[發(fā)明專利]基于節(jié)點(diǎn)緩存長度公平分配速率的擁塞控制方法

有效

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• 申請日: 2015-01-28
• 公開（公告）號: CN104581821B
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 裴廷睿;雷方晴;李哲濤;朱更明;崔榮峻;關(guān)屋大雄
• 申請（專利權(quán)）人: 湘潭大學(xué)
• 主分類號: H04W28/04
• 分類號: H04W28/04;H04W28/14
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，更具體的涉及一種基于節(jié)點(diǎn)緩存長度公平分配速率的擁塞控制方法。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是由一個或多個匯聚節(jié)點(diǎn)和大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式組成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。在WSN中，多對一的通信方式、無線帶寬資源受限和無線鏈路的相互干擾等特點(diǎn)，導(dǎo)致無線傳感器節(jié)點(diǎn)極易出現(xiàn)擁塞。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的擁塞容易引起緩存溢出，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)包丟失，增加數(shù)據(jù)的排隊(duì)延遲，并消耗大量的額外能量。同時，節(jié)點(diǎn)的擁塞還會引發(fā)訪問沖突，降低鏈路的利用率和網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。因此，如何高效實(shí)時地檢測和控制擁塞是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)。

擁塞控制可以分為網(wǎng)絡(luò)資源管理和流量控制兩種方法。網(wǎng)絡(luò)資源管理是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時通過增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源來控制擁塞。然而在無線網(wǎng)絡(luò)中如何保障精確的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)節(jié)，以避免帶寬資源供應(yīng)不足或供應(yīng)過量的問題，目前還很難實(shí)現(xiàn)。流量控制主要是通過減小源節(jié)點(diǎn)或轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率來控制擁塞，以防止擁塞繼續(xù)向下游節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散，并向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送通告消息，以避免加重現(xiàn)有的擁塞程度。現(xiàn)有的流量擁塞控制方法主要有CODA、ESRT、CCF、DCCF等。

CODA(Congestion Detection and Avoidance)協(xié)議利用信道利用率和緩存長度來檢測擁塞。通過兩種機(jī)制來控制擁塞，一種是開環(huán)逐跳反壓機(jī)制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到擁塞時，就向上游方向廣播通告消息，源節(jié)點(diǎn)接收到消息之后采用分組丟失或加性增乘性減(AIMD)方式調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率，直到擁塞消除。這種方法容易造成遠(yuǎn)離sink節(jié)點(diǎn)的信道分配公平性差。另一種是閉環(huán)多源調(diào)節(jié)機(jī)制，是根據(jù)源節(jié)點(diǎn)是否實(shí)時收到sink 節(jié)點(diǎn)反饋的ACK來判斷網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。若源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)量已超過閾值，仍未收到sink節(jié)點(diǎn)反饋的 ACK，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了擁塞。開環(huán)機(jī)制適用于解除瞬時擁塞，閉環(huán)機(jī)制則適用于解除持久擁塞。

ESRT(Event-to-Sink Reliable Transport Protocol)協(xié)議基于緩存長度及其增長情況來檢測擁塞。當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到擁塞時，在發(fā)送數(shù)據(jù)的包頭中設(shè)置一個CN位來通知sink節(jié)點(diǎn)發(fā)生了擁塞；sink節(jié)點(diǎn)接收到擁塞消息之后，根據(jù)接收數(shù)據(jù)的速率和擁塞程度，計算下一個周期內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率，然后廣播給所有的節(jié)點(diǎn)。此協(xié)議的有效性依賴于擁塞的時長和反饋延時，并且協(xié)議沒有考慮公平性。

CCF(Congestion Control and Fairness)是樹形網(wǎng)絡(luò)中基于反饋方式的MAC層擁塞控制協(xié)議。它通過包的服務(wù)時間來調(diào)節(jié)包的發(fā)送速率，但節(jié)點(diǎn)的速率調(diào)節(jié)僅依賴于數(shù)據(jù)的發(fā)送時間。當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量不足時，會導(dǎo)致信道利用率降低。同時，該協(xié)議中每個節(jié)點(diǎn)允許的最大業(yè)務(wù)速率相等，僅維持了簡單的公平性。

DCCF(Decoupling Congestion Control and Fairness)是一種分布式流量管理的擁塞控制協(xié)議。該協(xié)議中，每個節(jié)點(diǎn)跟蹤輸入速率和輸出速率，基于兩者之間的差異來決定增大或減小數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生速率，并根據(jù)數(shù)據(jù)流的帶寬分配，自適應(yīng)調(diào)節(jié)包的傳輸速率。該協(xié)議能自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓M(jìn)了包的反饋延時，增加了大量的處理開銷。

綜上可知，現(xiàn)有擁塞檢測方法主要是基于單個節(jié)點(diǎn)的緩存長度信息和信道狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的，然后通過廣播擁塞消息來通知鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擁塞控制。當(dāng)單個節(jié)點(diǎn)長期未競爭到信道，容易導(dǎo)致緩存急劇增大且擁塞控制消息無法及時廣播給鄰居節(jié)點(diǎn)，可能導(dǎo)致?lián)砣恼`判現(xiàn)象。另外采用查詢的方式獲取節(jié)點(diǎn)的實(shí)時緩存長度，會加重信道負(fù)載。現(xiàn)有擁塞控制方案，主要是通過降低源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送速率或中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)速率，以及增加丟包率來緩解擁塞，沒有考慮公平性或僅僅考慮了簡單的公平性。如何通過公平的分配節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率是緩解擁塞亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，也是目前所研究的熱門課題。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明提出一種基于節(jié)點(diǎn)緩存長度公平分配速率的擁塞控制方法。通過采用節(jié)點(diǎn)實(shí)時緩存長度預(yù)測的方法，解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞檢測中存在的誤判問題。通過公平分配節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率和源速率來提高節(jié)點(diǎn)使用信道的公平性，從而減少碰撞和丟包，增加吞吐量。