CN101459933A - 拥塞控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种拥塞控制方法，包括：当有数据分组需要发送时，本跳节点在媒质接入控制层测量数据分组的平均发送时间和平均到达时间，并根据所述平均发送时间和平均到达时间获得第一拥塞度量值；本跳节点将第一拥塞度量值设置在数据分组中并广播；上一跳节点获得第一拥塞度量值，根据第一拥塞度量值进行业务量速率调节。本发明利用媒质接入控制层的平均发送时间和平均到达时间获得了反映网络拥塞程度的拥塞度量值，实现了及时缓解网络拥塞的目的，有效改善了网络的传输效率和能量效率，具有吞吐量高、业务分组传输冲突少、时延和分组丢失率低、节点能量消耗小、精确度高、响应快速等优点。

Description

拥塞控制方法
技术领域
本发明涉及一种适用于无线传感器网络的控制方法，特别是一种拥塞控制方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是一种无需固定网络作为支撑的网络形式，特别适用于军事战场、智能交通、环境监测、空间探索等领域。无线传感器网络由一个或多个汇聚节点和大量散播在某一区域内的传感器节点组成，大量传感器节点随机密布于整个被观测区域中，通过自组织的方式构成网络，协作地感知、测量、处理和发布信息。在对所探测到的信息进行初步处理之后，以多跳中继的方式将其传送给汇聚节点，然后经互联网、卫星或是移动通信网络等途径到达最终用户所在的监控中心。终端用户也可以通过监控中心对无线传感器网络进行管理和配置、发布监测任务或是收集回传数据。
无线传感器网络的一个关键设计问题是拥塞控制(Congestion Control)。由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，无线传感器网络的处理能力、存储能力相对较弱，因此无线传感器网络需要高效使用能量。然而在数据传输时会发生由于链路冲突或节点缓冲器溢出而形成的网络拥塞，特别是无线传感器网络具有多对一传输的特点，在数据高速传输时极易发生拥塞。网络拥塞不仅会引起分组丢失，而且会导致过多的能量消耗。拥塞控制方法用于解决如何快速、高效缓解网络拥塞，以保证网络能够正常传输数据。
目前，按照控制方式不同，现有拥塞控制方法主要分为两类：网络带宽分配方式和业务量速率调节方式。网络带宽分配方式通过增加带宽来缓解拥塞，然而无线传感器网络环境的带宽资源有限，拓扑结构不断变化，因此采用带宽分配方式进行拥塞控制不仅会存在不能保证准确地带宽分配的问题，而且会存在资源过多供给或资源供给不足的问题。业务量速率调节方式通过调节源节点或中间节点的业务量速率来进行拥塞控制，即调节其发送数据的数量及速度使其不超过链路或接收节点所能承受的能力，有助于节省网络资源。业务量速率调节方式包括二种方案，一种是端到端(end-to-end)业务量速率调节，另一种是逐跳(hop-by-hop)的业务量速率调节。实际应用表明，端到端业务量速率调节采用在每个源节点上准确地进行速率调节，虽然简化了中间节点的设计，但响应缓慢；逐跳业务量速率调节虽然能够快速响应，较其它拥塞控制方法降低了传输时延，提高了网络的吞吐量，但却很难准确地调节中间节点转发分组的传输速率，导致传输效率和能量效率偏低。
发明内容
本发明的目的是提供一种拥塞控制方法，可以准确地调节中间节点转发分组的传输速率，有效改善网络的传输效率和能量效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种拥塞控制方法，包括：
步骤1、当有数据分组需要发送时，本跳节点在媒质接入控制层测量数据分组的平均发送时间和平均到达时间，并根据所述平均发送时间和平均到达时间获得第一拥塞度量值，所述平均发送时间为每个数据分组成功发送的平均时间，所述平均到达时间为每两个相邻到达媒质接入控制层的数据分组的平均时间间隔，所述第一拥塞度量值为本跳节点当前时刻的拥塞度量值；
步骤2、本跳节点将所述第一拥塞度量值设置在所述数据分组中并广播；
步骤3、上一跳节点获得所述第一拥塞度量值，根据所述第一拥塞度量值进行业务量速率调节。
所述第一拥塞度量值为：d＝t(av)S/t(av)A，其中，d为第一拥塞度量值，t(av)S为平均发送时间，t(av)A为平均到达时间。
所述平均发送时间为：t(av)S＝(1-wS)×t(av)S0+wS×tS，其中，t(av)S为平均发送时间，tS为发送新的数据分组的时间间隔，t(av)S0为发送新的数据分组之前的平均发送时间，wS为系数，且0<wS<1。
所述平均到达时间为：t(av)A＝(1-wA)×t(av)A0+wA×TN/N，其中，t(av)A为平均到达时间，t(av)A0为发送新的数据分组之前的平均到达时间，TN为进行测量的时间间隔，N为在该时间间隔内到达的新的数据分组的数量，wA为系数，且0<wA<1。
在上述技术方案基础上，所述步骤3包括：
步骤31、上一跳节点利用广播特性获得设置在数据分组里的第一拥塞度量值d；
步骤32、上一跳节点读取第二拥塞度量d0，所述第二拥塞度量值为上一跳节点前一时刻的拥塞度量值；
步骤33、判断所述第一拥塞度量值d与第二拥塞度量d0的关系，当d>d0时，执行步骤34，当d<d0时，执行步骤35，当d＝d0时，执行步骤38；
步骤34、上一跳节点设定其当前时刻业务量速率r＝Q×1/t(av)S，其中Q为预先设定的权重比例值，且0<Q<1，执行步骤37；
步骤35、上一跳节点设定其当前时刻业务量速率r＝λr0，其中r0为上一跳节点前一时刻业务量速率，λ为系数，λ>1；
步骤36、判断r是否大于1/t(av)S，是则令r＝1/t(av)S，执行步骤37，否则执行步骤37；
步骤37、令d0＝d，r0＝r；
步骤38、业务量速率调节完毕。
所述步骤31与步骤32之间还包括步骤：上一跳节点判断所述第一拥塞度量值d是否是第一次收到，如果是，则设定第二拥塞度量值d0＝1，上一跳节点前一时刻业务量速率r0＝R，其中R为预先设定的业务量速率，之后执行步骤32；如果否，则直接执行步骤32。
本发明提出了一种拥塞控制方法，利用数据分组在媒质接入控制层的平均发送时间和平均到达时间获得了准确反映网络当前拥塞程度的拥塞度量值，并通知上一跳节点，使上一跳节点根据网络拥塞状况及时进行业务量速率调节。进一步地，本发明进行业务量速率调节时考虑了节点发布任务的权重值，保证了数据传输时的相对公平性，降低发生拥塞的几率。本发明通过合理地逐跳的方式调节业务量速率，根据反映网络拥塞状况的拥塞度量值并结合节点发布任务的权重值，可以准确地调节中间节点转发分组的传输速率，充分适应无线传感器网络多对一传输和节点能量有限的特点，实现了及时缓解网络拥塞的目的，有效改善了网络的传输效率和能量效率，具有吞吐量高、业务分组传输冲突少、时延和分组丢失率低、节点能量消耗小、精确度高、响应快速等优点。本发明适用于任何进行多对一传输的无线自组织网络，尤其是无线传感器网络，可作为无线传感器网络数据传输时的拥塞控制方法。
附图说明
图1为本发明拥塞控制方法的流程图；
图2为本发明根据拥塞度量值进行业务量速率调节的流程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明拥塞控制方法的流程图，包括：
步骤1、当有数据分组需要发送时，本跳节点在媒质接入控制层测量数据分组的平均发送时间和平均到达时间，并根据所述平均发送时间和平均到达时间获得第一拥塞度量值，所述平均发送时间为每个数据分组成功发送的平均时间，所述平均到达时间为每两个相邻到达媒质接入控制层的数据分组的平均时间间隔，所述第一拥塞度量值为本跳节点当前时刻的拥塞度量值；
步骤2、本跳节点将所述第一拥塞度量值设置在所述数据分组中并广播；
步骤3、上一跳节点获得所述第一拥塞度量值，根据所述第一拥塞度量值进行业务量速率调节。
经发明人深入研究表明，现有逐跳业务量速率调节方法技术缺陷(很难准确地调节中间节点转发的分组传输速率)的主要原因是未考虑分组传输速率的可变性。对于无线传感器网络，分组传输速率主要由媒质接入控制(MediumAccess Control，简称MAC)层协议决定，且分组传输速率是可变的，目前网络尚不能及时根据当前的状况进行控制，因此难以准确地调节中间节点转发的分组传输速率，导致传输效率和能量效率偏低。为此，本发明提供了一种拥塞控制方法，通过利用反映网络拥塞状况的MAC层参数信息确定拥塞度量值，使拥塞度量值准确地反映了网络当前的拥塞程度，并将目前网络拥塞状况通知上一跳节点，使上一跳节点根据网络拥塞状况及时进行业务量速率调节。
上述技术方案中，本发明节点首先在MAC层测量数据分组的平均发送时间t(av)S和平均到达时间t(av)A，并利用平均发送时间t(av)S和平均到达时间t(av)A的关系来定义拥塞度量值d。
数据分组的平均发送时间t(av)S是指每个数据分组成功发送的平均时间，其计算公式是：t(av)S＝(1-wS)×t(av)S0+wS×tS
式中，tS为发送新的数据分组的时间间隔，t(av)S0为发送新的数据分组之前的平均发送时间，wS为系数，且0<wS<1，即在每发送一个新的数据分组时，平均发送时间t(av)S更新一次。
数据分组的平均到达时间t(av)A是指每两个相邻到达MAC层的数据分组的平均时间间隔，其计算公式是：t(av)A＝(1-wA)×t(av)A0+wA×TN/N
式中，t(av)A0为发送新的数据分组之前的平均到达时间，TN为进行测量的时间间隔，N为在该时间间隔内到达的新的数据分组的数量，wA为系数，且0<wA<1，即在TN时间间隔内(有N个新的数据分组到达)，平均到达时间t(av)A更新一次。
实际应用中，可根据实际情况选择系数wS、wA的取值，以适应不同的应用要求。WS和wA取值影响测量的速度和精确度，其值越大，测量平均发送时间t(av)S和平均到达时间t(av)A的速度越快，但精确度越低，因此WS和wA取值存在一条平衡曲线。本发明技术方案中，设置WS＝0.2，wA＝0.2，以保证较高的测量精度。
获得平均发送时间t(av)S和平均到达时间t(av)A参数后，即可根据该参数获得拥塞度量值d。由于拥塞度量值d用于反映节点当前的拥塞程度，因此可以采用二参数的多种关系式表达拥塞程度。本发明中，拥塞度量值d定义为：d＝t(av)S/t(av)A
即节点当前的拥塞度量等于每个数据分组成功发送的平均时间与每两个相邻到达MAC层的数据分组的平均时间间隔的比值。也就是说，当每个数据分组成功发送的平均时间(av)S大于每两个相邻到达MAC层的数据分组的平均时间间隔t(av)A时，拥塞度量值d>1，说明输入速率高于输出速率，节点内有数据分组积压，节点发生拥塞；当每个数据分组成功发送的平均时间(av)S小于每两个相邻到达MAC层的数据分组的平均时间间隔t(av)A时，拥塞度量值d<1，说明输入速率低于输出速率，节点拥塞减缓。因此本发明拥塞度量值d可以充分反映当前的拥塞状况，并为有效控制拥塞提供了有用的信息。实际应用中，可根据实际情况采用其它的关系式表达拥塞程度。
获得拥塞度量值后，本发明将拥塞度量值设置在数据分组中，并利用无线信道的广播特性发送该数据分组，使上一跳节点接收此信息，避免了额外的控制消息的发送，有效降低了能量消耗。上一跳节点接收到拥塞度量值后，即可根据拥塞度量值进行业务量速率调节，以及时缓解网络变化所带来的拥塞。此外，上一跳节点会同样执行调节流程，使上一跳节点的上一跳节点进行业务量速率调节，直到没有上游节点为止。由此可见，本发明拥塞控制方法合理地通过逐跳的方式调节业务量速率，直到找到数据传输的源节点为止，使本发明拥塞控制方法具有精确度高、响应快速等优点。本发明在数据传输时通过逐跳准确地调节业务量的生成速率以实现拥塞控制，可以准确地调节中间节点转发分组的传输速率，充分适应无线传感器网络多对一传输和节点能量有限的特点，可以实现及时缓解网络变化所带来的拥塞，有效改善了网络的传输效率和能量效率。
图2为本发明根据拥塞度量值进行业务量速率调节的流程图。在图1所示技术方案基础上，步骤3具体包括：
步骤31、上一跳节点利用广播特性获得设置在数据分组里的第一拥塞度量值d；
步骤32、上一跳节点读取第二拥塞度量d0，所述第二拥塞度量值为上一跳节点前一时刻的拥塞度量值；
步骤33、判断所述第一拥塞度量值d与第二拥塞度量d0的关系，当d>d0时，执行步骤34，当d<d0时，执行步骤35，当d＝d0时，执行步骤38；
步骤34、上一跳节点设定其当前时刻业务量速率r＝Q×1/t(av)S，其中Q为预先设定的权重比例值，且0<Q<1，执行步骤37；
步骤35、上一跳节点设定其当前时刻业务量速率r＝λr0，其中r0为上一跳节点前一时刻业务量速率，λ为系数，λ>1；
步骤36、判断r是否大于1/t(av)S，是则令r＝1/t(av)S，执行步骤37，否则执行步骤37；
步骤37、令d0＝d，r0＝r；
步骤38、业务量速率调节完毕。
经发明人进一步研究表明，现有逐跳业务量速率调节方法技术缺陷的另一个原因是未考虑分组传输的公平性。对于无线传感器网络，节点发布任务的权重可能不同，现有方法未考虑到权重变化，会导致数据传输时相对公平性降低，增加了发生拥塞的可能性，导致传输效率和能量效率偏低。为此，本发明拥塞控制方法提出了一种基于权重值进行业务量速率调节的技术方案，根据反映网络拥塞状况的拥塞度量值，结合节点发布任务的权重值，在准确地调节中间节点转发分组的传输速率的同时，保证了数据传输时的相对公平性，降低发生拥塞的几率。
上述方案中，上一跳节点首先利用广播特性获得设置在数据分组里的第一拥塞度量值d，第一拥塞度量值d为本跳节点当前时刻的拥塞度量值，同时上一跳节点读取其前一时刻的拥塞度量值，即第二拥塞度量值d0，然后根据第一拥塞度量值d与第二拥塞度量值d的关系进行业务量速率r的调节，具体地：
在第一拥塞度量值d>第二拥塞度量值d0时，即本跳节点当前时刻的拥塞度量值大于上一跳节点前一时刻的拥塞度量值，说明本跳节点发生了拥塞或具有发生拥塞的趋势，应该进行减缓拥塞处理。为减缓拥塞，将本跳节点的业务量速率设定为最大允许速率1/t(av)S，同时为了保证公平性，上一跳节点的业务量速率则与其预先设定的权重值有关。具体地，设定上一跳节点业务量速率r＝Q×1/t(av)S，其中Q为预先设定的权重比例值，且0<Q<1。实际应用中，可根据具体情况和网络的实际特点对各节点的权重值进行设置，以适应不同的应用要求。例如，对于距离汇聚节点附近、通信量较大或者传输高速多媒体数据的节点，可以设置较高的权重值，以使其具有较高的业务量速率。
在第一拥塞度量值d<第二拥塞度量值d0时，即本跳节点当前时刻的拥塞度量值小于上一跳节点前一时刻的拥塞度量值，说明本跳节点没有拥塞或具有减缓拥塞的趋势。为保持较高的链路利用率，可以按比例增加业务量速率，具体地，设定上一跳节点业务量速率r＝λr0，其中r0为上一跳节点前一时刻业务量速率，λ为系数，λ>1。之后，通过判断以保证所设定的上一跳节点业务量速率不超过本跳节点的最大允许速率1/t(av)S。实际应用中，也可以根据第一拥塞度量值d增加业务量速率，例如，可以设定上一跳节点业务量速率r＝r0/d。
在第一拥塞度量值d＝第二拥塞度量值d0时，即本跳节点当前时刻的拥塞度量值等于上一跳节点前一时刻的拥塞度量值，说明本跳节点的拥塞状态没有变化，则不进行业务量速率调节，结束本发明业务量速率调节过程。
对于第一拥塞度量值d不等于第二拥塞度量值d0情况，由于上一跳节点业务量速率已改变，因此需进行上一跳节点的拥塞度量值和业务量速率的更新，用第一拥塞度量值d替换第二拥塞度量值d0，用当前时刻业务量速率r替换前一时刻业务量速率r0，完成本发明根据拥塞度量值进行业务量速率调节的过程。
在图2所示技术方案中，步骤31与步骤32之间还可以包括如下步骤：
上一跳节点判断所述第一拥塞度量值d是否是第一次收到，如果是，则设定第二拥塞度量d0＝1，上一跳节点前一时刻业务量速率r0＝R，其中R为预先设定的业务量速率，之后执行步骤32；如果否，则直接执行步骤32。
从本发明上述技术方案可以看出，本发明利用数据分组在MAC层的平均发送时间和平均到达时间获得了准确反映网络当前拥塞程度的拥塞度量值，并通知上一跳节点，使上一跳节点根据网络拥塞状况及时进行业务量速率调节。进一步地，本发明进行业务量速率调节时考虑了节点发布任务的权重值，保证了数据传输时的相对公平性，降低发生拥塞的几率。本发明通过合理地逐跳的方式调节业务量速率，根据反映网络拥塞状况的拥塞度量值并结合节点发布任务的权重值，可以准确地调节中间节点转发分组的传输速率，充分适应无线传感器网络多对一传输和节点能量有限的特点，实现了及时缓解网络拥塞的目的，有效改善了网络的传输效率和能量效率，具有吞吐量高、业务分组传输冲突少、时延和分组丢失率低、节点能量消耗小、精确度高、响应快速等优点。本发明适用于任何进行多对一传输的无线自组织网络，尤其是无线传感器网络，可作为无线传感器网络数据传输时的拥塞控制方法。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种拥塞控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、当有数据分组需要发送时，本跳节点在媒质接入控制层测量数据分组的平均发送时间和平均到达时间，并根据所述平均发送时间和平均到达时间获得第一拥塞度量值，所述平均发送时间为每个数据分组成功发送的平均时间，所述平均到达时间为每两个相邻到达媒质接入控制层的数据分组的平均时间间隔，所述第一拥塞度量值为本跳节点当前时刻的拥塞度量值；
步骤2、本跳节点将所述第一拥塞度量值设置在所述数据分组中并广播；
步骤3、上一跳节点获得所述第一拥塞度量值，根据所述第一拥塞度量值进行业务量速率调节。
2.根据权利要求1所述的拥塞控制方法，其特征在于，所述第一拥塞度量值为：d＝t(av)S/t(av)A，其中，d为第一拥塞度量值，t(av)S为平均发送时间，t(av)A为平均到达时间。
3.根据权利要求1所述的拥塞控制方法，其特征在于，所述平均发送时间为：t(av)s＝(1-wS)×t(av)S0+wS×tS，其中，t(av)S为平均发送时间，tS为发送新的数据分组的时间间隔，t(av)S0为发送新的数据分组之前的平均发送时间，wS为系数，且0<wS<1。
4.根据权利要求1所述的拥塞控制方法，其特征在于，所述平均到达时间为：t(av)A＝(1-wA)×t(av)A0+wA×TN/N，其中，t(av)A为平均到达时间，t(av)A0为发送新的数据分组之前的平均到达时间，TN为进行测量的时间间隔，N为在该时间间隔内到达的新的数据分组的数量，wA为系数，且0<wA<1。
5.根据权利要求1～4中任一权利要求所述的拥塞控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤31、上一跳节点利用广播特性获得设置在数据分组里的第一拥塞度量值d；
步骤32、上一跳节点读取第二拥塞度量d0，所述第二拥塞度量值为上一跳节点前一时刻的拥塞度量值；
步骤33、判断所述第一拥塞度量值d与第二拥塞度量d0的关系，当d>d0时，执行步骤34，当d<d0时，执行步骤35，当d＝d0时，执行步骤38；
步骤34、上一跳节点设定其当前时刻业务量速率r＝Q×1/t(av)S，其中Q为预先设定的权重比例值，且0<Q<1，执行步骤37；
步骤35、上一跳节点设定其当前时刻业务量速率r＝λr0，其中r0为上一跳节点前一时刻业务量速率，λ为系数，λ>1；
步骤36、判断r是否大于1/t(av)S，是则令r＝1/t(av)S，执行步骤37，否则执行步骤37；
步骤37、令d0＝d，r0＝r；
步骤38、业务量速率调节完毕。
6.根据权利要求5所述的拥塞控制方法，其特征在于，所述步骤31与步骤32之间还包括步骤：上一跳节点判断所述第一拥塞度量值d是否是第一次收到，如果是，则设定第二拥塞度量值d0＝1，上一跳节点前一时刻业务量速率r0＝R，其中R为预先设定的业务量速率，之后执行步骤32；如果否，则直接执行步骤32。
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