專利名稱：一種基于多通信模塊的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)擁塞控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)處設(shè)計多通信模塊以解除網(wǎng)關(guān)內(nèi)數(shù)據(jù)大量擁塞的裝置及方法。
背景技術(shù)：
在無線傳感網(wǎng)WSN(wireless sensor network)中，基于 IEEE802. 15. 4 和 802. 3 的無線網(wǎng)關(guān)就是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間搭建一條數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)交互?，F(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)主要包括無線收發(fā)模塊(例如CC2430)、電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊 (如ARM)、存儲模塊等結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)在性能上存在一些缺陷。對于網(wǎng)關(guān)的通信模塊來說，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大量部署，并且最終匯聚到一點(diǎn)的多對一的通信模式，可以將其看做一個最終的匯聚節(jié)點(diǎn)。某些功能的傳感網(wǎng)(如測量溫濕度)遇到大區(qū)域的環(huán)境出現(xiàn)異常時，將產(chǎn)生大量的突發(fā)數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)包堆積在網(wǎng)關(guān)傳感網(wǎng)側(cè)通信模塊的緩沖區(qū)內(nèi)，很容易引發(fā)擁塞，導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)處數(shù)據(jù)包丟失、網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸服務(wù)質(zhì)量。因此，網(wǎng)關(guān)擁塞控制的研究對提升網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)效率，促進(jìn)其更深入的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作組于2010-11-22發(fā)表的技術(shù)提案WGSN-PG3-T-057《一種擁塞處理方法》中給出了現(xiàn)有解決擁塞問題的現(xiàn)有技術(shù)CODA (Congestion Detection and Avoidance in Sensor Networks),即擁塞檢測和避免方法,它結(jié)合了基于信道采樣的擁塞檢測、開環(huán)逐跳反壓和閉環(huán)多源調(diào)節(jié)三種機(jī)制，適用于數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)膿砣刂?。對于CODA機(jī)制，傳感器節(jié)點(diǎn)在緩存區(qū)非空時采樣信道，檢測到擁塞就廣播反壓消息，反壓消息沿著通向數(shù)據(jù)源的方向傳播。接收到反壓消息的節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地?fù)砣呗匀绶纸M丟棄、AMD等，抑制其發(fā)送速率或者丟棄分組，并基于本地網(wǎng)絡(luò)狀況決定是否繼續(xù)向上游節(jié)點(diǎn)傳播。若網(wǎng)絡(luò)擁塞長時間無法解決則進(jìn)入閉環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)制以降低數(shù)據(jù)源的分組速率?，F(xiàn)有的擁塞控制技術(shù)針對的是傳感網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)的下游節(jié)點(diǎn)的擁塞問題，并沒有針對網(wǎng)關(guān)的通信模塊這種特殊的匯聚節(jié)點(diǎn)擁塞情況的處理機(jī)制。雖然在一定程度上能解決傳感網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)上的擁塞問題，但是完全基于速率控制，其性能有限。對于大范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生突發(fā)數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的擁塞情況，在某些應(yīng)用場景中，如重大事件的報警監(jiān)測，數(shù)據(jù)可靠性和精度非常重要，不允許降速或丟包等情況下，該方法基本不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于多通信模塊的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)擁塞控制技術(shù)，適用于網(wǎng)關(guān)處收集傳感網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)時通信模塊由于處理能力有限而發(fā)生的擁塞情況。通過在網(wǎng)關(guān)內(nèi)設(shè)置多個通信模塊，目前傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)內(nèi)選擇CC2530作為與傳感網(wǎng)通信的通信模塊，在網(wǎng)絡(luò)部署好之后由網(wǎng)關(guān)主控制器給每個通信模塊分配一個傳感網(wǎng)內(nèi)的16位通信短地址，每個通信模塊分別服務(wù)于傳感網(wǎng)內(nèi)多個路由節(jié)點(diǎn)，共同構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，提出一種傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)擁塞控制技術(shù)，其實(shí)施步驟如下
(O首先需要在網(wǎng)關(guān)內(nèi)增加通信模塊，該通信模塊在邏輯上與主控制器相連，同時由網(wǎng)關(guān)主控制器管理和通信。(2)網(wǎng)關(guān)主控制器為每個通信模塊分配傳感網(wǎng)16位網(wǎng)絡(luò)通信短地址，每個通信模塊分別按照每個入網(wǎng)路由設(shè)備的地址進(jìn)行分組。(3)網(wǎng)關(guān)主控制器若檢測到其中某個通信模塊擁塞，利用通信模塊組播離開命令幀NLME-LEAVE. request命令擁塞模塊管理下的路由節(jié)點(diǎn)離開當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)，并組播路由發(fā)現(xiàn)Route-discovery命令巾貞發(fā)起路由發(fā)現(xiàn),組播的目的地址是擁塞通信模塊下的路由節(jié)點(diǎn)組播地址，源地址是正常通信模塊。設(shè)置Route-discovery命令幀中的路由請求跳數(shù) radius控制更改路由的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，從而控制需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量，防止擁塞狀況在正常模塊與擁塞模塊之間來回震蕩。擁塞控制的方法如下所述本技術(shù)方案解決問題的前提是網(wǎng)關(guān)側(cè)在接收傳感網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)，遇到突發(fā)事件數(shù)據(jù)量大時網(wǎng)關(guān)內(nèi)通信模塊接收數(shù)據(jù)能力有限而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)處擁塞的問題。當(dāng)網(wǎng)關(guān)主控制器發(fā)現(xiàn)某一通信模塊擁塞時，立即利用正常模塊組播“離開命令幀”給擁塞模塊下的路由節(jié)點(diǎn)，并組播“路由發(fā)現(xiàn)”命令幀，通知擁塞模塊下的路由節(jié)點(diǎn)建立最優(yōu)“臨時路徑”，讓擁塞模塊下的路由節(jié)點(diǎn)更改路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而繞開擁塞的通信模塊。為了避免擁塞狀況在通信模塊之間來回震蕩，還通過設(shè)定路由發(fā)現(xiàn)幀的radius參數(shù)來動態(tài)調(diào)整需要更改路由的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，起到快速、平穩(wěn)地緩解擁塞狀況的作用。網(wǎng)關(guān)主控制器從鄰居表中找出所有路由節(jié)點(diǎn)的相鄰路由節(jié)點(diǎn)，并生成鄰接矩陣； 網(wǎng)關(guān)主控制器創(chuàng)建每個路由節(jié)點(diǎn)到另一個通信模塊下的子路由節(jié)點(diǎn)的最短路徑表；主控制器輪詢通信模塊，監(jiān)測通信模塊狀態(tài)，判斷其是否處于擁塞狀態(tài)；如某個通信模塊處于擁塞狀態(tài)，主控制器繼續(xù)詢問另一個通信模塊是否擁塞？輪詢完所有通信模塊，如均未發(fā)生擁塞，等待下一周期，繼續(xù)監(jiān)視通信模塊狀態(tài)；網(wǎng)關(guān)主控制器通過非擁塞通信模塊向處于擁塞狀態(tài)的模塊下的路由節(jié)點(diǎn)組播路由離開命令NLME-LEAVE. request，并組播路由發(fā)現(xiàn)幀 Route-discovery攜帶網(wǎng)關(guān)建立的最優(yōu)“臨時路徑”信息，路由節(jié)點(diǎn)按照最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)； 等待一個周期，詢問擁塞的通信模塊是否已解除擁塞。如解除擁塞，控制器利用命令幀攜帶 “按原路由傳輸數(shù)據(jù)”給相應(yīng)路由節(jié)點(diǎn)，否則，跳數(shù)加I。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
由于本方案中所采取的緩解擁塞狀況主要是由網(wǎng)關(guān)控制器和通信模塊對網(wǎng)內(nèi)路由節(jié)點(diǎn)依據(jù)擁塞處理方法實(shí)現(xiàn)的，相比現(xiàn)有技術(shù)中緩解擁塞狀況簡單易行，采用多通信模塊的設(shè)計，能平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、提高帶寬，對于現(xiàn)存網(wǎng)關(guān)處的通信瓶頸有良好的改善。本設(shè)計相對于目前已有的網(wǎng)關(guān)，其主要的優(yōu)點(diǎn)是從物理上提高全網(wǎng)的帶寬，緩解了網(wǎng)關(guān)處數(shù)據(jù)擁塞狀況，縮小了內(nèi)外網(wǎng)之間的速率差距。并且本設(shè)計基于PG3的標(biāo)準(zhǔn)，便于實(shí)施。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)也將在一下的具體實(shí)施方案中體現(xiàn)?？刂破髦芷谛栽儐柾ㄐ拍K，根據(jù)擁塞持續(xù)時間來動態(tài)調(diào)整路由半徑。這樣可以避免深度過淺造成緩解通信模塊的擁塞過慢，也可以避免深度過大，使擁塞狀況在通信模塊之間震蕩。本方案中控制器通過命令幀讓正常通信模塊下的路由節(jié)點(diǎn)去發(fā)現(xiàn)擁塞通信模塊下的路由節(jié)點(diǎn)，建立新的傳輸路徑。相比現(xiàn)有技術(shù)，只需要網(wǎng)關(guān)處保存全局路由信息，而路由節(jié)點(diǎn)不用保存大量的全局路由信息，節(jié)約資源。多通信模塊、動態(tài)調(diào)整路有深度的設(shè)計可以增大網(wǎng)絡(luò)路徑的健壯性?？梢蕴岣呓尤朦c(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目，使一個網(wǎng)關(guān)服務(wù)更大規(guī)模的傳感網(wǎng)。總體上提高了網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)效率。


圖I網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖2本發(fā)明擁塞控制流程圖3擁塞控制節(jié)點(diǎn)圖4網(wǎng)關(guān)控制器建立鄰接矩陣。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
如圖I所示為傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的原理結(jié)構(gòu)圖，本發(fā)明在網(wǎng)關(guān)內(nèi)增加通信模塊，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部增加邏輯上與主控制器相連的通信模塊，由網(wǎng)關(guān)主控制器管理和通信。網(wǎng)關(guān)主控制器為每個通信模塊分配傳感網(wǎng)16位網(wǎng)絡(luò)通信短地址，每個通信模塊分別按照每個入網(wǎng)路由設(shè)備的地址進(jìn)行分組。網(wǎng)關(guān)主控制器實(shí)時監(jiān)測通信模塊工作狀態(tài)，若檢測到某個通信模塊擁塞，通過未擁塞的通信模塊組播離開命令幀NLME-LEAVE. request命令擁塞的通信模塊管理下的路由節(jié)點(diǎn)離開當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)。并向擁塞通信模塊下的路由節(jié)點(diǎn)組播路由發(fā)現(xiàn) Route-discovery命令巾貞發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)。設(shè)置Route-discovery命令巾貞中的路由請求跳數(shù) radius控制更改路由的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，從而控制需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量，防止擁塞狀況在正常模塊與擁塞模塊之間來回震蕩。當(dāng)擁塞模塊下管理的節(jié)點(diǎn)按照正常通信模塊下發(fā)的命令建立好最優(yōu)“臨時路徑”之后，如果節(jié)點(diǎn)通過當(dāng)前“臨時路徑”將數(shù)據(jù)發(fā)送成功之后，節(jié)點(diǎn)原來所屬的通信模塊擁塞狀況還未解除，并且當(dāng)前的數(shù)據(jù)量變的更大，那么在不導(dǎo)致要發(fā)送的目的地正常通信模塊不出現(xiàn)擁塞，則正常模塊繼續(xù)通過鄰接矩陣表建立的最短路徑表選擇比最短“臨時路徑”要次優(yōu)的第二路徑，也就是加大了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時的跳數(shù)。這樣以免轉(zhuǎn)發(fā)過快而導(dǎo)致本沒有擁塞的正常模塊出現(xiàn)擁塞，還能夠?yàn)橐呀?jīng)擁塞了的通信模塊提供更長的緩沖時間解除擁塞。如圖2所示為本發(fā)明擁塞控制流程圖。擁塞控制的方法如下所述網(wǎng)關(guān)主控制器能快速地與各個模塊進(jìn)行通信，接收并處理多個模塊接收的數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)主控制器發(fā)現(xiàn)某一通信模塊擁塞時，立即利用正常模塊組播“離開命令幀”給擁塞模塊下的路由節(jié)點(diǎn)，并組播“路由發(fā)現(xiàn)”命令巾貞，通知擁塞模塊下的路由節(jié)點(diǎn)建立最優(yōu)“臨時路徑”，讓擁塞模塊下的路由節(jié)點(diǎn)更改路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而繞開擁塞的通信模塊。為了避免擁塞狀況在通信模塊之間來回震蕩，還通過設(shè)定路由發(fā)現(xiàn)幀的 radius參數(shù)來動態(tài)調(diào)整需要更改路由的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，起到快速、平穩(wěn)地緩解擁塞狀況的作用。網(wǎng)關(guān)主控制器從鄰居表中找出所有路由節(jié)點(diǎn)的相鄰路由節(jié)點(diǎn)，并生成鄰接矩陣； 網(wǎng)關(guān)主控制器創(chuàng)建每個路由節(jié)點(diǎn)到另一個通信模塊下的子路由節(jié)點(diǎn)的最短路徑表；主控制器輪詢通信模塊，監(jiān)測通信模塊狀態(tài)，判斷其是否處于擁塞狀態(tài)；如某個通信模塊處于擁塞狀態(tài)，主控制器繼續(xù)詢問另一個通信模塊是否擁塞？輪詢完所有通信模塊，如均未發(fā)生擁塞，等待下一周期，繼續(xù)監(jiān)視通信模塊狀態(tài)；網(wǎng)關(guān)主控制器通過非擁塞通信模塊向處于擁塞狀態(tài)的模塊下的路由節(jié)點(diǎn)組播路由離開命令NLME-LEAVE. request (具體命令內(nèi)容見表一)， 并組播路由發(fā)現(xiàn)巾貞Route-discovery (具體命令內(nèi)容見表2)攜帶網(wǎng)關(guān)建立的最優(yōu)“臨時路徑”信息，路由節(jié)點(diǎn)按照最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；等待一個周期，詢問擁塞的通信模塊是否已解除擁塞。如解除擁塞，控制器利用命令幀攜帶“按原路由傳輸數(shù)據(jù)”給相應(yīng)路由節(jié)點(diǎn)，否則， 跳數(shù)i加1，即i’ =i+l。表 I : NLME-LEAVE. request 具體參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于多通信模塊的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)擁塞控制裝置，其特征在于，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部增加邏輯上與主控制器相連的通信模塊，由主控制器管理和通信，主控制器為每個通信模塊分配傳感網(wǎng)16位網(wǎng)絡(luò)通信短地址，每個通信模塊分別按照每個入網(wǎng)路由設(shè)備的地址進(jìn)行分組； 網(wǎng)關(guān)主控制器實(shí)時監(jiān)測通信模塊工作狀態(tài)，若檢測到某個通信模塊擁塞，網(wǎng)關(guān)主控制器進(jìn)行擁塞控制，并通過未擁塞的通信模塊組播離開命令幀命令擁塞的通信模塊管理下的路由節(jié)點(diǎn)離開當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)；并向擁塞通信模塊下的路由節(jié)點(diǎn)組播路由發(fā)現(xiàn)命令幀發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)；設(shè)置路由發(fā)現(xiàn)命令幀中的路由請求跳數(shù)控制更改路由的節(jié)點(diǎn)個數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)擁塞控制裝置，其特征在于，路由發(fā)現(xiàn)命令幀發(fā)送的目的地址是擁塞通信模塊下的路由節(jié)點(diǎn)組播地址，源地址是正常通信模塊，路由發(fā)現(xiàn)命令幀中攜帶的消息為主控制器按照鄰接表以最短路徑計算出的最優(yōu)臨時路徑，路由節(jié)點(diǎn)接收到消息后，按最優(yōu)臨時路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)擁塞控制裝置，其特征在于，所述擁塞控制具體為網(wǎng)關(guān)主控制器從鄰居表中找出所有路由節(jié)點(diǎn)的相鄰路由節(jié)點(diǎn)，并生成鄰接矩陣；網(wǎng)關(guān)主控制器創(chuàng)建每個路由節(jié)點(diǎn)到另一個通信模塊下的子路由節(jié)點(diǎn)的最短路徑表；主控制器輪詢通信模塊，監(jiān)測通信模塊狀態(tài)，判斷其是否處于擁塞狀態(tài)；如某個通信模塊處于擁塞狀態(tài)，主控制器繼續(xù)詢問另一個通信模塊是否擁塞？輪詢完所有通信模塊，如均未發(fā)生擁塞， 等待下一周期，繼續(xù)監(jiān)視通信模塊狀態(tài)。
4.一種基于多通信模塊的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)擁塞控制方法，其特征在于，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部增加邏輯上與主控制器相連的通信模塊，由主控制器管理和通信，主控制器為每個通信模塊分配傳感網(wǎng)16位網(wǎng)絡(luò)通信短地址，每個通信模塊分別按照每個入網(wǎng)路由設(shè)備的地址進(jìn)行分組； 網(wǎng)關(guān)主控制器實(shí)時監(jiān)測通信模塊工作狀態(tài)，若檢測到某個通信模塊擁塞，網(wǎng)關(guān)主控制器進(jìn)行擁塞控制，并通過通信模塊組播離開命令幀命令擁塞的通信模塊管理下的路由節(jié)點(diǎn)離開當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)；并向擁塞通信模塊下的路由節(jié)點(diǎn)組播路由發(fā)現(xiàn)命令幀發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)；設(shè)置路由發(fā)現(xiàn)命令幀中的路由請求跳數(shù)控制更改路由的節(jié)點(diǎn)個數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)擁塞控制方法，其特征在于，路由發(fā)現(xiàn)命令幀發(fā)送的目的地址是擁塞通信模塊下的路由節(jié)點(diǎn)組播地址，源地址是正常通信模塊，路由發(fā)現(xiàn)命令幀中攜帶的消息為主控制器按照鄰接表以最短路徑計算出的最優(yōu)臨時路徑，路由節(jié)點(diǎn)接收到消息后，按最優(yōu)臨時路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)擁塞控制方法，其特征在于，所述擁塞控制具體為網(wǎng)關(guān)主控制器從鄰居表中找出所有路由節(jié)點(diǎn)的相鄰路由節(jié)點(diǎn)，并生成鄰接矩陣；網(wǎng)關(guān)主控制器創(chuàng)建每個路由節(jié)點(diǎn)到另一個通信模塊下的子路由節(jié)點(diǎn)的最短路徑表；主控制器輪詢通信模塊，監(jiān)測通信模塊狀態(tài)，判斷其是否處于擁塞狀態(tài)；如某個通信模塊處于擁塞狀態(tài)，主控制器繼續(xù)詢問另一個通信模塊是否擁塞？輪詢完所有通信模塊，如均未發(fā)生擁塞， 等待下一周期，繼續(xù)監(jiān)視通信模塊狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于多通信模塊的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)擁塞控制裝置及方法。具體涉及網(wǎng)關(guān)增加通信模塊，網(wǎng)關(guān)主控制器能快速地與各個模塊進(jìn)行通信，接收并處理多個模塊接收的數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)主控制器發(fā)現(xiàn)某一通信模塊擁塞時，立即利用正常模塊組播“離開命令幀”給擁塞模塊下的路由節(jié)點(diǎn)，并組播“路由發(fā)現(xiàn)”命令幀，通知擁塞模塊下的路由節(jié)點(diǎn)建立最優(yōu)“臨時路徑”，讓擁塞模塊下的路由節(jié)點(diǎn)更改路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而繞開擁塞的通信模塊。為了避免擁塞狀況在通信模塊之間來回震蕩，還通過設(shè)定路由發(fā)現(xiàn)幀的radius參數(shù)來動態(tài)調(diào)整需要更改路由的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，起到快速、平穩(wěn)地緩解擁塞狀況的作用。
文檔編號H04W88/16GK102595487SQ20121007804
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者孫浩, 張鴦, 李昊陽, 牛旭亮, 王慧鑫, 王浩 申請人:重慶郵電大學(xué)