CN102595503A - 一种基于无线多媒体传感器网络的拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

基于无线多媒体传感器网络的拥塞控制方法是一种基于动态优先级的速率调节机制，主要用于解决基于多媒体的无线传感器网络发生拥塞时不同应用流的QoS保护问题。本发明中的速率调节是以优先级为依据，有效避免网络中高优先级的重要流量受到拥塞的影响，还可以动态地改变重要应用流的保护力度，进一步考虑到多媒体传感器网络的特点，当发生严重拥塞时，通过对网络远端流量的重点限制，可以维持网络的高效性。该方法使用基于动态优先级的速率调节机制，对不同应用的重要度加以区分，将拥塞的影响尽可能限制在普通的应用范围内，保护高优先级应用的QoS，实现多媒体传感器网络的高效性。

Description

一种基于无线多媒体传感器网络的拥塞控制方法

技术领域

本发明是一种基于无线多媒体传感器网络的拥塞控制方法，主要用于解决网络发生拥塞时进行数据传输控制的问题，属于无线网络服务质量技术领域。

背景技术

先前，传感器网络领域主要研究诸如湿度、温度、郁闭度等简单数据的采集、传输和处理。随着物联网时代的到来，人们迫切需要传感器网络能够提供视频、图像等多媒体信息的服务，由此无线多媒体传感器网络应运而生。无线多媒体传感器网络可以实现更为全面、精确的环境监控，因此在日常生活、军事、林业、生物医疗等广泛领域都有很大需求。

无线多媒体传感器网络通常面向多种应用，有些应用可能要求及时发送数据包。例如，当一个目标进入传感区域，传感节点会周期性采集数据发往基站，及时报告感知事件可能是很重要的。如果感知数据没有在接收期限之内到达，则业务的端对端时延要求不被满足，而视为无效。根据实时应用的要求，低延时传输有时可能比可靠传输更重要，因此，当无线多媒体传感器网络发生短暂拥堵时，系统必须为其提供有保证的服务质量。无线多媒体传感器网络发生短暂拥堵的原因：一种是当下游邻居节点争抢转发节点时可能出现的链路冲突，另一种则是上游节点需转发数据过多而出现的缓冲区溢出。

拥塞控制技术是传输控制协议中最基本、最核心的部分。一个时常出现严重拥塞且无法及时加以恢复的网络是不可能实现良好服务质量保证的，拥塞控制本质上是一个如何分享资源的问题。这些资源包括节点处理能力、缓存空间和通信链路带宽。这三者中的任何一个都可能成为潜在的瓶颈，从而导致网络拥塞。目前研究表明，传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求，传感器节点处理能力低、缓存空间小、传感器网络的无线链路质量差、带宽小以及数据流汇聚的通信方式等特点直接导致了其它网络体系中的既有协议不适用。针对这一状况已有不少基于拥塞控制的无线传感器网络数据采集机制被提出来，但它们对于无线多媒体传感器网络并不完全适用，因此需要一种考虑到无线多媒体传感器网络新特点的拥塞控制方法被提出。

发明内容

技术问题：传感器网络的数据汇聚可能引发或轻或重的拥塞(见图1)，从而造成系统吞吐量和服务质量的大幅下降，针对这一状况已有不少基于拥塞控制的无线传感器网络数据采集机制被提出来，但它们对于无线多媒体传感器网络并不完全适用，考虑到无线多媒体传感器网络能产生多种应用流量，如标量数据、图像、语音和视频等，且不同应用流量的重要性往往也是不同的，因此，很有必要提出一种基于无线多媒体传感器网络的拥塞控制方法来解决其拥塞问题。

技术方案：本发明的拥塞控制方法是一种基于动态优先级的速率调节机制，它依据应用流量的重要度周期性地调整(限制)各个节点的源速率，以此来应对拥塞问题，本质是牺牲普通应用来保证关键应用的QoS，此外在拥塞严重时，通过降低远离基站节点的应用流量优先级，避免系统吞吐量和效率受到严重影响。为了控制拥塞，可以减小数据采集率或者增大传输率，虽然调整MAC协议可以增大传输率，但相比之下，减小采集率要方便得多，如减少采样率即可降低采集率。本发明方法通过调节网络中不同流量的采样速率来进行拥塞控制，方案包含以下操作程序：

1)、设定系统的速率调节时间间隔，设定不同流量的应用优先级；

2)、检测拥塞状况；

3)、计算节点本地优先级；

4)、计算转发节点的流入优先级；

5)、计算节点全局优先级；

6)、测量数据包调度间隙；

7)、测量数据包的平均服务时间；

8)、计算基站节点的最大接收带宽；

9)、推算基站节点的子节点最大数据传输率。

10)、计算基站节点的数据接收速率与注入速率之差。

11)、调整基站节点的各个子节点i的注入(采样)速率。

12)、依此类推，调整基站子节点下面的各层子节点的采样速率。

基于无线多媒体传感器网络的拥塞控制方法使用基于动态优先级的速率调节机制，对不同应用的重要度加以区分，将拥塞的影响尽可能限制在普通的应用范围内，保护高优先级应用的QoS，实现多媒体传感器网络的高效性，具体方法如下：

步骤1：在网络初始化阶段，设定系统的速率调节时间间隔，并为不同流量设定对应的应用优先级，设三种流量类型为：URG表示关键应用，QUI表示重要应用，NOR表示普通应用；则优先级AP(URG)，AP(QUI)和AP(NOR)需要满足AP(URG)＞AP(QUI)＞AP(NOR)，三者具体数值由用户根据实际情况进行设置，

步骤2：网络运行中，所有节点计算拥塞指数，即节点中数据包的平均调度速率与平均服务速率的比值，据此判断拥塞级别，拥塞分I、II和III3级，

步骤3：非基站节点i计算本地优先级LP， $\mathrm{LP}\left(i\right)={\mathrm{\μ}}^{{\mathrm{\λ}}_1}*n*\mathrm{AP}\left(\mathrm{URG}\right)+{\mathrm{\μ}}^{{-\mathrm{\λ}}_2}*m*\mathrm{AP}\left(\mathrm{QUI}\right)+{\mathrm{\μ}}^{{-\mathrm{\λ}}_3}*k*\mathrm{AP}\left(\mathrm{NOR}\right)$ ，其中μ是可调参数，一般为2的幂次方；拥塞级别I时，λ₁＝λ₂＝λ₃＝0，拥塞级别II时，λ₁＝λ₂＝0；λ₃＝1，拥塞级别III时，λ₁＝0；λ₂＝1；λ₃＝2；n，m和k是可用于改变实际应用优先级的系统灵活参数，缺省均置为1，

步骤4：非基站节点i计算流入优先级IP，

其中C(i)表示节点i的所有子节点j的集合，

步骤5：非基站节点i计算全局优先级GP，GP(i)＝λ₄*LP(i)+IP(i)，其中参数λ₄在拥塞级别III级以下时取值为1，当拥塞级别达到III级时可由用户根据实际需要设置其为大于1的数值，

步骤6：非基站节点i计算数据包调度间隙

$t_a^i=(1-\mathrm{\α})*t_a^i+\mathrm{\α}*t_n/n,$ 其中1＞α＞0为一常量，t_n是派遣出n个新数据包的时间间隔，

步骤7：非基站节点计算数据包的平均服务时间t_s，t_s＝(1-β)*t_s+β*t′_s，其中1＞β＞0是常量，t′_s是最近发送数据包的服务时间，

步骤8：基站节点按照步骤7的公式计算得到数据包平均服务时间

从而计算出最大传输率

步骤9：基站节点s的子节点i计算其所获最大数据传输率 $r_{\mathrm{ser}}^i=\frac{\mathrm{GP}\left(i\right)}{\mathrm{GP}\left(s\right)}*r_s,$

步骤10：基站节点s计算数据接收速率与注入速率之差

其中

C(s)表示基站节点s的所有子节点i的集合，

同步骤9，ω是取值接近1的常量，

步骤11：基站节点的子节点i依据

调整各自发送速率，

步骤12：基站子节点i的下游子节点j依据

调整各自发送速率，其中

C(i)表示节点i的所有子节点集合，

为节点i的下游子节点j的实际发送速率，

步骤13：按照步骤12的方法，递推至网络末端节点，依序进行速率调整，

步骤14：当系统设定的速率调节时间间隔到，重复执行步骤2～13。

有益效果：本发明的目的是提供一种保证关键应用QoS的基于无线多媒体传感器网络的拥塞控制机制，以解决基于无线多媒体传感器网络发生拥塞时的应用区分和QoS保护问题。通过使用本发明提出的方法可以在无线多媒体传感器网络发生拥塞时，为不同应用流量提供与其优先级相匹配的服务，将拥塞带来的负面影响尽量限制在普通应用流量上，保护关键重要应用的QoS指标不受到大的影响。

简易性：实行“分布式”的速率调节机制，每个节点的速率调节工作量不大，对无线多媒体传感器的处理能力要求不高。

高效性：在网络发生轻度拥塞时，速率调节机制便投入使用，此时速率限制主要施加到普通流量上，以避免网络拥塞的进一步加剧，当发生较重的拥塞情况，则重点保护关键应用流量的带宽，避免其受到大的影响，特别地，当网络发生严重拥塞时，速率调节机制将加大对网络远端流量的限制，以此维持系统的高效性。

系统效率η：

其中V是基站节点收到的数据包全集，U是系统传输的数据包全集，hops(p)表示数据包p所经历的转发跳数。

灵活性：由于速率调节机制是基于动态优先级运作的，因此不同节点的不同应用在不同的拥塞级别里其速率调节也是不同的，这大大增加了系统的灵活性。

鲁棒性：该拥塞控制方法在某节点或链路失效情形下，网络其他部分仍能继续照常工作，并能将剩下来的传输带宽通过速率调节机制以优先级为依据分散到网络各处。

附图说明

图1是无线多媒体传感器网络的拥塞示意，

图2是本发明所适用的无线多媒体传感器网络模型，

图3是无线多媒体传感器网络节点的传输层模型，

图4是无线多媒体传感器网络节点的栈模型。

具体实施方式

一、体系结构

本发明所基于的无线多媒体传感器网络是数据采集型传感器网络，这种网络广泛应用于各种环境监测领域，可以采集多种应用数据，比如简单数据、语音、图片和视频等，不同的应用其重要性以及实时性要求不一定相同。该网络由一个基站和分布于平面上的大量传感器节点构成的，每个节点都有唯一的标识，所有传感器节点在部署之后不再移动，节点周期性地对被监测对象进行感知，并将所采集到的数据发送回基站。图2为本发明所基于的无线多媒体传感器网络模型，该网络中的数据传送采用多到一的多跳单路径方式。传感器网络中的单个节点可以产生不同类型的应用流量，如图2节点B有重要应用，节点D有关键应用和普通应用，C和E则三种应用都有，而节点A则不产生任何数据，仅作为转发节点存在。网络中接收其他节点数据包的节点称为父节点，相应发送数据包的节点为它的子节点，父节点i的子节点集合用C(i)来表示，图2节点B有3个子节点，D有一个子节点，C和E没有。在介绍方法流程前先对几个名词进行说明。

应用优先级(AP)：无线多媒体传感器网络可以采集多种应用数据，比如标量数据、语音、图片和视频等，不同的应用其重要性以及实时性要求可能是不同的，因此本发明中将应用进行分级，赋予它们不同的传输优先级。

本地优先级(LP)：在无线多媒体传感器网络中，不同节点所承载的应用在数量和类型上都可能不一样，因此，本发明将某单节点的所有应用优先级的累加定义为本地优先级。

流入优先级(IP)：某节点的流入优先级指的是其所有子节点优先级之和。

全局优先级(GP)：本发明将某节点及其所有子节点的优先级累加和定义为全局优先级。

拥塞级别：当拥塞指数C_m≥CI≥C₁时，拥塞级别为I；C_h≥CI≥C_m时，拥塞级别为II；CI＞C_h时，拥塞级别为III。CI，C_m和C_h均是系统中的可调门槛参数。

动态优先级：根据拥塞级别的不同，本地优先级以及全局优先级的计算值是变动的，故称之为动态优先级。

数据包调度间隙：图3传输层中调度任意队列中某个数据包所花费的时间。

数据包服务时间：网络数据包从进入MAC层开始直到被完全发送出去所经历的时间。

二、方法流程

图4是本发明中单路径路由传感节点的栈模型，i节点的输入流量

从它的孩子节点而来，本地流量的生成速率为

两个数据流在传输层汇聚，然后再转发给它的父节点。若注入流量速率

超过转发速率

则数据包将会在MAC层形成堆积。

是节点i的数据包输出速率，当

大于rⁱ，则

等于rⁱ，否则，只是接近于因此，可以有

这意味着降低rⁱ可以间接减小

由于节点i的输出流量就是节点i+1的输入流量，因此减小

也就意味着降低

若注入流量速率

大大超过转发速率拥塞就会发生。为了避免拥塞，要么减小rⁱ，要么增大

虽然调整MAC协议可以增大

但相比之下，减小rⁱ(降低

或者

)要方便得多。可以通过减少采样率来降低，通过节点i-1的速率控制来间接降低。如图2，假定系统存在三种类型的应用流量：关键、重要和普通。现将具体方法描述如下。

本发明的无线多媒体传感器网络的拥塞控制方法包括如下步骤：

步骤1)、设定系统的速率调节时间间隔；设定不同流量的应用优先级AP，通常，越重要的实时流量优先级越高，因此应该满足条件：AP(关键应用)＞AP(重要应用)＞AP(普通应用)。譬如设定AP(关键应用)＝16，AP(重要应用)＝8，AP(普通应用)＝4。

步骤2)、计算拥塞指数CI。

即节点i中数据包的平均调度速率与平均服务速率的比值，据此判断拥塞级别。

步骤3)、计算节点本地优先级LP。传感器节点i的本地优先级 $\mathrm{LP}\left(i\right)={\mathrm{\μ}}^{{\mathrm{\λ}}_1}*n*\mathrm{AP}\left(\mathrm{URG}\right)+{\mathrm{\μ}}^{{-\mathrm{\λ}}_2}*m*\mathrm{AP}\left(\mathrm{QUI}\right)+{\mathrm{\μ}}^{{-\mathrm{\λ}}_3}*k*\mathrm{AP}\left(\mathrm{NOR}\right),$ μ是可调参数，一般应为2的幂次方，以节约计算资源。在拥塞级别I时，λ₁＝λ₂＝λ₃＝0，不同流量的优先级比如步骤1所设；在拥塞级别II时，λ₁＝λ₂＝0；λ₃＝1，提高关键流量的相对优先级以保证其服务质量不受影响；在拥塞级别III时，λ₁＝0；λ₂＝1；λ₃＝2，提高关键重要流量相对于普通流量的优先级比，尽量将拥塞的影响限制在普通流量上。系数n，m和k是可用于改变实际应用优先级的系统灵活参数，以满足某(些)节点对于应用优先级的不同设置，它们的缺省值均为1。

步骤4)、计算转发节点i的流入优先级IP，

其中C(i)表示节点i的所有子节点集合，特别地，若节点i为叶子节点，则其流入优先级即为0，否则等于该节点所有子节点的本地优先级之和。

步骤5)、计算节点全局优先级GP，GP(i)＝λ₄*LP(i)+IP(i)，即节点i的全局优先级等于它自身的本地优先级累加上流入优先级，其中参数λ₄，当拥塞级别尚未达到III级时取值为1，不起实际作用，但当拥塞级别达到III级时取值大于1，以此来提高靠近基站节点的上游流量优先级，以避免系统吞吐量的大幅下滑。

步骤6)、计算数据包调度间隙

节点i的 $t_a^i=(1-\mathrm{\α})*t_a^i+\mathrm{\α}*t_n/n,$ 1＞α＞0为一常量，t_n是派遣出n个新数据包的时间间隔。

步骤7)、计算数据包的平均服务时间

节点i的t_s＝(1-β)*t_s+β*t′_s，1＞β＞0是常量，t′_s是最近发送数据包的服务时间。

步骤8)、同步骤7，基站节点s计算出数据包平均服务时间可得基站节点当前的最大传输率

步骤9)、计算基站节点s的子节点i的最大数据传输率GP(i)是节点i的全局优先级，GP(s)是基站节点的全局优先级，它们可由步骤1)2)3)和4)的执行而得。

步骤10)、基站节点s的数据注入速率

据此计算基站节点的数据传输(接收)速率与注入速率之差ω是取值接近1的常量。

步骤11)、调整基站节点s的各个子节点i的注入(发送)速率

调整量与节点i的动态优先级有关。当速率差Δr_s为正值时，子节点i的发送速率可以调高，相反则降低。

步骤12)子节点i计算数据接收速率

为其下游子节点j的发送速率之和，发送和接收速率差为

节点j的发送速率依然以动态优先级为调整依据，即 $r_{\mathrm{ser}}^j=r_{\mathrm{ser}}^j+\frac{\mathrm{GP}\left(j\right)}{\mathrm{GP}\left(i\right)}*{\mathrm{\Δr}}_i.$

步骤13)按照步骤12的方法，递推至网络末端节点，依序进行速率调整。

步骤14)、当系统设定的速率调节时间间隔到，重复执行2)到13)步骤。

Claims (1)

1.一种基于无线多媒体传感器网络的拥塞控制方法，其特征在于该方法使用基于动态优先级的速率调节机制，对不同应用的重要度加以区分，将拥塞的影响尽可能限制在普通的应用范围内，保护高优先级应用的QoS，实现多媒体传感器网络的高效性，具体方法如下：

步骤1：在网络初始化阶段，设定系统的速率调节时间间隔，并为不同流量设定对应的应用优先级，设三种流量类型为：URG表示关键应用，QUI表示重要应用，NOR表示普通应用；则优先级AP(URG)，AP(QUI)和AP(NOR)需要满足AP(URG)＞AP(QUI)＞AP(NOR)，三者具体数值由用户根据实际情况进行设置，

步骤2：网络运行中，所有节点计算拥塞指数，即节点中数据包的平均调度速率与平均服务速率的比值，据此判断拥塞级别，拥塞分I、II和III3级，

步骤3：非基站节点i计算本地优先级LP， $\mathrm{LP}\left(i\right)={\mathrm{\μ}}^{{\mathrm{\λ}}_1}*n*\mathrm{AP}\left(\mathrm{URG}\right)+{\mathrm{\μ}}^{{-\mathrm{\λ}}_2}*m*\mathrm{AP}\left(\mathrm{QUI}\right)+{\mathrm{\μ}}^{{-\mathrm{\λ}}_3}*k*\mathrm{AP}\left(\mathrm{NOR}\right),$ 其中μ是可调参数，一般为2的幂次方；拥塞级别I时，λ₁＝λ₂＝λ₃＝0，拥塞级别II时，λ₁＝λ₂＝0；λ₃＝1，拥塞级别III时，λ₁＝0；λ₂＝1；λ₃＝2；n，m和k是可用于改变实际应用优先级的系统灵活参数，缺省均置为1，

步骤4：非基站节点i计算流入优先级IP，

其中C(i)表示节点i的所有子节点j的集合，

步骤5：非基站节点i计算全局优先级GP，GP(i)＝λ₄*LP(i)+IP(i)，其中参数λ₄在拥塞级别III级以下时取值为1，当拥塞级别达到III级时可由用户根据实际需要设置其为大于1的数值，

步骤6：非基站节点i计算数据包调度间隙

$t_a^i=(1-\mathrm{\α})*t_a^i+\mathrm{\α}*t_n/n,$ 其中1＞α＞0为一常量，t_n是派遣出n个新数据包的时间间隔，

步骤7：非基站节点计算数据包的平均服务时间ts，t_s＝(1-β)*t_s+β*t′_s，其中1＞β＞0是常量，t′_s是最近发送数据包的服务时间，

步骤8：基站节点按照步骤7的公式计算得到数据包平均服务时间

从而计算出最大传输率 $r_s=1/{\stackrel{\‾}{t}}_s,$

步骤9：基站节点s的子节点i计算其所获最大数据传输率

步骤10：基站节点s计算数据接收速率与注入速率之差

其中

C(s)表示基站节点s的所有子节点i的集合，

同步骤9，ω是取值接近1的常量，

步骤11：基站节点的子节点i依据

调整各自发送速率，

步骤12：基站子节点i的下游子节点j依据

调整各自发送速率，其中

C(i)表示节点i的所有子节点集合，

为节点i的下游子节点j的实际发送速率，

步骤13：按照步骤12的方法，递推至网络末端节点，依序进行速率调整，

步骤14：当系统设定的速率调节时间间隔到，重复执行步骤2～13。

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