一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路由優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線通信技術領域，尤其設及一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路 由優化方法。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網絡由于其低成本、低功耗、自組織等優點目前被廣泛應用于環境監 、軍事應用、道路交通、醫療衛生等領域。而路由協議一直是WSN的研究熱點，傳統的路 由協議針對WSN節點能量受限的特點主要W延長網絡生命周期為主要目標，如LEACH，E抓C等。然而，在某些場景下如用電信息采集、輸電線路檢測等，節點可由線路持續供電，能量持 續，W往的路由算法有可能導致選路不合理，造成網絡能量的浪費；同時，當W數據為中屯、 的無線傳感器網絡應用中，由于突發事件流或集中式數據采集等原因都易造成網絡擁塞， 嚴重影響網絡的傳輸性能。因此，設計有效的路由協議W優化全網能耗并緩解網絡擁塞是 有必要的。
[0003] 目前，設及網絡擁塞的路由算法還比較少。張智、崔國華提出的CAAR路由方法同 時采用擁塞檢測和本地數據存儲策略，只能一定程度上緩解網絡擁塞，降低網絡丟包率和 時延；Ra化Kumar等人提出的擁塞感知路由方法（CAR)能夠動態發現擁塞區域，基于數據 優先級提供區分服務，有效保證了高優先級業務的傳輸要求，同時減少了網絡能耗，延長了 網絡生命周期；郝曉辰等人提出的基于擁塞預知的WSN多徑尋優路由方法（MOPC)基于主動 避免擁塞的設計思想，依據節點的擁塞預知度、剩余能量和最小跳數建立路徑滿意度模型， 實現了最優路徑的選取，具有良好的可靠性和實時性；FengyuanRen等人提出的TADR路由 方法基于節點跳數和隊列長度構建混合虛擬勢能場，使得數據包在最大虛擬力的作用下轉 發到sink節點，有效提高了網絡吞吐量。然而，上述路由方法多采取簡單的擁塞檢測方法 并不能準確的判斷網絡的擁塞情況，單路徑路由也只能一定程度上緩解擁塞，同時都沒有 結合WSN中節點能量持續的情況進行路由優化。
【發明內容】
[0004] 針對上述現有技術存在的不足之處，本發明提供一種基于擁塞控制的無線傳感器 網絡路由優化方法，目的是用于解決現有技術中缺乏對節點能量持續的考慮、未對擁塞進 行有效控制等缺陷的問題。 陽〇化]為了實現上述發明目的，本發明是通過W下技術方案實現的：
[0006] 一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路由優化方法，步驟如下：
[0007] 步驟1 :根據節點的地理位置信息建立每個節點到各前向鄰居節點的鏈路比降函 數；
[0008] 步驟2:構建節點隊列模型，根據節點的數據包服務率，建立鏈路的流量半徑函 數；
[0009] 步驟3 :根據已經建立的鏈路比降函數和流量半徑函數構建節點間鏈路流速模 型；
[0010] 步驟4 :節點根據各鏈路流速的不同創建路由轉發概率函數，完成路由的建立；
[0011] 步驟5 :創建擁塞檢測函數對網絡的擁塞程度進行實時檢測，一旦出現節點擁塞 則進行局部路由維護。
[0012] 所述步驟1中鏈路比降函數的計算公式為：
[0014] 式中，Ji, ,為節點i與節點j的鏈路比降函數值；d為兩節點間的歐式距離； sink為無線傳感器網絡中的匯聚節點；FN(i)為節點i的前向鄰居節點集，FN(i)=UIdi,RWdi,unk<d ，其中，Rtx為節點的最大通信半徑。
[0015] 所述步驟2中流量半徑函數的計算公式為：
[0016] RiJ=u.j;
[0017] 式中，R,,為節點i與前向鄰居節點j的流量半徑函數值；U,為節點j的平均數據 包服務率，其計算公式為：
[0019] 式中，^為節點j對數據包的平均服務時間，其計算公式為：
[0021] 式中，Ptk為節點J到其前向鄰居節點k的路由轉發概率，n為節點j的前向鄰居 節點個數；為節點j對傳輸到節點k數據包的平均服務時間，其計算公式為：
[002引式中，P為數據包大小，假設網絡中所有數據包大小相同；(；為鏈路帶寬；Z,,k為節 點j在進行數據包傳輸之前其他競爭節點傳輸數據包的個數，該個數服從幾何分布，E[Zik] 為其期望，其計算公式為：
[00對式中，T,,k為節點j在節點k空閑之后立刻轉發數據包的概率，其計算公式為：
陽027] 式中，h, 1分別為節點j,k的干擾節點；4h為節點h接收數據包的時間比例，4 1 為節點1發送數據包的時間比例aj為節點j的干擾節點集，Ck分別為節點k的干擾節點 集，C.i=化 |dh,.i《（1+A) -RJ，U=a|di,k《（1+A) -RJ式中，A為一正常數（A 二 0. 1)。
[0028] 所述步驟3中流速模型的計算公式為：
[0029] Vi,=Ji,?Ri,;
[0030] 式中，Vi,為節點i到前向鄰居節點j的鏈路流速值，J1,.，為節點i與節點j的鏈 路比降函數值；Ri, ,為節點i與節點j的流量半徑函數值。
[0031] 所述步驟4中由轉發概率函數，概率轉發函數的計算公式為：
陽〇3引式中，Pi,為節點i到節點j的轉發概率；V1,,為節點i到前向鄰居節點j的鏈路 流速值；g為節點i的前向鄰居節點；FN(i)為節點i的前向鄰居節點集。
[0034] 所述步驟5中檢測的具體步驟為：
[0035] 步驟5. 1擁塞檢測：通過擁塞檢測函數對網絡中節點的擁塞程度進行判斷，一旦 出現擁塞，首先撤銷擁塞節點和其子節點之間的鏈路，在其子節點的前向鄰居節點集中排 除擁塞節點，擁塞檢測函數的公式為；
[0037] 式中，S，為節點j的擁塞程度，為節點j自身產生數據包的平均速率，為節 點j接收其子節點h數據包的平均速率，為節點j向節點k傳輸時重傳數據包的平均 速率，U,為節點j的平均數據包服務率；
[0038] 步驟5. 2路由維護：根據步驟4中的路由轉發概率函數重新選擇路徑，完成局部路 由維護；同時原路徑的撤銷并不影響其每次數據傳輸之后節點各個參數的更新，也就是說 被排除的擁塞節點在下一次局部路由維護時仍然有可能被選為備選節點，W此達到緩解擁 塞的目的。
[0039] 本發明的有益效果在于： W40] (1)本發明所述的路由方法克服了傳統WSN路由方法只考慮節點能量有限的缺 陷，通過借鑒水文學中的基本概念和原理建立鏈路比降函數，充分地實現了節點能耗的有 效性，使全網能耗最優化，具有良好的實時性和可靠性。
[0041] (2)本發明所述的路由方法通過構建網絡排隊模型，計算節點的數據包到達率和 數據包服務率，W進一步判斷節點的擁塞程度，克服W往路由方法不能準確判斷節點擁塞 的缺陷。同時在進行路由選擇時綜合考慮優化全網能耗和擁塞控制，運樣會使無線傳感器 網絡在能耗較低的同時，保證數據傳輸的實時性和可靠性。
【附圖說明】
[0042] 圖1為本發明實施例所使用的無線傳感器網絡拓撲結構圖；
[0043] 圖2為本發明實施例所使用的無線傳感器網絡節點的隊列模型； W44] 圖3為本發明實施例所使用的CSMA/CA協議節點傳輸原理圖； W45] 圖4是本發明實施例所述的路由方法與TADR、MOPC網絡總能耗的對比結果；
[0046] 圖5是本發明實施例所述的路由方法與TADR、MOPC丟包率的對比結果；
[0047] 圖6是本發明實施例所述的路由方法與TADR、MOPC路由平均跳數的對比結果。
【具體實施方式】
[0048] 本發明是一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路由優化方法。下面結合附圖，對 優選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明 的范圍及其應用。 W例本發明克服了現有無線傳感器網絡路由方法的不足，引入水文學的基本概念和原 理，并建立節點隊列模型，基于節點地理位置和數據包服務率構建鏈路比降和流量半徑函 數，最后根據鏈路流速為各條路徑分配合適的路由選擇概率，從而有效地優化了全網能耗， 降低了網絡時延和丟包率。
[0050] 本發明包括W下步驟：
[0051] 步驟1 :根據節點的地理位置信息建立每個節點到各前向鄰居節點的鏈路比降函 數；
[0052] 步驟2:構建節點隊列模型，根據節點的數據包服務率，建立鏈路的流量半徑函 數；
[0053] 步驟3 :根據已經建立的鏈路比降函數和流量半徑函數構建節點間鏈路流速模 型；
[0054] 步驟4 :節點根據各鏈路流速的不同創建路由轉發概率函數，完成路由的建立； 陽化5] 步驟5 :創建擁塞檢測函數對網絡的擁塞程度進行實時檢測，一旦出現節點擁塞 則進行局部路由維護。
[0056] 圖1為本發明實施例所使用的網絡拓撲結構圖。
[0057] 初始化網絡環境：100個具有相同通信能力和感知能力的傳感器節點隨機、均勻 地分布在200米X200米的區域內，傳感器節點可獲取自己的地理位置并具有唯一的ID; 匯聚節點部署在網絡中央，坐標為（100,100);每個傳感器節點的最大通信半徑為30米；所 有節點能量持續。
[005引在進行路由選擇時，節點能否成為下一跳節點與傳輸到該節點所消耗能量與節點 的擁塞程度有關。將無線傳感器網絡抽象成一個河流分布網，sink節點處于地勢最低點， 節點間的鏈路相當于河道，所有數據包向河水一樣向下游流動。在網絡初始階段，數據包幾 乎沿著最大比降（即最短路徑）向下游流動。隨著發送時間的增長，節點的擁塞程度的變 化導致河道傳輸能力的差異，致使數據包不能再沿著最短路徑流動。運時，數據包將根據鏈 路流速尋找合適的分流路徑，W此來緩解網絡擁塞并優化網絡能耗。
[0059] 步驟1 :根據節點的地理位置信息建立每個節點到各前向鄰居節點的鏈路比降函 數，其計算公式為：
[0061] 式中，Ji, ,為節點i與節點j的鏈路比降函數值；d為兩節點間的歐式距離； sink為無線傳感器網絡中的匯聚節點；FN(i)為節點i的前向鄰居節點集，FN(i)=UIdi,RWdi,unk<d，其中，Rtx為節點的最大通信半徑。
[0062] 圖2為本發明所述方法步驟2中的節點隊列模型，下面結合圖2說明步驟2的具 體實施過程。為了對無線傳感器網絡進行擁塞控制，引入水文學中水力半徑的概念。在水 文學中，水力半徑反應了河流輸水能力的大小。類似地，在無線傳感器網絡中，節點的數據 包服務率反應了節點處理數據包的能力，從擁塞控制的角度出發，引入水力半徑的概念并 重新定義為流量半徑。
[0063] 步驟2:構建節點隊列模型，根據節點的數據包服務率，建立鏈路的流量半徑函 數，具體為：
[0064] Ri_j=Uj； W65] 式中，Ri,,為節點i與前向鄰居節點j的流量