基于異構比特速率的無線傳感器網絡擁塞控制技術*

駱 堅，席 望，謝 鯤

(湖南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙410082)

0 引 言

多跳匯聚的無線傳感器網絡(WSNs)中，數據多對一傳輸至Sink 節點，形成漏斗效應［1］。在漏斗區域中，隨流量增加，包間隔時間(數據包相繼到達MAC 層的時間間隔［2］)減小，包處理時間(數據包從到達MAC 層到轉發完畢之間的時間間隔［2］)增大，超過轉發節點的處理能力［3］，加重了節點級擁塞［4］，造成包延時和重傳，降低了Sink 節點的吞吐量，增加了漏斗區域的能量開銷，縮短了網絡的生存周期。

現有研究針對漏斗效應采用源流量控制［5～7］、網絡層均衡［8，9］、MAC 層調度［1］，以及強功能節點部署［10］等方法緩解能耗和擁塞，但對節點計算能力要求較高，降低了通信效率，或需要額外的通信硬件進行特定部署。

本文提出異構比特速率(heterogeneous－bit－rate)傳輸方式，逐跳增大Sink 節點附近高流量轉發節點的發送比特速率，使節點的比特速率與流量匹配，降低高流量區域的節點級擁塞。針對現有傳感器節點比特速率單一性，設計了基于ATmega128 微處理器和CC1100 射頻芯片的傳感器節點，改進了TinyOS 系統組件，實現多種比特速率在數據收發時動態切換。在真實環境下進行了實驗測量，結果表明:該網絡能夠有效緩解網絡擁塞，提高了網絡吞吐量。

1 問題描述

無線傳感器網絡一般為同構比特速率，即所有節點配置為相同的比特速率，如圖1(a)所示，源節點1，2 與轉發節點3 采用相同比特速率，節點3 對數據包接收和轉發需要相同的處理時間，包間隔時間小于節點1，2，包服務時間大于節點1，2。因此，轉發節點對數據包處理的時間要大于其子節點之和，隨著流量增大，使Sink 節點附近的轉發節點擁塞加劇。

圖1 匯聚網絡傳輸模型Fig 1 Aggregation network transmission model

異構比特速率傳輸提高了節點的轉發比特速率，如圖1(b)所示，節點1，2 采用速率3 發送數據，節點3 采用速率2(速率2 ＞速率3)轉發數據，轉發數據包所需時間減少，數據包處理速度提高，進而緩解擁塞。

異構比特速率節點需發送、接收和ACK 三種比特速率。如圖1(b)所示，節點5 以速率1 發送數據，以速率2接收數據，以速率3 反饋ACK，要求節點多種比特速率切換。MicaZ，Telosb 等現有常用的傳感器節點并不支持多種比特速率通信，僅CC1100 等芯片具備該功能，而這些芯片一般用于同構比特速率網絡，不能實時切換速率。本文針對該問題設計了支持多種比特速率實時切換的傳感器節點。

2 異構比特速率傳感器節點設計

根據對多種比特速率實時切換的需求，本文采用CC1100 射頻芯片和ATmega128 微處理器、嵌入TinyOS［11］操作系統，設計專門的接口和組件，通過寄存器編程控制1.2 ～500 kB/s 比特速率，實現傳感器節點多速率切換。節點硬件實現的引腳連接如圖2 所示，通過串行接口總線SPI，ATmega128 的PB2(MOSI 主機向從機輸入)、PB3(MISO 從機向主機輸入)、PB1(SCLK 時鐘)、PB0(SS 片選)引腳分別與CC1100 的SI，SO，CLK，CSn 引腳連接，用于數據輸入輸出、時鐘以及片選控制。

圖2 CC1100 與ATmega128 系統組成Fig 2 System composition of CC1100 and ATmega128

CC1100 的比特速率由MDMCFG3 和MDMCFG4 寄存器進行配置，計算方法如式(1)所示

其中，RM 表示寄存器MDMCFG3 全8 位二進制的值，RE 代表寄存器MDMCFG4 低4 位二進制的值，fxosc表示處理器的晶振頻率。

為實現比特速率切換，本文改進了TinyOS 系統通信流程。如圖3 所示，CC1100 芯片包含發送與接收兩種通信模式，由數據發送事件觸發進入發送模式，由數據接收事件觸發進行數據接收，接收完成后發送ACK。同構速率系統比特速率僅在初始化階段配置一次(速率(n+1))，異構比特速率系統在向發送或接收模式轉變時，均進行比特速率更改，分別對發送、接收和ACK 配置比特速率為速率(n)、速率(n+1)、速率(n+2)。

圖3 異構比特速率的TinyOS 系統Fig 3 TinyOS system of heterogeneous-bit-rate

為實現該通信流程，本文設計了多速率接口和組件。如圖4 所示，TinyOS 系統由TransmitP 模塊管理通信，通過SpiC 組件實現對CC1100 寄存器配置等操作。本文在TransmitP 通信模塊中為其SpiC 組件設計了寄存器接口Multi 及其連接的寄存器改寫組件Bitrate，在Bitrate 組件中設計了不同比特速率對應的MDMCF3 與MDMCF4 寄存器值，系統在每次通信模式轉變時，都將調用Multi.Bitrate(速率n)，即可對CC1100 的寄存器進行讀寫操作，例如:系統調用Multi.Bitrate(19.2)，則組件中會對MDMCF3 和MDMCF4 分別配置為19.2 kB/s 比特速率對應的寄存器值0xCA和0x83。

圖4 異構比特速率組件與接口Fig 4 Components and interfaces of heterogeneous-bit-rate

3 異構比特速率網絡設計

異構比特速率網絡中節點需確定自身位置和相應的比特速率。本文設計了異構比特速率網絡組建和拓撲控制方案。

根據網絡流量向Sink 節點匯聚的特點，異構比特速率網絡按與Sink 節點的通信距離對節點進行速率分層，如圖5所示，與Sink 節點距離為n 跳的節點劃分為層次(n)，層次(n)對層次(n－1)以比特速率(n)進行通信(速率(n)＞速率(n+1))，距離越近，n 值越小，速率(n)也越大。

圖5 異構比特速率傳輸網絡Fig 5 Heterogeneous-bit-rate transmission network

組網機制:1)Sink 節點在部署時已設定自身位于層次(0)且以速率1 接收數據，以速率2 反饋ACK;2)任意新加入的節點首先進行層次定位，依次以速率(1)到速率(n)速率發送探測信息，并分別以速率(n+1)速率等待附近已確定層次節點的ACK 回復;3)根據ACK 信息中包含的節點層次和地址信息確定自身層次。

如圖5 所示，Sink 節點會收到一跳范圍內節點2，3 以速率1 發送的探測信息，并對這些節點回復ACK。節點2，3 收到ACK 中包含的層次信息(層次(0))和地址信息(Sink)，則將自身設定為層次(1)。同理，層次(1)節點會收到一跳范圍內節點4，5，6 以速率2 發送的探測信息，并反饋ACK。節點4，5，6 根據ACK 確定自身為層次(2)，以層次(1)中的節點作為下一跳地址。

拓撲控制:節點在通信中若3 次未收到ACK 信息，則表示該鏈路已斷開(下一跳死亡或擁塞等情況)，節點將重新啟動速率探測，以重新確定自身層次和下一跳地址。

4 實驗與分析

本文根據節點設計方案組成了25 個如圖6 所示基于CC1100 與ATmega128 的傳感器節點，在實際環境中的部署如下:

圖6 實驗節點Fig 6 Experimental node

實驗布置于湖南大學工程訓練中心3 樓實驗室，由8 個節點于2 m×3 m 桌面部署了圖7(a)所示偏二叉樹網絡，以部署在不同層次的葉節點作為數據源;由25 節點部署于8 m×8 m 地面部署了圖7(b)所示漏斗結構網絡，以層次(4)的10 個節點作為數據源，由層次(3)，(2)，(1)轉發。節點工作頻率設置為915 MHz，功率為－20 dBm，數據包長度為20 byte。

圖7 實驗網絡部署Fig 7 Experimental network deployment

同構比特速率實驗對所有節點配置為相同比特速率1(150 kB/s)，異構比特速率實驗對距離Sink 節點1 ～4 跳范圍節點預設比特速率1 ～速率4，分別選擇為150，76.8，38.4，19.2 kB/s，通過組網機制確定層次和比特速率。實驗在不同源數據流量下對同異構比特速率網絡Sink 節點的吞吐量進行測量，結果如下:

在低流量環境下，網絡擁塞較小，同異構比特速率網絡吞吐量較為接近。隨著源節點流量增大，網絡擁塞加劇，異構比特速率網絡吞吐量逐漸提高。在流量達到一定程度時，網絡吞吐量趨于飽和，如圖8 所示，偏二叉樹網絡在5 PPS流量下趨于飽和，Sink 節點的吞吐量約提高了10.9%，漏斗網絡源節點較多，在2.5 PPS 流量下趨于飽和，Sink 節點吞吐量約提高了18.6%，有效緩解了網絡擁塞，提高了網絡吞吐量。

圖8 實驗結果Fig 8 Experimental result

5 結束語

本文針對無線傳感器網絡的漏斗效應，提出基于異構比特速率的擁塞控制技術，突破現有節點通信比特速率的局限性，實現了支持異構比特速率傳輸的傳感器節點，實際網絡實驗表明:在趨于飽和的流量下有效緩解了網絡擁塞，提高了網絡吞吐量。

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