嵌入式技术下无线传感通信网络拥塞控制系统

赖菊兰，王晓品，刘 强

（广州软件学院 电子系，广东 广州 510990）

0 引言

随着终端接入数据数量增多，无线传感通信网络中的传输通道会发生拥塞，导致信息丢失，因此需要对无线传感通信网络中各传输通道的拥塞程度进行控制。文献[1]提出了基于数据驱动的控制方法，该方法根据节点间关联性被动监测附近节点传输数据帧，对节点活跃度进行量化，并进行拥塞控制。但该方法未考虑拥塞节点发送速率，端到端延时较大。文献[2]提出了基于带宽自适应的控制方法，通过分组预测拥塞网络状态，估计可用带宽，判断网络丢包程度，通过拥塞窗口自适应调节控制通信网络拥塞。但该方法受到链路带宽限制，节点丢包率较高。文献[3]提出了基于博弈论的控制方法，运用数据流优化算法控制通信网络的拥塞。但数据流优化算法较为复杂，全局吞吐量小。

为了解决上述问题，以提升无线传感通信网络拥塞控制效果，本文设计一种嵌入式技术下的无线传感通信网络拥塞控制系统。设计嵌入式以太网拥塞数据交换接口电路，采用嵌入缓冲器开环控制模块结构，根据排队长度变化控制数据包丢弃率。计算接收方通告窗口大小，检测高、低优先级传输网络拥塞情况。通过计算拥塞节点发送速率来控制高、低优先级传输网络局部拥塞。将全局拥塞竞争窗口变为当前窗口，使用检测缓存队列占空率方式控制全局拥塞。测试结果表明，所设计系统最大吞吐量为2 600 b/s，最大端到端延时为18 s，最大节点丢包率为2.0%，使用该系统能够提升网络拥塞控制效果。

1 嵌入式无线传感通信网络拥塞控制系统硬件结构设计

当前，网络中拥塞检测和控制多依靠节点的主动响应，缺乏节点数据的缓冲区域，这将严重影响检测和控制的进程，并进一步加剧拥塞，导致数据丢包。现有分层网络架构的各层功能存在着大量的冗余和重叠，数据交换跨接时存在拥塞。为此，文章摒弃传统分层结构，设计嵌入式无线传感通信网络拥塞控制系统硬件结构，如图1 所示。

图1 嵌入式无线传感通信网络拥塞控制系统硬件结构

如图1 所示，在系统硬件架构中，使用Cortex⁃A8 核的AM3354 工业处理器高速处理数据，为系统稳定运行提供支持。利用嵌入式以太网拥塞数据交换接口保证内部点对点连接和外部跨接方式的通信质量，解决数据交换跨接的拥塞问题。利用开环控制模块将数据按优先级排列，保留数据缓冲区域，控制丢包率。

1.1 嵌入式以太网拥塞数据交换接口

将以太网接口添加到嵌入式系统中，利用内置的以太网接口来实现。该接口采用一种内部总线的方式来完成与网络之间的信息交流。嵌入式以太网拥塞数据交换接口电路如图2 所示。

图2 嵌入式以太网拥塞数据交换接口电路

DM9000AE 可以8 位或16 位总线与Cortex⁃A8 内 核的AM3354 工业处理器连接[4⁃5]。在向以太网上传输数据帧时，将其按字节传输到DM9000AE 的数据传输缓冲存储器中[6]，DM9000AE 根据MAC 分组处 理缓冲数据[7]。外部网线无论是采用点对点还是跨接方式，都可以实现良好的通信。

1.2 嵌入缓冲器的开环控制模块

开环控制是将网络传输信息存储到缓冲系统，利用模糊规则预测数据流量，控制网络中的丢包速率[8]。嵌入缓冲器的开环控制模块结构如图3 所示。

图3 嵌入缓冲器的开环控制模块结构

嵌入缓冲器开环控制的模块化框架是按照数据包中的优先级来判定的，将具有不同优先级的每个字段排入对应的排队中[9]；然后分别对每一个排队进行正规化，并对正规化的长度进行估计，通过模糊规则推导出每个队列的丢包率[10]。

模糊机制的特征在于它消除了以往固定的队列长度和固定的阈值限制，并以排队长度的变化情况和队列优先等级分类为依据，对其进行分类处理，从而动态推断数据包丢弃概率。

2 嵌入式技术下的拥塞控制方案设计

基于开环控制模块对缓冲空间的队列数据进行拥塞检测，根据检测报文分别对高、低优先级的数据进行拥塞控制。

2.1 基于嵌入式技术的拥塞检测

发送方窗口尺寸取决于接收方可用缓存空间，假设仅接收方可以指示发送方使用传输窗口尺寸，若无线传感通信网络无法以发送方同样的速度将数据传递至接收方，则应告知发送方减速。除了接收方以外，网络是一个次要的实体，它确定了发送方窗口的尺寸。用于确定窗口真实尺寸的公式如下：

式中：Ct表示缓存空间；Dt表示拥塞窗口。窗口真正大小取两者之中相对较小的一个，将该窗口视为发送方窗口。

拥塞窗口有1 个最大报文段的长度作为起始值，该报文段的数据在设置时被指定为同样名称的选项。每当有一个报文段被证实，就会在报文段的拥塞窗口增加一个报文段的长度。在第1 个ACK 到达之后，拥塞窗口的尺寸会增加1，则目前的拥塞窗口为2。此时，对于每个ACK，将增大1 个报文段的长度，即识别拥塞窗口为4。这时4 个报文段可以被传送，在4 次确认之后，拥塞窗口的尺寸会再增大4，即拥塞窗口为8。慢开始不会无限持续，并且发送方会注意到一个变量是慢开始的阈值，在以字节表示的窗口尺寸达到该阈值后，便停止慢开始。

在对每个发送通道的拥塞状况进行衡量时，根据数据优先权级别检测发送通道的拥塞状况，并且它的测量准则也是不同的。针对具有更高优先权的传输数据，仅在传送通道中对具有更高优先权的排队对象使用情况进行分析。然而，如果有优先级比较低的发送数据，在发送通道拥塞情况下，不仅需要对优先级较低的数据进行变换和分析，还需要将其优先级排队变为空，如此就可以将其优先级排队中的数据传递出去。描述高优先级传输数据a的信道拥塞情况公式如下：

式中：LHt表示所需传输高优先级报文长度；GHt表示高优先级数据缓存大小；N表示节点总数。

对于低优先级传输数据b，信道拥塞情况表示为：

式中：LFt表示低优先级报文长度；GFt表示低优先级数据缓存大小。由此完成基于嵌入式技术的拥塞检测。

2.2 嵌入式检测下的拥塞控制实现

将无线传感通信网络拥塞分为两个部分：局部拥塞和全局拥塞，分别采用高优先级传输数据和低优先级传输数据进行控制。

2.2.1 局部拥塞控制

在常规局部拥塞控制机制下，拥塞节点上游的中间节点负责码率调整，这将极大地影响整个网络的通信质量，特别是对高优先级数据包的传输稳定性与公平性影响较大。当上游节点接收到节点响应后，在高优先级传送拥塞节点之间跳跃传输数据，但在资源有限的情况下，信源的高发射率将超过整个网络的最高承载量，导致低优先级传送数据出现拥塞。为此，本文创新性地提出一种基于闭环的信源率调整方案，信源网节点按照基站的需求动态调节传输速率，公式如下：

式中：vk表示拥塞节点速率；g表示基站在单位时间内获取的数据吞吐量；β表示数据单位时间内基站吞吐量；ψ表示拥塞节点速率提高幅度；分别表示高优先级和低优先级的传输速率，上游节点为k。

2.2.2 全局拥塞控制

当出现全局拥塞问题时，竞争窗口变为当前窗口的空闲度λ，则当前窗口可表示为：

在碰撞开始的瞬间，由于竞争权值比较小，所以竞争窗的增幅也较小，能够降低信道的空闲度，使排队不会在网络中等得太久，从而提升信道的使用率。当碰撞次数越来越多，竞争权值越来越大，系统的性能也会越来越好。若重新传送的数目超过阈值，则会丢弃此数据包，根据缓冲区排队占空情况判断是否发生了拥塞，并对各个拥塞节点进行拥塞控制。逐跳网络拥塞控制示意图如图4 所示。

图4 逐跳网络拥塞控制示意图

如图4 所示，当一个局部节点接收到一个待转发数据时，通过逐跳网络能够立刻检测拥塞。为了减少一个受影响的节点到达该通道所需的时间，可以在最短的时间内将数据包从数据缓冲区中释放出来，从而快速缓解全局拥塞。由此完成嵌入式技术下无线传感通信网络拥塞控制。

3 实 验

以实际无线传感通信网络的状况为依据，将等比例的模拟场景部署在1 000 m×1 000 m 的监控范围内，通过数据传输可靠性衡量所设计的控制系统的稳定性。

3.1 实验数据分析

采用NS⁃2 仿真平台对设计的控制系统进行仿真实验，基于此搭建的网络拓扑结构如图5 所示。

图5 无线传感通信网络拓扑结构

在安全校验范围内，利用虚拟节点对节点信息校验，避免被破坏节点中信息丢失。

3.2 实验结果分析

将本文控制系统与基于数据驱动的控制方法（文献[1]）、基于带宽自适应的控制方法（文献[2]）、基于博弈论的控制方法（文献[3]）进行对比分析。

3.2.1 全局吞吐量

将全局吞吐量作为控制效率评价指标，公式如下：

式中：M表示信息量；T表示时间。根据该公式并结合实验数据，统计13 000 s 内不同方法的全局实际吞吐量。不同方法全局吞吐量对比结果如图6 所示。

图6 不同方法全局吞吐量对比结果

由图6 可知，使用嵌入式技术下的控制系统比其他三种方法的吞吐量要大，最大吞吐量为2 600 b/s，说明该系统利用良好的吞吐性能可以控制网络拥塞。

3.2.2 端到端延时

将端到端延时作为控制效率的评价指标，公式如下：

式中：Td、Tp、Tt分别表示传输时延、传播时延和处理时延；S表示源主机和目的主机之间的路由器台数。

不同方法端到端延时的对比结果如图7 所示。由图7 可知：使用基于数据驱动的控制方法、基于带宽自适应的控制方法、基于博弈论的控制方法最大端到端延时分别为59 s、70 s、93 s；使用嵌入式技术下控制系统最大端到端延时为18 s，与其他方法相比，该系统拥塞控制延时较小。

图7 不同方法端到端延时对比结果

3.2.3 节点丢包率

将节点丢包率作为系统拥塞控制可靠性衡量指标，公式如下：

式中：Ds、Dr分别表示节点发送数据包平均数和最终接收数据包均值。不同方法节点丢包率对比结果如表1所示。

表1 不同方法节点丢包率对比结果 %

由表1 可知，本文设计的控制系统比其他三种方法的节点丢包率小，能够在拥塞信道内有效控制节点丢包率。

4 结语

针对传统控制系统拥塞控制效果差的问题，本文设计一种嵌入式技术下的无线传感通信网络拥塞控制系统。在此基础上，充分发挥嵌入式节点的灵活性和精确性，实现了对非联网情况下网络拥塞的有效控制。实验测试结果表明，所设计系统通过控制吞吐量、端到端延时、节点丢包率，能够较快地缓解拥塞，在节约能量前提下，减少了网络丢包，可以有效地克服现有方法缺陷，实现精确控制。