無線傳感器網絡擁塞控制研究

摘要:介紹了無線傳感器網絡擁塞控制的內容和特點，仔細分析了在無線傳感器網絡中實施擁塞控制算法所涉及的技術難點及不足，并對現有工作進行了歸納和總結。最后，探討了發展初期該研究領域的未來發展方向。

關鍵詞:無線傳感器網絡; 擁塞控制; 通信協議

中圖分類號:TP393文獻標志碼:A

文章編號:1001－3695(2008)02－0565－04

近年來得到迅速發展的無線傳感器網絡是一種特殊的Ad hoc網絡[1]，它集合了傳感器技術#65380;現代網絡及無線通信技術#65380;分布式信息處理技術的最新成就，是當前多學科高度交叉#65380;知識高度集成的前沿熱點研究領域。無線傳感器網絡擴展了現有網絡功能，增強了人們對客觀物理世界的測控能力。它在軍事偵察#65380;空間探索#65380;生物醫療#65380;環境監測#65380;搶險救災#65380;防恐反恐#65380;危險區域遠程控制等領域都有潛在的實用價值和廣闊的應用前景。因此其科研意義和價值已經引起世界各國學術界#65380;工業界和軍事部門的極大關注，并被認為是對21世紀產生巨大影響力的技術之一[1~4]。

現有WSN擁塞控制的研究大都假定基于單一的盡力而為(best effort)數據傳輸服務模型。在該模型下，各類業務平等競爭網絡資源， 網絡擁塞時，分組被不加區分地丟棄，因而不利于服務質量要求高的業務傳輸，特別是對于傳輸延遲敏感和要求分組丟失率低的數據是非常不可靠的[5， 6]。為了保證網絡暢通并提供一定的服務質量保證，在無線傳感器網絡中必須采取一定的策略來避免和控制網絡擁塞。

1無線傳感器網絡

1.1無線傳感器體系結構

無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，它由分布在一定空間范圍內的大量傳感器節點組成[1~4]。其典型的工作方式如下:使用飛行器將大量傳感器節點(數量從幾百到幾千個)拋撒到被感知對象內部或者附近，這些節點通過自組織方式構成無線網絡，以協作的方式實時感知#65380;采集和處理網絡覆蓋區域中的信息。節點具有數據感知#65380;信息處理和無線通信能力， 節點間以無線多跳的無中心方式連接，網絡拓撲結構動態可變。節點既是信息的采集和發出者，也充當信息的路由者，采集的數據通過多跳路由到達網關。網關是一個特殊的節點，可以通過Internet#65380;移動通信網絡#65380;衛星等與監控中心通信;也可以利用無人機飛越網絡上空，通過網關采集數據。

無線傳感器網絡的典型體系結構如圖1所示。它主要包括四類基本實體對象，即目標現象#65380;觀測節點#65380;傳感器網絡節點和感知視場。其中，傳感器網絡節點是一個微型嵌入式系統，其基本組成包括傳感單元(由傳感器和A/D模塊組成)#65380;處理單元(包括CPU#65380;存儲器#65380;嵌入式操作系統等)#65380;通信單元(由無線通信模塊組成)以及電源等。

1.2無線傳感器網絡特點

無線網絡包括移動通信網#65380;無線局域網#65380;藍牙網絡#65380;Ad hoc 網絡等。與這些傳統數據通信網絡相比，無線傳感器網絡具有明顯的特點和獨特的優勢[1， 2]:

a)成本低#65380;自組織#65380;體積小和布撒靈活。傳感器網絡節點體積較小#65380;數量眾多，可以通過飛行器撒播#65380;火箭彈射或者人工埋置等方式來部署。

b)高可靠性#65380;可擴展。目標信息往往被多個節點感知，網絡冗余信息保證了少量節點或鏈路失效時的可靠性;采用分布式算法則提高了系統的可擴展性。

c)分布式計算系統。無線傳感器網絡天然的分布式計算系統，節點靠近目標，可實現高精度感知#65380;支持多節點數據聚合等特性。

2擁塞控制

2.1擁塞和擁塞控制

存在許多不同的度量來描述擁塞現象，如傳輸延時#65380;數據吞吐量#65380;隊列長度和網絡效率等，但是沒有哪個度量能在局部和全局意義上完全滿足擁塞評判要求。因此人們對擁塞控制并無嚴格定義，甚至對擁塞的定義都無法完全統一。這里給出一個相對被普遍認可的擁塞定義。

定義1 如果因為網絡負載增加而導致用戶I的滿意度降低，用戶I則認為網絡發生擁塞[7]，如圖2所示。

形象地說， 當網絡中存在過多的報文時，網絡的性能會下降，這種現象稱為擁塞[7，8]。擁塞導致的直接結果是分組丟失率提高，端到端時延加大，甚至是整個系統發生崩潰。當網絡發生擁塞崩潰時，微小的負載增量都將使網絡的有效吞吐量急劇下降。文獻[7]使用圖3來描述擁塞。網絡負載較小時，吞吐量與網絡負載之間呈線性關系，網絡延遲緩慢增加;網絡負載超過knee后， 網絡吞吐量增長緩慢，網絡延遲增長變快;網絡負載到達cliff后，網絡吞吐量急劇下降，網絡延遲急劇上升。

網絡擁塞控制是確保無線傳感器網絡魯棒性的一個關鍵因素。擁塞控制算法最基本和最重要的要求就是防止網絡出現擁塞崩潰，使網絡運行在輕度擁塞的最佳狀態，這樣擁塞控制模型或算法既能保證網絡效率， 又不會出現網絡欠載或過載;同時又能保證流量間的公平性。事實上控制算法包括擁塞避免和擁塞控制。前者的目標是使網絡盡可能不發生擁塞，保持網絡高吞吐量#65380;低延遲的運行狀態;后者的目標是將網絡從擁塞中解除出來。

擁塞控制與best－effort服務模型有緊密的聯系。流控制主要考慮接收端，目的是使發送端的發送速率不超過接收端的接收能力;擁塞控制主要考慮端節點之間的網絡環境，目的是使負載不超過網絡的傳送能力。當前無線傳感器網絡使用best－effort 服務模型，主要的研究熱點集中在QoS方面，對于擁塞控制的研究相對較少。接收端利用TCP報頭將接收能力通知發送端，這個服務模型只考慮了接收端的接收能力，而沒有考慮網絡的傳輸能力。

通常將knee點附近稱為擁塞避免區間(I區);knee和cliff之間是擁塞恢復區間(Ⅱ區);cliff之外是擁塞崩潰區間(Ⅲ區)。可以看出，負載在knee附近時網絡的使用效率最高。擁塞控制的目標就是使網絡盡可能地工作在knee附近;另外網絡本身要求控制算法具有分布性， 因為每個控制節點不可能獲取完整的全局狀態。

2. 2擁塞的原因

網絡擁塞是best－effort服務模型的一個固有屬性。用戶間無法相互協作共享資源，多個用戶對同一網絡資源提出請求時就可能發生擁塞。網絡擁塞產生的原因有很多，下面介紹產生網絡擁塞的直接原因和根本原因。其中直接原因主要有三個方面:

a)存儲空間不足。多個分組同時到達路由器，并期望經同一個輸出端口轉發時，等待處理服務的分組序列自動進入中間節點上的緩存等待接受處理。如果這種情況持續發生，當緩存空間被耗盡時，路由器只有丟棄分組。從表面上看，增大緩存可以防止由擁塞引起的分組丟棄，但如果緩存太大，端到端的時延也會增大。因為分組的持續時間是有限的，超時的分組同樣需要重傳，反而會加劇網絡擁塞。

b)帶寬容量不足。任何信道帶寬最大值(即信道容量)為C=B log2(1+S/N)(N為信道白噪聲的平均功率;S為信源的平均功率;B為信道帶寬)[8]。要求所有信源發送的速率R必須小于或等于信道容量C。如果R>C，則在網絡低速鏈路處會形成帶寬瓶頸，一旦當其滿足不了所有通過它的源端帶寬的需求時，網絡就會發生擁塞。

c)處理器間處理能力和速度不一致也可能造成擁塞[9]。如果路由器的CPU在執行排隊緩存#65380;更新路由表等功能時，處理速度跟不上高速鏈路也會產生擁塞。同樣，低速鏈路對高速CPU也會產生擁塞。例如:S端以1 Mbps的速率向D端發送數據(100 kB)，在數據經過網關R時，就會發生擁塞。

網絡產生擁塞的根本原因在于用戶(即端系統)提供給網絡的負載大于網絡資源容量和處理能力[10]。擁塞是一種持續的網絡超負荷狀態，其典型表現就是數據包時延增加#65380;丟棄概率增大#65380;上層應用系統性能顯著下降等。

2.3擁塞控制算法的設計目標

擁塞控制算法性能的好壞會影響整個網絡系統，因此在設計和評價算法時，應該站在整個系統的角度來考查。對于任何一種擁塞避免/控制方案，希望它能同時滿足以下要求:

a)高效性。它是指在滿足擁塞控制目標前提下，盡可能充分地利用網絡資源。一方面是擁塞控制算法必須保證網絡效率，使網絡既不會欠載也不會過載;另一方面是擁塞控制應快速收斂于NASH平衡點，充分利用帶寬，提高網絡吞吐量，同時能夠減少延時，使對時延敏感的業務得到保證[11，12]。

b)公平性，即魯棒性(robustness)。它是指防止一些網絡連接過度占用網絡資源，而導致另一些網絡連接不能公平地使用網絡資源。也就是能夠抵御或者隔離惡意用戶(不遵守擁塞控制)的行為，防止這一類惡意用戶降低其他用戶的滿意度[13]。

對TCP擁塞控制而言，主要考慮不同連接間的公平性(即協議內公平);對非TCP擁塞控制而言，則要考慮兩種公平性:協議內公平和協議間公平，即TCP友好[14，15]。公平性可能是數據報網絡中擁塞控制所面臨的最具挑戰性的問題，其困難在于終端用戶和中間系統都不能得到網絡狀態的全部信息。

c)穩定性。擁塞控制方案必須做的一個重要決定就是在瓶頸處應維持的最佳負載。當流量較小時，吞吐量隨著負載的增長而增加。當網絡發生輕微擁塞時，數據包會在瓶頸處的緩沖區聚集;如果負載進一步增長，隊列延遲會急劇增加，直至緩沖區發生溢出現象，緩沖區開始丟棄分組，網絡有效吞吐量開始遞減，此時網絡進入嚴重擁塞狀態。Keshav建議一種最優化的定義:如果在每一個時間間隔[t1，t2]內瓶頸處沒有緩沖溢出和帶寬損失，這樣一個信息流量是最優的。這種定義可允許更寬范圍內的負載[16，17]。事實上很難讓一個信息流正好工作在這個最佳點上，一個具有合理長度的隊列工作點應該被認為是可接受的。

d)可擴展性。當網絡連接數增多時，算法開銷不會成為影響網絡性能的一個主要因素。傳感器網絡經常是異構的:節點可能配備不同傳感模塊，節點成本或能量消耗等都不一樣;目標也可能是不同類型，節點對目標信號的檢測范圍和精度也不相同。 合理搭配不同類型的傳感器節點，以最小代價獲得滿足應用需求的性能是協作感知的重要內容。

需要指出的是，上述四種屬性是擁塞控制的理想境界，大多數擁塞控制只能達到其中幾種要求，如當具有不同傳輸時延的TCP連接競爭網絡資源時，TCP擁塞控制對具有較大傳輸時延的連接具有不公平性。盡管研究證明當競爭帶寬的各連接傳輸時延按比例減小時，小傳輸時延的連接對大傳輸時延連接的抑制性相對減弱，這種不公平性也減弱 ，但TCP擁塞控制的不公平性依然存在。

3無線傳感器網絡擁塞控制

3.1與擁塞控制相近的概念比較

服務質量(QoS)控制是通過對帶寬#65380;緩存等網絡資源的管理與調度實現傳輸數據流(主要是多媒體業務)要求的一系列服務請求，如果實現得當，則可以避免擁塞。但是QoS控制的目的不是為了控制擁塞，而是要滿足傳輸數據質量的要求。QoS主要采用時延#65380;時延抖動#65380;丟包率和帶寬等作為度量。 在Internet上，IETF提出了以集成服務(IntServ)和區分服務(Diff－Serv)為核心的端到端IP QoS框架[18， 19]。

擁塞控制與流量控制密切相關。擁塞控制會抑制源端發送數據，起到流量控制的作用;相反，好的流量控制可以避免或推遲擁塞的發送。但是，擁塞控制與流量控制又存在一定的差異。前者是一個關系網絡全局的問題，它旨在解決路由器等中間鏈路設備的瓶頸問題，其規則具有社會性，要求做到公平合理;后者只涉及源端到目的端的端到端傳播，是為了確保源端發送數據時不超過目的端的接收能力，解決目的端的瓶頸問題。這是兩者的個體行為，不存在公平性問題。常用的流量控制算法有漏桶算法[20]#65380;基于窗口的流控[21]#65380;基于速率的流控#65380;基于信用卡的流控等[22，23]。

3.2無線傳感器網絡擁塞控制的熱點問題

傳感器網絡是以數據為中心的，不少研究結合能量有效利用策略，將保證傳輸可靠性作為首要任務[24~26]。其主要思想是按數據敏感程度建立優先級，對各類別數據流量分配不同的網絡資源和實施控制策略;缺陷是都基于端到端數據傳輸模式。文獻[27， 28]考察了異構傳感器節點不同混合比例下對感知覆蓋率#65380;檢測報告延遲和網絡生存期的影響。研究表明，混合一定比例的高性能但成本較高的傳感器節點可以在網絡成本#65380;性能和生存期之間獲得最優平衡。 Ghosh[29]則提出了一種協作覆蓋增強算法COVEN，基于固定節點來估計所需可移動節點的數量和最優部署位置以提高感知覆蓋率和降低網絡成本。文獻[30]基于非端到端傳輸模式，利用擁塞控制來協調可靠性和能耗，提出了一種可靠傳輸策略ESRT。 以上方法大都僅考慮可靠性度量，從擁塞控制來看還不夠。 Felemban等人[32]則綜合考慮不同流量的實時性和可靠性兩方面需求，提出一種多徑多速路由算法MMSPEED，它采用分布式路由策略，可較好地實現服務區分，并提供統計擁塞控制方案。Bhatnagar等人[33]試圖通過擴展DiffServ模型在傳感器網絡中對不同流量類別進行優先級調度。另外，文獻[33]將空間分辨率作為擁塞控制參數，結合節能策略在網絡參數選擇#65380;擁塞控制策略等方面進行了研究。Lu等人[34]提出支持實時數據傳輸的傳感器網絡通信體系RAP，包括應用層基于地理位置屬性和定時器來實現事件的登記與查詢#65380;傳輸層的位置標志協議LAP#65380;網絡層的地理位置路由協議以及速度單調調度策略VMS和支持優先級的MAC 協議。

3. 3面臨的挑戰

無線傳感器網絡擁塞控制機制的設計和實施不僅需要解決傳統網絡擁塞控制已經面臨的問題，如初始窗口大小的選擇#65380;重傳定時值的設置等。同時由于無線傳感器網絡的自身網絡特點和基礎功能的不同，使得其擁塞控制研究面臨著許多新的挑戰:

a)有限資源。傳感器網絡節點數量眾多，受成本#65380;體積和布撒環境的限制，其節點資源(帶寬#65380;內存和處理器能力)非常有限，并且每個節點只攜帶有限的#65380;不可更換的電源。因此，設計出簡單有效的協議算法，降低擁塞控制機制的能耗是一個重要問題。

b)數據高度冗余#65380;數據質量不一。為了提高可靠性，傳感器網絡中感知數據高度冗余，這樣就占用了更多的網絡資源，能耗也相當嚴重。 此時使用數據融合技術會加大傳輸延遲， 增加擁塞控制算法設計和實現的難度。另外，由于高度冗余的數據質量不一，如何選擇高質量的有效節點#65380;降低網絡數據傳輸量是確保無線傳感器網絡不發生擁塞現象的關鍵。

c)動態拓撲。由于環境#65380;人以及能量等因素的變化，無線傳感器網絡是一個拓撲結構隨時變化的動態網絡。節點可以隨處移動，一個節點可能隨時加入或者退出網絡。為保證通信質量，通信協議必須具有很強的可擴展性和動態拓撲組織功能，能夠動態地適應節點規模的變化。傳感器網絡面向事件監控和屬性測量，采用以數據為中心#65380;非端到端的通信模式，因此傳統的端對端擁塞控制機制難以直接應用，需要加以擴展或設計新的擁塞控制方案。

d)多跳路由#65380;數據時序不嚴格。無線傳感器網絡是一個無中心對等式網絡，在無線多跳網絡環境下，節點間協議信令和數據傳輸多為異步模式，難以保證嚴格的到達時序。同時，無線多跳傳輸時，數據存在大量背景噪聲和干擾，信道質量不穩定，使得實施擁塞控制方案更加復雜。

e)數據類別不一。傳感器網絡經常是多用戶#65380;多任務的異構式并發操作系統，網絡節點的配備不同， 節點對目標信號的檢測范圍和精度也不相同，因此數據流量類別不一致。如何協調不同類型#65380;不同流量的數據公平地共享帶寬是傳感器網絡的一個研究難點。

4結束語

隨著傳感器網絡研究和應用的快速發展， 其擁塞控制問題正日益受到人們的關注。通過對目前已有的無線傳感器網絡擁塞控制機制的分析，未來可以在以下幾個方面進一步深入研究:a)基于端到端數據傳輸的擁塞控制機制不符合傳感器網絡特點。 傳統網絡主要采用以節點為中心的通信模式，而傳感器網絡主要以數據為中心，主要是非端到端流量。 在擁塞控制參數的選擇上，傳統的延遲#65380;抖動和吞吐量等指標也無法體現傳感器網絡的應用特點。因此，基于端到端的傳統擁塞控制技術不能直接移植到傳感器網絡中使用。b)缺乏合理的擁塞控制體系。 由于無線鏈路在衰落#65380;干擾和噪聲等因素作用下信道質量的波動，節點增減或移動帶來的網絡拓撲變化，以及能量控制策略下節點工作狀態的轉變，都需要將物理層的信號及時通知MAC層。現有的研究熱點主要集中在適合傳感器網絡的MAC層協議上，并且主要是考慮能耗情況， 顯然這遠遠是不夠的，如SMAC[35]。c)基于中間件的擁塞控制機制。 中間件能實現應用和網絡間的翻譯與控制，支持兩者協商新的服務質量。 傳感器網絡的中間件技術已有相關研究[36， 37] ，但主要集中在中間件問題本身，沒有涉及到擁塞控制。 因此，研究如何基于中間件實施擁塞控制機制值得關注。 對于無線傳感器網絡隨著研究和應用的深入發現了許多新問題，因此需要引入新的策略和算法來完善并解決它們。總之，傳感器網絡的擁塞控制問題是一個開放的#65380;活躍的研究領域，有待更多的深入研究。

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