塞检 测方法的节点状态转移示意图；
[0039] 图5为本发明提供的星型结构下无线传感器网络拥塞控制方法实施例拥塞通告 中拥塞信息存储内容示意图。
【具体实施方式】
[0040] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0041] 依照本发明，星型结构下的无线传感器网络实施例的结构如图1所示。网络由1 个协调器和N个子节点组成。子节点和协调器中分别各维护一个发送队列和接收队列。子 节点所带传感器以一定采集速率rrallert进行数据采集，并把数据放入发送队列中，传感器 采集速率rrallec;t会随环境变化，并且可以调节。子节点具有最大发送速率R_，子节点当前 的发送速率为