[发明专利]一种基于休眠调度的数据源拥塞控制方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感网技术领域，具体涉及一种基于休眠调度的数据源拥塞控制方法，通过调控分配节点信道介入时间来降低节点数据源拥塞。

背景技术

无线传感网络，简称传感网，由多个搭载传感器的网络通信节点和少量的汇聚节点(Sink)组成。传感网通过节点之间的相互通信，将采集到的信息通过多跳中转的方式发送至汇聚节点，实现收集检测数据的功能。由于传感网具有低成本、部署灵活和生命周期长的特点，被广泛运用于长期性的野生动物监测、军事侦察和环境监测等领域。

在传感网中，网络拥塞问题一直是制约网络服务质量的一个重要因素。由于传感网节点主要的耗能模块为射频模块，为了延长传感网的生存时间，节点通常工作在休眠调度模式。这种工作模式令节点的射频模块定时唤醒和休眠，达到节约能量，延长网络寿命的目的。当需要相互通信的两个节点的射频模块同时处于唤醒状态时，双方才能进行通信。若接收方处于休眠状态时，数据将无法被传递。当发送方的数据产生速率比较低时，发送方可以将数据保存在本地以等待接收方唤醒后再建立通信；若发送方的数据产生速率较高，发送方就有数据溢出的风险，导致网络出现一种新的拥塞现象——数据源拥塞。这种拥塞现象同样会产生与传统网络拥塞一样的后果，例如数据丢包率上升，吞吐量下降。

以往的对于网络拥塞研究工作非常多，通常可以分为以下三种类型：1)基于数据融合的拥塞控制方法；2)基于通信速率控制的拥塞控制方法；3)基于路由协议的拥塞控制方法；

基于数据融合的拥塞控制方法:由于网络中的汇聚节点数量较少，通信节点数量较多，而通信节点采集到的数据都需要发送到汇聚节点，这就会造成“漏斗效应”，导致汇聚节点附近的通信节点的通信负载过重。因此，这种方法通过计算通信节点间的数据信息熵，剔除部分信息冗余、合并数据包的目的，最终降低网络负载。由于被合并的数据包类型必须相同，因此，这种方法仅适用于监控数据类型相同的传感网。而对于多种监控数据并存的传感网，例如网络同时监控温度、湿度、土壤盐分和震动数据，其信息合并效果显然大大降低，甚至出现无法合并数据包的情况。

基于通信速率控制的拥塞控制方法:这种拥塞控制方法通常运用在有线网络，也有相当多的研究将其运用于无线传感网中。这种方法设定一种拥塞侦测机制，当发送方侦测到接收方的缓存区即将溢出的信号时，主动降低其发送数据的速率。待接收方的拥塞信情况缓解后再逐渐恢复正常的通信速率。这种方法选择了等待拥塞缓解的方式以避免拥塞情况的进一步恶化，而忽略了利用传感网节点冗余的特性，选择其它候选节点以完成数据转发。因此，这种方法对冗余节点利用不充分。

基于路由协议的拥塞控制方法:该方法的基本思想是将节点的缓存占用情况作为节点路由选择的一个考虑因素，令发送方在发送数据时，选择负载较轻的节点建立通信，以达到网络负载均衡的目的。这种方法是在传感网中普遍运用的一种拥塞控制方法，但是研究这种方法的工作普遍都没有考虑传感网中的节点使用休眠调度的情况，会造成发送方没有候选节点可以发送数据的情况。因此这种方法并不能解决数据源拥塞现象。

显然，直接导致节点发生数据源拥塞的原因主要有两方面：1)节点数据产生速率较高。2)源节点的候选节点没有及时被唤醒。而上述网络拥塞控制方法并没有考虑这些因素，因此无法有效解决数据源拥塞问题。随着传感网的发展，网络节点对事件记录的保真度将会越来越高，例如摄像节点、视频节点和音频监控节点，这类节点都会在短时间内产生大量的数据，因此，高数据产生速率的节点将会是传感网节点发展的必然趋势，限制数据产生速率的做法必然与这种趋势背道而驰。因此，设计一种令节点及时唤醒的休眠调度机制是解决数据源拥塞的一种可靠办法。

显然，休眠调度带给节点的节能效果由工作占空比决定。因此，若节点在保证工作占空比不变的前提下，缩短其休眠周期长度，即可保证节点依然拥有相同节能效果，且数据源拥塞现象将会减少。但是相对于使用长休眠周期的节点，短休眠周期会造成节点的射频模块开关操作频繁，并加重信道竞争的现象，导致节点单次通信的能量开销提高，因此降低节点休眠周期的方法并不适用于解决数据源拥塞问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种基于信道调度的区域协作式休眠调度方法，降低节点数据源拥塞概率和额外通信开销。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于休眠调度的数据源拥塞控制方法，该方法包括以下步骤：