[发明专利]基于信道公平分配的拥塞控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体的涉及一种基于信道公平分配的拥塞控制方法。

背景技术

在无线传感器网络(Wireless Sensor Network，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，导致无线传感器网络极易出现拥塞。网络拥塞容易引起缓存溢出，导致大量数据分组丢失，增加网络排队延迟，并消耗大量的额外能量。同时，网络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，高效实时地检测和解除拥塞已成为保证无线传感器网络服务质量的热门话题。

拥塞控制可以分为网络资源管理和业务量控制两种方法。网络资源管理是指通过管理无线传感器网络的带宽资源，即合理分配带宽来控制拥塞。然而在多跳网络中如何合理而精确的分配带宽，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。业务量控制主要是在检测到网络拥塞时，节点通过减小发送速率以防止拥塞继续向下游节点传播，并向上游节点发送通告消息，以避免加重现有的拥塞程度。现有的业务量拥塞控制方法主要有CODA、PCCP、Fusion等。

CODA(Congestion Detection andAvoidance)协议基于缓存长度和信道利用率检测拥塞，采用开环逐跳背压机制和闭环多源调节机制进行拥塞控制。开环逐跳背压机制适合于解除瞬时拥塞，闭环多源调节机制适合于解除持久拥塞。CODA拥塞检测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。当检测到网络拥塞时，就通过背压机制向源节点方向传播消息，接收到消息的节点采用分组丢失或加性增乘性减(AIMD)方式来抑制节点的发送速率，逐跳反馈至源节点，直至拥塞消除，这种方式容易造成网络吞吐量的不稳定性，并且远离sink节点的信道分配公平性差。

PCCP(Priority-based Congestion Control Protocol)协议定义节点接受速率与发送速率的比值为拥塞度，并根据拥塞度检测网络拥塞。当子节点侦听到父节点的拥塞信息后，通过计算父节点的拥塞度，结合自身的优先权和子节点数等信息，调节自身的发送速率：当父节点的拥塞度较小时，就增大自身的发送速率；当拥塞度较大时，就减小自身的发送速率。PCCP能够保证节点及时准确的调节自身的发送速率，但却忽略了由于速率的调整对下一跳节点的拥塞影响。

Fusion是跨层的拥塞控制解决方案，融合了端到端的流量控制、源节点流量的速率限制和有优先级的MAC层协议3种技术。采用缓存队列长度和信道采集两种方式检测拥塞。当父节点检测到拥塞时，便设置分组包头的拥塞标识位，向子节点隐式的发送拥塞通告消息。子节点接收到拥塞通告时就停止向父节点发送数据，赋予拥塞节点高的发送优先级。节点侦听父节点的子节点数目，使用令牌桶机制限制节点自身的发送速率，从而保证了所有节点的相同发送流量。为了及时解除拥塞，拥塞节点缩小回退窗口大小为非拥塞节点的1/4，加快拥塞节点的数据发送，从而赋予拥塞节点高的发送优先级。Fusion能及时解除拥塞，但却缺少保证公平性的措施。

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。当单个节点长期未竞争到信道，容易导致缓存急剧增加，其在信道中共享的信息并不能真实的反映实时缓存状态，若不综合考虑整个信道内节点状态，可能导致拥塞的虚检和漏检现象。

而现有拥塞控制方案，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，并以牺牲包传递率和增加额外开销为代价来增加吞吐量。如何通过降低由于过度竞争导致的信道碰撞，确保高效有序的信道资源分配和维持较高的包传递率是缓解拥塞亟需解决的关键技术难题，目前尚没有合适的解决方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于，提出一种基于信道公平分配的拥塞控制方法。通过估算节点及其上游邻居节点的缓存总长度和数据包的平均传输延时，解决无线传感器网络拥塞检测中存在的虚检和漏检问题。本发明通过公平分配节点占用信道的时间以提高信道使用的公平性，从而减少碰撞和丢包，并增加吞吐量。