一種應用跨層設(shè)計實現(xiàn)擁塞控制策略的無線傳感器網(wǎng)絡多徑路由協(xié)議的制作方法
【專利摘要】針對大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡傳輸大數(shù)據(jù)所引發(fā)的擁塞沖突問題，本發(fā)明涉及了一種應用跨層設(shè)計來實現(xiàn)具有擁塞控制的多徑路由協(xié)議。在AODV路由協(xié)議基礎(chǔ)上，采用路徑無環(huán)和路徑不交叉概念實現(xiàn)多徑路由。利用MAC層與路由層信息交互的跨層設(shè)計實現(xiàn)具有主動避免、實時監(jiān)測和處理的擁塞控制機制。通過仿真實驗可以看出基于跨層設(shè)計實現(xiàn)具有擁塞控制的多徑路由協(xié)議，與非基于跨層設(shè)計和傳統(tǒng)的擁塞控制的路由協(xié)議相比，在封包送達率和端到端傳輸延遲以及歸一化開銷方面具有一定優(yōu)勢，保證了網(wǎng)絡的可靠性和有效性，節(jié)約了能量、延長了網(wǎng)絡的生存壽命。
【專利說明】一種應用跨層設(shè)計實現(xiàn)擁塞控制策略的無線傳感器網(wǎng)絡多 徑路由協(xié)議

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及無線傳感器網(wǎng)絡路由技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡廣泛應用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢 測、搶險救災、危險區(qū)域遠程控制等領(lǐng)域。為了滿足各種服務的應用需求，與拓撲直接關(guān)聯(lián) 的路由協(xié)議就顯得至關(guān)重要。它不僅需要應對各種復雜多變的拓撲場景，而且需要滿足應 用服務質(zhì)量的要求。
[0003] 路由協(xié)議為無線傳感器網(wǎng)絡的服務提供最基礎(chǔ)的連接服務，它還決定傳感器網(wǎng)絡 的整體性能。在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡中，路由設(shè)計的最主要目標就是要降低能耗和保證 服務質(zhì)量，所以設(shè)計切實可行的路由協(xié)議就顯得尤為重要。當前，多徑路由策略被廣泛認為 是一種能夠解決資源受限型傳感器網(wǎng)絡穩(wěn)定性問題的有效策略。如何高效的使用多徑路由 技術(shù)為上層的應用服務，也就成為多徑路由的重點研究方向。由于傳感器網(wǎng)絡自身的特點， 在以數(shù)據(jù)為中心的無線傳感器網(wǎng)絡中，大量節(jié)點的多路徑多跳數(shù)據(jù)傳輸必然導致網(wǎng)絡的擁 塞問題。對于如何處理網(wǎng)絡中時常出現(xiàn)的擁塞狀況，進而改善網(wǎng)絡服務質(zhì)量，提升網(wǎng)絡資源 利用率成為無線傳感器網(wǎng)絡路由設(shè)計的重點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本文的主要研究目標就是設(shè)計一種應用跨層設(shè)計實現(xiàn)擁塞控制的多徑路由協(xié)議。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下： 采用多徑路由的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)基于A0DV的多徑路由協(xié)議，并應用基于路由層和MAC層 跨層設(shè)計的擁塞控制機制對基于A0DV改進的多徑路由協(xié)議進行優(yōu)化。
[0006] -種應用跨層設(shè)計實現(xiàn)擁塞控制的多徑路由協(xié)議，包括以下步驟： 步驟1 :通過路徑無環(huán)和路徑不交叉實現(xiàn)基于A0DV的多路徑路由協(xié)議。
[0007] 步驟2 :采用跨層設(shè)計的思想實現(xiàn)擁塞控制機制，進而改進多徑路由協(xié)議。
[0008] 所述步驟1的具體步驟為： 基于A0DV的多徑路由的具體實現(xiàn)是，首先需要對A0DV的路由表項進行修改，在路由表 中添加上一跳和廣播跳數(shù)兩項；之后通過路由表與本地信息保證路徑無環(huán)技術(shù)和路徑不交 叉技術(shù)的實現(xiàn)。
[0009] 在多徑路由中，保證路由無環(huán)采用序列號原則和廣播接收原則。
[0010] 序列號原則是網(wǎng)絡中節(jié)點只保留到目的節(jié)點的最高序列號的路由信息，一個節(jié)點 至IJ同一目的節(jié)點的多條路徑必須具有相同的目的節(jié)點序列號。當該節(jié)點收到更高的目的節(jié) 點序列號的路由信息時，將所有對應于舊的目的節(jié)點的序列號的路由信息設(shè)置無效。
[0011] 所謂的廣播接收原則是絕不廣播任何一條比已廣播路徑更短的路由信息，絕不接 受一條比已廣播路徑更長的路由信息。
[0012] 在多徑路由中，保證路徑不交叉是通過在路由表中添加上一跳和下一跳信息作為 保證。
[0013] 所述步驟2的具體步驟為： 擁塞控制的核心理念是采取主動的避免、及時檢測和處理網(wǎng)絡中出現(xiàn)的擁塞狀況，實 現(xiàn)多徑路由的高效的資源利用率，進而提供較好的服務質(zhì)量。
[0014] 采用的跨層設(shè)計是通過路由層與MAC層的交互信息，通過對節(jié)點的隊列長度和信 道利用率的監(jiān)測，實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡擁塞情況的實時檢測。這種檢測結(jié)果不僅僅能夠 在路由建立過程中去主動避免潛在的擁塞路徑，同時也能夠為數(shù)據(jù)分組發(fā)送過程中對網(wǎng)絡 進行擁塞處理提供評判依據(jù)。擁塞控制機制對于不同類型的擁塞狀況，采用了不同的擁塞 處理辦法。通過資源控制方法和速率控制方法實現(xiàn)具體的擁塞處理，保證封包送達率，進而 達到網(wǎng)絡性能優(yōu)化的目的。
[0015] 本發(fā)明的有益效果在于： 通過本發(fā)明的應用，在無線傳感器網(wǎng)絡中可以克服大數(shù)據(jù)傳輸引發(fā)的網(wǎng)絡擁塞問題， 同時又兼顧了多徑路由對于網(wǎng)絡資源的利用，提高了路由效率，降低了控制信息開銷，從而 節(jié)省能量消耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為封包送達率的實驗結(jié)果圖； 圖2為端到端傳輸時延的實驗結(jié)果圖； 圖3為路由發(fā)起頻率的實驗結(jié)果圖； 圖4為歸一化開銷的實驗結(jié)果圖。
[0017]

【具體實施方式】： 下面結(jié)合附圖及具體實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0018] 多徑路由的具體實現(xiàn)，首先需要對A0DV的路由表項進行修改，在路由表中添加上 一跳和廣播跳數(shù)兩項。廣播跳數(shù)為當前多條路徑中單條路徑的最大跳數(shù)，如果有路徑超過 此跳數(shù)值就會直接丟棄路由發(fā)起包。
[0019] 在路由發(fā)現(xiàn)過程中，通過傳輸可靠性以及控制開銷之間的折中關(guān)系來確定最大 路由條數(shù)（Max Routing Count，MRC)，并且按照這個要求進行多路徑的建立。同時，在路由維 護過程中，通過在源節(jié)點需要設(shè)置一個路徑失效記錄值IRC( Invalid Routing Count),對于 路徑失效信息進行統(tǒng)計。每當IRC等于MRC時，就重啟路由發(fā)現(xiàn)機制，并且重置該值為0。
[0020] 跨層設(shè)計是通過路由層與MAC層的信息交互，實現(xiàn)對節(jié)點擁塞狀況和信道擁塞狀 況的實時檢測。這種檢測結(jié)果不僅僅能夠在路由建立過程中去主動避免潛在的擁塞路徑， 同時也能夠在數(shù)據(jù)分組發(fā)送過程中對網(wǎng)絡進行擁塞處理，保證封包送達率，進而達到網(wǎng)絡 性能優(yōu)化的目的。
[0021] 對緩存隊列檢測主要從兩個方面進行檢測，一是緩存隊列長度的檢測，二是緩存 隊列的增長速率的檢測。信道利用率檢測是對當前節(jié)點即將發(fā)送信道的一種偵聽檢測，是 利用MAC層的CSMA技術(shù)對信道的Idle和Busy狀態(tài)進行統(tǒng)計，從而得到信道占用情況。
[0022] 擁塞處理方法是采用根據(jù)到源節(jié)點的距離的遠近來判斷采用何種速率控制方法。 擁塞處理分為兩種方法，一種是通過資源控制方法，即主路徑失效后直接采用旁路路徑進 行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；另一種方法是速率控制方法，通過回饋的信息，對上游節(jié)點或者源節(jié)點的速率 進行控制。
[0023] 本文涉及的路由協(xié)議不僅僅保證了多徑的優(yōu)勢，同時也采用了擁塞控制機制。這 種揚長避短結(jié)合不同路由策略的設(shè)計方法也是A0DV最初的設(shè)計理念。通過對比最后的實 驗結(jié)果，證明了按照這種策略的改進是可行的且是有效的。
[0024] 最后應需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管 參照較佳的實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的修改或等同替換， 而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于跨層設(shè)計實現(xiàn)擁塞控制策略的無線傳感器網(wǎng)絡多徑路由協(xié)議，其特征在 于：設(shè)計一種應用跨層設(shè)計實現(xiàn)擁塞控制的機制，當在多徑路由中大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，該機制 能夠快速的適應網(wǎng)絡變化，保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；同時，由于具有多徑路由技術(shù)的保 證，可以使得基于AODV的路由協(xié)議提高網(wǎng)絡的資源利用率和增強網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：所設(shè)計的應用跨層設(shè)計實現(xiàn)擁塞控制的機 制，是通過主動的避免網(wǎng)絡中可能出現(xiàn)的擁塞路徑，實時監(jiān)測網(wǎng)絡中的路由狀況，并且主動 消除網(wǎng)絡中產(chǎn)生的網(wǎng)絡擁塞。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于：通過跨層設(shè)計的理念實現(xiàn)MAC層與路由層 的信息交互，減少重復監(jiān)測與計算；采用基于節(jié)點緩存隊列和信道負載的雙重檢測方法，通 過監(jiān)測到的結(jié)果，在路由發(fā)現(xiàn)過程中主動避免潛在的擁塞節(jié)點，并且使用資源控制方法和 速率控制方法來處理傳輸路徑上的擁塞問題。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述方法，其特征在于：本發(fā)明的路由協(xié)議，即有多徑路由的技 術(shù)作為保證，又采用了擁塞控制機制，為以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議提供了較好的技術(shù)支持， 進而提升網(wǎng)絡的服務質(zhì)量。
【文檔編號】H04L12/715GK104113478SQ201410296719
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】董恩清, 錢鵬, 徐娟, 劉偉, 藍星, 崔文韜 申請人:山東大學（威海）