無線傳感器網絡中基于定向擴散協議的跨層擁塞控制方法*

葉 進，楊 婧，宋曉燕

(桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林541004)

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)中大規模隨機布署的傳感器節點利用短距離無線通信技術進行通信，共享唯一的無線信道。傳感器節點能量、存儲能力、計算能力和網絡傳輸帶寬等都非常有限，并且WSN多對一的通信方式造成的“漏斗效應”容易導致網絡出現局部甚至全局擁塞，造成能量消耗過快、節點失效甚至網絡癱瘓［1－2］，傳統的Internet網絡和無線Ad Hoc網絡的擁塞控制技術跟WSN的擁塞控制技術的要求和設計目標完全不同，傳統網絡中現有的算法、規范和協議并不能適應無線傳感器網絡的特點和應用的要求［3－4］。定向擴散路由協議是一個針對無線傳感器網絡特點而設計的平面路由協議，遵循最小代價的原則形成最優路徑的構造樹，保證數據的穩定傳輸，并且在數據傳輸階段的路徑維護能耗大大降低，是能源高效性路由協議的代表［5］。

RMST［6］、CODA［7］、Siphon［8］、CRDD［9］都是基于定向擴散協議的典型的擁塞控制機制。RMST是最早的基于定向擴散協議傳輸控制算法，該算法修改了定向擴散協議的梯度過濾模塊(Filter)并增加后向反饋路徑用于傳輸丟包信息，保證數據的可靠傳輸，但是該算法缺少有效的擁塞控制機制以及節省節點能量的機制，使網絡出現時延大和能耗高等不利的情況。CODA(Congestion Detection Avoidance)提出的能源有效的擁塞控制機制，針對網絡中出現的短暫性擁塞和持續性擁塞，該機制聯合使用開環逐跳反饋機制以及閉環多源速率調節機制進行緩解，但是基于AIMD的速率調節方法容易導致源節點發送速率嚴重震蕩，不利于保持網絡吞吐量的穩定性。針對網絡中“漏斗效應”所造成的擁塞現象，Siphon算法使用具有雙通信模塊的強功能傳感器節點將擁塞區域中的數據通過自身的其他信道重定向到上層網絡中，這種通信模式增加了額外的通信硬件，并且要對強功能節點進行有效地部署才能起到作用，該算法只適合在異構或層次的無線傳感器網絡中使用。CRDD機制使用雙信道保證擁塞消息和速率調節信息能快速準確地傳遞給上游節點和源節點，該機制雖然減輕了擁塞的程度，但是需要消耗過多的網絡能源，調節時間比較長，不適用于短暫性擁塞。

目前，大部分的擁塞控制協議的研究僅僅專注于單層，忽略了整個網絡的設計目標和不同層次之間協同工作的重要性，容易造成有限資源的浪費［10］，本文綜合考慮網絡層和MAC層的特點，使用網絡層和MAC層的跨層設計方案，并針對已有的WSN擁塞控制算法中存在的緩解擁塞時間長和網絡能耗高的問題，提出了一種基于定向擴散協議的跨層擁塞控制方法，該方法利用定向擴散協議形成的最短路徑實現速率的控制和擁塞的緩解，將擁塞信息進行融合和共享，達到緩解擁塞和降低整個協議棧的能量損耗的目的，不僅能夠在較短時間內緩解擁塞，而且能降低網絡的能量消耗，延長網絡的生命周期，保證數據包的完整性。

1 擁塞控制算法描述

本文的跨層擁塞控制方法包括兩個部分:在本地節點以及上游節點實施局部擁塞控制和在源節點實施全局擁塞控制。檢測到網絡擁塞時，本地節點改變信道接入的優先級，提高擁塞節點信道接入的成功率，并借助ACK的反饋機制向上游節點發送擁塞信息，使用定向擴散樹進行擁塞信息的傳遞，通知上一跳節點降低發送速率;Sink節點周期性地檢測網絡的通信狀況，監測到擁塞，將速率調節信息通過逐跳的方式反饋給所有的源節點，接到擁塞信息的源節點通過降低發送速率的方法，從而實現擁塞緩解的目的。

1.1 局部擁塞控制

在無線傳感器網絡中無線通信模塊是節點能量的主要消耗者，MAC層直接和物理層相連，MAC層協議節能效果的好壞直接影響到網絡的生命周期［11］。無線傳感器網絡的分布性和自組織特性使介質訪問控制控制機制的設計極具挑戰性［12］。目前，無線網絡使用的IEEE 802.11MAC層信道接入標準也是無線傳感器網絡常用的信道接入標準。基于隨機競爭的介質訪問控制協議的擴展性較好，并且不需要復雜的時間同步機制或者集中控制算法，更適合于無線傳感器網絡中出現突發性或者間歇性數據流的情況。

2000年Bianchi等人首次提出利用離散二維Markov鏈的模型來分析 802.11 DCF(Distributed Coordination Function)的性能［13］，研究表明，802.11 DCF協議中的最小競爭窗口CWmin(the Minimum Contention Window)對每個發送節點準備發幀的概率以及網絡中單位時間內成功傳輸數據包的平均數目的影響很大。文獻［14］對無線傳感器節點模型的分析可知信道的接入機制對網絡沖突產生很大影響，通過調節MAC層競爭窗口的大小可以改變信道接入的優先級，改變本地節點數據包轉發速率，調整信道上數據包數目，達到緩解擁塞，節約能量的目的，并且這種方法代價小，容易實現。

本文在保證MAC協議有效性的基礎上，針對二進制退避BEB(Binary Exponential Backoff)機制中固定倍乘因子造成信道資源浪費的現象，引入競爭權值ΔCn(i)，對信道競爭窗口做自適應的調整，使CW更快的達到最優值根據每個節點緩存區隊列長度對信道擁塞狀況進行估計，利用數據傳輸的沖突次數對競爭權值進行動態地調整，達到改進MAC層性能和調整節點發送速率的目的。

本文使用EWMA(Exponentially Weighted Moving Average)的方法對倍乘因子做平滑處理，EWMA是對網絡的狀態參數進行估計和平滑的主要方法。

其中，n為節點沖突的次數;ΔCn(i)為i號節點第n次沖突時，需要調節速率的倍乘因子，取初始值ΔCn(0)=2;U為網絡中所有節點的集合;Tcoll表示數據發生沖突所消耗的時間;σ表示信道傳輸延遲的時間，α表示的是對歷史測量值的權重系數。

當數據發生沖突的時候，競爭窗口變為當前窗口值的ΔCn(i)倍，即CW=ΔCn(i)·CW，剛發生沖突的時候，競爭權值ΔCn(i)較小，競爭窗口的增長幅度較小，這樣可以減小信道的空閑度，避免隊列在網絡中等待更長的時間，從而提高信道利用率;隨著沖突次數的增加，產生的競爭權值逐漸增大，網絡性能能盡快地達到最優。如果重傳的次數大于允許重傳的最大次數thresh，就丟棄此數據包，根據網絡的狀態，將本節點競爭窗口的初始值變為CWmin=ΔCn(i)·CWmin。

本地節點使用檢測緩存隊列占空率的方法進行擁塞判定，通信路徑上的所有擁塞節點都要執行本擁塞控制算法，具體包括擁塞檢測、反饋信號的產生、本地節點速率調節以及對接收到的反饋信號進行處理，擁塞控制算法框圖如圖1所示。

圖1 逐跳的網絡擁塞控制示意圖

本文所提到的本地節點的擁塞處理只是針對本地節點發生擁塞時做出的處理，即不考慮在本地節點擁塞時接收到反饋信號并進行處理的情況。當本地節點接收到需要轉發的DATA時，檢測到擁塞，將擁塞標志位設置為1，同時減小本地節點的信道競爭窗口，有利于增強此節點競爭信道的能力，減少擁塞節點等待接入信道的時間，盡快釋放數據緩沖區中的數據包，快速緩解局部擁塞。

為了節省節點能量，并通過ACK的反饋機制將該擁塞信息傳遞給上游節點。上游節點收到ACK幀之后，根據ACK幀攜帶的擁塞信息判斷下游節點是否出現了擁塞，是否需要調節數據的發送速率。如果出現擁塞，將數據發送速率降低到原來的ΔCn(i)倍。如果下游節點沒有發生擁塞，上游節點的發送速率保持不變。這樣，上游節點根據下游節點的擁塞情況進行速率的調節，從而減小數據沖突的概率，避免擁塞繼續向下游節點擴散，降低丟包率。

1.2 全局擁塞控制

統計Sink節點在單位時間內獲取監控事件信息的多少，將其能夠達到用戶需求的最小數目，稱為最小事件檢測度。如果Sink單位時間內收到的數據包數目(用num表示)小于最小事件檢測度(用d表示)，反饋速率調節信息，Sink節點將調節速率的信息沿著定向擴散樹逆向發送給位于定向擴散樹上的鄰居節點，直到此消息到達源節點。當源節點接收到速率調節的信息后，源節點將數據的發送速率變為rate=1/［β/rate+(1－β)×num］，(0＜β＜1)，此時 Sink 節點的最小事件檢測度更新為d=η/rate，(0＜η＜1)，源節點根據Sink 節點周期性接收到的數據包數目調節數據速率，能夠使網絡快速地穩定在網絡的應用要求上，從根本上緩解網絡擁塞，降低網絡丟包率，減少網絡能耗。

2 仿真實驗

本節使用NS－2進行仿真實驗，對比分析了本文提出的 WSN擁塞控制方法(Our Approach)、CODA機制和無擁塞控制機制(Original Approach)在Sink節點單位時間內接收數據包數目、單位時間內丟包數目、網絡能量損耗和逼真度方面的性能。網絡中的節點使用的隊列管理機制是RED，節點最大的緩存空間設置為50，網絡的模擬時間為100 s，采用IEEE 802.11 DCF機制的基本接入方式，數據包大小為64 Byte，“Interest”包的的大小為36 Byte，在300 m×300 m的正方形區域中，隨機布署30個節點，隨機選取的 1、4、5、23、26、28 號節點做為源節點，分布在如圖2的橢圓區域中，選取0、20、27號節點做為Sink節點，如圖2中的實心節點。仿真開始時接入2個源節點，10 s接入另外2個源節點，20 s接入最后的2個源節點，網絡中每個源節點發送數據的速率是100 packet/s。

圖2 節點的仿真拓撲結構圖

圖3中Original Approach表示的是不采用任何擁塞協議得到的實驗結果，在20 s網絡中存在多個高速發送數據的源節點，此時網絡發生擁塞并且擁塞狀況沒有緩解的趨勢。使用CODA機制，大約在61 s Sink節點接收數據包的數量在最大發送數據包數目周圍波動;使用本文提出的方法之后，大約32 s即擁塞的第12 s就能夠恢復網絡正常接收數據的能力，比CODA緩解擁塞的時間提前29 s。網絡出現擁塞，采用本文提出的擁塞控制方法，Sink節點接收數據的數目在很短的時間內就能恢復到正常水平，說明本文提出的擁塞控制方法能夠及時有效地緩解擁塞。

圖3 Sink節點接收數據包的數目對比圖

從圖4的Original Approach的實驗結果中可以看出，當在20 s左右有新的高速數據流加入網絡時，網絡的負載超過網絡的最大通信限度，緩存溢出導致數據包的大量丟失，并且在大規模的多跳網絡中一個數據分組可能丟失多次才能傳輸成功，容易使擁塞擴散到其他節點，使數據包丟失的更多。CODA和本文提出的擁塞控制方法，在43 s基本能夠抑制網絡中數據包的丟失，但是使用本文提出的擁塞控制方法能夠使每秒丟包的數目更少。通過圖3和圖4的對比，可知，本文提出的全局擁塞控制機制，主要丟棄的是一些信息包。

圖4 數據包丟失數目的對比圖

圖5描述的是在相同的網絡環境下，當網絡中出現擁塞時，不采取任何擁塞控制措施、采取CODA擁塞控制機制和本文提出的擁塞控制方法，3種情況下網絡能量消耗的對比。從圖5中可以看出，不采用任何擁塞控制機制，節點平均成功接收到一個數據包，需要以丟棄22個數據包為代價，節點的能量容易在短時間內被耗盡。使用本文所提出的擁塞控制方法比CODA擁塞控制機制能夠節省32.56%的能量，比不使用擁塞控制機制能量損耗減少59.5%，CODA能量的消耗比不采用擁塞控制時節省39.95%的能量，說明本文提出的控制方法具有一定的能源有效性。

圖5 能量消耗對比圖

圖6表明使用本文的擁塞控制方法網絡的逼真度是最高的，比不使用擁塞控制協議提高7.4%，比使用CODA協議逼真度提高6.1%左右，說明該協議能夠有效的緩解網絡的擁塞的同時能夠提高Sink節點接收數據的完整度。這是由于網絡中節點檢測到擁塞之后，就啟用擁塞控制機制，降低了數據的丟失率，提高了數據成功達到目的節點的概率，提高了網絡的逼真度。

圖6 逼真度對比圖

實驗結果表明本文的算法在節點成功接收到數據包時進行網絡的擁塞檢測并通過ACK的反饋機制將擁塞信息傳給上游節點，使其采取擁塞緩解的措施比CODA盲目的以廣播的形式反饋擁塞信息更能及時有效地降低網絡中數據包丟失的數目，本文引入權值因子能夠快速緩解中間節點的擁塞狀況，并且使用平滑處理的方法來調節源節點的速率，在降低網絡能量消耗的基礎上，節省網絡的能量和帶寬，并保證數據傳輸的逼真度。

3 結束語

本文提出了一種基于定向擴散協議的擁塞控制方法。本地節點根據局部的擁塞狀況，提高信道成功接入的概率，并使用捎帶的方式向上游節點逐跳的反饋擁塞信息，通知上游節點降低發送速率。Sink節點檢測到網絡中的擁塞后，逆向發送速率調節信息，源節點根據接收到的擁塞信息調節發送速率，最終達到緩解擁塞的目的。實驗模擬擁塞場景并通過典型的網絡性能參數對本文提出的擁塞控制方法進行分析，表明本文提出的方法在保證數據傳輸成功率的基礎上，降低沖突發生的概率，減少數據包丟失的數目，能及時緩解網絡的出現的各種擁塞狀況，提高數據包傳輸的可靠性，降低網絡的能量消耗。

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