[發明專利]基于PID控制器的無線傳感器網絡擁塞控制方法

有效

• 申請號: 201611192230.8
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN107070802B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 楊曉萍;夏日婷;朱燕蘋;楊立杰;李天奇
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H04L12/801
• 分類號: H04L12/801;H04L12/823;H04L12/863
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張冉昕

本發明公開了一種采用計算機程序的基于PID控制器的無線傳感器網絡擁塞控制方法。該方法包括的步驟有：相關參數的定義及初始化；將PID控制技術與主動隊列管理方法相結合得到的PID隊列管理擁塞算法嵌入到無線傳感器網絡環境中；用單神經元控制技術對PID控制器固定的參數(K_P、K_I、K_d)進行整定；用改進的粒子群算法對神經元PID控制器的初始參數(K_P0、K_I0、K_d0)，神經元學習速率(η₁、η₂、η₃)進行在線尋優；得到PID控制器的三個適應無線傳感器網絡動態環境的參數后計算丟棄概率(P)丟棄數據包。其中采用粒子群算法尋優的學習因子為C1＝0.95+0.1*rand,C2＝C1,有導的Hebb學習算法來調整加權系數(w_i(k))的值。從而達到在線調整PID隊列擁塞算法的參數，使其適應無線傳感器網絡的特點。達到緩減無線傳感器網絡擁塞的目的。

技術領域

本發明涉及一種與無線傳感器網絡擁塞控制相關的PID隊列擁塞管理方法，更具體地說，特別涉及一種基于PID的無線傳感器網絡節點隊列擁塞管理方法。

背景技術

在無線傳感器網絡中存在無線傳感器網絡擁塞問題，無線傳感器網絡的擁塞可以分為兩種類型：一種類型是節點級的擁塞，就是節點需要發送的分組流量超過節點的發送能力，導致緩存溢出造成數據分組的丟失和網絡排隊延遲的增加；另一種類型是無線鏈路級的擁塞，無線信道是共享信道，在同一時刻相鄰節點只能有一個節點使用無線信道，當多個相鄰節點同時競爭使用無線信道時，就會產生訪問沖突引起鏈路級擁塞，增加分組的服務時間，降低鏈路利用率和網絡的吞吐量。

本發明主要關注無線傳感器網絡結構和節點緩存不足的問題，因為無線傳感器網絡大規模部署和以數據為中心的非對稱的多對一數據流通信模式，使得WSN容易發生擁塞，WSN作為一種分組轉發的網絡，當突發數據流大規模地涌向某些傳感器節點時，將因這些節點有限的輸出流可用帶寬和緩存空間，使得到來的分組不能被及時轉發而不得不被丟棄，從而引起擁塞；另外，WSN采用逐跳的多對一通信方式，這使得sink節點所產生的“漏斗效應”也很容易產生擁塞。擁塞造成了數據分組丟失甚至重要檢測信息的丟棄，減小了數據傳輸的成功率，降低了傳輸服務質量，而且數據重傳進一步導致能量消耗增加，因此需要擁塞控制機制來管理網絡。

為了解決擁塞現象所帶來的中間節點隊列不穩定、吞吐量急劇下降、丟包率過高等網絡性能下降的問題，現在WSN的節點(無線路由)中普遍采用“棄尾方法”，當無線路由因緩沖區不能及時處理接收的數據包時，會對暫時未能處理的數據包進行排隊。按照棄尾方法將隊列長度相關的參數進行預先設定，并將隊列長度的參數與預定的閾值進行比較，若大于閾值，則開始丟棄大于閾值之后的數據包。“棄尾”的意思即從隊列尾部開始丟棄。

但是棄尾方法存在導致某個數據流進入死鎖狀態，讓無線路由器緩存長期處于滿隊列狀態，而主動隊列管理(AQM)方法在有線網絡擁塞控制中的研究已經很成熟，它在擁塞之前采用預見式的提前丟包的思想，能夠有效地控制隊列長度，避免網絡發生擁塞，解決滯后性和能量的不必要耗費問題。

中國專利公開號CN102821001A，公開日為2012年12月12日，專利申請號為CN201210344427.4，專利名稱為“模糊神經元主動隊列管理方法在IPCOP中實現的方法”。描述了一種模糊神經元主動隊列管理方法在IPCOP中實現的方法,該方法步驟如下：1.相關參數的定義及初始化；2.等待新的數據包到達；3采用有導的Hebb學習算法對神經元加權系數動態調節；包括對當前時刻瞬時隊列長度q(k)進行采樣,并計算神經元方法輸入量x1(k),x2(k),x3(k)的值；4.采用模糊控制方法動態調整神經元增益K,包括以x1(k)和x2(k)為輸入量,神經元增益K的變化量ΔK為輸出量,對輸入量x1(k)和x2(k)進行模糊化；5.計算丟棄概率p(k)并以丟棄概率p(k)對數據包進行丟棄,包括計算丟棄概率p(k),最后將數據包以丟棄概率p(k)進行丟棄。