龍昭華，李 吳，蔣貴全

（重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］（WSNs）是一種多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，由大量的低速率、低功耗、具有感應(yīng)功能的嵌入式設(shè)備組成，用來(lái)監(jiān)測(cè)比如溫度、濕度、振動(dòng)、地震、事件等。在傳感器節(jié)點(diǎn)能量和處理能力受到限制的前提下，為網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的傳輸控制協(xié)議，保證獲取的信息有效是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要解決的基本問(wèn)題。

現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議可以分為兩類:解決擁塞控制，如 ESRT 協(xié)議［2］，BGR 協(xié)議［3］等;解決質(zhì)量保證，如 RBC 協(xié)議［4］，GRAB 協(xié)議［5］等。這些協(xié)議主要在傳輸層上做研究，一定程度上限制了傳輸控制性能。本文對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種隱式逐跳的跨層擁塞控制協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，并將其用于處理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳輸控制問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)表明:改進(jìn)后算法能夠在保持能量有效性的同時(shí)，提高傳輸控制質(zhì)量。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隱式逐跳擁塞控制算法

文獻(xiàn)［6］介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種隱式逐跳的擁塞控制協(xié)議。但是鑒于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異，必須對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中這種協(xié)議做適當(dāng)?shù)男薷牟拍軌蜻m用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1．1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)隱式逐跳控制協(xié)議

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中隱式逐跳擁塞控制協(xié)議基本思想是:鏈路是雙向通信，在一條鏈路中有源節(jié)點(diǎn)A、中間節(jié)點(diǎn)B、目的節(jié)點(diǎn)C三個(gè)節(jié)點(diǎn)。協(xié)議需要改進(jìn)的原因:

1）中間節(jié)點(diǎn)B發(fā)出的信息，A和C都能收到，如果節(jié)點(diǎn)A監(jiān)測(cè)到自己發(fā)出去的數(shù)據(jù)，那么認(rèn)為A發(fā)出的數(shù)據(jù)包已經(jīng)成功發(fā)送到下一跳節(jié)點(diǎn)B，通過(guò)隱式的確認(rèn)，減少網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)量。但在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)B也要采集數(shù)據(jù)，處理后轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)A不一定能識(shí)別，在整個(gè)鏈路中會(huì)引發(fā)大量的數(shù)據(jù)重傳，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。

2）Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在不斷變化的，不穩(wěn)定的路由會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)鏈路的中斷、數(shù)據(jù)包丟失，所以，很難保證傳輸可靠性。

3）協(xié)議［6］通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包是否轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)顯示網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，通過(guò)注入數(shù)據(jù)包速率解決擁塞，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是不夠的。為了保證網(wǎng)絡(luò)消息的及時(shí)性和有效性，必須引入更加合理的擁塞解決機(jī)制。

1．2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隱式逐跳的擁塞控制算法

已有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議中，有些通過(guò)顯示確認(rèn)保證數(shù)據(jù)包的成功轉(zhuǎn)發(fā)，如Siphon協(xié)議［7］，其缺點(diǎn)是發(fā)送顯示的確認(rèn)包不僅會(huì)消耗大量的能量，而且會(huì)占用信道，降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量?？鐚訁f(xié)議，如HCCC協(xié)議［8］、HCCC協(xié)議在解決擁塞時(shí)，MAC層需要一直監(jiān)測(cè)信道的占用情況，消耗了大量能量，而且缺失可靠性。本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隱式逐跳的擁塞控制算法。對(duì)以上算法做如下改進(jìn)，包括路由維護(hù)、隱式確認(rèn)機(jī)制、擁塞處理機(jī)制。

1．2．1 路由維護(hù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的擁塞不是發(fā)生在一條鏈路或者某一個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)，而是空間的［6］。節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息鄰居節(jié)點(diǎn)都能接收到，為了防止無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的泛洪出現(xiàn)，本文中每一跳節(jié)點(diǎn)都知道本地節(jié)點(diǎn)最優(yōu)路徑的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)收到的數(shù)據(jù)包目的節(jié)點(diǎn)不是自身的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)不予響應(yīng)，保持休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)包的包頭格式如圖1所示。算法具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)包的源節(jié)點(diǎn)有1個(gè)，目的節(jié)點(diǎn)有2個(gè)，方便實(shí)現(xiàn)隱式確認(rèn);擁塞警告通過(guò)擁塞度量測(cè)定發(fā)給上游區(qū)節(jié)點(diǎn)。

圖1 數(shù)據(jù)包包頭信息Fig 1 Data packet header information

1．2．2 隱式確認(rèn)機(jī)制

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一跳節(jié)點(diǎn)都會(huì)采集數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)不能實(shí)現(xiàn)隱式確認(rèn)，為了實(shí)現(xiàn)隱式確認(rèn)，引入了相對(duì)信息熵，計(jì)算2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息相關(guān)程度，通過(guò)信息的相關(guān)程度來(lái)識(shí)別包的轉(zhuǎn)發(fā)是否成功。圖2所示的是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隱式確認(rèn)機(jī)制原理流程圖。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中隱式確認(rèn)機(jī)制Fig 2 Implicit acknowledgment mechanism in WSNs

為了方便理解，引入了信息論中的一些概念，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的事件模型抽象為信息熵理論數(shù)學(xué)模型如下:引用香農(nóng)公式［9］，用節(jié)點(diǎn)信息熵H（x）來(lái)計(jì)算發(fā)出和接收數(shù)據(jù)的平均信息量，如公式（1）所示

其中，E為概率的統(tǒng)計(jì)平均值，q表示ai（i=1，2，…，q－1，q）的取值有q種可能;P（ai）為字符ai出現(xiàn)的概率，H（x）表征了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征，是總體平均不確定性的量度（bit/數(shù)據(jù)包）。式（1）中的單位取決于對(duì)數(shù)函數(shù)的底數(shù)。本文取對(duì)數(shù)函數(shù)底數(shù)為2，即表示計(jì)算產(chǎn)生1 bit的信息量，不僅方便處理器識(shí)別處理，而且不會(huì)消耗很多能量。

通過(guò)以上方法計(jì)算節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的數(shù)據(jù)包的信息量，然后進(jìn)行比較，用數(shù)學(xué)公式節(jié)點(diǎn)相對(duì)信息熵表示

相對(duì)信息熵U（A‖B）用于計(jì)算任意2個(gè)數(shù)據(jù)包之間信息熵的差異大小，它的物理意義是2組概率分布之間的差異程度。計(jì)算相對(duì)信息熵U（A‖B）的值，這個(gè)值越小，表明2組概率分布越接近，這2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)相似程度越大。在本文中，U（A‖B）≤0．5，2個(gè)數(shù)據(jù)包中的信息至少有50%相同，證明A，B節(jié)點(diǎn)之間通信成功，隱式的確認(rèn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。

1．2．3 擁塞處理機(jī)制

在文獻(xiàn)［6］中，主要通過(guò)調(diào)節(jié)注入數(shù)據(jù)包的速率解決擁塞。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要采集實(shí)時(shí)有效數(shù)據(jù)，為了保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，需要傳輸層和MAC層協(xié)調(diào)合作，加快數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，從而快速解決擁塞，分為擁塞檢測(cè)和快速擁塞處理2個(gè)階段。

1）擁塞檢測(cè)

本文中，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能存放3個(gè)數(shù)據(jù)包:一個(gè)是轉(zhuǎn)發(fā)出去但還沒(méi)有收到隱式確認(rèn)的數(shù)據(jù)包;一個(gè)是上游節(jié)點(diǎn)發(fā)出，節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到但沒(méi)有轉(zhuǎn)發(fā)出去的數(shù)據(jù)包;最后一個(gè)用來(lái)接收下游節(jié)點(diǎn)反饋包，用來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間信息相關(guān)程度。

節(jié)點(diǎn)收不到下游節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)，無(wú)法確認(rèn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功。緩存中已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包丟棄受阻，長(zhǎng)時(shí)間收不到下游節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)會(huì)導(dǎo)致本地節(jié)點(diǎn)重復(fù)發(fā)送探測(cè)包，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的局部擁塞。規(guī)定當(dāng)?shù)诙伟l(fā)送探測(cè)包下游節(jié)點(diǎn)仍然處于contention狀態(tài)，則判斷網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)生了擁塞。接著發(fā)出的RFA探測(cè)包中，將會(huì)加入擁塞警告提示，這個(gè)帶有擁塞警告ACK包會(huì)以逐跳的方式通知上游區(qū)節(jié)點(diǎn)，提示網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)亞健康，直到擁塞解決。ACK包只有包頭，消耗能量少，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 擁塞檢測(cè)機(jī)制Fig 3 Congestion detection mechanism

2）快速擁塞處理

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中為了提高傳輸質(zhì)量，還必須加快擁塞區(qū)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速度。本文通過(guò)MAC層、路由層的合作來(lái)加快擁塞區(qū)域節(jié)點(diǎn)接入信道的幾率。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，同一時(shí)刻只允許一個(gè)設(shè)備占用信道。中間節(jié)點(diǎn)接收到擁塞警告后，立刻增大本地信道接入窗口，減少自己競(jìng)?cè)胄诺赖膸茁?，把信道留給擁塞區(qū)節(jié)點(diǎn)，讓其快速接入信道，加速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。通過(guò)MAC層的合作，來(lái)降低擁塞處理的時(shí)間，擁塞盡快解決，具體方法如下:

1）路由層檢測(cè)ACK包頭中距離擁塞區(qū)域的跳數(shù);

2）MAC層訪問(wèn)信道采用CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道，根據(jù)距離擁塞區(qū)域的跳數(shù)，決定在［0，2BE－1］范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)等待時(shí)間，來(lái)減少節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)造成碰撞的可能;

3）收到擁塞警告的節(jié)點(diǎn)將自己的BE值增大，越靠近擁塞區(qū)域節(jié)點(diǎn)的BE值越小，擁塞區(qū)域節(jié)點(diǎn)BE值根據(jù)擁塞情況，以同樣方法設(shè)置，使得擁塞區(qū)域等待時(shí)間最短，接入信道幾率最快，確保數(shù)據(jù)包快速轉(zhuǎn)發(fā)，快速解決擁塞。

2 實(shí)驗(yàn)仿真

為了驗(yàn)證本算法的性能，用Matlab做仿真實(shí)驗(yàn)，選取經(jīng)典的ESRT協(xié)議和HCCC協(xié)議作對(duì)比。現(xiàn)在將本文的仿真場(chǎng)景設(shè)置如下:

1）選取100個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻布局在180m×180m的正方形區(qū)域內(nèi)，目的節(jié)點(diǎn)放在監(jiān)測(cè)區(qū)域的邊界上。

2）每個(gè)節(jié)點(diǎn)通信距離為20 m，干擾距離為45 m，任意2個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離都是20 m，鏈路是開環(huán)的。

3）采用靜態(tài)路由，最佳路由已經(jīng)確立。節(jié)點(diǎn)每單位時(shí)間發(fā)送10個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包大小為32 byte，節(jié)點(diǎn)緩存中存放3個(gè)數(shù)據(jù)包。

圖4描述了仿真過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，從圖中可以看出:ESRT和HCCC下的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲得到了一定的控制，本文中每個(gè)緩存中只有3個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中停留的時(shí)間非常短，加上隱式確認(rèn)轉(zhuǎn)發(fā)和有效的擁塞解決機(jī)制，大大降低了數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)內(nèi)的平均等待時(shí)間，減少了在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。

圖4 網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲比較Fig 4 Comparison of network transmission delay

圖5描述了仿真過(guò)程中的丟包率，丟包主要因?yàn)閾砣托诺啦环€(wěn)定產(chǎn)生的，本文控制緩存中的數(shù)據(jù)包的數(shù)量為3個(gè)，如果確認(rèn)數(shù)據(jù)成功轉(zhuǎn)發(fā)，那么緩存立即清空。發(fā)生擁塞后，通過(guò)擁塞警告通知上游節(jié)點(diǎn)減少注入擁塞區(qū)的數(shù)據(jù)包，加快擁塞區(qū)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)始終保持在一個(gè)比較良性的狀態(tài)，發(fā)生擁塞的可能大大降低;基于相對(duì)信息熵的隱式確認(rèn)機(jī)制，防止丟包。從圖中可以看出:與經(jīng)典的ESRT協(xié)議和HCCC協(xié)議比較，本算法的丟包率始終保持在很小的百分比率，不到上述協(xié)議的1/5。

圖5 網(wǎng)絡(luò)丟包率的比較Fig 5 Comparison of network packet loss rate

圖6描述了仿真過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，在本文中采用RFA探測(cè)包和相對(duì)信息熵結(jié)合降低重傳，減少不必要的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，較好的擁塞解決機(jī)制確保了網(wǎng)絡(luò)的良好狀況，由圖可以看到:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量達(dá)到一個(gè)最佳點(diǎn)的時(shí)候，HCCC協(xié)議和ESRT協(xié)議都不能保持最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，而本協(xié)議能一直保持下去。

圖6 網(wǎng)絡(luò)吞吐量的比較Fig 6 Comparison of network throughput

3 結(jié)論

本文在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提出了一種隱式逐跳跨層合作的傳輸控制算法，通過(guò)路由層傳輸層MAC層相互合作，解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳輸控制問(wèn)題，在一定程度上有效地提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量，但是設(shè)計(jì)思想還不夠全面和成熟，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有特殊的用途和特定的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)完整的傳輸控制協(xié)議，要從整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次考慮，比如:根據(jù)應(yīng)用層來(lái)選擇優(yōu)先需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的有效性等，還需要做很多工作。

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