張涌逸

摘 要：PECR協(xié)議中對下游節(jié)點是否擁塞僅僅是一種預(yù)測，這種預(yù)測有時是不準確的，且在下游節(jié)點沒有滿足條件擁塞度和剩余能量的時候，傳輸層的問題要回到網(wǎng)絡(luò)層去處理。為了解決PECR協(xié)議中存在的這些問題，文章引入了具有發(fā)送優(yōu)先級的兩個隊列，優(yōu)先發(fā)送優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)，在實際出現(xiàn)擁塞時會通知上游節(jié)點減少發(fā)送速率，并先拋棄掉優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)。在擁塞嚴重的時候也會拋棄掉優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)，但不會再回到網(wǎng)絡(luò)層去處理問題。

關(guān)鍵詞：擁塞控制；可靠性；擁塞度；隊列

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在剛出現(xiàn)的時候由于數(shù)據(jù)傳輸量小，基本不需要傳輸層協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量的增加，對傳輸層提出了新的要求，人們也提出了各種各樣的傳輸層協(xié)議。這些協(xié)議主要是用來提供可靠性保證和進行擁塞控制的。提供可靠性保證的協(xié)議有速率單調(diào)小任務(wù)（Rate Monotonic Small Task，RMST）、無線承載控制（Radio Bearer Control，RBC）、協(xié)議地極方向（Conventional Terrestrial Pole，CTP）、保留和終止計劃的執(zhí)行（Executive Retention and Termination Plan，ERTP）和慢存入快取出（Pump Slowly Fetch Quickly，PSFQ）等，進行擁塞控制的有CODE，CCF，PCCP和基于能量優(yōu)先的阻塞緩解機制（Priority of Energy Congestion Relief，PECR）等。PECR協(xié)議也能提供一定的可靠性。利用緩存來進行擁塞檢測，通過對過去緩存的變化來預(yù)測下一次的變化，進而確定是否出現(xiàn)了擁塞。由于使用前一次的變化值來預(yù)測下一單位時間間隔的變化值，這會發(fā)生沒有擁塞而預(yù)測出現(xiàn)擁塞的情況，也會在有擁塞出現(xiàn)而預(yù)測到?jīng)]有擁塞的情況。PECR協(xié)議在出現(xiàn)擁塞的時候沒有任何的處理方法，甚至在出現(xiàn)擁塞度和剩余能量不能滿足選擇下一跳的時候還要把任務(wù)交到網(wǎng)絡(luò)層去處理，這是不合實際的[1-3]。因為網(wǎng)絡(luò)層實際上已把最合理的下一跳路由傳達給節(jié)點了。為了解決上述的問題，文章在傳輸層引入了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級，通過傳輸?shù)膬?yōu)先等級在出現(xiàn)擁塞的時候能把實時信息及時地傳輸出去，對于那些不是實時的信息可拋棄掉，不需要再把任務(wù)交給網(wǎng)絡(luò)層來處理。

1 PECR協(xié)議的改進

PECR協(xié)議通過對過去數(shù)據(jù)增量[1]：

C（k）=b（k）-b（k-1），b（k）表示在時刻k緩存占用大小）的考察，來推測過一個單位時間間隔緩存數(shù)據(jù)增量仍為C（k）。利用C（k）可預(yù)測出在下一個單位時間間隔緩存的擁塞度：

CGT=（b（k）+ C（k））/B （B為緩存大?。?/p>

當(dāng)CGT>a認為出現(xiàn)了擁塞（a擁塞的閾值） 。

既然是預(yù)測就會和實際情況有出入。為了解決PECR協(xié)議預(yù)測時出現(xiàn)的問題我們提出了利用數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先級來解決此問題。實時信號的優(yōu)先級較高，非實時信號的優(yōu)先級較低。為此，在傳輸層建立了兩個隊列用來存放數(shù)據(jù)，每個隊列的大小為B。優(yōu)先級高（比如實時信號）的數(shù)據(jù)放在一個隊列中，優(yōu)先級低（比如非實時信號）的放在一個隊列中。節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)包頭中的優(yōu)先級位（可設(shè)為0，1，為1時數(shù)據(jù)優(yōu)先級較高）進行劃分，把數(shù)據(jù)分配給兩個隊列。在發(fā)送的時候優(yōu)先發(fā)送優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)。具體在實現(xiàn)的時候如果可能采取每發(fā)送n個優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)后才發(fā)送一個優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)；如果出現(xiàn)有一個隊列為空，則只發(fā)送另一個隊列的數(shù)據(jù)。仍利用PECR協(xié)議來預(yù)測擁塞度。利用預(yù)測的擁塞度來進行分流。在擁塞真的發(fā)生的時候，先拋棄掉優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)，也就是不發(fā)送低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，如果只發(fā)送優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)，優(yōu)先級高的隊列如果仍舊擁塞，優(yōu)先級高的隊列中的數(shù)據(jù)也會被拋棄。

2 改進的BPEC協(xié)議流程

改進的BPEC協(xié)議在預(yù)測到擁塞的時候會采取分流、減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实却胧Ｔ趯嶋H出現(xiàn)擁塞的時候會拋棄掉優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)，在擁塞嚴重的時候優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)也會被拋棄。為了適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)計算能力簡單的特點，在計算擁塞度、在考察節(jié)點是否實際出現(xiàn)擁塞，只以優(yōu)先級高的隊列作為預(yù)測出現(xiàn)擁塞和實際出現(xiàn)擁塞的判斷依據(jù)。當(dāng)節(jié)點優(yōu)先級高的隊列數(shù)據(jù)超過一半的時候，看作節(jié)點實際出現(xiàn)了擁塞[2]；擁塞度仍采用BPEC協(xié)議的計算方法。

（1）節(jié)點根據(jù)路由表（由網(wǎng)絡(luò)層提供）信息確定自己的下一跳信息；（2）節(jié)點建立兩個緩存隊列，一個隊列是優(yōu)先級高的隊列，一個隊列是優(yōu)先級低的隊列；（3）節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)包頭中的優(yōu)先級位（可設(shè)為0，1，為1時數(shù)據(jù)優(yōu)先級較高）進行劃分，分別把收到的數(shù)據(jù)按優(yōu)先級放入兩個隊列。優(yōu)先級高的隊列數(shù)據(jù)超過緩存的1/2，不再接收數(shù)據(jù)（也即把接收的數(shù)據(jù)拋棄）；優(yōu)先級低的隊列數(shù)據(jù)超過緩存的1/2，不再接收數(shù)據(jù)。（4）每個節(jié)點確定自己的C（k），CGT、剩余能量等信息，然后周期性地向其鄰居節(jié)點進行廣播。（5）根據(jù)自己的下游節(jié)點C（k），CGT、剩余能量等信息確定是否需要分流。如果現(xiàn)在的下一跳節(jié)點的剩余能量及預(yù)測的擁塞值不超過a，仍選擇此節(jié)點作為下一跳節(jié)點；否則，要重新確定下一跳節(jié)點。（6）除去（5）中的下一跳節(jié)點，在自己的其余的下游節(jié)點中，選擇一個節(jié)點，使得剩余能量>p（p為可做路由節(jié)點剩余能量的閾值），并且取這些節(jié)點中擁塞度CGT最小的節(jié)點作為自己的下一跳節(jié)點。（7）如果優(yōu)先級高的隊列數(shù)據(jù)超過緩存的1/2，向其鄰居節(jié)點通報出現(xiàn)了擁塞，上游節(jié)點的發(fā)送速率減半。此時，向下一跳節(jié)點不再發(fā)送低優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)，只發(fā)送高優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)。如果沒出現(xiàn)擁塞，向下一跳節(jié)點每發(fā)送n個優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包才發(fā)送一個優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)包，如果有一個隊列為空，只發(fā)送另一個隊列中的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量的增加，人們對傳輸層的研究越來越多。PECR協(xié)議是一種較早提出的傳輸層協(xié)議，能自適應(yīng)地進行擁塞控制，也能有一定可靠性保證，還能節(jié)約能量。但PECR協(xié)議進行擁塞控制時采用的是根據(jù)現(xiàn)在緩存的情況來預(yù)測下一單位時間間隔緩存情況的方法。僅用這種方法會帶來預(yù)測不準確的問題，并在實際出現(xiàn)擁塞時PECR協(xié)議也不會采取任何措施，有時還需要回到網(wǎng)絡(luò)層去處理。本文在PECR協(xié)議的基礎(chǔ)上引入了兩個隊列，采用優(yōu)先發(fā)送實時信息的方式來發(fā)送優(yōu)先級高的信息，在實際發(fā)生擁塞的時候先拋棄優(yōu)先級低的信息，并通知上游節(jié)點減小發(fā)送速率的方法來解決這些問題，且不再需要網(wǎng)絡(luò)層的參與。

[參考文獻]

[1]蔣禧，齊建東，曹永潔，等.能量優(yōu)先的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞緩解機制[J].計算機工程與設(shè)計，2011（2）：416-419.

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[3]劉偉榮，何云.物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.endprint