[发明专利]基于节点缓存长度公平分配速率的拥塞控制方法

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。