无线传感器网络拥塞控制算法

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近年来,随着物联网的快速发展和人们对传感器网络研究倍加关注,作为物联网核心技术的无线传感器网络也得到了广泛的应用和研究。由于无线传感器节点具有价格低廉、功耗低和体积较小等特点以及对其要求也越来越高,受能量、计算和网络传输带宽等资源限制的传感器节点无法及时转发或处理数据而带来了网络拥塞问题。网络拥塞会增加数据传输延迟,降低网络吞吐量以及增加网络中的丢包,甚至对网络的性能造成整体下降,这样可能会给用户造成巨大的损失。因此,为了更好的解决无线传感器网络拥塞问题,对网络拥塞控制策略的学习和研究显得尤为重要。目前无线传感器网络拥塞控制策略主要是在拥塞检测、拥塞避免和拥塞解除三个阶段中实现。拥塞检测是实现拥塞控制策略的基础,是根据网络运行状态来判断是否顺畅、何时会出现拥塞或者是否有发生拥塞的趋势,现有的检测方法大部分是基于缓存队列长度、速率、信道采样等,拥塞检测的及时性和准确性对拥塞控制的性能具有重要影响;拥塞避免是通过采取改变拓扑结构、降低速率等一系列措施来避免网络进入拥塞状态;而拥塞解除是对已经进入拥塞状态的网络采取速率、流量等控制来解除拥塞,使网络进入正常工作状态。针对无线传感器网络中出现的拥塞控制问题,本文研究的主要内容有:首先,本文介绍了研究的背景,在物联网快速发展的大背景下,无线传感器网络得到了广泛的应用;概述了无线传感器网络的基础、特点、应用、技术、研究现状,分析了无线传感器网络为什么不能采用传统网络的拥塞控制机制,接着介绍了目前比较流行的无线传感器网络拥塞控制算法,如CODV、STCP、COMUT等。其次,针对分簇层次结构模型中的簇首出现的拥塞,本文提出了一种基于双簇首的拥塞控制(CCBDC)算法,该算法的主要创新点有:在拥塞检测阶段采用了缓存区占用率α与拥塞度C(n)相结合的检测方法,由α和C(n)两个参数共同决定拥塞是否会发生;在拥塞避免阶段对于不同原因造成的簇首拥塞,分别利用最短路径数SPT和能量剩余量来寻找副簇首,让其分担本簇首的数据转发压力,从而避免拥塞的发生。通过在NS2网络实验平台下进行仿真,实验结果验证了CCBDC算法在丢包率、网络吞吐量、数据传输时延上都有较好的性能。最后,本文分析了基于最小速率的无线传感器网络拥塞控制(MR)算法。指出了该算法在变拓扑结构下具有较好的稳定性,但在公平性上存在一定的缺陷,上游节点分配到速率可能会存在严重的失衡。针对此问题,本文在保证算法的稳定性的基础上,提出了改进算法(Ax-MR)。在网络收敛速率时,改进算法通过在原有模型下增加△x,上游节点的子树节点可以得到相当大小的发送速率,从而提高了整个网络的公平性。实验结果证明,改进后的算法提高了整个无线传感器网络的公平性和吞吐量,同时保证了变拓扑情况下的稳定性,也有效地改善了网络中的丢包情况。
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