无线传感网络一种拥塞控制机制研究

郑州航空工业管理学院电子通信工程学院 刘 亚 王 龙 陈建威

无线传感网络一种拥塞控制机制研究

郑州航空工业管理学院电子通信工程学院 刘 亚 王 龙 陈建威

无线传感器网络容易产生拥塞，严重影响网络的Qos传输性能和生存周期，拥塞控制成为无线传感器网络服务质量保障机制的关键技术之一。本文提出的无线传感器网络拥塞控制机制，包括逐跳拥塞反馈和速率调节两部分，结果表明，该拥塞控制机制不仅有效地缓解网络拥塞情况还保持了网络吞吐的稳定，具有良好的能源有效性。

无线传感网络；拥塞控制；速率调节

0 引言

无线传感网络（WSN）监测区域内大量的传感器节点随机散布、节点间采用多跳的多对一的通信方式，大量的、并发的数据发送造成干扰，另外传感器节点的计算能力和存储空间也十分有限，可以说网络拥塞肯定会发生在网络的通信过程中。网络拥塞会导致节点缓冲区溢出，进而引起数据包的丢失，不利于保证网络传输性能的稳定。传统的网络拥塞控制机制无法适用于WSN，因此本文设计一种有效的拥塞控制机制（CCMW），来提高WSN的性能。

1 拥塞控制机制（CCMW）基本原理

图1 拥塞控制网络拓扑图

本文提出的拥塞控制机制主要包括两部分：（1）拥塞检测与逐跳的拥塞反馈；（2）速率调节。如图1所示，节点z周期性的获取上游节点x和y的发送速率并结合自身缓冲队列的使用情况来计算判断当前节点z拥塞发生的可能性，如果z检测到拥塞则向上游节点反馈拥塞消息，让上游节点x和y按预先设定的策略降低发送速率，同时z的下游节点p也根据预定策略决定是否提高z的发送速率。基站也有规律的计算单位时间内收到数据包个数，来确定源速率调节。

2 拥塞检测与反馈

有效的拥塞检测是处理网络拥塞控制的前提和重要保证，但是类似于文献[2]中CODA这种检测拥塞的手段会大量增加节点能耗，并且可能会导致对信道是否发生拥塞情况的误判。假设当节点缓冲队列中数据包较少，而信道采样值大于规定的值，此时拥塞可能不会发生，却会引起上游节点的一系列速率操作。所以基于缓冲队列使用情况的拥塞检测要更优于基于CODA的拥塞检测机制。

拥塞检测的基本思想是：以△t为时间周期，阶段性的检测当前缓冲队列的可用空间，结合当前节点本身的输出速率和上游节点的输入速率判断下个周期内缓冲队列是否会溢出而发生拥塞。

3 全局速率调节

速率调节是解决拥塞问题的基本手段。本文速率调节分为局部速率调节和全局速率调节两种。

局部调节指的是对拥塞节点本身和其上下游节点发送速率的调节。这种方法避免了因为节点缓冲队列大小的差别而导致拥塞的发生，使得缓冲队列较小的节点同样能保持较高的发送速率来减少缓冲的数据包个数以免拥塞进一步向上扩散。

全局速率调节是从源节点到基站的速率调节。源节点执行速率调节分开两种情况，一是响应下游拥塞节点的反馈信息降低发送速率，二是在基站收到的某事件的数据包个数不符合对该事件的准确性要求时，进行基站到源节点的速率调节。源节点参考基站的计算结果进行速率调节相对比较准确，能够确保信道出现拥塞情况时快速恢复，保证网络传输性能，降低网络传输的丢包率。

4 仿真及实验结果

在100*100m2，节点数为40并且随机分布的WSN中，进行仿真，其中源节点速率每秒钟120个数据包，数据包长度30Bytes，信道容量256Kbs，节点通信半径30m，实验通过随机选取6个节点作为源节点来产生数据包，观察CCMW和CODA两种机制的性能。仿真结果如图2-3所示：

图2 平均网络丢包率对比图

图3 源节点速率图

图2所示，本文中的CCMW机制在第6s时拥塞情况得到缓解，其丢包率也被控制在152packets/s，而CODA是在仿真进行到第8s时拥塞情况才开始缓解，并且丢包率相对更高。从图3可以看出仿真开始大约五秒左右，本文机制下的源节点速率就停留在一个相对比较稳定的位置，而CODA机制下的源节点速率波动相对较大。

5 结论

本文提出了一种无线传感网络拥塞控制机制CCMW，CCMW主要分为两个部分：拥塞检测与逐跳的拥塞反馈；速率调节。并对CCMW和CODA方案进行了仿真对比，通过在网络丢包率、能耗和稳定性方面的比较，表明CCMW具有较好的性能。

[1]Wan C Y,Eisenman S,and Campbell A.CODA:Congestion detection and avoidance in sensor Network[J].Proceeding of ACM first conference on Sensor System,Los Angeles,USA,2013(2):266-278.

[2]浦倩云,吴锡生.基于拥塞控制的无线路由算法研究[J].通信技术,2016,44(03):312-317.

[3]钱丽丽.监测类应用无线传感器网络抗拥塞MAC协议研究[D].南京:东南大学,2016.

刘亚（1987—），女，河南郑州人，硕士，郑州航空工业管理学院电子通信学院助教，研究方向：无线传感网络技术。

航空科学基金资助项目（2015ZD55005）；河南省科技攻关基金资助项目（No.152102210137）；郑州航院青年科研基金项目（2017133002）。