無線傳感器網絡中PECR協議的改進

張涌逸

摘 要：PECR協議中對下游節點是否擁塞僅僅是一種預測，這種預測有時是不準確的，且在下游節點沒有滿足條件擁塞度和剩余能量的時候，傳輸層的問題要回到網絡層去處理。為了解決PECR協議中存在的這些問題，文章引入了具有發送優先級的兩個隊列，優先發送優先級高的數據，在實際出現擁塞時會通知上游節點減少發送速率，并先拋棄掉優先級低的數據。在擁塞嚴重的時候也會拋棄掉優先級高的數據，但不會再回到網絡層去處理問題。

關鍵詞：擁塞控制；可靠性；擁塞度；隊列

無線傳感器網絡在剛出現的時候由于數據傳輸量小，基本不需要傳輸層協議。無線傳感器網絡數據傳輸量的增加，對傳輸層提出了新的要求，人們也提出了各種各樣的傳輸層協議。這些協議主要是用來提供可靠性保證和進行擁塞控制的。提供可靠性保證的協議有速率單調小任務（Rate Monotonic Small Task，RMST）、無線承載控制（Radio Bearer Control，RBC）、協議地極方向（Conventional Terrestrial Pole，CTP）、保留和終止計劃的執行（Executive Retention and Termination Plan，ERTP）和慢存入快取出（Pump Slowly Fetch Quickly，PSFQ）等，進行擁塞控制的有CODE，CCF，PCCP和基于能量優先的阻塞緩解機制（Priority of Energy Congestion Relief，PECR）等。PECR協議也能提供一定的可靠性。利用緩存來進行擁塞檢測，通過對過去緩存的變化來預測下一次的變化，進而確定是否出現了擁塞。由于使用前一次的變化值來預測下一單位時間間隔的變化值，這會發生沒有擁塞而預測出現擁塞的情況，也會在有擁塞出現而預測到沒有擁塞的情況。PECR協議在出現擁塞的時候沒有任何的處理方法，甚至在出現擁塞度和剩余能量不能滿足選擇下一跳的時候還要把任務交到網絡層去處理，這是不合實際的[1-3]。因為網絡層實際上已把最合理的下一跳路由傳達給節點了。為了解決上述的問題，文章在傳輸層引入了數據傳輸的優先級，通過傳輸的優先等級在出現擁塞的時候能把實時信息及時地傳輸出去，對于那些不是實時的信息可拋棄掉，不需要再把任務交給網絡層來處理。

1 PECR協議的改進

PECR協議通過對過去數據增量[1]：

C（k）=b（k）-b（k-1），b（k）表示在時刻k緩存占用大小）的考察，來推測過一個單位時間間隔緩存數據增量仍為C（k）。利用C（k）可預測出在下一個單位時間間隔緩存的擁塞度：

CGT=（b（k）+ C（k））/B （B為緩存大小）

當CGT>a認為出現了擁塞（a擁塞的閾值） 。

既然是預測就會和實際情況有出入。為了解決PECR協議預測時出現的問題我們提出了利用數據發送的優先級來解決此問題。實時信號的優先級較高，非實時信號的優先級較低。為此，在傳輸層建立了兩個隊列用來存放數據，每個隊列的大小為B。優先級高（比如實時信號）的數據放在一個隊列中，優先級低（比如非實時信號）的放在一個隊列中。節點對接收到的數據根據包頭中的優先級位（可設為0，1，為1時數據優先級較高）進行劃分，把數據分配給兩個隊列。在發送的時候優先發送優先級高的數據。具體在實現的時候如果可能采取每發送n個優先級高的數據后才發送一個優先級低的數據；如果出現有一個隊列為空，則只發送另一個隊列的數據。仍利用PECR協議來預測擁塞度。利用預測的擁塞度來進行分流。在擁塞真的發生的時候，先拋棄掉優先級低的數據，也就是不發送低優先級的數據。當然，如果只發送優先級高的數據，優先級高的隊列如果仍舊擁塞，優先級高的隊列中的數據也會被拋棄。

2 改進的BPEC協議流程

改進的BPEC協議在預測到擁塞的時候會采取分流、減少數據傳輸的速率等措施。在實際出現擁塞的時候會拋棄掉優先級低的數據，在擁塞嚴重的時候優先級高的數據也會被拋棄。為了適應無線傳感器網絡計算能力簡單的特點，在計算擁塞度、在考察節點是否實際出現擁塞，只以優先級高的隊列作為預測出現擁塞和實際出現擁塞的判斷依據。當節點優先級高的隊列數據超過一半的時候，看作節點實際出現了擁塞[2]；擁塞度仍采用BPEC協議的計算方法。

（1）節點根據路由表（由網絡層提供）信息確定自己的下一跳信息；（2）節點建立兩個緩存隊列，一個隊列是優先級高的隊列，一個隊列是優先級低的隊列；（3）節點對接收到的數據根據包頭中的優先級位（可設為0，1，為1時數據優先級較高）進行劃分，分別把收到的數據按優先級放入兩個隊列。優先級高的隊列數據超過緩存的1/2，不再接收數據（也即把接收的數據拋棄）；優先級低的隊列數據超過緩存的1/2，不再接收數據。（4）每個節點確定自己的C（k），CGT、剩余能量等信息，然后周期性地向其鄰居節點進行廣播。（5）根據自己的下游節點C（k），CGT、剩余能量等信息確定是否需要分流。如果現在的下一跳節點的剩余能量及預測的擁塞值不超過a，仍選擇此節點作為下一跳節點；否則，要重新確定下一跳節點。（6）除去（5）中的下一跳節點，在自己的其余的下游節點中，選擇一個節點，使得剩余能量>p（p為可做路由節點剩余能量的閾值），并且取這些節點中擁塞度CGT最小的節點作為自己的下一跳節點。（7）如果優先級高的隊列數據超過緩存的1/2，向其鄰居節點通報出現了擁塞，上游節點的發送速率減半。此時，向下一跳節點不再發送低優先級隊列中的數據，只發送高優先級隊列中的數據。如果沒出現擁塞，向下一跳節點每發送n個優先級高的數據包才發送一個優先級低的數據包，如果有一個隊列為空，只發送另一個隊列中的數據。

3 結語

隨著無線傳感器網絡數據通信量的增加，人們對傳輸層的研究越來越多。PECR協議是一種較早提出的傳輸層協議，能自適應地進行擁塞控制，也能有一定可靠性保證，還能節約能量。但PECR協議進行擁塞控制時采用的是根據現在緩存的情況來預測下一單位時間間隔緩存情況的方法。僅用這種方法會帶來預測不準確的問題，并在實際出現擁塞時PECR協議也不會采取任何措施，有時還需要回到網絡層去處理。本文在PECR協議的基礎上引入了兩個隊列，采用優先發送實時信息的方式來發送優先級高的信息，在實際發生擁塞的時候先拋棄優先級低的信息，并通知上游節點減小發送速率的方法來解決這些問題，且不再需要網絡層的參與。

[參考文獻]

[1]蔣禧，齊建東，曹永潔，等.能量優先的無線傳感器網絡擁塞緩解機制[J].計算機工程與設計，2011（2）：416-419.

[2]卜長清.無線傳感器網絡實時傳輸協議的研究和實現[D].重慶：重慶大學，2009.

[3]劉偉榮，何云.物聯網與無線傳感器網絡技術[M].北京：電子工業出版社，2013.endprint