張涌逸

摘 要：PECR協(xié)議中對(duì)下游節(jié)點(diǎn)是否擁塞僅僅是一種預(yù)測(cè)，這種預(yù)測(cè)有時(shí)是不準(zhǔn)確的，且在下游節(jié)點(diǎn)沒(méi)有滿足條件擁塞度和剩余能量的時(shí)候，傳輸層的問(wèn)題要回到網(wǎng)絡(luò)層去處理。為了解決PECR協(xié)議中存在的這些問(wèn)題，文章引入了具有發(fā)送優(yōu)先級(jí)的兩個(gè)隊(duì)列，優(yōu)先發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)，在實(shí)際出現(xiàn)擁塞時(shí)會(huì)通知上游節(jié)點(diǎn)減少發(fā)送速率，并先拋棄掉優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)。在擁塞嚴(yán)重的時(shí)候也會(huì)拋棄掉優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)，但不會(huì)再回到網(wǎng)絡(luò)層去處理問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：擁塞控制；可靠性；擁塞度；隊(duì)列

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在剛出現(xiàn)的時(shí)候由于數(shù)據(jù)傳輸量小，基本不需要傳輸層協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量的增加，對(duì)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(xié)議。這些協(xié)議主要是用來(lái)提供可靠性保證和進(jìn)行擁塞控制的。提供可靠性保證的協(xié)議有速率單調(diào)小任務(wù)（Rate Monotonic Small Task，RMST）、無(wú)線承載控制（Radio Bearer Control，RBC）、協(xié)議地極方向（Conventional Terrestrial Pole，CTP）、保留和終止計(jì)劃的執(zhí)行（Executive Retention and Termination Plan，ERTP）和慢存入快取出（Pump Slowly Fetch Quickly，PSFQ）等，進(jìn)行擁塞控制的有CODE，CCF，PCCP和基于能量?jī)?yōu)先的阻塞緩解機(jī)制（Priority of Energy Congestion Relief，PECR）等。PECR協(xié)議也能提供一定的可靠性。利用緩存來(lái)進(jìn)行擁塞檢測(cè)，通過(guò)對(duì)過(guò)去緩存的變化來(lái)預(yù)測(cè)下一次的變化，進(jìn)而確定是否出現(xiàn)了擁塞。由于使用前一次的變化值來(lái)預(yù)測(cè)下一單位時(shí)間間隔的變化值，這會(huì)發(fā)生沒(méi)有擁塞而預(yù)測(cè)出現(xiàn)擁塞的情況，也會(huì)在有擁塞出現(xiàn)而預(yù)測(cè)到?jīng)]有擁塞的情況。PECR協(xié)議在出現(xiàn)擁塞的時(shí)候沒(méi)有任何的處理方法，甚至在出現(xiàn)擁塞度和剩余能量不能滿足選擇下一跳的時(shí)候還要把任務(wù)交到網(wǎng)絡(luò)層去處理，這是不合實(shí)際的[1-3]。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)層實(shí)際上已把最合理的下一跳路由傳達(dá)給節(jié)點(diǎn)了。為了解決上述的問(wèn)題，文章在傳輸層引入了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)，通過(guò)傳輸?shù)膬?yōu)先等級(jí)在出現(xiàn)擁塞的時(shí)候能把實(shí)時(shí)信息及時(shí)地傳輸出去，對(duì)于那些不是實(shí)時(shí)的信息可拋棄掉，不需要再把任務(wù)交給網(wǎng)絡(luò)層來(lái)處理。

1 PECR協(xié)議的改進(jìn)

PECR協(xié)議通過(guò)對(duì)過(guò)去數(shù)據(jù)增量[1]：

C（k）=b（k）-b（k-1），b（k）表示在時(shí)刻k緩存占用大小）的考察，來(lái)推測(cè)過(guò)一個(gè)單位時(shí)間間隔緩存數(shù)據(jù)增量仍為C（k）。利用C（k）可預(yù)測(cè)出在下一個(gè)單位時(shí)間間隔緩存的擁塞度：

CGT=（b（k）+ C（k））/B （B為緩存大?。?/p>

當(dāng)CGT>a認(rèn)為出現(xiàn)了擁塞（a擁塞的閾值） 。

既然是預(yù)測(cè)就會(huì)和實(shí)際情況有出入。為了解決PECR協(xié)議預(yù)測(cè)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題我們提出了利用數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先級(jí)來(lái)解決此問(wèn)題。實(shí)時(shí)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)較高，非實(shí)時(shí)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)較低。為此，在傳輸層建立了兩個(gè)隊(duì)列用來(lái)存放數(shù)據(jù)，每個(gè)隊(duì)列的大小為B。優(yōu)先級(jí)高（比如實(shí)時(shí)信號(hào)）的數(shù)據(jù)放在一個(gè)隊(duì)列中，優(yōu)先級(jí)低（比如非實(shí)時(shí)信號(hào)）的放在一個(gè)隊(duì)列中。節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)包頭中的優(yōu)先級(jí)位（可設(shè)為0，1，為1時(shí)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)較高）進(jìn)行劃分，把數(shù)據(jù)分配給兩個(gè)隊(duì)列。在發(fā)送的時(shí)候優(yōu)先發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)。具體在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候如果可能采取每發(fā)送n個(gè)優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)后才發(fā)送一個(gè)優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)；如果出現(xiàn)有一個(gè)隊(duì)列為空，則只發(fā)送另一個(gè)隊(duì)列的數(shù)據(jù)。仍利用PECR協(xié)議來(lái)預(yù)測(cè)擁塞度。利用預(yù)測(cè)的擁塞度來(lái)進(jìn)行分流。在擁塞真的發(fā)生的時(shí)候，先拋棄掉優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)，也就是不發(fā)送低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，如果只發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列如果仍舊擁塞，優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列中的數(shù)據(jù)也會(huì)被拋棄。

2 改進(jìn)的BPEC協(xié)議流程

改進(jìn)的BPEC協(xié)議在預(yù)測(cè)到擁塞的時(shí)候會(huì)采取分流、減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实却胧?。在?shí)際出現(xiàn)擁塞的時(shí)候會(huì)拋棄掉優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)，在擁塞嚴(yán)重的時(shí)候優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)也會(huì)被拋棄。為了適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能力簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在計(jì)算擁塞度、在考察節(jié)點(diǎn)是否實(shí)際出現(xiàn)擁塞，只以優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列作為預(yù)測(cè)出現(xiàn)擁塞和實(shí)際出現(xiàn)擁塞的判斷依據(jù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列數(shù)據(jù)超過(guò)一半的時(shí)候，看作節(jié)點(diǎn)實(shí)際出現(xiàn)了擁塞[2]；擁塞度仍采用BPEC協(xié)議的計(jì)算方法。

（1）節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由表（由網(wǎng)絡(luò)層提供）信息確定自己的下一跳信息；（2）節(jié)點(diǎn)建立兩個(gè)緩存隊(duì)列，一個(gè)隊(duì)列是優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列，一個(gè)隊(duì)列是優(yōu)先級(jí)低的隊(duì)列；（3）節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)包頭中的優(yōu)先級(jí)位（可設(shè)為0，1，為1時(shí)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)較高）進(jìn)行劃分，分別把收到的數(shù)據(jù)按優(yōu)先級(jí)放入兩個(gè)隊(duì)列。優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列數(shù)據(jù)超過(guò)緩存的1/2，不再接收數(shù)據(jù)（也即把接收的數(shù)據(jù)拋棄）；優(yōu)先級(jí)低的隊(duì)列數(shù)據(jù)超過(guò)緩存的1/2，不再接收數(shù)據(jù)。（4）每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播。（5）根據(jù)自己的下游節(jié)點(diǎn)C（k），CGT、剩余能量等信息確定是否需要分流。如果現(xiàn)在的下一跳節(jié)點(diǎn)的剩余能量及預(yù)測(cè)的擁塞值不超過(guò)a，仍選擇此節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)；否則，要重新確定下一跳節(jié)點(diǎn)。（6）除去（5）中的下一跳節(jié)點(diǎn)，在自己的其余的下游節(jié)點(diǎn)中，選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使得剩余能量>p（p為可做路由節(jié)點(diǎn)剩余能量的閾值），并且取這些節(jié)點(diǎn)中擁塞度CGT最小的節(jié)點(diǎn)作為自己的下一跳節(jié)點(diǎn)。（7）如果優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列數(shù)據(jù)超過(guò)緩存的1/2，向其鄰居節(jié)點(diǎn)通報(bào)出現(xiàn)了擁塞，上游節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率減半。此時(shí)，向下一跳節(jié)點(diǎn)不再發(fā)送低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，只發(fā)送高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。如果沒(méi)出現(xiàn)擁塞，向下一跳節(jié)點(diǎn)每發(fā)送n個(gè)優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包才發(fā)送一個(gè)優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)包，如果有一個(gè)隊(duì)列為空，只發(fā)送另一個(gè)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量的增加，人們對(duì)傳輸層的研究越來(lái)越多。PECR協(xié)議是一種較早提出的傳輸層協(xié)議，能自適應(yīng)地進(jìn)行擁塞控制，也能有一定可靠性保證，還能節(jié)約能量。但PECR協(xié)議進(jìn)行擁塞控制時(shí)采用的是根據(jù)現(xiàn)在緩存的情況來(lái)預(yù)測(cè)下一單位時(shí)間間隔緩存情況的方法。僅用這種方法會(huì)帶來(lái)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，并在實(shí)際出現(xiàn)擁塞時(shí)PECR協(xié)議也不會(huì)采取任何措施，有時(shí)還需要回到網(wǎng)絡(luò)層去處理。本文在PECR協(xié)議的基礎(chǔ)上引入了兩個(gè)隊(duì)列，采用優(yōu)先發(fā)送實(shí)時(shí)信息的方式來(lái)發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的信息，在實(shí)際發(fā)生擁塞的時(shí)候先拋棄優(yōu)先級(jí)低的信息，并通知上游節(jié)點(diǎn)減小發(fā)送速率的方法來(lái)解決這些問(wèn)題，且不再需要網(wǎng)絡(luò)層的參與。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔣禧，齊建東，曹永潔，等.能量?jī)?yōu)先的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞緩解機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011（2）：416-419.

[2]卜長(zhǎng)清.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議的研究和實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[3]劉偉榮，何云.物聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.endprint