無線傳感網(wǎng)絡(luò)一種擁塞控制機(jī)制研究

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程學(xué)院 劉 亞 王 龍 陳建威

無線傳感網(wǎng)絡(luò)一種擁塞控制機(jī)制研究

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程學(xué)院 劉 亞 王 龍 陳建威

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容易產(chǎn)生擁塞，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的Qos傳輸性能和生存周期，擁塞控制成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制，包括逐跳擁塞反饋和速率調(diào)節(jié)兩部分，結(jié)果表明，該擁塞控制機(jī)制不僅有效地緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞情況還保持了網(wǎng)絡(luò)吞吐的穩(wěn)定，具有良好的能源有效性。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；擁塞控制；速率調(diào)節(jié)

0 引言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)散布、節(jié)點(diǎn)間采用多跳的多對一的通信方式，大量的、并發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送造成干擾，另外傳感器節(jié)點(diǎn)的計算能力和存儲空間也十分有限，可以說網(wǎng)絡(luò)擁塞肯定會發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)的通信過程中。網(wǎng)絡(luò)擁塞會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)溢出，進(jìn)而引起數(shù)據(jù)包的丟失，不利于保證網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制無法適用于WSN，因此本文設(shè)計一種有效的擁塞控制機(jī)制（CCMW），來提高WSN的性能。

1 擁塞控制機(jī)制（CCMW）基本原理

圖1 擁塞控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

本文提出的擁塞控制機(jī)制主要包括兩部分：（1）擁塞檢測與逐跳的擁塞反饋；（2）速率調(diào)節(jié)。如圖1所示，節(jié)點(diǎn)z周期性的獲取上游節(jié)點(diǎn)x和y的發(fā)送速率并結(jié)合自身緩沖隊列的使用情況來計算判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)z擁塞發(fā)生的可能性，如果z檢測到擁塞則向上游節(jié)點(diǎn)反饋擁塞消息，讓上游節(jié)點(diǎn)x和y按預(yù)先設(shè)定的策略降低發(fā)送速率，同時z的下游節(jié)點(diǎn)p也根據(jù)預(yù)定策略決定是否提高z的發(fā)送速率?；疽灿幸?guī)律的計算單位時間內(nèi)收到數(shù)據(jù)包個數(shù)，來確定源速率調(diào)節(jié)。

2 擁塞檢測與反饋

有效的擁塞檢測是處理網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的前提和重要保證，但是類似于文獻(xiàn)[2]中CODA這種檢測擁塞的手段會大量增加節(jié)點(diǎn)能耗，并且可能會導(dǎo)致對信道是否發(fā)生擁塞情況的誤判。假設(shè)當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩沖隊列中數(shù)據(jù)包較少，而信道采樣值大于規(guī)定的值，此時擁塞可能不會發(fā)生，卻會引起上游節(jié)點(diǎn)的一系列速率操作。所以基于緩沖隊列使用情況的擁塞檢測要更優(yōu)于基于CODA的擁塞檢測機(jī)制。

擁塞檢測的基本思想是：以△t為時間周期，階段性的檢測當(dāng)前緩沖隊列的可用空間，結(jié)合當(dāng)前節(jié)點(diǎn)本身的輸出速率和上游節(jié)點(diǎn)的輸入速率判斷下個周期內(nèi)緩沖隊列是否會溢出而發(fā)生擁塞。

3 全局速率調(diào)節(jié)

速率調(diào)節(jié)是解決擁塞問題的基本手段。本文速率調(diào)節(jié)分為局部速率調(diào)節(jié)和全局速率調(diào)節(jié)兩種。

局部調(diào)節(jié)指的是對擁塞節(jié)點(diǎn)本身和其上下游節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率的調(diào)節(jié)。這種方法避免了因?yàn)楣?jié)點(diǎn)緩沖隊列大小的差別而導(dǎo)致?lián)砣陌l(fā)生，使得緩沖隊列較小的節(jié)點(diǎn)同樣能保持較高的發(fā)送速率來減少緩沖的數(shù)據(jù)包個數(shù)以免擁塞進(jìn)一步向上擴(kuò)散。

全局速率調(diào)節(jié)是從源節(jié)點(diǎn)到基站的速率調(diào)節(jié)。源節(jié)點(diǎn)執(zhí)行速率調(diào)節(jié)分開兩種情況，一是響應(yīng)下游擁塞節(jié)點(diǎn)的反饋信息降低發(fā)送速率，二是在基站收到的某事件的數(shù)據(jù)包個數(shù)不符合對該事件的準(zhǔn)確性要求時，進(jìn)行基站到源節(jié)點(diǎn)的速率調(diào)節(jié)。源節(jié)點(diǎn)參考基站的計算結(jié)果進(jìn)行速率調(diào)節(jié)相對比較準(zhǔn)確，能夠確保信道出現(xiàn)擁塞情況時快速恢復(fù)，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膩G包率。

4 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在100*100m2，節(jié)點(diǎn)數(shù)為40并且隨機(jī)分布的WSN中，進(jìn)行仿真，其中源節(jié)點(diǎn)速率每秒鐘120個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包長度30Bytes，信道容量256Kbs，節(jié)點(diǎn)通信半徑30m，實(shí)驗(yàn)通過隨機(jī)選取6個節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)來產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，觀察CCMW和CODA兩種機(jī)制的性能。仿真結(jié)果如圖2-3所示：

圖2 平均網(wǎng)絡(luò)丟包率對比圖

圖3 源節(jié)點(diǎn)速率圖

圖2所示，本文中的CCMW機(jī)制在第6s時擁塞情況得到緩解，其丟包率也被控制在152packets/s，而CODA是在仿真進(jìn)行到第8s時擁塞情況才開始緩解，并且丟包率相對更高。從圖3可以看出仿真開始大約五秒左右，本文機(jī)制下的源節(jié)點(diǎn)速率就停留在一個相對比較穩(wěn)定的位置，而CODA機(jī)制下的源節(jié)點(diǎn)速率波動相對較大。

5 結(jié)論

本文提出了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制CCMW，CCMW主要分為兩個部分：擁塞檢測與逐跳的擁塞反饋；速率調(diào)節(jié)。并對CCMW和CODA方案進(jìn)行了仿真對比，通過在網(wǎng)絡(luò)丟包率、能耗和穩(wěn)定性方面的比較，表明CCMW具有較好的性能。

[1]Wan C Y,Eisenman S,and Campbell A.CODA:Congestion detection and avoidance in sensor Network[J].Proceeding of ACM first conference on Sensor System,Los Angeles,USA,2013(2):266-278.

[2]浦倩云,吳錫生.基于擁塞控制的無線路由算法研究[J].通信技術(shù),2016,44(03):312-317.

[3]錢麗麗.監(jiān)測類應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗擁塞MAC協(xié)議研究[D].南京:東南大學(xué),2016.

劉亞（1987—），女，河南鄭州人，碩士，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信學(xué)院助教，研究方向：無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

航空科學(xué)基金資助項目（2015ZD55005）；河南省科技攻關(guān)基金資助項目（No.152102210137）；鄭州航院青年科研基金項目（2017133002）。