CN104581821B - 基于节点缓存长度公平分配速率的拥塞控制方法 - Google Patents
基于节点缓存长度公平分配速率的拥塞控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于节点缓存长度公平分配速率的拥塞控制方法。每个节点通过估算下一个时刻的缓存长度来检测拥塞。如果缓存长度超过了缓存长度的最大值，则向上游邻居节点广播一个拥塞通告消息来禁止其发送数据，进行拥塞解除。若节点为上游邻居节点，首先，根据已获取下游转发节点的数据估算其缓存长度。然后，根据转发节点的缓存长度来检测拥塞，如果转发节点发生拥塞，则将节点拥塞程度分级（即拥塞度）。最后，根据拥塞度，执行速率分配算法，从而缓解拥塞；如果没有发生拥塞，则不做处理。本发明提高了节点使用信道的公平性，并能有效减少碰撞、降低丢包率和增加吞吐量。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，更具体的涉及一种基于节点缓存长度公平分配速率的拥塞控制方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由一个或多个汇聚节点和大量的传感器节点通过无线通信方式组成的多跳自组织网络。在WSN中，多对一的通信方式、无线带宽资源受限和无线链路的相互干扰等特点，导致无线传感器节点极易出现拥塞。网络中节点的拥塞容易引起缓存溢出，导致大量数据包丢失，增加数据的排队延迟，并消耗大量的额外能量。同时，节点的拥塞还会引发访问冲突，降低链路的利用率和网络的吞吐量。因此，如何高效实时地检测和控制拥塞是无线传感器网络所面临的挑战。
拥塞控制可以分为网络资源管理和流量控制两种方法。网络资源管理是指当网络出现拥塞时通过增加无线传感器网络的带宽资源来控制拥塞。然而在无线网络中如何保障精确的网络资源调节，以避免带宽资源供应不足或供应过量的问题，目前还很难实现。流量控制主要是通过减小源节点或转发节点的发送速率来控制拥塞，以防止拥塞继续向下游节点扩散，并向上游节点发送通告消息，以避免加重现有的拥塞程度。现有的流量拥塞控制方法主要有CODA、ESRT、CCF、DCCF等。
CODA(Congestion Detection and Avoidance)协议利用信道利用率和缓存长度来检测拥塞。通过两种机制来控制拥塞，一种是开环逐跳反压机制，当节点检测到拥塞时，就向上游方向广播通告消息，源节点接收到消息之后采用分组丢失或加性增乘性减(AIMD)方式调节节点的发送速率，直到拥塞消除。这种方法容易造成远离sink节点的信道分配公平性差。另一种是闭环多源调节机制，是根据源节点是否实时收到sink 节点反馈的ACK来判断网络的拥塞状况。若源节点发送的数据量已超过阈值，仍未收到sink节点反馈的 ACK，则认为网络出现了拥塞。开环机制适用于解除瞬时拥塞，闭环机制则适用于解除持久拥塞。
ESRT(Event-to-Sink Reliable Transport Protocol)协议基于缓存长度及其增长情况来检测拥塞。当节点检测到拥塞时，在发送数据的包头中设置一个CN位来通知sink节点发生了拥塞；sink节点接收到拥塞消息之后，根据接收数据的速率和拥塞程度，计算下一个周期内的节点发送速率，然后广播给所有的节点。此协议的有效性依赖于拥塞的时长和反馈延时，并且协议没有考虑公平性。
CCF(Congestion Control and Fairness)是树形网络中基于反馈方式的MAC层拥塞控制协议。它通过包的服务时间来调节包的发送速率，但节点的速率调节仅依赖于数据的发送时间。当某些节点的业务量不足时，会导致信道利用率降低。同时，该协议中每个节点允许的最大业务速率相等，仅维持了简单的公平性。
DCCF(Decoupling Congestion Control and Fairness)是一种分布式流量管理的拥塞控制协议。该协议中，每个节点跟踪输入速率和输出速率，基于两者之间的差异来决定增大或减小数据包的产生速率，并根据数据流的带宽分配，自适应调节包的传输速率。该协议能自适应网络拓扑变化，但引进了包的反馈延时，增加了大量的处理开销。
综上可知，现有拥塞检测方法主要是基于单个节点的缓存长度信息和信道状态来实现的，然后通过广播拥塞消息来通知邻居节点进行拥塞控制。当单个节点长期未竞争到信道，容易导致缓存急剧增大且拥塞控制消息无法及时广播给邻居节点，可能导致拥塞的误判现象。另外采用查询的方式获取节点的实时缓存长度，会加重信道负载。现有拥塞控制方案，主要是通过降低源节点的数据发送速率或中间节点的转发速率，以及增加丢包率来缓解拥塞，没有考虑公平性或仅仅考虑了简单的公平性。如何通过公平的分配节点的发送速率是缓解拥塞亟需解决的关键技术难题，也是目前所研究的热门课题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于节点缓存长度公平分配速率的拥塞控制方法。通过采用节点实时缓存长度预测的方法，解决无线传感器网络拥塞检测中存在的误判问题。通过公平分配节点的发送速率和源速率来提高节点使用信道的公平性，从而减少碰撞和丢包，增加吞吐量。
本发明，根据节点包的发送速率和接收速率估算节点本身的缓存长度，如果缓存长度溢出，则禁止上游邻居节点发送数据。同时，上游邻居节点根据已获取下游转发节点的源速率和发送ACK的数量估算转发节点的缓存长度。然后，根据缓存长度执行拥塞检测；如果发生拥塞，则将节点拥塞程度分级(即拥塞度)；最后，根据拥塞度，执行速率分配算法，从而缓解拥塞；如果没有发生拥塞，则不做处理。
本发明提出一种基于节点缓存长度公平分配速率的拥塞控制方法，包括以下步骤：
步骤一、定义PA为转发节点，A为PA的上游邻居节点，节点A发送数据给节点PA；计算节点成功发送一个数据包所需要的时间每个节点在每次成功发送一个数据包时计算当前包的发送速率rsend，在每次成功接收到N个数据包时计算当前包的接收速率rrecv，定义源速率rsrc为单位时间内每个节点自身产生数据包的速率；
步骤二、每经过周期T后，所有节点估算下一个T时刻的缓存大小；若缓存大小超过缓存最大值，则向上游邻居节点广播一个拥塞通告消息；若节点A收到转发节点PA广播的拥塞通告消息，则设定节点A为禁止发送状态；
步骤三、节点A在每次侦听到转发节点PA发送的数据包时获取或估算下游转发节点PA的缓存长度 BS；若节点A处于禁止发送状态时，检测节点PA的缓存大小，若缓存大小低于某一阈值，则设定节点A 为发送状态；
步骤四、节点A在每次成功发送M个数据包后，首先节点公平度F，然后根据转发节点PA的缓存大小执行拥塞检测算法；若检测结果表明节点出现了拥塞，则转步骤五；否则，转步骤七；
步骤五、节点A根据转发节点PA的缓存大小对节点拥塞程度进行分级，即分为不同的拥塞度；
步骤六、节点A执行速率分配算法，转步骤三；
步骤七、结束。
与现有MAC层的拥塞控制方法相比，本发明的优势在于：
1、本发明提出的节点通过估算下一个T时刻节点本身的缓存长度来检测拥塞和通过估算转发节点的缓存长度来检测转发节点的拥塞，节点不仅能够检测本身的拥塞还可以检测转发节点的拥塞，能够防止拥塞的虚检和漏检问题，由于转发节点的缓存大小的测量仅需要上游邻居节点通过已收到的数据包的信息计算，不需要额外的通信开销。
2、本发明根据公平度来执行速率分配算法，提高了信道使用的公平性，有效减少了碰撞和丢包，并提高了吞吐量。
附图说明
图1是实现本发明拥塞控制的流程图；
图2是网络拓扑结构示意图；
图3是ACK帧格式图。
具体实施方式
本发明设计了基于缓存长度公平分配速率的拥塞控制方法，如图2所示PA为转发节点，节点A，B和 C为PA的上游邻居节点；图3为标准ACK和拥塞ACK的帧格式，若节点出现拥塞，则发送拥塞ACK；否则，发送标准ACK；结合图1，图2和图3，拥塞控制的具体实施方法如下：
步骤一、计算节点成功发送一个数据包所需要的时间每个节点在每次成功发送一个数据包时计算当前包的发送速率rsend，在每次成功接收到N个数据包时计算当前包的接收速率rrecv，具体步骤如下：
1)定义队列最大值为BSlim，带宽为BW，传输延迟为Tdelay，请求包RTS、控制包CTS、ACK和数据包的长度分别为Lrts、Lcts、Lack和Ldata，退避窗口为CW，时隙为Tslot，SIFS持续时间为TSIFS，DIFS 持续时间为TDIFS，则节点成功发送一个数据包需要的时间为：
2)假设节点在Ti时刻开始发送一个数据包，在Tj时刻发送完成，则节点当前包的发送速率为：
3)假设节点在Ti时刻开始接收第一个数据包，在Tj时刻完成第N个数据包的接收，则节点当前包的接收速率为：
步骤二、每经过周期T后，转发节点PA估算下一个T时刻自身的缓存大小；若节点PA在Ti时刻的缓存大小为BSi，根据节点包的发送速率和接收速率，可估算出节点在Tj(Tj-Ti＝T)时刻的缓存大小BSj为：
BSj＝BSi+(rrecv-rsend)×T(4)
若缓存大小超过缓存最大值，如图3所示，若节点检测到拥塞，则在收到上游邻居发送的数据时，发送一个拥塞的ACK控制帧来通告拥塞；否则，发送一个标准的ACK控制帧；若上游节点A，B和C收到转发节点PA广播的拥塞通告消息，则设定节点为禁止发送状态；
步骤三、节点A，B和C在每次侦听到转发节点PA发送的数据包时获取或估算转发节点PA的缓存长度BS；若节点A最近一次收到下游转发节点PA的数据包是在Ti时刻，此时获得节点PA的缓存大小为BSi以及源速率为则在Tj(Tj＞Ti)时刻
若节点A获取节点PA的数据的时间超过节点PA理论竞争到信道的最大时间Tmax，即：Tj-Ti＞Tmax，在(Tj-Ti)内，节点A收到节点PA发送的ACK数目为Nack，则通过预测方式可估算节点PA的实时缓存长度BS为：
否则，节点PA的实时缓存大小为最近一次获取到的缓存大小：
BS＝BSj(6)
其中，理论竞争到信道的最大时间若节点A处于禁止发送状态时，检测节点PA的缓存大小，若缓存大小低于某一阈值，则设定节点A为允许发送状态；
步骤四、节点A在每次成功发送M个数据包后，首先节点A计算节点的公平度F，然后根据节点PA的缓存大小执行拥塞检测算法，具体步骤如下：
1)节点A在Ti时刻的公平度为Fi，并且开始在Ti时刻发送第一个数据包，在Tj时刻完成第M个包的发送，在(Ti,Tj)期间，若节点PA总共接收了Q个数据包，则节点A的公平度F为：
2)节点A在成功发送M个数据包后检测节点PA的缓存长度BS，当BS＜BSlim×α(0＜α＜1)，表示下游转发节点PA的缓存量比较小，此时节点没有出现拥塞；当BS≥BSlim×α，表示下游转发节点PA的缓存量比较大，此时节点可能出现拥塞；
步骤五、节点A根据节点PA的缓存大小对节点PA的拥塞程度进行分级，即分为不同的拥塞程度，具体步骤如下：
1)若BS＜BSlim×α，且α＝0.4时，则判定节点的拥塞度为0；
2)若BS＞BSlim×α，则判定节点的拥塞度为1；
3)若BS＞BSlim×λ，且λ＝0.7时，则判定节点的拥塞度为2。
步骤六、节点A执行速率分配算法，具体步骤如下：
1)若节点PA的拥塞度为0时，则节点A的发送速率和源速率不变；
2)若节点PA的拥塞度为1时，在Ti时刻的缓存长度为BSi，在Tj(Tj＞Ti)时刻，缓存长度为BSj，此时
若BSj＞BSi，根据节点A的上游邻居节点数NA和公平度F可得：
若BSj＜BSi，根据节点A的上游邻居节点数NA和公平度F可得：
3)当节点PA的拥塞度为2时，禁止节点A发送数据。
Claims (7)
1.一种基于节点缓存长度公平分配速率的拥塞控制方法，其特征在于，在无线传感器网络中，每个节点通过估算下一个T时刻节点自身的缓存长度来检测拥塞，根据拥塞状况调节上游邻居节点的发送状态，进行拥塞解除；若节点为上游邻居节点，则获取或估算其下游转发节点的缓存长度，根据转发节点的缓存长度来检测拥塞，并参考已获知的节点公平度来分配节点的发送速率和源速率；所述方法至少包括以下步骤：
步骤一、定义PA为转发节点，A为PA的上游邻居节点，节点A发送数据给节点PA；计算节点成功发送一个数据包所需要的时间Ts 1；每个节点在每次成功发送一个数据包时计算当前包的发送速率rsend，在每次成功接收到N个数据包时计算当前包的接收速率rrecv，定义源速率rsrc为单位时间内每个源节点自身产生数据包的速率；
步骤二、每经过周期T后，所有节点估算下一个T时刻的节点自身缓存大小；若缓存大小超过缓存最大值，则向上游邻居节点广播一个拥塞通告消息；若节点A收到转发节点PA广播的拥塞通告消息，则设定节点A为禁止发送状态；
步骤三、节点A在每次侦听到转发节点PA发送的数据包时获取或估算转发节点PA的缓存长度BS；若节点A处于禁止发送状态时，检测节点PA的缓存大小，若缓存大小低于某一阈值，则设定节点A为允许发送状态；
步骤四、节点A在每次成功发送M个数据包后，首先计算节点公平度F，然后根据转发节点PA的缓存大小执行拥塞检测算法；若检测结果表明节点出现了拥塞，则转步骤五；否则，转步骤七；
步骤五、节点A根据转发节点PA的缓存大小对节点PA的拥塞程度进行分级，即分为不同的拥塞度；
步骤六、节点A执行速率分配算法，转步骤三；
步骤七、结束。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤一中计算节点成功发送一个数据包所需要的时间Ts 1，每个节点计算包的发送速率rsend和包的接收速率rrecv，至少还包括以下步骤：
步骤一、定义队列最大值为BSlim，带宽为BW，传输延迟为Tdelay，请求包RTS、控制包CTS、ACK和数据包的长度分别为Lrts、Lcts、Lack和Ldata，退避窗口为CW，时隙为Tslot，SIFS持续时间为TSIFS，DIFS持续时间为TDIFS，则成功发送一个数据包需要的时间Ts 1为：
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步骤二、假设节点PA在Ti时刻开始发送一个数据包，在Tj时刻发送完成，则节点PA当前包的发送速率为：
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3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤二中节点估算本身缓存大小的方法为：若节
点PA在Ti时刻的缓存大小为BSi，根据节点包的发送速率和接收速率，可估算出节点在
Tj(Tj-Ti＝T)时刻的缓存大小BSj为：
BSj＝BSi+(rrecv-rsend)×T
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤三中节点A获取或估算下游转发节点PA的缓存长度BS的方法为：节点A最近一次收到下游转发节点PA的数据包是在Ti时刻，此时获得节点PA的缓存大小为BSi以及源速率为在Tj(Tj＞Ti)时刻，若节点A获取节点PA的数据的时间超过节点PA理论竞争到信道的最大时间Tmax，即：Tj-Ti＞Tmax，在(Tj-Ti)内，节点A收到节点PA发送的ACK数目为Nack，则通过预测方式可估算节点PA的实时缓存长度BS为：
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否则，节点PA的实时缓存大小为最近一次获取到的缓存大小：
BS＝BSi
其中，理论竞争到信道的最大时间Tmax＝(邻居节点数+当前节点数)×(Ts 1+TDIFS)。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤四中节点A计算节点的公平度F和根据下游转发节点PA的缓存长度BS检测拥塞，至少还包括以下步骤：
步骤一、节点A在Ti时刻的公平度为Fi，并且在Ti时刻开始发送第一个数据包，在Tj时刻完成第M个包的发送，在(Ti,Tj)期间，若节点PA总共接收了Q个数据包，则节点A的公平度F为：
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步骤二、节点A在成功发送M个数据包后检测节点PA的缓存长度BS，当BS＜BSlim×α(0＜α＜1)，表示下游转发节点PA的缓存量比较小，此时节点没有出现拥塞；当BS≥BSlim×α，表示下游转发节点PA的缓存量比较大，此时节点可能出现拥塞；
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤五中节点A根据下游转发节点PA的缓存长度BS划分拥塞程度，至少还包括以下步骤：
步骤一、若BS＜BSlim×α，且α＝0.4时，则判定节点的拥塞度为0；
步骤二、若BS≥BSlim×α，则判定节点的拥塞度为1；
步骤三、若BS≥BSlim×λ，且λ＝0.7时，则判定节点的拥塞度为2。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤六中节点A执行速率分配算法，至少还包括以下步骤：
步骤一、若节点PA的拥塞度为0时，则节点A的发送速率和源速率不变；
步骤二、若节点PA的拥塞度为1时，在Ti时刻的缓存长度为BSi，在Tj(Tj＞Ti)时刻，缓存长度为BSj，此时
若BSj＞BSi，根据节点A的上游邻居节点数NA和公平度F可得：
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<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
若BSj＜BSi，根据节点A的上游邻居节点数NA和公平度F可得：
<mrow>
<msubsup>
<mi>r</mi>
<mi>s</mi>
<mi>A</mi>
</msubsup>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mi>r</mi>
<mi>s</mi>
<mi>A</mi>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>BS</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>BS</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
</mrow>
<msubsup>
<mi>T</mi>
<mi>s</mi>
<mn>1</mn>
</msubsup>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mi>F</mi>
</mrow>
<mrow>
<msubsup>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>r</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
<mi>A</mi>
</msubsup>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>r</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
<mi>A</mi>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>r</mi>
<mi>s</mi>
<mi>A</mi>
</msubsup>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mi>A</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
步骤三、若节点PA的拥塞度为2时，设定节点A为禁止发送状态。
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