一種基於多通信模塊的傳感網網關擁塞控制裝置及方法
2023-07-14 14:57:41
專利名稱：一種基於多通信模塊的傳感網網關擁塞控制裝置及方法
技術領域：
本發明涉及工業無線網絡控制技術領域，具體涉及傳感網網關處設計多通信模塊以解除網關內數據大量擁塞的裝置及方法。
背景技術：
在無線傳感網WSN(wireless sensor network)中，基於 IEEE802. 15. 4 和 802. 3 的無線網關就是在無線傳感器網絡和外部網絡之間搭建一條數據傳輸通道，實現它們之間的數據交互。現有的網關主要包括無線收發模塊(例如CC2430)、電源模塊、數據處理模塊 (如ARM)、存儲模塊等結構。現有的網關在性能上存在一些缺陷。對於網關的通信模塊來說，由於網絡節點大量部署，並且最終匯聚到一點的多對一的通信模式，可以將其看做一個最終的匯聚節點。某些功能的傳感網(如測量溫溼度)遇到大區域的環境出現異常時，將產生大量的突發數據使得數據包堆積在網關傳感網側通信模塊的緩衝區內，很容易引發擁塞，導致網關處數據包丟失、網絡吞吐量下降，嚴重影響網絡的傳輸服務質量。因此，網關擁塞控制的研究對提升網關的轉發效率，促進其更深入的應用和發展具有重要意義。由無線傳感器網絡工作組於2010-11-22發表的技術提案WGSN-PG3-T-057《一種擁塞處理方法》中給出了現有解決擁塞問題的現有技術CODA (Congestion Detection and Avoidance in Sensor Networks),即擁塞檢測和避免方法,它結合了基於信道採樣的擁塞檢測、開環逐跳反壓和閉環多源調節三種機制，適用於數據源到匯聚節點傳輸的擁塞控制。對於CODA機制，傳感器節點在緩存區非空時採樣信道，檢測到擁塞就廣播反壓消息，反壓消息沿著通向數據源的方向傳播。接收到反壓消息的節點根據本地擁塞策略如分組丟棄、AMD等，抑制其發送速率或者丟棄分組，並基於本地網絡狀況決定是否繼續向上遊節點傳播。若網絡擁塞長時間無法解決則進入閉環調節機制以降低數據源的分組速率。現有的擁塞控制技術針對的是傳感網內匯聚節點的下遊節點的擁塞問題，並沒有針對網關的通信模塊這種特殊的匯聚節點擁塞情況的處理機制。雖然在一定程度上能解決傳感網內節點上的擁塞問題，但是完全基於速率控制，其性能有限。對於大範圍內的節點產生突發數據而導致的擁塞情況，在某些應用場景中，如重大事件的報警監測，數據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。
發明內容
本發明提出了一種基於多通信模塊的傳感網網關擁塞控制技術，適用於網關處收集傳感網內數據時通信模塊由於處理能力有限而發生的擁塞情況。通過在網關內設置多個通信模塊，目前傳感網網關內選擇CC2530作為與傳感網通信的通信模塊，在網絡部署好之後由網關主控制器給每個通信模塊分配一個傳感網內的16位通信短地址，每個通信模塊分別服務於傳感網內多個路由節點，共同構成網絡的拓撲結構。本發明解決上述技術問題的技術方案是，提出一種傳感網網關擁塞控制技術，其實施步驟如下
(O首先需要在網關內增加通信模塊，該通信模塊在邏輯上與主控制器相連，同時由網關主控制器管理和通信。(2)網關主控制器為每個通信模塊分配傳感網16位網絡通信短地址，每個通信模塊分別按照每個入網路由設備的地址進行分組。(3)網關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點離開當前父節點，並組播路由發現Route-discovery命令巾貞發起路由發現,組播的目的地址是擁塞通信模塊下的路由節點組播地址，源地址是正常通信模塊。設置Route-discovery命令幀中的路由請求跳數 radius控制更改路由的節點個數，從而控制需要轉發的數據量，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方案解決問題的前提是網關側在接收傳感網內數據，遇到突發事件數據量大時網關內通信模塊接收數據能力有限而導致的數據在網關處擁塞的問題。當網關主控制器發現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點，並組播「路由發現」命令幀，通知擁塞模塊下的路由節點建立最優「臨時路徑」，讓擁塞模塊下的路由節點更改路由轉發數據，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，還通過設定路由發現幀的radius參數來動態調整需要更改路由的節點個數，起到快速、平穩地緩解擁塞狀況的作用。網關主控制器從鄰居表中找出所有路由節點的相鄰路由節點，並生成鄰接矩陣； 網關主控制器創建每個路由節點到另一個通信模塊下的子路由節點的最短路徑表；主控制器輪詢通信模塊，監測通信模塊狀態，判斷其是否處於擁塞狀態；如某個通信模塊處於擁塞狀態，主控制器繼續詢問另一個通信模塊是否擁塞？輪詢完所有通信模塊，如均未發生擁塞，等待下一周期，繼續監視通信模塊狀態；網關主控制器通過非擁塞通信模塊向處於擁塞狀態的模塊下的路由節點組播路由離開命令NLME-LEAVE. request，並組播路由發現幀 Route-discovery攜帶網關建立的最優「臨時路徑」信息，路由節點按照最短路徑轉發數據； 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 「按原路由傳輸數據」給相應路由節點，否則，跳數加I。本發明的優點在於
由於本方案中所採取的緩解擁塞狀況主要是由網關控制器和通信模塊對網內路由節點依據擁塞處理方法實現的，相比現有技術中緩解擁塞狀況簡單易行，採用多通信模塊的設計，能平衡網絡負載、提高帶寬，對於現存網關處的通信瓶頸有良好的改善。本設計相對於目前已有的網關，其主要的優點是從物理上提高全網的帶寬，緩解了網關處數據擁塞狀況，縮小了內外網之間的速率差距。並且本設計基於PG3的標準，便於實施。本發明的其他優點也將在一下的具體實施方案中體現。控制器周期性詢問通信模塊，根據擁塞持續時間來動態調整路由半徑。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點去發現擁塞通信模塊下的路由節點，建立新的傳輸路徑。相比現有技術，只需要網關處保存全局路由信息，而路由節點不用保存大量的全局路由信息，節約資源。多通信模塊、動態調整路有深度的設計可以增大網絡路徑的健壯性。可以提高接入點或者網絡的數目，使一個網關服務更大規模的傳感網。總體上提高了網關的轉發效率。
圖I網關硬體結構圖2本發明擁塞控制流程圖3擁塞控制節點圖4網關控制器建立鄰接矩陣。
具體實施例方式下面結合附圖和實施實例對本發明作進一步說明
如圖I所示為傳感網網關的原理結構圖，本發明在網關內增加通信模塊，在網關內部增加邏輯上與主控制器相連的通信模塊，由網關主控制器管理和通信。網關主控制器為每個通信模塊分配傳感網16位網絡通信短地址，每個通信模塊分別按照每個入網路由設備的地址進行分組。網關主控制器實時監測通信模塊工作狀態，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點離開當前父節點。並向擁塞通信模塊下的路由節點組播路由發現 Route-discovery命令巾貞發起路由發現。設置Route-discovery命令巾貞中的路由請求跳數 radius控制更改路由的節點個數，從而控制需要轉發的數據量，防止擁塞狀況在正常模塊與擁塞模塊之間來回震蕩。當擁塞模塊下管理的節點按照正常通信模塊下發的命令建立好最優「臨時路徑」之後，如果節點通過當前「臨時路徑」將數據發送成功之後，節點原來所屬的通信模塊擁塞狀況還未解除，並且當前的數據量變的更大，那麼在不導致要發送的目的地正常通信模塊不出現擁塞，則正常模塊繼續通過鄰接矩陣表建立的最短路徑表選擇比最短「臨時路徑」要次優的第二路徑，也就是加大了節點轉發數據時的跳數。這樣以免轉發過快而導致本沒有擁塞的正常模塊出現擁塞，還能夠為已經擁塞了的通信模塊提供更長的緩衝時間解除擁塞。如圖2所示為本發明擁塞控制流程圖。擁塞控制的方法如下所述網關主控制器能快速地與各個模塊進行通信，接收並處理多個模塊接收的數據。當網關主控制器發現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點，並組播「路由發現」命令巾貞，通知擁塞模塊下的路由節點建立最優「臨時路徑」，讓擁塞模塊下的路由節點更改路由轉發數據，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，還通過設定路由發現幀的 radius參數來動態調整需要更改路由的節點個數，起到快速、平穩地緩解擁塞狀況的作用。網關主控制器從鄰居表中找出所有路由節點的相鄰路由節點，並生成鄰接矩陣； 網關主控制器創建每個路由節點到另一個通信模塊下的子路由節點的最短路徑表；主控制器輪詢通信模塊，監測通信模塊狀態，判斷其是否處於擁塞狀態；如某個通信模塊處於擁塞狀態，主控制器繼續詢問另一個通信模塊是否擁塞？輪詢完所有通信模塊，如均未發生擁塞，等待下一周期，繼續監視通信模塊狀態；網關主控制器通過非擁塞通信模塊向處於擁塞狀態的模塊下的路由節點組播路由離開命令NLME-LEAVE. request (具體命令內容見表一)， 並組播路由發現巾貞Route-discovery (具體命令內容見表2)攜帶網關建立的最優「臨時路徑」信息，路由節點按照最短路徑轉發數據；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「按原路由傳輸數據」給相應路由節點，否則， 跳數i加1，即i』 =i+l。表 I : NLME-LEAVE. request 具體參數
權利要求
1.一種基於多通信模塊的傳感網網關擁塞控制裝置，其特徵在於，在網關內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16位網絡通信短地址，每個通信模塊分別按照每個入網路由設備的地址進行分組； 網關主控制器實時監測通信模塊工作狀態，若檢測到某個通信模塊擁塞，網關主控制器進行擁塞控制，並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點離開當前父節點；並向擁塞通信模塊下的路由節點組播路由發現命令幀發起路由發現；設置路由發現命令幀中的路由請求跳數控制更改路由的節點個數。
2.根據權利要求I所述的傳感網網關擁塞控制裝置，其特徵在於，路由發現命令幀發送的目的地址是擁塞通信模塊下的路由節點組播地址，源地址是正常通信模塊，路由發現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臨時路徑，路由節點接收到消息後，按最優臨時路徑轉發數據。
3.根據權利要求I所述的傳感網網關擁塞控制裝置，其特徵在於，所述擁塞控制具體為網關主控制器從鄰居表中找出所有路由節點的相鄰路由節點，並生成鄰接矩陣；網關主控制器創建每個路由節點到另一個通信模塊下的子路由節點的最短路徑表；主控制器輪詢通信模塊，監測通信模塊狀態，判斷其是否處於擁塞狀態；如某個通信模塊處於擁塞狀態，主控制器繼續詢問另一個通信模塊是否擁塞？輪詢完所有通信模塊，如均未發生擁塞， 等待下一周期，繼續監視通信模塊狀態。
4.一種基於多通信模塊的傳感網網關擁塞控制方法，其特徵在於，在網關內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16位網絡通信短地址，每個通信模塊分別按照每個入網路由設備的地址進行分組； 網關主控制器實時監測通信模塊工作狀態，若檢測到某個通信模塊擁塞，網關主控制器進行擁塞控制，並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點離開當前父節點；並向擁塞通信模塊下的路由節點組播路由發現命令幀發起路由發現；設置路由發現命令幀中的路由請求跳數控制更改路由的節點個數。
5.根據權利要求4所述的傳感網網關擁塞控制方法，其特徵在於，路由發現命令幀發送的目的地址是擁塞通信模塊下的路由節點組播地址，源地址是正常通信模塊，路由發現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臨時路徑，路由節點接收到消息後，按最優臨時路徑轉發數據。
6.根據權利要求4所述的傳感網網關擁塞控制方法，其特徵在於，所述擁塞控制具體為網關主控制器從鄰居表中找出所有路由節點的相鄰路由節點，並生成鄰接矩陣；網關主控制器創建每個路由節點到另一個通信模塊下的子路由節點的最短路徑表；主控制器輪詢通信模塊，監測通信模塊狀態，判斷其是否處於擁塞狀態；如某個通信模塊處於擁塞狀態，主控制器繼續詢問另一個通信模塊是否擁塞？輪詢完所有通信模塊，如均未發生擁塞， 等待下一周期，繼續監視通信模塊狀態。
全文摘要
本發明提出了一種基於多通信模塊的傳感網網關擁塞控制裝置及方法。具體涉及網關增加通信模塊，網關主控制器能快速地與各個模塊進行通信，接收並處理多個模塊接收的數據。當網關主控制器發現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點，並組播「路由發現」命令幀，通知擁塞模塊下的路由節點建立最優「臨時路徑」，讓擁塞模塊下的路由節點更改路由轉發數據，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，還通過設定路由發現幀的radius參數來動態調整需要更改路由的節點個數，起到快速、平穩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 優先權日2012年3月22日
發明者孫浩, 張鴦, 李昊陽, 牛旭亮, 王慧鑫, 王浩 申請人:重慶郵電大學