無線傳感器網絡中一種優化的隱式跨層傳輸控制算法*

龍昭華，李 吳，蔣貴全

（重慶郵電大學計算機科學與技術學院，重慶 400065）

0 引言

無線傳感器網絡［1］（WSNs）是一種多跳的無線網絡，由大量的低速率、低功耗、具有感應功能的嵌入式設備組成，用來監測比如溫度、濕度、振動、地震、事件等。在傳感器節點能量和處理能力受到限制的前提下，為網絡中的數據傳輸提供可靠的傳輸控制協議，保證獲取的信息有效是無線傳感器網絡需要解決的基本問題。

現有的無線傳感器網絡傳輸控制協議可以分為兩類:解決擁塞控制，如 ESRT 協議［2］，BGR 協議［3］等;解決質量保證，如 RBC 協議［4］，GRAB 協議［5］等。這些協議主要在傳輸層上做研究，一定程度上限制了傳輸控制性能。本文對Ad Hoc網絡中一種隱式逐跳的跨層擁塞控制協議進行改進，并將其用于處理無線傳感器網絡中的傳輸控制問題。仿真實驗表明:改進后算法能夠在保持能量有效性的同時，提高傳輸控制質量。

1 無線傳感器網絡中隱式逐跳擁塞控制算法

文獻［6］介紹了Ad Hoc網絡中一種隱式逐跳的擁塞控制協議。但是鑒于Ad Hoc網絡和無線傳感器網絡的差異，必須對Ad Hoc網絡中這種協議做適當的修改才能夠適用于無線傳感器網絡。

1．1 Ad Hoc網絡隱式逐跳控制協議

Ad Hoc網絡中隱式逐跳擁塞控制協議基本思想是:鏈路是雙向通信，在一條鏈路中有源節點A、中間節點B、目的節點C三個節點。協議需要改進的原因:

1）中間節點B發出的信息，A和C都能收到，如果節點A監測到自己發出去的數據，那么認為A發出的數據包已經成功發送到下一跳節點B，通過隱式的確認，減少網絡中的數據包轉發的數量。但在無線傳感器網絡中節點B也要采集數據，處理后轉發的數據包，節點A不一定能識別，在整個鏈路中會引發大量的數據重傳，導致網絡擁塞。

2）Ad Hoc網絡的拓撲結構是在不斷變化的，不穩定的路由會導致網絡鏈路的中斷、數據包丟失，所以，很難保證傳輸可靠性。

3）協議［6］通過監測數據包是否轉發來顯示網絡的擁塞狀況，通過注入數據包速率解決擁塞，在無線傳感器網絡中是不夠的。為了保證網絡消息的及時性和有效性，必須引入更加合理的擁塞解決機制。

1．2 無線傳感器網絡中隱式逐跳的擁塞控制算法

已有無線傳感器網絡傳輸協議中，有些通過顯示確認保證數據包的成功轉發，如Siphon協議［7］，其缺點是發送顯示的確認包不僅會消耗大量的能量，而且會占用信道，降低了網絡的吞吐量。跨層協議，如HCCC協議［8］、HCCC協議在解決擁塞時，MAC層需要一直監測信道的占用情況，消耗了大量能量，而且缺失可靠性。本文設計了一種無線傳感器網絡的隱式逐跳的擁塞控制算法。對以上算法做如下改進，包括路由維護、隱式確認機制、擁塞處理機制。

1．2．1 路由維護

無線傳感器網絡的擁塞不是發生在一條鏈路或者某一個單獨的節點，而是空間的［6］。節點發出的信息鄰居節點都能接收到，為了防止無線傳感器網絡中的泛洪出現，本文中每一跳節點都知道本地節點最優路徑的源節點和目的節點，當收到的數據包目的節點不是自身的時候，節點不予響應，保持休眠狀態。數據包的包頭格式如圖1所示。算法具體實現時，每個數據包的源節點有1個，目的節點有2個，方便實現隱式確認;擁塞警告通過擁塞度量測定發給上游區節點。

圖1 數據包包頭信息Fig 1 Data packet header information

1．2．2 隱式確認機制

無線傳感器網絡中的每一跳節點都會采集數據，簡單監測數據包轉發不能實現隱式確認，為了實現隱式確認，引入了相對信息熵，計算2個節點之間的信息相關程度，通過信息的相關程度來識別包的轉發是否成功。圖2所示的是無線傳感器網絡中隱式確認機制原理流程圖。

圖2 無線傳感器網絡中隱式確認機制Fig 2 Implicit acknowledgment mechanism in WSNs

為了方便理解，引入了信息論中的一些概念，無線傳感器網絡的事件模型抽象為信息熵理論數學模型如下:引用香農公式［9］，用節點信息熵H（x）來計算發出和接收數據的平均信息量，如公式（1）所示

其中，E為概率的統計平均值，q表示ai（i=1，2，…，q－1，q）的取值有q種可能;P（ai）為字符ai出現的概率，H（x）表征了數據的統計特征，是總體平均不確定性的量度（bit/數據包）。式（1）中的單位取決于對數函數的底數。本文取對數函數底數為2，即表示計算產生1 bit的信息量，不僅方便處理器識別處理，而且不會消耗很多能量。

通過以上方法計算節點A與節點B發送的數據包的信息量，然后進行比較，用數學公式節點相對信息熵表示

相對信息熵U（A‖B）用于計算任意2個數據包之間信息熵的差異大小，它的物理意義是2組概率分布之間的差異程度。計算相對信息熵U（A‖B）的值，這個值越小，表明2組概率分布越接近，這2個節點之間的數據相似程度越大。在本文中，U（A‖B）≤0．5，2個數據包中的信息至少有50%相同，證明A，B節點之間通信成功，隱式的確認在無線傳感器網絡中實現。

1．2．3 擁塞處理機制

在文獻［6］中，主要通過調節注入數據包的速率解決擁塞。無線傳感器網絡需要采集實時有效數據，為了保證傳輸的實時性，需要傳輸層和MAC層協調合作，加快數據包的轉發，從而快速解決擁塞，分為擁塞檢測和快速擁塞處理2個階段。

1）擁塞檢測

本文中，假設每個節點只能存放3個數據包:一個是轉發出去但還沒有收到隱式確認的數據包;一個是上游節點發出，節點已經收到但沒有轉發出去的數據包;最后一個用來接收下游節點反饋包，用來計算節點之間信息相關程度。

節點收不到下游節點的確認，無法確認數據轉發成功。緩存中已經轉發的數據包丟棄受阻，長時間收不到下游節點的確認會導致本地節點重復發送探測包，導致網絡的局部擁塞。規定當第二次發送探測包下游節點仍然處于contention狀態，則判斷網絡已經發生了擁塞。接著發出的RFA探測包中，將會加入擁塞警告提示，這個帶有擁塞警告ACK包會以逐跳的方式通知上游區節點，提示網絡出現亞健康，直到擁塞解決。ACK包只有包頭，消耗能量少，具體實現流程如圖3所示。

圖3 擁塞檢測機制Fig 3 Congestion detection mechanism

2）快速擁塞處理

在無線傳感器網絡中為了提高傳輸質量，還必須加快擁塞區節點轉發數據包的速度。本文通過MAC層、路由層的合作來加快擁塞區域節點接入信道的幾率。

無線傳感器網絡中，同一時刻只允許一個設備占用信道。中間節點接收到擁塞警告后，立刻增大本地信道接入窗口，減少自己競入信道的幾率，把信道留給擁塞區節點，讓其快速接入信道，加速轉發數據包。通過MAC層的合作，來降低擁塞處理的時間，擁塞盡快解決，具體方法如下:

1）路由層檢測ACK包頭中距離擁塞區域的跳數;

2）MAC層訪問信道采用CSMA/CA機制競爭信道，根據距離擁塞區域的跳數，決定在［0，2BE－1］范圍內產生一個等待時間，來減少節點同時發送數據造成碰撞的可能;

3）收到擁塞警告的節點將自己的BE值增大，越靠近擁塞區域節點的BE值越小，擁塞區域節點BE值根據擁塞情況，以同樣方法設置，使得擁塞區域等待時間最短，接入信道幾率最快，確保數據包快速轉發，快速解決擁塞。

2 實驗仿真

為了驗證本算法的性能，用Matlab做仿真實驗，選取經典的ESRT協議和HCCC協議作對比?，F在將本文的仿真場景設置如下:

1）選取100個節點均勻布局在180m×180m的正方形區域內，目的節點放在監測區域的邊界上。

2）每個節點通信距離為20 m，干擾距離為45 m，任意2個相鄰節點間的距離都是20 m，鏈路是開環的。

3）采用靜態路由，最佳路由已經確立。節點每單位時間發送10個數據包，每個數據包大小為32 byte，節點緩存中存放3個數據包。

圖4描述了仿真過程中的網絡傳輸延遲，從圖中可以看出:ESRT和HCCC下的網絡傳輸延遲得到了一定的控制，本文中每個緩存中只有3個數據包，數據包在網絡中停留的時間非常短，加上隱式確認轉發和有效的擁塞解決機制，大大降低了數據包在緩沖區內的平均等待時間，減少了在網絡中的傳輸延遲。

圖4 網絡傳輸延遲比較Fig 4 Comparison of network transmission delay

圖5描述了仿真過程中的丟包率，丟包主要因為擁塞和信道不穩定產生的，本文控制緩存中的數據包的數量為3個，如果確認數據成功轉發，那么緩存立即清空。發生擁塞后，通過擁塞警告通知上游節點減少注入擁塞區的數據包，加快擁塞區數據包轉發，網絡始終保持在一個比較良性的狀態，發生擁塞的可能大大降低;基于相對信息熵的隱式確認機制，防止丟包。從圖中可以看出:與經典的ESRT協議和HCCC協議比較，本算法的丟包率始終保持在很小的百分比率，不到上述協議的1/5。

圖5 網絡丟包率的比較Fig 5 Comparison of network packet loss rate

圖6描述了仿真過程中的網絡吞吐量，在本文中采用RFA探測包和相對信息熵結合降低重傳，減少不必要的數據包轉發，較好的擁塞解決機制確保了網絡的良好狀況，由圖可以看到:當網絡的吞吐量達到一個最佳點的時候，HCCC協議和ESRT協議都不能保持最優的網絡吞吐量，而本協議能一直保持下去。

圖6 網絡吞吐量的比較Fig 6 Comparison of network throughput

3 結論

本文在無線傳感器網絡中提出了一種隱式逐跳跨層合作的傳輸控制算法，通過路由層傳輸層MAC層相互合作，解決無線傳感器網絡中的傳輸控制問題，在一定程度上有效地提高了網絡服務的質量，但是設計思想還不夠全面和成熟，無線傳感器網絡具有特殊的用途和特定的應用場景，設計完整的傳輸控制協議，要從整個無線傳感器網絡的各個層次考慮，比如:根據應用層來選擇優先需要傳輸的數據來提高網絡的有效性等，還需要做很多工作。

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