无线移动传感器网络的拥塞控制的研究

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摘要

由于具有方便、快捷、廉价等优势，无线传感器网络在人们生活中的应用越来

越广泛。然而，随着网络负荷的增加，网络会出现局部拥塞。如果不采取任何措施

来限制网络中的通讯量，在瓶颈链路的队列长度将会增加而导致数据包延迟增大

而且，随着队列大小的无限增加，在某些节点上的缓存空间可能会被耗尽，造成

数据分组丢失。选择合适的拥塞控制机制，防止网络内部的严重拥塞，对网络性

能的改善和网络服务质量（QoS）的提高起到了至关重要的作用。如今，拥塞控制

已成为网络研究的热点领域之一。

本文首先介绍了传感器网络及其 QoS 的相关概念及无线 QoS 目前所面临的问

题。接着分析了影响 QoS 的网络拥塞所产生的原因及对网络的意义；然后提出了

控制拥塞的主要措施：流量控制和多路径分流。

由于无线移动传感器网络的移动性以及能量的有限，网络的拓扑结构处于不

断的变化之中，因此，对于网络拥塞控制来说，节点对拥塞判断的及时性就显得

十分重要。基于单跳的流量控制很好的解决了这个问题：拥塞节点仅将拥塞信息

传送到它的前一跳节点，通过前一跳节点对数据分组的发送速度的控制以调节网

络的流量；同时，由于前一跳节点的拥塞状况不尽相同，如果将拥塞信息直接发

送给这些节点，则其中的一些节点将会因为流量的控制而很快的耗尽资源，而一

些节点却相对的空闲，因此，本文在前述思想的基础上，又采用了一种比例，根

据前一跳节点的拥塞状况，以确定发送流量的比例，保证拥塞节点内部的流量平

衡。

虽然流量控制能很好的解决了网络的拥塞状况，但是却是以降低网络吞吐量

为代价的。为了尽可能的提高网络的吞吐量，在结合前面的流量控制的基础上，

又提出了多路径分流策略：以最短路径为基础，当最短路径发生拥塞时，采用树

的倒叙找法，直至找到有备用路径的节点，然后通过备用路径进行分流，以提高

网络吞吐量。最后本文通过仿真，证明了该拥塞控制模型的可行性。

关键字：无线移动传感器网络 QoS 网络拥塞流量控制多路径分流

ABSTRACT

As advantages of convenience, fast and cheapness, WSN is applied widely in people's

lives. However, with increasing of networks load, a partial congestion will occur in

networks. If nothing is done to restrict traffic in networks, length of queues in

bottleneck link will increase, which results in packet delay. Moreover, with the

increasing of queue length, cache of some nodes may be exhausted, causing data group

loss. Choosing appropriate flow control scheme can reduce congestion to an extent,

having an important effect on improvement of networks performance and QoS. Now, it

has become one hot area on networks study to control flow.

Firstly, this paper introduced concepts on sensor networks and quality of service and

some question that faced. Then reasons of networks congestion affected QoS and

signification generated was analyzed. Finaly, main measure controlling congestion was

brought forward: flow control and multi-path flow distribution.

Because of Topology structure of networks varies from time to time for move of WSN

and limitation of energy. Therefore, as for networks congestion control, judging

congestion in time is very important. Based on single-hop flow control solves the

problem greatly: a congestion node only sends the congestion information to its former

hop nodes, and then sending rate of data groups is controlled by the former nodes to

adjust networks flow. At the same time, because congestion status of the former nodes is

not uniform with each other, resource in some of these nodes will be exhausted soon for

controlling flow if sending congestion information to these nodes directly, while others

free possibly. So this paper introduces a proportion based on the idea above: the

proportion will be calculated according to congestion status of the former hop nodes to

confirm and flow will be kept balance in congestion nodes finally.

However, flow control can alleviate congestion at the cost of through-put. Therefore

multi-path flow distribution is put forward based on flow control, which increases

networks through-put as much as possible. At last, the congestion control module is

confirmed feasible by emulation.

Key Words: wireless mobile sensor networks, QoS, congestion control,

flow control, multi-path flow distribution

目  录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 课题背景........................................................................................................1
§1.2 国内外研究现状............................................................................................2
§1.3 本文研究的出发点及核心思想....................................................................3
§1.4 本文的主要工作............................................................................................4
第二章 传感器网络及其服务质量.................................................................................6
§2.1 无线移动传感器网络概述............................................................................6
§2.1.1 传感器网络的概念.............................................................................6
§2.1.2 传感器网络的特点.............................................................................6
§2.1.3 传感器网络的拓扑结构.....................................................................7
§2.1.4 传感器网络的应用...........................................................................10
§2.2 无线移动传感器网络中的 QoS...................................................................12
§2.2.1 服务质量参数...................................................................................12
§2.2.2 移动传感器网络提供 QoS 支持所面临的问题和困难...................14
第三章 网络拥塞与拥塞控制.......................................................................................16
§3.1 网络拥塞与拥塞控制的背景知识..............................................................16
§3.1.1 网络拥塞的含义...............................................................................16
§3.1.2 拥塞产生的原因...............................................................................17
§3.2 拥塞控制的意义..........................................................................................18
§3.3 拥塞控制的措施..........................................................................................19
§3.4 拥塞控制的目标..........................................................................................20
§3.5 拥塞控制的主要问题..................................................................................21
§3.6 拥塞控制的有效性评价..............................................................................22
第四章 基于单跳的流量控制.......................................................................................25
§4.1 引言..............................................................................................................25
§4.2 网络流量的计算..........................................................................................26
§4.2.1 基于 AVQ 的流量预测.......................................................................26
§4.2.2 虚拟代价的计算...............................................................................27
§4.2.3 分配比例的计算...............................................................................28
§3.2.4 流量的计算.......................................................................................29
§4.2.5 队列长度的计算...............................................................................30
§4.2.6 动态阀值的计算...............................................................................31
§4.3 缓冲管理的研究..............................................................................................32
§4.3.1 缓冲管理与调度联合算法...............................................................32
§4.3.2 与分组调度相结合融入带宽分配...................................................33
§4.3.3 队列长度的控制与维护...................................................................34
§4.4 小结..................................................................................................................34
第五章 基于最短路径的分流策略...............................................................................35
§5.1 最短路径的选择..........................................................................................35

§5.2 多径路由的选择..........................................................................................36
§5.2.1 多径路由的概念..................................................................................36
§5.2.2 多径路由的选择准则..........................................................................37
§5.2.3 多径按需源动态路由协议..................................................................39
§5.2.4 最大节点不相交多径路由协议..........................................................39
§5.3 多径路由在流量分配中的使用..................................................................40
§5.3.1 流量在路径之间的分配原则...........................................................40
§5.3.2 路径之间流量大小的分配...............................................................42
§5.4 路由的建立与维护........................................................................................43
第六章 仿真与试验.......................................................................................................45
§6.1 NS2 仿真软件简介.........................................................................................45
§6.2 模型的建立....................................................................................................46
§6.3 实验内容及结果分析....................................................................................48
第七章 结束语...............................................................................................................54
参考文献.........................................................................................................................55
5

第一章绪论

§1.1 课题背景

近年来在微电子机械系统(MEMS)、无线通讯、数字电子方面取得的巨大成就

使得发展低成本、低功耗、小体积、短通信距离的多功能传感器成为可能。无线传感

器网络(Wireless Sensor Networks)就是在这些技术之上新出现的事物，它随着普

适计算[1]研究的深入，而越来越多地受到人们的重视。无线传感器网络是由大量形

体较小、能源受限并且配置有计算能力、存储能力和无线通信能力的传感器节点组

成的无结构网络，集成了传感器、微机电系统和网络等技术，其目的是协同地感

知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并传送给观察者，它是集

数据采集、数据处理、数据传输于一体的复杂系统。

与一般的传统网络系统相比，WSN的主要特点有：

① 节点数量大、密度高；

② 节点有一定的故障率；

③ 以数据为中心(Data Centric)；

④ 拓扑结构变化很快；

⑤ 节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。

WSN被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生

深远影响。2003年2月份的美国《Technology Review》杂志评出对人类未来生活产生

深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络被列为第一。WSN在军事、工业、医疗、

环境监测、交通管理、抢险救灾、民用等领域的巨大应用价值和潜在应用前景，引

起军事部门、工业界、学术界的广泛关注[2-4]。

传感器节点由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件这几部

分构成。电源为传感器节点提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、获取

外界的信息，并将其转换为数字信号。处理部件负责协调节点各部分的工作，如

对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知部件和电源的工作模式

等。通信部件负责与其他传感器或观察者的通信。此外，每个节点还有运行在其上

的软件，为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统

等。

然而，随着网络结构的复杂化，网络拥塞不可避免。在网络负载增加时，网

络时延和数据包丢失率迅速增加[5,6]，网络连接的发送端不能迅速检测到网络拥塞

状态而不断重发数据包，而路由器继续转发被丢弃的数据包，从而浪费了大量的

网络带宽。对于无线移动传感器网络来说，由于其的移动性和不断变化的拓扑结

构，现有的端到端拥塞控制策略己不能完全适用于传感器网络，以保证网络高效

运行。

因此，针对以上问题，一种最直接方法是使网络具有尽可能高的网络带宽。

然而，仅仅提高网络带宽，虽然可暂时缓解部分问题，但随后的一些新的网络应

用会更迅速地占用网络带宽，使所有网络连接的性能下降。另外，即使网络内部

无线移动传感器网络的拥塞控制的研究

提供了大量网络带宽，由于网络负载的不可预测性，网络拥塞现象还是可能在网

络边缘结点上产生。因此，要想解决这些问题，建立适合传感器网络的拥塞控制

模型，还需要研究一些更为有效的和优化的方法。本课题正是在这个基础上提出

来的。

§1.2 国内外研究现状

目前国内外对网络拥塞的研究还主要集中在Internet。Nagle于1984年发表第一

篇关于拥塞控制方面的文章[7]，随后，Von Jacobson等学者便投入到网络拥塞控制

的研究中[7-12]。时至今日，网络拥塞控制的研究已经涵盖了计算机网络各个方面。

TCP/IP，ATM，Frame-Relay, IP Multicast都有涉及拥塞控制的问题。下面就简要

介绍这几种网络的拥塞控制。

(1) TCP拥塞控制

TCP拥塞控制是一种端到端的控制机制，它是通过改变一些参数实现的，目

前己有的TCP拥塞控制的基本方式有：1988年由Van Jacobson提出的“慢启动”

(slow start)算法、“拥塞避免”(congestion avoidance)算法[7-12]；1990年出现的TCP

Reno版本增加了“快速重传”(fast retransmit)算法、“快速恢复”(fast recovery)

算法。避免了网络拥塞不够严重时采用“慢启动”算法而造成过大地减小发送窗

口尺寸的现象，这样TCP的拥塞控制就由这4个核心部分组成;最近几年又出现TCP

的改进版本如New Reno[12], SACK[13-14]等。TCP基于窗口的端到端的拥塞控制对于

Internet的鲁棒性起到了关键作用。然而，随着Internet木身的迅速发展，其网络规

模越来越庞大，结构日趋复杂。仅仅依靠端到端的拥塞控制是不够的，事实上在

Internet这样复杂的异构系统中，不能指望所有用户在Internet应用中兼容这种端到

端的拥塞控制。网络现在必须参与资源的控制工作。

(2) IP拥塞控制

目前在Internet上使用的拥塞控制是建立在TCP的窗口控制基础上的，IP层上

的拥塞控制比较少，但是针对这方面的研究正在增多。目前 IP处理拥塞的方法有

以下几种：传统的先进先出(FIFO)；随机早期检测算法(Random Early Detection,

RED)[10]；显示拥塞指示算法(Explicit Congestion Notification, ECN)[11]；公平排队

算法(Fair Queuing, FQ)[15]；加权公平排队算法(Weighted Fair Queuing, WFQ)[16]

和随机指数标记算法(Random Exponential Marking, REM)[17]。这些算法的重点是对

在路由器中排队等待处理的数据队列的处理策略和数据包的丢弃标准：其目的是

使拥塞可以避免或快速解除，同时保证对用户的服务质量和公平性。对于 IP层的

拥塞控制，目前虽然已经提出了扩充路由器功能来支持拥塞控制的方案，但实际

的Internet拥塞控制仍主要依赖于端到端的TCP拥塞控制机制确保鲁棒性。路由器

是执行IP协议的主体，也直接掌握着Internet上各种网络传输的信息，所以在IP层

实现拥塞控制可能是解决拥塞问题的更有效方法，这也是目前研究的热点之一。

(3) 其它网络的拥塞控制

其它网络的拥塞控制包括ATM网络的拥塞控制，Frame-relay网络的拥塞控制

和IP multicast网络的拥塞控制等。Yang提出了拥塞控制的一般分类方法[18]。第一级

分类的依据是拥塞控制采取开环方法还是闭环方法。开环协议包括在源节点使用

监管或是定长窗口重传策略。开环机制在任何节点都可以使用优先级服务(例如加

权服务、优先级队列以及选择性丢弃)。互联网中使用的一种特定的开环控制方法

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摘要由于具有方便、快捷、廉价等优势，无线传感器网络在人们生活中的应用越来越广泛。然而，随着网络负荷的增加，网络会出现局部拥塞。如果不采取任何措施来限制网络中的通讯量，在瓶颈链路的队列长度将会增加而导致数据包延迟增大而且，随着队列大小的无限增加，在某些节点上的缓存空间可能会被耗尽，造成数据分组丢失。选择合适的拥塞控制机制，防止网络内部的严重拥塞，对网络性能的改善和网络服务质量（QoS）的提高起到了至关重要的作用。如今，拥塞控制已成为网络研究的热点领域之一。本文首先介绍了传感器网络及其QoS的相关概念及无线QoS目前所面临的问题。接着分析了影响QoS的网络拥塞所产生的原因及对网络的意义；然后提出了...

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