一种无线传感器网络拥塞的控制方法及系统的制作方法

文档序号:10578318阅读:886来源:国知局
一种无线传感器网络拥塞的控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
-种无线传感器网络拥塞的控制方法及系统
技术领域
[0001] 本发明属于数据传输控制技术领域,尤其设及一种无线传感器网络拥塞的控制方 法及系统。
【背景技术】
[0002] 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W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,W避免网 络拥塞W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,运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, 文南犬"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. I,pp.104-116,2005.和文南犬"Mission- Based Joint Adaptation of Data Rates and Transmission Power for Multicast Wireless Sensor 化tworks/'Proc.of ACITA 2008,Septembe;r 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-basedAdaptationinMission- Oriented Wireless Sensor Networks/'Proceedings of IE邸 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。
[0003] 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W下约束 条件下进行优化:
(1 ),运里x(i,j)代表节点巧Ij节点j之间链路的 总的传输数据率,CQ,j)代表链路Q,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W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 女日,文南犬"Charging and rate control for elastic traffic,European Transactions on Telecommunications",vol.8,1997,pp. 33-37和文南犬"Optimization flow control . I . Basic algorithm and convergence,"lEEE/ACM transactions on networking,vol .7,no.6,pp.861-874,1999D近年来,被应用到无线网络拥塞控制中,例如, 文南犬"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. I,pp.104-116,2005。
[0004] 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(I) 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,通过运个 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,运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。运表明,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Q,j)从节点i得到的发送时间的比例,约束(1)会假设链路Q,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。因为运个原因,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 W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。
[0005] 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W上两种情况下,有Tl巧2=1。如果链路承载的数据流率超过链 路的容量,就可W认为该链路拥塞。
[0006] 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IOMps。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运两种手段,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W很容易地得到解决。

【发明内容】

[0007] 本发明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。
[0008] 本发明是运样实现的,一种无线传感器网络拥塞的控制方法,所述控制方法包括 W下步骤:
[0009] 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;
[0010] 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;
[0011] 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;
[0012] D、判断时间指数t是否可W被整除迭代次数M,如是,则执行步骤E,如否,则执行步 骤F;
[0013] E、在本节点执行自适应发送时间分配算法,其公式:
[0014]
[001引 F、对时间分配指数T = T + 1及对网络时间指数t = t+l进行递增调整;
[0016] 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+l)是容量,M是迭代次数,T是时间分配指数,an,f是节点n用于发送数据流f的发 送时间比例,rin,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,a和Tl是决策变量,C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。
[0017] 本发明的进一步技术方案是: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。
[0018] 本发明的进一步技术方案是:所述步骤E中使用时间分配指数T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。
[0019] 本发明的进一步技术方案是: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。
[0020] 本发明的进一步技术方案是: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W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。
[0021] 本发明的进一步技术方案是:所述步骤E中算法函数具有收敛性。
[0022] 本发明的另一目的在于提供一种无线传感器网络拥塞的控制系统,所述控制系统 包括:
[0023] 第一判断模块,用于判断时间指数t是否小于节点的发送时隙T,如是,则执行第二 判断模块,如否,则结束本次控制检测;
[0024] 第二判断模块,用于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)进行调整并执行第=判断模块,如否,则直接执行第=判断模块;
[0025] 第S判断模块,用于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)进行调整并执行第四判断模块;如否,则直接执行第四判断模块;
[0026] 第四判断模块,用于判断时间指数t是否可W被整除迭代次数M,如是,则执行步骤 E,如否,则执行步骤F;
[0027] 宵決坛巧趙比.田丰#太巧占化巧白巧献货说时巧丽宵決,其公式;
[002引
[0029] 指数调整模块,用于对时间分配指数T = T+1及对网络时间指数t = t+l进行递增调 整;
[0030] 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+l)是容量,M是迭代次数,T是时间分配指数,an,f是节点n用于发送数据流f的发 送时间比例,rin,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,a和Tl是决策变量,C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。
[0031] 本发明的进一步技术方案是:所述算法运行模块中每执行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。
[0032] 本发明的进一步技术方案是:所述算法运行模块中使用时间分配指数T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。
[0033] 本发明的进一步技术方案是:所述算法运行模块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;
[0034] 所述算法运行模块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W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;
[0035] 所述算法运行模块中算法函数式具有收敛性。
[0036] 本发明的有益效果是:本发明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。
【附图说明】
[0037] 图1是现有技术中平均分配发送时间示意图。
[0038] 图2是自适应分配发送时间示意图。
[0039] 图3是是AAS算法的流程图。
[0040] 图4是单播发送图。
[0041] 图5是网络效能图。
[0042] 图6是数据流速率图。
[0043] 图7是采用TCC方案网络仿真快照图。
[0044] 图8是采用ACC方案网络仿真快照图。
[0045] 图9是组播发送图。
[0046] 图10是网络效能比较图。
[0047] 图11是数据流速率收敛比较图。
[004引图12是传输功率收敛比较图。
【具体实施方式】
[0049] 图3示出了本发明提供的无线传感器网络拥塞的控制方法的流程图,其详述如下:
[0050] 所述控制方法包括W下步骤:
[0051] 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;
[0052] 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;
[0053] 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;
[0054] D、判断时间指数t是否可W被整除迭代次数M,如是,则执行步骤E,如否,则执行步 骤F;
[0055] E、在本节点执行自适应发送时间分配算法,其公式:
[0化6]
[0057] F、对时间分配指数T = T+1及对网络时间指数t = t+l进行递增调整;
[005引其中,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,T是时间分配指数,an,f是节点n用于发送数据流f的发 送时间比例,rin,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,a和n是决策变量,C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。
[0059] 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。
[0060] 所述步骤E中使用时间分配指数T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。
[0061] 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。
[0062] 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W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。
[0063] 所述步骤E中算法函数具有收敛性。
[0064] 为了明确地描述到单节点的发送时隙共享的特点,本发明对建立的拥塞控制问题 做W下说明:
[0065] (1)传输符号
[0066] 在本发明中,每次发送需要由两个索引确定(n,f),运里n为节点索引,f为数据流 索引。(n,f)表示由节点n开始发送到下一跳节点的数据流f。例如,在图1中,节点1有两个发 送数据流(1,2)和(1,3),分别用实线和虚线表示。
[0067] (2)发送时间共享
[0068] 在本发明中,引入发送时隙Qnf表示节点n用于发送数据流f的发送时间比例。在本 发明建立的拥塞控制框架中,发送时间比例Qn,f成为除数据率和发射功率之外的第=个决 策变量。发送时间共享的约束条件要求必须保证对于每个节点有:
痒中Fn是 节点n发送的数据流的集合。此外,数据流f从节点n获得的有效容量,最终决定了流量的数 据率沿,数据率Xf与发送时隙比例an, f成正比。
[0069] (3)网络调度程序
[0070] 由于设定每个传感器节点只具备单收发器,因此在无线传感器网络中只有独立的 链路可W激活。对于任意一个节点n来说,必然存在一个节点集合(例如,节点n的相邻的节 点)在节点n的发送队列槽中处于非激活状态。在本发明中,假设有一个网络调度计划周期 性地分配那些拥有不同发送时间而不能同时传输的目的节点。使用An来表示网络调度计划 分配的在时间n需要传送到的目的节点的集合。
[0071] 经过W上修改,网络拥塞控制问题成为关于数据流速率(X)、传输功率(P) W及发
[0072] ( 2 ) 送时间比例(a)网络效能最大化问题。
[0073]
[0074] ( 4 )
[0075]
[0076] 运里化(Xf)是数据流f的产生的网络效能,是一个凹函数。数据流速率Xf和gn(Pn)是 节点n传输功率Pn的凸补偿函数。W是数据带宽,R(n,f)表示一次发送数据流(n,f)的接收 端,GR(n,f),n表示节点ri至暇收端R(n,f)的信道传播增益,NR(n,f)表示在接收器R(n,f)上的加 性高斯噪声,公式(3)和(4)表示本发明提出新的单个节点容量约束条件,适用于无线传感 器网络中每一个节点。需要注意的是,公式(3)保证一个数据流的数据速率受限于其通过的 有效链路容量,该链路(n,f)的有效容量等于该链路分配到的发送时间比例与香农容量Cn,f 的乘积。
[0077] 通过公式(2)建立了联合优化问题,下面需要证明该优化问题是凹性的。本发明将 在高信噪比条件下探讨公式(2)的凹性。
[0078] 公式(2)的拉格朗日方程如下:
[0079]
[0080] 运里在An,f和iin分别代表约束与公式(3)和(4)相关的拉格朗日乘子。可W将公式 (5)分解为成两个独立的子问题。具体而言,第一部分被称为数据流速率子问题,它仅仅调 整数据流巧率X,并日认为P巧a是常敬:
[0081]
( 6 )
[0082] 公式(5)其余部分的形成发送时间和功率子问题,调整发送时间比例和传输功率, 因而容量可调。
[0083]
[0084] 值得注意的是,关于数据流速率的子问题是一个传统的拥塞控制问题,并已被很 多现有的研究证明为关于X的凹性函数。下面,本发明将会利用定理1证明发送时间和功率 子问题也是凹性的。在定理I中,引入对数功率的概念P' =Iog(P)D
[0085] 定理1:在干扰受限和高信噪比的情况下,发送时间和功率子问题是关于P和a的凹 性函数。
[0086] 证明:公式(7)包含W下S个函数Si、S2和S3:
[0087]
[0088] 只需证明Si是关于P和a凹函数,因为函数S2和S3都是凹性的。在函数Si中,P和a运 两个决策变量是禪合的,即:函数项Qn, f与函数项Cn, f相乘,其中Cn, f是变量P的函数。为了证 明禪合函数Sl的凹性,首先需要证明Cn, f (P )是P '的凹函数。然后,证明函数Sl是Cn, f (P )经过 一系列运算变换得到的结果,根据文献[6],凹函数经过W下两种运算变换之后仍然保持了 原有的凹性。
[0089] 命题1:凹函数与正常量的乘积是凹函数
[0090] 命题2:凹函数的相对赌是凹函数
[0091] 首先,推导出关于P'的函数Cn,f(P)的海森矩阵的一些重要性质。可W发现,在高信 噪比的条件下,海森矩阵的第n行第n列全为零。
[0092] 出(n,m)=出(m,n)=0, V巡' (9)
[0093] 在其他的行列,当n声m时,对角线上的元素为:
[0094] (10) (11 )
[0095]
[0096] 对于任何k声m,k声n,非对角线上的元素为:
[0097]
[009引观察公式(10)和公式(11)可W发现:当k声m,k声n时,函数Cn,f (P)的海森矩阵的具 有W下重要性质:
[0099] 也(m,m)<0 且也(m,k)>0,
[0103] 将公式(9)和(10)代入公式(13)中得到:
[0100] (12)
[0101] :海森矩阵是一个负定矩阵,因为:
[0102] (。)
[0104]
(14)
[0105] 公式(14)表明,对于所有(n,f),函数Cn,f(P)是关于P'的凹函数。
[0106] 根据命题1入,祀。,肿)仍然是一个关于?'的凹函数。定义一个新函数:。化)=入。, fCn,f(P),函数fo的相对赌如下:
[0107]
(15)
[0108] 根据命题2,它仍然是一个关于(P',a)凹函数。设所有an,f的和为1,推导公式(15) 得到:
[0109]
(16)
[0110] 从公式(16)可W看出,如果噪声项NR(n,f),n是相对于干扰项可W被忽略的,那么分 母中的Qn,f和分子项均可W消除,因此,公式(16)等于:
[0111]
。7)
[0112] 因此,在干扰受限和高信噪比的情况下,Si是一个关于(P',a)的凹函数,因而可W 证得功率和发送时间子问题是空间(P',a)下的凹函数。给定P=l〇g(P')是P的一个单调递 增函数,即P中的每一个点映射到P'一个唯一的点。由于公式(2)具有关于(X,P,a)的凹性, 所W在空间(X,P,a)开发迭代算法优化拥塞控制问题是可行的。
[0113] 为了解决在数据流速率和传输功率的调整已知的情况下,分布式地调整发送时间 的比例,需要得到发送时间隙比例的最优性条件。对公式(5)中的L关于A和y求导。为了得到 公式(5)的最优解,必须满足W下条件:

(18)
[0114] 胳Pi h两个条件合并,记.的最优解应该满足:
[0115]
( 19 )
[0116] 然后,定义一个新的变量rin,f = Xf/Cn,f,表示数据流f相对于节点n的最大可用容量 Cn,f的饱和程度。rin,f=l表示数据流f需要占用节点n的全部发送时间。因此,把Tin,f称为数据 流f在节点n的饱和因子。公式(19)说明,节点分配给数据流的时间比例与该数据流的饱和 因子大小成正比,即:
[0117]
(20)
[0118] 在图I和图2的例子中,图2分别分配给数据流I和数据流2发送时间Ti = O.75和Tl = 0.25满足优化条件,而图1平均分配发送时间无法满足公式(20)。根据公式(20)提出的最优 条件,本发明提出了 W下节点自适应发送时间分配算法(the adaptive abtime sharing algorithm, W下简称AAS):
[0119]
( 21 )
[0120] 运里C是固定步长。关于a的子问题的凹性保证了 AAS算法的收敛性。需要注意的 是,公式(21)中没有采用标准的基于梯度的方法来解决中的发送时间自适应分配问题。运 是因为如果使用基于梯度的方法,两个额外的决策变量,即a和y,需要添加到拥塞控制框架 中。相比之下,AAS算法不需要调整ii,只需要局部信息,即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的依据。此外,只要数据流速率和传输功率能够得到正确 的调整,AAS算法可W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。因 此,公式(21)提供了一种通用的自适应地分配发送时间比例方法,适用于任何数据流速率X 和传输功率P开放调整的情况。图3给出了使用AAS算法进行拥塞控制的示意图,并利用开放 更新的方法调整数据流速率X和传输功率P。需要注意的是,图3在AAS的子程序中使用时间 指数T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,用W加快联合优化的快速收敛。运是因为当X和P收敛到一个相对稳定的点的时候,饱 和因子n可能还仍然无法准确表示该数据流的饱和度。所W,公式(21)中每运行1次X和P的 迭代可能会延迟(X,P,a)的联合收敛。基于W上原因,在算法仿真中,每执行M次X和P的迭代 之后才执行1次发送时隙比例的调整。当满足时AAS算法收敛。
[0121] 在对提出的AAS算法的性能在单播和多播环境下进行了实验模拟评估。具体通过 图4和图9说明。实验中无线链路传播损耗的衰减因子取值为4。传输功率代价定义为
取数据流速率和传输功率(X,P)每进行100次迭代,发送时隙比例的调整1 次,即M=IOOd
[0122] 单播发送网络模拟示意图如图4所示。5个转发传感器节点(节点1至节点5)按照图 4中周期性的网络调度计划被分配到=个连续的发送时隙。如何找到一个给定的多跳网络 的最佳网络调度计划是一个非确定性多项式难题,运超出了本发明的范围之外。本发明中 使用网络调度计划主要目的仅仅是为了区分不同传输时隙中非并发节点。
[0123] 在图5和图6中,使用网络效能和数据流速率变化作为评价标准,比较了本发明中 采用AAS算法的拥塞控制(AAS congestion control,W下简称ACC)和传统的拥塞控制 (traditional congestion control,W下简称TCC)的性能。值得注意的是,ACC在大约1000 次迭代后快速收敛,运比TCC的收敛速度稍慢,如图5和图6所示。运表明,由于ACC的AAS算法 增加了局部计算的复杂度。然而更重要的是,在图5中,ACC能达到一个更好的收敛点,具有 更好的网络性能,网络效能达到(-0.91),好于TCC的网络效能(-1.43)。在数据流速率分配 方面,相比TCC,ACC可收敛到相对较大的平均流速,如图6所示。
[0124] 为了说明数据流速率提高的根本原因,在t = 3000时ACC和TCC的网络仿真快照如 图7和图8所示。图中只包含了节点4,运是因为节点4是运个网络中唯一的出现发送时间分 配的节点。在图7中,TCC方案在整个迭代过程中保持04,1 = 04,2 = 0.5不变,因此,节点4分配 给数据流2的有效容量远远大于过数据流2的速率,即04,扭,1 = 3.45大于X2 = 2.19。同时,经 由节点4发送的数据流1,正在节点1经历一个瓶颈效应,因为作为数据流1的速率接近其分 配的有效容量,有Xi = a4,iC4,i。相比之下,ACC方案通过自适应地调整日4,1和日4,2,节点4分配 在数据流1和数据流2之间分配带宽更有效,在图8中对于两个数据流没有"浪费"的容量,所 W能够提高数据流速率Xi和拉。
[0125] 如何对发送数据流进行时间分配是所有单收发无线传感器网络中面临的普遍问 题,本发明还将ACC方案应用到图9所示的单一拓扑结构的多播无线传感器网络中。在图9 中,发送传感器节点1-6由网络调度计划分配到3个不同的传输时隙中。类似于单播的情况, 本发明比较了采用AAS算法的拥塞控制方案(ACC)与传统拥塞控制方案(TCC)的网络效能, 数据流速率和功率的收敛性。从图10可W看出,ACC方案在多播的情况下的网络效能为 (1.08),高于TCC方案的网络效能值(-0.55)。此外,如图11和图12所示,相比TCC方案,采用 ACC方案的网络不仅可W达到一个更高的平均数据流速率,而且降低了平均功率损耗。值得 注意的是,在图12中,节点4的承载相对较重,采用ACC方案的节点4的传输功率要显著高于 采用TCC方案的节点4传输功率,增加传输功率从而达到缓解网络拥塞的目的。运进一步表 明,本发明中提出的ASS算法可W在原有传统方案的基础上提高的拥塞控制的效果,在带宽 利用和功耗中实现更有效的资源分配。
[0126] 本发明的另一目的在于提供一种无线传感器网络拥塞的控制系统,所述控制系统 包括:
[0127] 第一判断模块,用于判断时间指数t是否小于节点的发送时隙T,如是,则执行第二 判断模块,如否,则结束本次控制检测;
[0128] 第二判断模块,用于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)进行调整并执行第=判断模块,如否,则直接执行第=判断模块;
[0129] 第S判断模块,用于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)进行调整并执行第四判断模块;如否,则直接执行第四判断模块;
[0130] 第四判断模块,用于判断时间指数t是否可W被整除迭代次数M,如是,则执行步骤 E,如否,则执行步骤F;
[0131] 算法运行模块,用于在本节点执行自适应发送时间分配算法,其公式:
[0132]
[0133] 指数调整模块,用于对时间分配指数T = T+1及对网络时间指数t = t+l进行递增调 整;
[0134] 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,T是时间分配指数,an,f是节点n用于发送数据流f的发 送时间比例,rin,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,a和n是决策变量,C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。
[0135] 所述算法运行模块中每执行M次数据流速率和传输功率的迭代之后才执行I次发 送时隙比例的调整。
[0136] 所述算法运行模块中使用时间分配指数T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。
[0137] 所述算法运行模块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;
[0138] 所述算法运行模块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W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;
[0139] 所述算法运行模块中算法函数式具有收敛性。
[0140] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用W限制本发明,凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
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W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W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:F、 对时间分配指数τ = τ+1及对网络时间指数t = t+l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,Μ是迭代次数,τ是时间分配指数,an,f是节点η用于发送数据流f的发送 时间比例,rin,f是数据流f相对于节点η的最大可用容量Cn,f的饱和程度,即数据流f在节点η 的饱和因子,η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η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Μ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Ε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Ε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Ε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W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Ε中算法函数具有 收敛性。7. -种无线传感器网络拥塞的控制系统,其特征在于,所述控制系统包括: 第一判断模块,用于判断时间指数t是否小于节点的发送时隙Τ,如是,则执行第二判断 模块,如否,则结束本次控制检测; 第二判断模块,用于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) 进行调整并执行第Ξ判断模块,如否,则直接执行第Ξ判断模块; 第Ξ判断模块,用于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)进行调整并执行第四判断模块;如否,则直接执行第四判断模块; 第四判断模块,用于判断时间指数t是否可W被整除迭代次数M,如是,则执行步骤E,如 否,则执行步骤F; 算法运行模块,用于在本节点执行自适应发送时间分配算法,其公式:指数调整模块,用于对时间分配指数τ = τ+1及对网络时间指数t = t+l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,Μ是迭代次数,τ是时间分配指数,an,f是节点η用于发送数据流f的发送 时间比例,rin,f是数据流f相对于节点η的最大可用容量Cn,f的饱和程度,即数据流f在节点η 的饱和因子,η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η发 送的数据流集合Fn中任意一个元素。8. 根据权利要求7所述的控制系统,其特征在于,所述算法运行模块中每执行Μ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。9. 根据权利要求8所述的控制系统,其特征在于,所述算法运行模块中使用时间分配指 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。10. 根据权利要求9所述的控制系统,其特征在于,所述算法运行模块中只需要局部信 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; 所述算法运行模块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W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; 所述算法运行模块中算法函数式具有收敛性。
【文档编号】H04W52/02GK105939526SQ201510797065
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年11月17日
【发明人】曾捷
【申请人】深圳大学
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