賴菊蘭，王曉品，劉 強(qiáng)

（廣州軟件學(xué)院 電子系，廣東 廣州 510990）

0 引言

隨著終端接入數(shù)據(jù)數(shù)量增多，無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸通道會(huì)發(fā)生擁塞，導(dǎo)致信息丟失，因此需要對(duì)無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)中各傳輸通道的擁塞程度進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[1]提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制方法，該方法根據(jù)節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)性被動(dòng)監(jiān)測(cè)附近節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀，對(duì)節(jié)點(diǎn)活躍度進(jìn)行量化，并進(jìn)行擁塞控制。但該方法未考慮擁塞節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率，端到端延時(shí)較大。文獻(xiàn)[2]提出了基于帶寬自適應(yīng)的控制方法，通過(guò)分組預(yù)測(cè)擁塞網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，估計(jì)可用帶寬，判斷網(wǎng)絡(luò)丟包程度，通過(guò)擁塞窗口自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制通信網(wǎng)絡(luò)擁塞。但該方法受到鏈路帶寬限制，節(jié)點(diǎn)丟包率較高。文獻(xiàn)[3]提出了基于博弈論的控制方法，運(yùn)用數(shù)據(jù)流優(yōu)化算法控制通信網(wǎng)絡(luò)的擁塞。但數(shù)據(jù)流優(yōu)化算法較為復(fù)雜，全局吞吐量小。

為了解決上述問(wèn)題，以提升無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制效果，本文設(shè)計(jì)一種嵌入式技術(shù)下的無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)嵌入式以太網(wǎng)擁塞數(shù)據(jù)交換接口電路，采用嵌入緩沖器開(kāi)環(huán)控制模塊結(jié)構(gòu)，根據(jù)排隊(duì)長(zhǎng)度變化控制數(shù)據(jù)包丟棄率。計(jì)算接收方通告窗口大小，檢測(cè)高、低優(yōu)先級(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò)擁塞情況。通過(guò)計(jì)算擁塞節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率來(lái)控制高、低優(yōu)先級(jí)傳輸網(wǎng)絡(luò)局部擁塞。將全局擁塞競(jìng)爭(zhēng)窗口變?yōu)楫?dāng)前窗口，使用檢測(cè)緩存隊(duì)列占空率方式控制全局擁塞。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)最大吞吐量為2 600 b/s，最大端到端延時(shí)為18 s，最大節(jié)點(diǎn)丟包率為2.0%，使用該系統(tǒng)能夠提升網(wǎng)絡(luò)擁塞控制效果。

1 嵌入式無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)中擁塞檢測(cè)和控制多依靠節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)響應(yīng)，缺乏節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)域，這將嚴(yán)重影響檢測(cè)和控制的進(jìn)程，并進(jìn)一步加劇擁塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟包?，F(xiàn)有分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各層功能存在著大量的冗余和重疊，數(shù)據(jù)交換跨接時(shí)存在擁塞。為此，文章摒棄傳統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)嵌入式無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 嵌入式無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，在系統(tǒng)硬件架構(gòu)中，使用Cortex?A8 核的AM3354 工業(yè)處理器高速處理數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。利用嵌入式以太網(wǎng)擁塞數(shù)據(jù)交換接口保證內(nèi)部點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和外部跨接方式的通信質(zhì)量，解決數(shù)據(jù)交換跨接的擁塞問(wèn)題。利用開(kāi)環(huán)控制模塊將數(shù)據(jù)按優(yōu)先級(jí)排列，保留數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域，控制丟包率。

1.1 嵌入式以太網(wǎng)擁塞數(shù)據(jù)交換接口

將以太網(wǎng)接口添加到嵌入式系統(tǒng)中，利用內(nèi)置的以太網(wǎng)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。該接口采用一種內(nèi)部總線的方式來(lái)完成與網(wǎng)絡(luò)之間的信息交流。嵌入式以太網(wǎng)擁塞數(shù)據(jù)交換接口電路如圖2 所示。

圖2 嵌入式以太網(wǎng)擁塞數(shù)據(jù)交換接口電路

DM9000AE 可以8 位或16 位總線與Cortex?A8 內(nèi) 核的AM3354 工業(yè)處理器連接[4?5]。在向以太網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)，將其按字節(jié)傳輸?shù)紻M9000AE 的數(shù)據(jù)傳輸緩沖存儲(chǔ)器中[6]，DM9000AE 根據(jù)MAC 分組處 理緩沖數(shù)據(jù)[7]。外部網(wǎng)線無(wú)論是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)還是跨接方式，都可以實(shí)現(xiàn)良好的通信。

1.2 嵌入緩沖器的開(kāi)環(huán)控制模塊

開(kāi)環(huán)控制是將網(wǎng)絡(luò)傳輸信息存儲(chǔ)到緩沖系統(tǒng)，利用模糊規(guī)則預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)流量，控制網(wǎng)絡(luò)中的丟包速率[8]。嵌入緩沖器的開(kāi)環(huán)控制模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 嵌入緩沖器的開(kāi)環(huán)控制模塊結(jié)構(gòu)

嵌入緩沖器開(kāi)環(huán)控制的模塊化框架是按照數(shù)據(jù)包中的優(yōu)先級(jí)來(lái)判定的，將具有不同優(yōu)先級(jí)的每個(gè)字段排入對(duì)應(yīng)的排隊(duì)中[9]；然后分別對(duì)每一個(gè)排隊(duì)進(jìn)行正規(guī)化，并對(duì)正規(guī)化的長(zhǎng)度進(jìn)行估計(jì)，通過(guò)模糊規(guī)則推導(dǎo)出每個(gè)隊(duì)列的丟包率[10]。

模糊機(jī)制的特征在于它消除了以往固定的隊(duì)列長(zhǎng)度和固定的閾值限制，并以排隊(duì)長(zhǎng)度的變化情況和隊(duì)列優(yōu)先等級(jí)分類為依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分類處理，從而動(dòng)態(tài)推斷數(shù)據(jù)包丟棄概率。

2 嵌入式技術(shù)下的擁塞控制方案設(shè)計(jì)

基于開(kāi)環(huán)控制模塊對(duì)緩沖空間的隊(duì)列數(shù)據(jù)進(jìn)行擁塞檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)報(bào)文分別對(duì)高、低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擁塞控制。

2.1 基于嵌入式技術(shù)的擁塞檢測(cè)

發(fā)送方窗口尺寸取決于接收方可用緩存空間，假設(shè)僅接收方可以指示發(fā)送方使用傳輸窗口尺寸，若無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法以發(fā)送方同樣的速度將數(shù)據(jù)傳遞至接收方，則應(yīng)告知發(fā)送方減速。除了接收方以外，網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)次要的實(shí)體，它確定了發(fā)送方窗口的尺寸。用于確定窗口真實(shí)尺寸的公式如下：

式中：Ct表示緩存空間；Dt表示擁塞窗口。窗口真正大小取兩者之中相對(duì)較小的一個(gè)，將該窗口視為發(fā)送方窗口。

擁塞窗口有1 個(gè)最大報(bào)文段的長(zhǎng)度作為起始值，該報(bào)文段的數(shù)據(jù)在設(shè)置時(shí)被指定為同樣名稱的選項(xiàng)。每當(dāng)有一個(gè)報(bào)文段被證實(shí)，就會(huì)在報(bào)文段的擁塞窗口增加一個(gè)報(bào)文段的長(zhǎng)度。在第1 個(gè)ACK 到達(dá)之后，擁塞窗口的尺寸會(huì)增加1，則目前的擁塞窗口為2。此時(shí)，對(duì)于每個(gè)ACK，將增大1 個(gè)報(bào)文段的長(zhǎng)度，即識(shí)別擁塞窗口為4。這時(shí)4 個(gè)報(bào)文段可以被傳送，在4 次確認(rèn)之后，擁塞窗口的尺寸會(huì)再增大4，即擁塞窗口為8。慢開(kāi)始不會(huì)無(wú)限持續(xù)，并且發(fā)送方會(huì)注意到一個(gè)變量是慢開(kāi)始的閾值，在以字節(jié)表示的窗口尺寸達(dá)到該閾值后，便停止慢開(kāi)始。

在對(duì)每個(gè)發(fā)送通道的擁塞狀況進(jìn)行衡量時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)級(jí)別檢測(cè)發(fā)送通道的擁塞狀況，并且它的測(cè)量準(zhǔn)則也是不同的。針對(duì)具有更高優(yōu)先權(quán)的傳輸數(shù)據(jù)，僅在傳送通道中對(duì)具有更高優(yōu)先權(quán)的排隊(duì)對(duì)象使用情況進(jìn)行分析。然而，如果有優(yōu)先級(jí)比較低的發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送通道擁塞情況下，不僅需要對(duì)優(yōu)先級(jí)較低的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換和分析，還需要將其優(yōu)先級(jí)排隊(duì)變?yōu)榭?，如此就可以將其?yōu)先級(jí)排隊(duì)中的數(shù)據(jù)傳遞出去。描述高優(yōu)先級(jí)傳輸數(shù)據(jù)a的信道擁塞情況公式如下：

式中：LHt表示所需傳輸高優(yōu)先級(jí)報(bào)文長(zhǎng)度；GHt表示高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)緩存大??；N表示節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

對(duì)于低優(yōu)先級(jí)傳輸數(shù)據(jù)b，信道擁塞情況表示為：

式中：LFt表示低優(yōu)先級(jí)報(bào)文長(zhǎng)度；GFt表示低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)緩存大小。由此完成基于嵌入式技術(shù)的擁塞檢測(cè)。

2.2 嵌入式檢測(cè)下的擁塞控制實(shí)現(xiàn)

將無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)擁塞分為兩個(gè)部分：局部擁塞和全局擁塞，分別采用高優(yōu)先級(jí)傳輸數(shù)據(jù)和低優(yōu)先級(jí)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。

2.2.1 局部擁塞控制

在常規(guī)局部擁塞控制機(jī)制下，擁塞節(jié)點(diǎn)上游的中間節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)碼率調(diào)整，這將極大地影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，特別是對(duì)高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的傳輸穩(wěn)定性與公平性影響較大。當(dāng)上游節(jié)點(diǎn)接收到節(jié)點(diǎn)響應(yīng)后，在高優(yōu)先級(jí)傳送擁塞節(jié)點(diǎn)之間跳躍傳輸數(shù)據(jù)，但在資源有限的情況下，信源的高發(fā)射率將超過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最高承載量，導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)傳送數(shù)據(jù)出現(xiàn)擁塞。為此，本文創(chuàng)新性地提出一種基于閉環(huán)的信源率調(diào)整方案，信源網(wǎng)節(jié)點(diǎn)按照基站的需求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)傳輸速率，公式如下：

式中：vk表示擁塞節(jié)點(diǎn)速率；g表示基站在單位時(shí)間內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)吞吐量；β表示數(shù)據(jù)單位時(shí)間內(nèi)基站吞吐量；ψ表示擁塞節(jié)點(diǎn)速率提高幅度；分別表示高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)的傳輸速率，上游節(jié)點(diǎn)為k。

2.2.2 全局擁塞控制

當(dāng)出現(xiàn)全局擁塞問(wèn)題時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)窗口變?yōu)楫?dāng)前窗口的空閑度λ，則當(dāng)前窗口可表示為：

在碰撞開(kāi)始的瞬間，由于競(jìng)爭(zhēng)權(quán)值比較小，所以競(jìng)爭(zhēng)窗的增幅也較小，能夠降低信道的空閑度，使排隊(duì)不會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中等得太久，從而提升信道的使用率。當(dāng)碰撞次數(shù)越來(lái)越多，競(jìng)爭(zhēng)權(quán)值越來(lái)越大，系統(tǒng)的性能也會(huì)越來(lái)越好。若重新傳送的數(shù)目超過(guò)閾值，則會(huì)丟棄此數(shù)據(jù)包，根據(jù)緩沖區(qū)排隊(duì)占空情況判斷是否發(fā)生了擁塞，并對(duì)各個(gè)擁塞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擁塞控制。逐跳網(wǎng)絡(luò)擁塞控制示意圖如圖4 所示。

圖4 逐跳網(wǎng)絡(luò)擁塞控制示意圖

如圖4 所示，當(dāng)一個(gè)局部節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)逐跳網(wǎng)絡(luò)能夠立刻檢測(cè)擁塞。為了減少一個(gè)受影響的節(jié)點(diǎn)到達(dá)該通道所需的時(shí)間，可以在最短的時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)包從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中釋放出來(lái)，從而快速緩解全局擁塞。由此完成嵌入式技術(shù)下無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。

3 實(shí) 驗(yàn)

以實(shí)際無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)的狀況為依據(jù)，將等比例的模擬場(chǎng)景部署在1 000 m×1 000 m 的監(jiān)控范圍內(nèi)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性衡量所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用NS?2 仿真平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，基于此搭建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在安全校驗(yàn)范圍內(nèi)，利用虛擬節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)信息校驗(yàn)，避免被破壞節(jié)點(diǎn)中信息丟失。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將本文控制系統(tǒng)與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制方法（文獻(xiàn)[1]）、基于帶寬自適應(yīng)的控制方法（文獻(xiàn)[2]）、基于博弈論的控制方法（文獻(xiàn)[3]）進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2.1 全局吞吐量

將全局吞吐量作為控制效率評(píng)價(jià)指標(biāo)，公式如下：

式中：M表示信息量；T表示時(shí)間。根據(jù)該公式并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)13 000 s 內(nèi)不同方法的全局實(shí)際吞吐量。不同方法全局吞吐量對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同方法全局吞吐量對(duì)比結(jié)果

由圖6 可知，使用嵌入式技術(shù)下的控制系統(tǒng)比其他三種方法的吞吐量要大，最大吞吐量為2 600 b/s，說(shuō)明該系統(tǒng)利用良好的吞吐性能可以控制網(wǎng)絡(luò)擁塞。

3.2.2 端到端延時(shí)

將端到端延時(shí)作為控制效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，公式如下：

式中：Td、Tp、Tt分別表示傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延和處理時(shí)延；S表示源主機(jī)和目的主機(jī)之間的路由器臺(tái)數(shù)。

不同方法端到端延時(shí)的對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知：使用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制方法、基于帶寬自適應(yīng)的控制方法、基于博弈論的控制方法最大端到端延時(shí)分別為59 s、70 s、93 s；使用嵌入式技術(shù)下控制系統(tǒng)最大端到端延時(shí)為18 s，與其他方法相比，該系統(tǒng)擁塞控制延時(shí)較小。

圖7 不同方法端到端延時(shí)對(duì)比結(jié)果

3.2.3 節(jié)點(diǎn)丟包率

將節(jié)點(diǎn)丟包率作為系統(tǒng)擁塞控制可靠性衡量指標(biāo)，公式如下：

式中：Ds、Dr分別表示節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包平均數(shù)和最終接收數(shù)據(jù)包均值。不同方法節(jié)點(diǎn)丟包率對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法節(jié)點(diǎn)丟包率對(duì)比結(jié)果 %

由表1 可知，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)比其他三種方法的節(jié)點(diǎn)丟包率小，能夠在擁塞信道內(nèi)有效控制節(jié)點(diǎn)丟包率。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)擁塞控制效果差的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種嵌入式技術(shù)下的無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮嵌入式節(jié)點(diǎn)的靈活性和精確性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非聯(lián)網(wǎng)情況下網(wǎng)絡(luò)擁塞的有效控制。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)控制吞吐量、端到端延時(shí)、節(jié)點(diǎn)丟包率，能夠較快地緩解擁塞，在節(jié)約能量前提下，減少了網(wǎng)絡(luò)丟包，可以有效地克服現(xiàn)有方法缺陷，實(shí)現(xiàn)精確控制。