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：
[0067] 式中，^為節點j對數據包的平均服務時間，服務時間是指數據包到達節點隊列 直到成功離開所經歷的時間，包括數據包的沖突等待時間和傳輸時間。其計算公式為：
W例式中，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：
[00川式中，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，P(Ztk =m) = (1-T,,k)mT,,k，其中，m為競爭節點傳輸數據包的個數；T,,k為節點j在節點k空 閑之后立刻轉發數據包的概率；E[z,,k]為z，,k的期望，其計算公式為：
陽07引圖3為本發明所采用的CSMA/CA協議節點傳輸原理圖，下面結合圖3給出Tj,k的 明確表達。根據CSMA/CA協議，若節點j要向節點k發送數據，需要保證節點j傳輸范圍內 的干擾節點不允許接收數據，而節點k傳輸范圍內的干擾節點不允許發送數據，因此TIk 的計算公式為：
[00巧]式中，h，1分別為節點j，k的干擾節點；(K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a，和Ck分別為節點J和k的干擾節點集，C，= 化 |dh,j《（1+A) ?RJ，U=山di,k《（1+A) ?RJ式中，A為一正常數（A= 0. 1)。
[0076] 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，具體為：
[0077] Vij=Jij.Rij; 陽〇7引式中，\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。
[0079] 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，具 體為：
[00川式中，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。
[0082] 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，具體步驟為：
[0083] 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；
[00財式中，S，為節點j的擁塞程度；乂；為節點j自身產生數據包的平均速率；乂/.,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。
[0086] 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。
[0087] 為了檢驗本發明提出的路由方法的有效，本發明采用Matl油仿真工具，將其與 TADR和MOPC在相同網絡環境下進行仿真與分析。系統仿真環境參數設置如下：
[0088] 1) 100個節點隨機分布在200米X200米的區域內，且傳感器節點一經部署不再移 動；
[0089] 。匯聚節點靜止，位置為（100, 100);
[0090] 3)節點最大通信半徑為30米；
[0091] 4)節點每次發送的數據包大小為1024比特，即P= 1024比特；
[0092] 5)TADR中權重取值為a= 0. 71 ;
[0093] 6)節點發送數據包的速率為4096比特/秒；
[0094] 7)仿真時間為400秒。
[0095] W上參數并不恒定，對于不同的仿真內容可W根據需要改變某些參數。
[0096] 圖4為相同環境下仿真時間為400秒時對應的網絡總能耗的對比結果。
[0097] 仿真過程中，每隔50秒對網絡消耗總能量進行統計，不難看出，本發明提出的路 由方法的網絡總能耗明顯低于TADR和M0PC。不同于TADR和MOPC采用節點跳數，本發明提 出的路由方法直接采用節點的地理位置進行能量優化，更好地實現了能量的有效性。
[009引圖5為相同環境下節點個數從100到300變化時對應的網絡丟包率的對比結果。
[0099] 可見在不同的網絡規模下，本發明提出的路由方法的丟包率都明顯低于另外兩種 方法。不同節點個數下，本發明提出的路由方法網絡丟包率有微小的波動，說明雖然網絡 規模的不同有可能引起不同程度的擁塞，但其能夠有效發揮作用調整拓撲并優化路由，使 網絡擁塞得到有效緩解。
[0100] 圖6為相同環境下節點數量從100至Ij300變化時對應的路由平均跳數的對比結 果。 陽101] 可W看出，本發明提出方法的路由平均跳數明顯低于TADR和M0PC，并且隨著節點 個數的增加變化不大，說明本發明提出的路由方法對網絡擁塞具有較強的調節能力，因而 其路由平均跳數表現更為平穩，也即具有良好的傳輸實時性。 陽102] 仿真結果表明，本發明提出的路由方法不僅采取了全網能量最優化策略，而且有 效地緩解了網絡擁塞，使網絡具有較低的丟包率和路由平均跳數，保證了傳輸的可靠性和 實時性。 陽103] W上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明掲露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該W權利要求的保護范圍 為準。
【主權項】
1. 一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路由優化方法，其特征是：步驟如下： 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； 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； 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； 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； 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。2. 根據權利要求1所述的一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路由優化方法，其特征 是：所述步驟1中鏈路比降函數的計算公式為：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) = {j Idi,彡Rtx, (Ijisink < diiSink}，其中，Rtx為節點的最大通信半徑。3. 根據權利要求1所述的一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路由優化方法，其特征 是：所述步驟2中流量半徑函數的計算公式為： Rllj= u.i； 式中，為節點i與前向鄰居節點j的流量半徑函數值W ,為節點j的平均數據包服 務率，其計算公式為：式中為節點j對數據包的平均服務時間，其計算公式為：式中，Pu為節點j到其前向鄰居節點k的路由轉發概率，η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：式中，P為數據包大小，假設網絡中所有數據包大小相同；CW為鏈路帶寬；z ]ik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[Z],k]為 其期望，其計算公式為：式中，τ u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：式中，h, 1分別為節點j, k的干擾節點；<Κ為節點h接收數據包的時間比例，Φ i為節 點1發送數據包的時間比例；ξ 為節點j的干擾節點集，ξ k分別為節點k的干擾節點集，4. 根據權利要求1所述的一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路由優化方法，其特征 是：所述步驟3中流速模型的計算公式為： Vllj= J !,.i · Rlli; 式中，為節點i到前向鄰居節點j的鏈路流速值，J u為節點i與節點j的鏈路比 降函數值；R1^為節點i與節點j的流量半徑函數值。5. 根據權利要求1所述的一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路由優化方法，其特征 是：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：式中，Pi^為節點i到節點j的轉發概率；V U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；FN⑴為節點i的前向鄰居節點集。6. 根據權利要求1所述的一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路由優化方法，其特征 是：所述步驟5中檢測的具體步驟為： 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；式中，Sj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， 為節點j的平均數據包服務率； 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，以此達到緩解擁塞的 目的。
【專利摘要】本發明屬于無線通信技術領域，尤其涉及一種基于擁塞控制的無線傳感器網絡路由優化方法。步驟是：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；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；根據已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；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；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。本發明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。
【IPC分類】H04W40/24, H04W28/14, H04W28/02
【公開號】CN105188084
【申請號】CN201510308697
【發明人】唐良瑞, 丁偉, 趙琳, 樊冰, 宋卓然, 沈方, 宋穎巍, 劉巖, 楊繼業, 趙德偉, 孫巖, 南哲, 李華, 蔣理, 強立明, 佟彥麗, 楊博, 張澤宇
【申請人】華北電力大學, 國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院, 國家電網公司
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年6月8日