無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種優(yōu)化的隱式跨層傳輸控制算法*

龍昭華，李 吳，蔣貴全

（重慶郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］（WSNs）是一種多跳的無線網(wǎng)絡(luò)，由大量的低速率、低功耗、具有感應(yīng)功能的嵌入式設(shè)備組成，用來監(jiān)測比如溫度、濕度、振動、地震、事件等。在傳感器節(jié)點能量和處理能力受到限制的前提下，為網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的傳輸控制協(xié)議，保證獲取的信息有效是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要解決的基本問題。

現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議可以分為兩類:解決擁塞控制，如 ESRT 協(xié)議［2］，BGR 協(xié)議［3］等;解決質(zhì)量保證，如 RBC 協(xié)議［4］，GRAB 協(xié)議［5］等。這些協(xié)議主要在傳輸層上做研究，一定程度上限制了傳輸控制性能。本文對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種隱式逐跳的跨層擁塞控制協(xié)議進行改進，并將其用于處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳輸控制問題。仿真實驗表明:改進后算法能夠在保持能量有效性的同時，提高傳輸控制質(zhì)量。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隱式逐跳擁塞控制算法

文獻［6］介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種隱式逐跳的擁塞控制協(xié)議。但是鑒于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異，必須對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中這種協(xié)議做適當(dāng)?shù)男薷牟拍軌蜻m用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1．1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)隱式逐跳控制協(xié)議

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中隱式逐跳擁塞控制協(xié)議基本思想是:鏈路是雙向通信，在一條鏈路中有源節(jié)點A、中間節(jié)點B、目的節(jié)點C三個節(jié)點。協(xié)議需要改進的原因:

1）中間節(jié)點B發(fā)出的信息，A和C都能收到，如果節(jié)點A監(jiān)測到自己發(fā)出去的數(shù)據(jù)，那么認為A發(fā)出的數(shù)據(jù)包已經(jīng)成功發(fā)送到下一跳節(jié)點B，通過隱式的確認，減少網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)量。但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點B也要采集數(shù)據(jù)，處理后轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，節(jié)點A不一定能識別，在整個鏈路中會引發(fā)大量的數(shù)據(jù)重傳，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。

2）Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是在不斷變化的，不穩(wěn)定的路由會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)鏈路的中斷、數(shù)據(jù)包丟失，所以，很難保證傳輸可靠性。

3）協(xié)議［6］通過監(jiān)測數(shù)據(jù)包是否轉(zhuǎn)發(fā)來顯示網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，通過注入數(shù)據(jù)包速率解決擁塞，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是不夠的。為了保證網(wǎng)絡(luò)消息的及時性和有效性，必須引入更加合理的擁塞解決機制。

1．2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隱式逐跳的擁塞控制算法

已有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議中，有些通過顯示確認保證數(shù)據(jù)包的成功轉(zhuǎn)發(fā)，如Siphon協(xié)議［7］，其缺點是發(fā)送顯示的確認包不僅會消耗大量的能量，而且會占用信道，降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。跨層協(xié)議，如HCCC協(xié)議［8］、HCCC協(xié)議在解決擁塞時，MAC層需要一直監(jiān)測信道的占用情況，消耗了大量能量，而且缺失可靠性。本文設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隱式逐跳的擁塞控制算法。對以上算法做如下改進，包括路由維護、隱式確認機制、擁塞處理機制。

1．2．1 路由維護

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的擁塞不是發(fā)生在一條鏈路或者某一個單獨的節(jié)點，而是空間的［6］。節(jié)點發(fā)出的信息鄰居節(jié)點都能接收到，為了防止無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的泛洪出現(xiàn)，本文中每一跳節(jié)點都知道本地節(jié)點最優(yōu)路徑的源節(jié)點和目的節(jié)點，當(dāng)收到的數(shù)據(jù)包目的節(jié)點不是自身的時候，節(jié)點不予響應(yīng)，保持休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)包的包頭格式如圖1所示。算法具體實現(xiàn)時，每個數(shù)據(jù)包的源節(jié)點有1個，目的節(jié)點有2個，方便實現(xiàn)隱式確認;擁塞警告通過擁塞度量測定發(fā)給上游區(qū)節(jié)點。

圖1 數(shù)據(jù)包包頭信息Fig 1 Data packet header information

1．2．2 隱式確認機制

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一跳節(jié)點都會采集數(shù)據(jù)，簡單監(jiān)測數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)不能實現(xiàn)隱式確認，為了實現(xiàn)隱式確認，引入了相對信息熵，計算2個節(jié)點之間的信息相關(guān)程度，通過信息的相關(guān)程度來識別包的轉(zhuǎn)發(fā)是否成功。圖2所示的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隱式確認機制原理流程圖。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隱式確認機制Fig 2 Implicit acknowledgment mechanism in WSNs

為了方便理解，引入了信息論中的一些概念，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的事件模型抽象為信息熵理論數(shù)學(xué)模型如下:引用香農(nóng)公式［9］，用節(jié)點信息熵H（x）來計算發(fā)出和接收數(shù)據(jù)的平均信息量，如公式（1）所示

其中，E為概率的統(tǒng)計平均值，q表示ai（i=1，2，…，q－1，q）的取值有q種可能;P（ai）為字符ai出現(xiàn)的概率，H（x）表征了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征，是總體平均不確定性的量度（bit/數(shù)據(jù)包）。式（1）中的單位取決于對數(shù)函數(shù)的底數(shù)。本文取對數(shù)函數(shù)底數(shù)為2，即表示計算產(chǎn)生1 bit的信息量，不僅方便處理器識別處理，而且不會消耗很多能量。

通過以上方法計算節(jié)點A與節(jié)點B發(fā)送的數(shù)據(jù)包的信息量，然后進行比較，用數(shù)學(xué)公式節(jié)點相對信息熵表示

相對信息熵U（A‖B）用于計算任意2個數(shù)據(jù)包之間信息熵的差異大小，它的物理意義是2組概率分布之間的差異程度。計算相對信息熵U（A‖B）的值，這個值越小，表明2組概率分布越接近，這2個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)相似程度越大。在本文中，U（A‖B）≤0．5，2個數(shù)據(jù)包中的信息至少有50%相同，證明A，B節(jié)點之間通信成功，隱式的確認在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)。

1．2．3 擁塞處理機制

在文獻［6］中，主要通過調(diào)節(jié)注入數(shù)據(jù)包的速率解決擁塞。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要采集實時有效數(shù)據(jù)，為了保證傳輸?shù)膶崟r性，需要傳輸層和MAC層協(xié)調(diào)合作，加快數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，從而快速解決擁塞，分為擁塞檢測和快速擁塞處理2個階段。

1）擁塞檢測

本文中，假設(shè)每個節(jié)點只能存放3個數(shù)據(jù)包:一個是轉(zhuǎn)發(fā)出去但還沒有收到隱式確認的數(shù)據(jù)包;一個是上游節(jié)點發(fā)出，節(jié)點已經(jīng)收到但沒有轉(zhuǎn)發(fā)出去的數(shù)據(jù)包;最后一個用來接收下游節(jié)點反饋包，用來計算節(jié)點之間信息相關(guān)程度。

節(jié)點收不到下游節(jié)點的確認，無法確認數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功。緩存中已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包丟棄受阻，長時間收不到下游節(jié)點的確認會導(dǎo)致本地節(jié)點重復(fù)發(fā)送探測包，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的局部擁塞。規(guī)定當(dāng)?shù)诙伟l(fā)送探測包下游節(jié)點仍然處于contention狀態(tài)，則判斷網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)生了擁塞。接著發(fā)出的RFA探測包中，將會加入擁塞警告提示，這個帶有擁塞警告ACK包會以逐跳的方式通知上游區(qū)節(jié)點，提示網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)亞健康，直到擁塞解決。ACK包只有包頭，消耗能量少，具體實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 擁塞檢測機制Fig 3 Congestion detection mechanism

2）快速擁塞處理

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中為了提高傳輸質(zhì)量，還必須加快擁塞區(qū)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速度。本文通過MAC層、路由層的合作來加快擁塞區(qū)域節(jié)點接入信道的幾率。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，同一時刻只允許一個設(shè)備占用信道。中間節(jié)點接收到擁塞警告后，立刻增大本地信道接入窗口，減少自己競?cè)胄诺赖膸茁?，把信道留給擁塞區(qū)節(jié)點，讓其快速接入信道，加速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。通過MAC層的合作，來降低擁塞處理的時間，擁塞盡快解決，具體方法如下:

1）路由層檢測ACK包頭中距離擁塞區(qū)域的跳數(shù);

2）MAC層訪問信道采用CSMA/CA機制競爭信道，根據(jù)距離擁塞區(qū)域的跳數(shù)，決定在［0，2BE－1］范圍內(nèi)產(chǎn)生一個等待時間，來減少節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)造成碰撞的可能;

3）收到擁塞警告的節(jié)點將自己的BE值增大，越靠近擁塞區(qū)域節(jié)點的BE值越小，擁塞區(qū)域節(jié)點BE值根據(jù)擁塞情況，以同樣方法設(shè)置，使得擁塞區(qū)域等待時間最短，接入信道幾率最快，確保數(shù)據(jù)包快速轉(zhuǎn)發(fā)，快速解決擁塞。

2 實驗仿真

為了驗證本算法的性能，用Matlab做仿真實驗，選取經(jīng)典的ESRT協(xié)議和HCCC協(xié)議作對比?，F(xiàn)在將本文的仿真場景設(shè)置如下:

1）選取100個節(jié)點均勻布局在180m×180m的正方形區(qū)域內(nèi)，目的節(jié)點放在監(jiān)測區(qū)域的邊界上。

2）每個節(jié)點通信距離為20 m，干擾距離為45 m，任意2個相鄰節(jié)點間的距離都是20 m，鏈路是開環(huán)的。

3）采用靜態(tài)路由，最佳路由已經(jīng)確立。節(jié)點每單位時間發(fā)送10個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包大小為32 byte，節(jié)點緩存中存放3個數(shù)據(jù)包。

圖4描述了仿真過程中的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，從圖中可以看出:ESRT和HCCC下的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲得到了一定的控制，本文中每個緩存中只有3個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中停留的時間非常短，加上隱式確認轉(zhuǎn)發(fā)和有效的擁塞解決機制，大大降低了數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)內(nèi)的平均等待時間，減少了在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。

圖4 網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲比較Fig 4 Comparison of network transmission delay

圖5描述了仿真過程中的丟包率，丟包主要因為擁塞和信道不穩(wěn)定產(chǎn)生的，本文控制緩存中的數(shù)據(jù)包的數(shù)量為3個，如果確認數(shù)據(jù)成功轉(zhuǎn)發(fā)，那么緩存立即清空。發(fā)生擁塞后，通過擁塞警告通知上游節(jié)點減少注入擁塞區(qū)的數(shù)據(jù)包，加快擁塞區(qū)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)始終保持在一個比較良性的狀態(tài)，發(fā)生擁塞的可能大大降低;基于相對信息熵的隱式確認機制，防止丟包。從圖中可以看出:與經(jīng)典的ESRT協(xié)議和HCCC協(xié)議比較，本算法的丟包率始終保持在很小的百分比率，不到上述協(xié)議的1/5。

圖5 網(wǎng)絡(luò)丟包率的比較Fig 5 Comparison of network packet loss rate

圖6描述了仿真過程中的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，在本文中采用RFA探測包和相對信息熵結(jié)合降低重傳，減少不必要的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，較好的擁塞解決機制確保了網(wǎng)絡(luò)的良好狀況，由圖可以看到:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量達到一個最佳點的時候，HCCC協(xié)議和ESRT協(xié)議都不能保持最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而本協(xié)議能一直保持下去。

圖6 網(wǎng)絡(luò)吞吐量的比較Fig 6 Comparison of network throughput

3 結(jié)論

本文在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提出了一種隱式逐跳跨層合作的傳輸控制算法，通過路由層傳輸層MAC層相互合作，解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳輸控制問題，在一定程度上有效地提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量，但是設(shè)計思想還不夠全面和成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有特殊的用途和特定的應(yīng)用場景，設(shè)計完整的傳輸控制協(xié)議，要從整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個層次考慮，比如:根據(jù)應(yīng)用層來選擇優(yōu)先需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來提高網(wǎng)絡(luò)的有效性等，還需要做很多工作。

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