基于时隙跳频的树状工业传感网拥塞控制研究

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应用在工业领域的基于时隙跳频的大规模无线传感器网络,是由大量无线传感器节点组成的树状拓扑网络。在这种汇聚型网络中,处于根节点附近的热点区域节点承担了大量上下行数据的收发工作,发生拥塞的风险很大。因此,如何解决无线传感器网络中的拥塞控制是无线传感器网络研究的重要课题之一。现有的拥塞控制算法都是从抑制报文发送速率的角度出发,将大量并发的数据包后压,从而达到缓解网络拥塞的目的。但是,实际上终端节点设备并没有足够大的内存资源来缓存数据。因此,如果使用现有的拥塞控制算法,只是推延了拥塞爆发的时间,并没有真正的解决问题。随着时间的推移,大量的转发数据会因为中继节点内存耗尽而被丢弃,从而导致源节点必须重发数据包,反而加剧了拥塞。此外,基于时隙跳频的无线传感器网络的拥塞也可能是由于信道竞争冲突导致的,而现有的拥塞控制并没有针对这个问题进行研究。针对目前拥塞控制算法的不足,本文构建了一种新的基于时隙跳频的工业无线传感网络的拥塞控制算法FRCCP。该算法并没有像其他拥塞控制算法一样继续在后压和限速方案上做文章,而是利用RPL路由协议中节点多路径的特性,提出将多余的流量分摊到多个不同的父节点中去。首先,本文设计并实现了一种新颖的网络拥塞度量定义,用来判断节点的拥塞成因。如果当前节点拥塞而且其上行路由节点(即父节点)也同样拥塞的话,则拥塞原因是由于父节点缓存不足导致的。针对这种情况,本文提出了一种新的基于邻居节点流量预测的多路径负载均衡算法MRLBA来解决这个问题。否则的话,拥塞则是由邻居节点相互之间的信道竞争冲突导致的,针对这种情况,本文设计并实现了一种基于流控的信道独占协议CMP算法来解决。MRLBA算法利用斐波那契扇形图计算出邻居节点的空闲流量,并基于RPL路由协议的多路径特性,将节点自身拥塞的流量按需分配给多条上行路由,从而实现负载均衡的目的。此外,由于MRLBA算法在多个路径上传输数据,所以能够稳定地维持多条路由的链路质量,避免了由于子节点路由频繁切换导致的钟摆效应问题。而本文设计的CMP算法,采用了类似流控的方法,利用斐波那契扇形图计算出节点空闲窗口的时间,通过延长父节点跳频的时间序列来规避接入信道竞争导致的拥塞风险。基于FRCCP算法的原理分析,本文设计并实现了原型系统。首先,介绍了原型系统的软硬件开发环境;其次,对于组成FRCCP算法的6个子算法,用伪代码和流程图加以阐述和说明,并分别从父节点和子节点的角度,设计并实现了各自的逻辑模块;最后,阐述了编译和调试的方法和步骤。为了验证FRCCP算法的正确性,本文设计并实现了四组测试实验,分别对三种现有的拥塞控制算法以及FRCCP算法进行了对比实验。从实验结果来看,FRCCP算法比现有的几种网络拥塞算法更加有效地提高网络的数据吞吐量,保证网络拓扑的稳定,降低维护网络的消息开销,避免了钟摆效应,从而达到了更好的网络拥塞控制效果。
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