異構(gòu)比特速率的無線多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)漏斗效應(yīng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線多跳傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別是匯聚流量模式的無線多跳網(wǎng)絡(luò)，具體 為一種匯聚節(jié)點(diǎn)漏斗區(qū)域內(nèi)的數(shù)跳節(jié)點(diǎn)配置比特速率逐跳遞增的漏斗效應(yīng)控制與緩解方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用之一就是將傳感器節(jié)點(diǎn)感知的事件數(shù)據(jù)信息，周期性 地或事件觸發(fā)突發(fā)性地通過無線多跳傳輸?shù)姆绞浇桓督o匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink)，從而形成一種特 殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一一W匯聚節(jié)點(diǎn)為根的數(shù)據(jù)收集樹，由此構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型且獨(dú)特的 多到一匯聚播（manytoone，coveragecast)流量通信模式。然而，由于無線鏈路帶寬有限 且節(jié)點(diǎn)間通信存在相互干擾，隨著匯聚流量的增加，在Sink節(jié)點(diǎn)附近區(qū)域多個(gè)數(shù)據(jù)流將產(chǎn) 生擁塞，引起碰撞沖突，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)包丟失，形成漏斗效應(yīng)（化nnelingeffect)。離Sink 最近（通常相距幾個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)跳）的傳感節(jié)點(diǎn)會(huì)丟失更多分組，運(yùn)些節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)形似漏斗的 區(qū)域，或稱為熱區(qū)化Otspot),如圖1所示。漏斗區(qū)內(nèi)的傳感節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)更多的通信負(fù) 載，消耗的能量多于漏斗區(qū)之外的傳感節(jié)點(diǎn)，因此漏斗區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)容易過早耗盡自身的能 量，導(dǎo)致在Sink周圍出現(xiàn)能量空桐（energyhole),使得網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)不能進(jìn)一步傳送 給Sink節(jié)點(diǎn)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的生存周期結(jié)束，網(wǎng)絡(luò)中遺留大量未被充分利用的能量資源。
[0003] 研究表明漏斗效應(yīng)及能量空桐產(chǎn)生的主要原因之一：無線傳感器樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本 質(zhì)上難W滿足多點(diǎn)到一點(diǎn)的流量模式對(duì)帶寬及能量的要求。
[0004] 目前構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)一般是同構(gòu)的，即傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)、性能 參數(shù)是相同的。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信一般使用單一的比特傳輸速率化itrate,bps:bit persecond)，使用高比特傳輸速率進(jìn)行通信相較于使用低比特傳輸速率而言，具有如下優(yōu) 點(diǎn)：（1)增加鏈路的容量；(2)減少通信延時(shí)；（3)降低平均電流消耗的時(shí)間從而節(jié)省了能 量開銷；(4)不僅縮短通信有效模式時(shí)間而且還可W降低相同頻率范圍內(nèi)同其它節(jié)點(diǎn)沖突 的可能性。另外，在一定的信道條件下，如果仍然使用單一的低比特傳輸速率，信道容量利 用率并沒有達(dá)到上限，所W比特傳輸速率存在提升的空間（即鏈路容量有冗余）。
[0005] 現(xiàn)有研究針對(duì)漏斗效應(yīng)采用源流量控制、網(wǎng)絡(luò)層均衡、MC層調(diào)度、W及強(qiáng)功能節(jié) 點(diǎn)部署等方法緩解能耗和擁塞，但對(duì)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力要求較高，降低了通信效率，或需要額外 的通信硬件進(jìn)行特定部署。
[0006] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淞髁控?fù)載逐跳遞增，形同小川逐漸匯聚成大河， 因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)帶寬及能量等資源的需求也是逐跳遞增的，如何 設(shè)計(jì)滿足此需求的網(wǎng)絡(luò)就成為緩解漏斗效應(yīng)的關(guān)鍵問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種異構(gòu)比特速率的無 線多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)漏斗效應(yīng)控制方法。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種異構(gòu)比特速率的無線多 跳傳感器網(wǎng)絡(luò)漏斗效應(yīng)控制方法，包括W下步驟：
[0009] 1)在網(wǎng)絡(luò)層W同構(gòu)比特速率建立W匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹狀網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)涞臄?shù) 據(jù)匯聚樹；
[0010] 。依據(jù)上述數(shù)據(jù)匯聚樹，流量按數(shù)據(jù)匯聚流入根節(jié)點(diǎn)的方向?yàn)樯闲墟溌?，反之則 為數(shù)據(jù)分發(fā)方向下行鏈路，分配上行鏈路發(fā)送比特速率Re、Ri-R"i，下行鏈路發(fā)送比特速率 町、1^..咕，其中咕〉町〉...〉而1〉尺1〉尺14〉...〉咕;11>4;
[0011] 3)每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)上述數(shù)據(jù)匯聚樹所構(gòu)成的路由表中的距根節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息h計(jì) 算各個(gè)節(jié)點(diǎn)在所述數(shù)據(jù)匯聚樹中的層次位置信息1，即h= 1，由此得出第1層節(jié)點(diǎn)根據(jù)流 量收發(fā)方向進(jìn)行切換的上下行鏈路接收比特速率R1，上行鏈路發(fā)送比特速率Ru,下行鏈路 發(fā)送比特速率Rw,配置成W異構(gòu)比特速率組成的層次梯度網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；其中，1 = 1，2--n-1 ;對(duì)于數(shù)據(jù)匯聚樹的根節(jié)點(diǎn)層，其上行鏈路接收比特速率為R。，下行鏈路發(fā)送比特速率 為Ri;對(duì)于數(shù)據(jù)匯聚樹的最大葉節(jié)點(diǎn)層，其下行鏈路接收比特速率為Rn,上行鏈路發(fā)送比特 速率為咕1; 陽01引4)若所述路由表中的距根節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息h發(fā)生改變，則轉(zhuǎn)步驟3)，重新計(jì)算1， 上下行鏈路接收比特速率R1，上行鏈路發(fā)送比特速率Ri1，下行鏈路發(fā)送比特速率Rw。
[0013] 所述數(shù)據(jù)匯聚樹根節(jié)點(diǎn)為層1。，子節(jié)點(diǎn)為層li，依此類推至最大葉節(jié)點(diǎn)層1。，數(shù)據(jù) 匯聚樹中各中繼節(jié)點(diǎn)的上下行鏈路接收比特速率為Ri,上行鏈路發(fā)送比特速率為Ri1，下行 鏈路發(fā)送比特速率為Rw。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明可W分布式地按照匯聚數(shù) 據(jù)收集樹為網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)附近的幾跳節(jié)點(diǎn)配置比特速率，從而最大化網(wǎng)絡(luò)匯聚數(shù)據(jù)流的吞 吐量，降低網(wǎng)絡(luò)延遲，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。
【附圖說明】
[0015] 圖1為漏斗效應(yīng)示意圖；
[0016] 圖2為無線傳感器節(jié)點(diǎn)異構(gòu)比特速率模型結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明上行鏈路比特傳輸速率逐跳逐漸遞增的匯聚樹概念模型圖；
[0018] 圖4為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)部署示意圖；
[0019] 圖5為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本發(fā)明考慮設(shè)計(jì)異構(gòu)比特傳輸速率逐跳遞增的匯聚網(wǎng)絡(luò)，W此盡可能的匹配網(wǎng)絡(luò) 對(duì)帶寬及能量等資源的需求。通過合理配置傳感器節(jié)點(diǎn)的比特傳輸速率，采用逐跳逐漸遞 增（倍增）的多跳鏈路，并且融合網(wǎng)絡(luò)找各層的擁塞控制機(jī)制，可W增加數(shù)據(jù)傳輸帶寬，達(dá) 到進(jìn)一步緩解漏斗效應(yīng)、延緩能量空桐的產(chǎn)生、改善無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的目標(biāo)。本發(fā)明的 比特傳輸速率逐跳逐漸遞增的匯聚樹概念模型如圖3所示。從圖3可W看出，同一層級(jí)的 節(jié)點(diǎn)的鏈路具有相同的比特速率，而每一條數(shù)據(jù)匯聚傳輸路徑上每跳鏈路的比特速率是逐 跳遞增的，也就是說是異構(gòu)的。
[0021] 本發(fā)明的方法包括W下步驟：
[0022] 步驟I.在網(wǎng)絡(luò)層W同構(gòu)比特速率建立W匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹狀網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)?的數(shù)據(jù)匯聚樹；如圖3所示，樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袑哟谓Y(jié)構(gòu)，根節(jié)點(diǎn)為層10,其子節(jié)點(diǎn)為層11， 于此類推至最大葉節(jié)點(diǎn)層In。
[0023] 步驟2.依據(jù)步驟1)建立的W匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹狀網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)涞臄?shù)據(jù)匯聚 樹，流量按數(shù)據(jù)匯聚流入根節(jié)點(diǎn)的方向?yàn)樯闲墟溌罚粗畡t為數(shù)據(jù)分發(fā)方向下行鏈路，分配 上行鏈路發(fā)送比特速率R。、Ri…Ri1、R1、Rw…R。1，下行鏈路發(fā)送比特速率Ri……R。，其中 R〇〉Ri> …〉Ri i〉Rl〉Rw〉...〉Rn(n>4)。
[0024] 步驟3.依據(jù)步驟1)建立的W匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹狀網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)涞臄?shù)據(jù)匯 聚樹，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)上述數(shù)據(jù)匯