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无线传感网网络拥塞论文
安徽大学
电子信息工程学院
无线传感网络课程论文
题目：
无线传感网网络拥塞
专业：
通信与信息系统
姓名：
本人
学号：
P201002058
指导教师：
胡老师
摘 要
无线传感器网络的多对一通信方式、无线链路的相互干扰、网络的动态变化和资源受限等特性,使得无线传感器网络容易出现拥塞,严重影响网络的QoS传输性能和生存周期,因此拥塞控制成为无线传感器网络服务质量保障机制的关键技术之一。
本文在介绍无线传感器网络特点的基础上,介绍了拥塞检测和拥塞避免的策略,重点介绍和分析了基于速率控制、流量调度和传输调度等典型的拥塞解除算法,最后对拥塞控制技术的发展趋势进行了展望。
关键词 无线传感器网络;拥塞控制;拥塞检测;拥塞避免;拥塞解除
Abstract
Inwirelesssensornetworks（WSNs）,themany-to-onecommunicationmode,mutualinterferenceofwirelesslinks,dynamicchangesofnetworktopologyandtheresources-restrainedcharacteristicofnode,allmakenetworkmorevulnerabletocongestion。
Socongestioncontrolhasbecomeoneofthemostimportanttechnologiestodecreasesuchimpactandguaranteethenetworkqualityofservice（QoS）.Inthispaper,basedonthecharacteristicsofthewirelesssensornetwork,andthenthreekindsofcongestiondetectionstrategiesbasedondatabufferlength,wirelesschannelsamplinganddatatransmittingrate,andtwokindsofcongestionavoidancemechanismsbasedondatarateallocationandbufferannouncementareintroduced.andfinallythedevelopmenttrendandfutureprospectofcongestioncontroltechnologyforwirelesssensornetworksarepresented.
Keywords wirelesssensornetwork;congestioncontrol;congestiondetection;congestionavoidance;congestionrelease
目录
第一章无线传感网的介绍及研究现状1
1.1无线传感器网络1
1.2WSN的节点结构、网络结构及网络体系结构2
1.2.1传感器网络节点结构2
1.2.2传感器网络结构2
1.2.3传感器网络的体系结构3
1.3目前研究重点及研究现状3
1.3.1MAC协议的研究3
1.3.2路由协议4
第二章 拥塞控制检测4
2.1 拥塞控制概述4
2.2 拥塞检测5
2.2.1 基于缓存长度的检测5
2.2.2 基于信道采样的检测6
2.2.3 基于传输速率的检测6
2.3 拥塞避免7
2.3.1 基于速率分配机制7
2.3.2 基于缓存通告机制7
第四章 拥塞解除7
4．1 基于速率控制的拥塞解除8
4．2 基于流量调度的拥塞解除10
4．3 基于传输调度的拥塞解除11
结束语13
参考文献14
无线传感网的网络拥塞检测及解决方法
第一章无线传感网的介绍及研究现状
1.1无线传感器网络
1.1.1基本概念
无线传感网络（WSN,wirelesssensornetworks）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。
它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。
WSN以最少的成本和最大的灵活性,连接任何有通信需求的终端设备,采集数据,发送指令。
若把WSN各个传感器或执行单元设备视为“豆子”,将一把“豆子”（可能100粒,甚至上千粒）任意抛撒开,经过有限的“种植时间”,就可从某一粒“豆子”那里得到其他任何“豆子”的信息。
作为无线自组双向通信网络,传感网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制节点的组网,同时具有一定的移动能力和动态调整能力。
1.2WSN的发展历程
无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。
最早的代表性论述出现在1999年,题为“传感器走向无线时代”。
随后在美国的移动计算和网络国际会议上,提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。
2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。
同年,美国《商业周刊》未来技术专版,论述四大新技术时,无线传感器网络也列入其中。
美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展,将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
2004年（IEEESpectrum）杂志发表一期专集:
传感器的国度,论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。
可以预计,无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
无线传感器网络是从传感器网络开始的,传感器网络经历了如图1所示的发展历程。
第一代传感器网络出现在20世纪70年代,使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器,采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络;第二代传感器网络,具有获取多种信息信号的综合能力,采用串,并接口（如Rs-232、RS-485）与传感控制器相联,构成有综合多种信息的传感器网络;第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初,用具有智能获取多种信息信号的传感器,采用现场总线连接传感控制器,构成局域网络,成为智能化传感器网络;第四代传感器网络正在研究开发,目前成形并大量投入使用的产品还没有出现,用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器,采用自组织无线接入网络,与传感器网络控制器连接,构成无线传感器网络。
图1传感网络发展历程
1.2WSN的节点结构、网络结构及网络体系结构
1.2.1传感器网络节点结构
如图2,传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元:
传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源。
此外,可以选择的其他功能单元包括:
定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。
图2无线传感器节点
1.2.2传感器网络结构
在传感器网络中,节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式,大量部署在被感知对象内部或者附近.这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息,并通过多跳网络将数据经由Sink节点（接收发送器）链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心.反之,远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。
整个网络主要包括以下几部分:
网络用户（任务管理节点）。
它负责从网络中获取所需要的信息,同时也可以对网络做出各种各样的指示、操作等;传输介质（Internet网或通讯卫星）。
它是用户与传感网络之间的桥梁和纽带。
Sink节点（接收发送器）。
它拥有足够的能量,可以将从传感器网络中的能量有限的节点上传来的信息转发到传输介质上。
传感网络。
这是传感器网络的核心。
在感知区域中,大量的节点自组成网,监测、感知信息向Sink节点发送,或接收来自Sink节点的操作命令,改变自身的工作状态。
1.2.3传感器网络的体系结构
网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合,是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述.对无线传感器网络来说,其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。
网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。
分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP协议体系结构;传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理;在分层协议和网络管理技术的基础上,支持了传感器网络的应用支撑技术。
1.3目前研究重点及研究现状
在无线传感器网络体系结构的这三大部分中,目前的发展主要集中在几个方面,在协议通信层主要研究重点是数据链路层MAC协议及网络层路由协议的研究;在网络管理技术层,主要研究方向是收集数据的管理、节能问题的解决以及网络通信安全的实现;在网络支撑技术层,主要研究点是节点定位问题的解决、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现,这其中,协议的研究与节能的实现又是相辅相成的。
1.3.1MAC协议的研究
传感器网络研究的核心问题之一是功耗管理。
通过对现有系统的分析可知,射频模块是节点中最大的耗能部件,是优化的主要目标。
MAC协议直接控制射频模块,对节点功耗有重要影响。
传感器节点无效功耗主要有以下四个来源。
①空闲侦听:
节点不知道邻居节点何时向自己发送数据,射频模块必须一直处于接收状态,消耗大量的能源。
这是无效功耗的最主要来源;②冲突:
同时向同一节点发送多个数据帧,信号相互干扰,接收方无法准确接收,重发造成能量浪费;③串扰（overhearing）:
接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗;④控制开销:
控制报文不传送有效数据,消耗的能量对用户来说是无效的。
由于上述原因,传感器网络MAC协议一般采用了“侦听/休眠”交替的信道侦听机制,节点空闲时自动转换为休眠状态,以减少空闲侦听。
我们可以根据协议中为减少数据碰撞和串音现象而采用的不同方法,将MAC协议分为三类:
（1）利用时分复用（TDMA）的方式为各节点分配独立固定的信道;
（2）通过频分复用（FDMA）或者码分复用（CDMA）的方式,实现无冲突的强制信道分配;（3）通过竞争机制,保证节点随机使用信道并且不受其他节点的干扰。
1.3.2路由协议
路由协议的任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由,可靠地传递数据。
由于传感器网络资源严重受限,因此路由协议要遵循的设计原则包括不能执行太复杂的计算、不能在节点保存太多的状态信息、节点间不能交换太多的路由信息等。
为了有效地完成上述任务,已经提出了很多种路由协议,它们大都利用了无线传感器网络的以下特点:
①传感器节点按照数据属性寻址,而不是IP寻址;②传感器节点监测到的数据往往被发送到Sink节点;③原始监测数据中有大量冗余信息,路由协议可以合并数据、减少冗余性,从而降低带宽消耗和发射功耗;④传感器节点的计算速度、存储空间、发射功率、电源能量有限,需要节约这些资源。
传感器网络路由协议可以归纳为以下几个类别:
（1）以数据为中心的路由协议。
（2）基于簇（cluster）的路由协议。
（3）基于位置的路由协议。
（4）基于数据流模型和服务质量要求的路由协议。
除了前面几类经典的路由协议设计方法,近年又出现了很多针对传感器网络的新路由协议和设计方法,路由协议研究正逐渐深入和务实。
例如,利用图中流量优化的方法来为采样数据报选择路由;将MAC层和路由层协议捆绑设计,用跨层优化技术来进一步节省功耗;路由能对随机部署的传感器网络进行自适应调整网络拓扑,并让冗余节点经常处于睡眠状态。
第二章 拥塞控制检测
2.1 拥塞控制概述
无线传感器网络能够应用在众多领域,它被分为周期性的信息收集、事件检测和混合等应用类型,感知区域内的传感器节点周期性获取感知信息,并逐跳地发送给Sink节点,具有集中式数据收集、多跳数据传输、多对一通信方式等特征。
距离Sink越近的节点需要转发的数据分组越多,其流量负担就越重,这种网络流量的不均衡特性本身就决定了Sink节点往往成为通信的瓶颈,Sink节点附近容易出现拥塞现象。
对于突发事件检测的应用,事件发生的概率通常很低,传感器节点在大部分时间内没有数据发送,为了节省能量周期性处于睡眠状态。
在发生突发事件时,由于传感器节点大规模密集部署,局部相邻的多个节点往往会同时监测到同一个事件,它们可能同时发送事件消息给用户,而传输路径上的部分节点可能处于睡眠状态,这容易造成事件附近局部区域的拥塞除了上述网络本身流量的“漏斗效应”和突发事件造成局部流量的增大外,还有多种因素会引起网络拥塞,如外界对无线链路的干扰使得局部的吞吐量降低,网络部署或设计不当使得网络存在通信瓶颈节点,以及网络拓扑的动态变化和网络负载流量的波动等。
另外,每个无线传感器网络通常需要完成多种感知数据收集和事件检测,多种类型的数据流存和感知区域内的恶劣环境都会增加网络拥塞的可能性。
无线传感器网络的拥塞可以分为两种类型:
一种类型是节点级的拥塞,这是与传统网络共同具有的拥塞,就是节点需要发送的分组流量超过节点的发送能力,导致缓存溢出造成数据分组的丢失和网络排队延迟的增加;另一种类型是无线链路级的拥塞,无线信道是共享信道,在同一时刻相邻节点只能有一个节点使用无线信道,当多个相邻节点同时竞争使用无线信道时,就会产生访问冲突引起链路
级拥塞,增加分组的服务时间,降低链路利用率和网络的吞吐量。
无线传感器网络的拥塞会严重影响网络的能量消耗和QoS传输性能。
它能够造成网络传输能力的下降和传输延时的增加以及数据的丢失,由此产生的重传又会进一步增加网络流量;由于传感器节点到达Sink的跳数不同,在拥塞发生时远离Sink的源节点产生的数据被丢弃的概率大,获得到达Sink的通信带宽小,这会造成节点数据的传输不公平性。
另外,拥塞造成大量的数据丢失和重传还浪费了网络能量,减少了无线传感器网络的生存周期。
因此,需要高效地控制无线传感器网络的拥塞,避免网络出现拥塞或及时解除出现的拥塞。
避免拥塞需要限制节点发送自身感知信息的速率及合理分配各个节点的发送速率,解除拥塞通常采用速率控制、流量的重新调度、分组丢弃和网内处理等方法。
无线传感器网络的拥塞控制机制需要考虑如下方面:
1）能量有效。
拥塞控制的操作简单开销要少,占用节点的存储空间要小;在节点没有数据发送或未产生拥塞时尽量不启动拥塞控制,但同时要保证一旦拥塞发生后能够及时进行拥塞控制;避免或减少由于缓存溢出带来的分组丢失。
2）保证网络传输的
质量,如网络延迟、网络吞吐量和分组丢失率等。
3）动态适应性。
要能够适应网络的动态变化和部署环境的变化,也能够适应处理局部的拥塞和整个网络的拥塞。
4）及时性。
能够预测或及时发现网络拥塞,并在较短时间内解除拥塞,避免拥塞扩散。
5）公平性。
拥塞控制机制要保证节点发送数据的公平性。
2.2 拥塞检测
在无线传感器网络局部或全网范围内,当需要传输的信息量超过网络的吞兔量时,数据阻塞在节点的缓存中就会出现网络拥塞。
拥塞会加剧无线信道的冲突和碰撞,也会造成节点缓存中数据队列长度的增加甚至溢出,还会降低整个网络的吞吐量,减少Sink节点获取的感知数据量。
拥塞检测用来判断网络中是否出现了拥塞,它是拥塞控制的基础。
拥塞检测的准确性和及时性对拥塞控制的性能具有重要影响。
基于拥塞表现出来的各种网络状态,人们提出了多种拥塞检测机制。
2.2.1 基于缓存长度的检测
基于节点缓存内数据队列长度来判断网络的拥塞状况是无线传感器网络中最常见的方法,它认为缓存内数据队列越长说明节点发送数据的机会越少,邻居节点竞争使用了共享的无线信道,附近区域越有多的数据需要发送就越有可能出现拥塞。
基于缓存长度的拥塞检测通常设定一个阈值如果瞬时的缓存队列长度超过这个阈值就认为发生了拥塞。
这种方法的优点非常简单,几乎没有额外的开销。
检测阈值如果设置较大,那么当数据占用缓冲区的大部分时才检测到拥塞状态,不利于及时解除拥塞。
一种改进的方法是结合考虑缓存的“增长趋势”,在数据队列超过一定阈值时,如果队列长度处于快速增加状态就判断出现了拥塞;如果队列长度处于减少状态说明拥塞正在解除过程中。
缓存内数据队列长度只能反应节点的接收分组速率与发送分组速率的关系,间接地反映网络的流量状况。
CODA指出单独的缓冲区占用情况不是一个可靠的拥塞检测指示,特别是由于无线冲突或隐终端现象,分组在无线信道上丢失而无法传输到下一跳节点的缓存,只有缓存满或缓存空才可能是拥塞的指示。
因此,基于缓存长度的拥塞检测方法对网络传输的可靠性要求较高。
虽然通过逐跳的ACK或者RTSPCTS机制予以改善,但是这又带来了额外的开销和网络流量。
2.2.2 基于信道采样的检测
基于信道采样的拥塞检测的依据是如果出现拥塞,拥塞区域内的节点忙于竞争无线信道发送分组,无线信道连续处于忙的状态。
信道采样的目标是获得当前信道利用率的一个估计,这个估计作为拥塞的指示。
但是,信道利用率与拥塞的关系依赖于MAC协议,如TDMA中信道可以几乎饱和而不会影响吞吐量,而CDMA协议存在最大的信道利用率,网络流量过大引起信道冲突,造成网络的吞吐量减少。
当信道利用率在最大利用率附近时认为网络出现了拥塞。
为了准确及时地发现无线信道的忙闲,需要连续采样信道状态,但是连续采样会消耗节点过多的能量。
CODA在节点需要发送数据时才对无线信道进行采样。
如果在采样期间信道忙的次数多就认为附近区域出现了拥塞。
这种检测机制与MAC层的冲突避免机制相结合,能够有效减少能量的消耗1COMUT的拥塞检测针对分簇结构的网络,利用簇头节点监听簇内的流量状况,然后使用排队论计算簇内节点的缓存溢出概率,藉此判断簇内是否出现了拥塞。
信道采样直接反映网络的通信流量状况,判断拥塞的准确度相对较高,但是需要底层通信协议的支持,以及增加节点能量的消耗。
2.2.3 基于传输速率的检测
基于传输速率的检测是根据节点的发送速率或Sink接收数据的速率,判断附近区域或整个网络是否出现了拥塞。
ESRT中Sink节点根据它接收数据的速率来判断整个网络的拥塞状况。
它应用在周期性数据收集的网络中,所有传感器节点发送的信息量相同,而且发送周期可以调整。
根据传感器节点的数据量从小到大逐步增加,网络遵循从不拥塞、最大吞吐量到轻度拥塞、重度拥塞的变化轨迹。
相应地,Sink接收数据的速率会经历从小到大、再到小的变化过程。
Sink根据接收数据速率的变化和传感器节点发送速率的调整判断网络是否出现拥塞。
这种方法只适用周期性报告的传感器网络应用,拥塞检测的周期比较长。
2.3 拥塞避免
拥塞避免就是避免在局部和全网范围内出现数据流量超过网络的吞吐量。
避免网络拥塞的主要方法是控制节点的发送速率,可以通过严格的速率分配机制或缓存通告机制等来实现。
2.3.1 基于速率分配机制
基于速率分配的机制通常用于路径相对稳定的网络,通过严格分配每个节点产生数据的速率和发送速率,保证任何一个节点的产生数据速率和所有子节点发送速率之和,不超过分配给节点的发送速率,使得网络中任何区域内的网络流量不超过网络的吞吐量。
例如在所有节点产生数据速率都相同的树型拓扑结构中,假设节点的发送速率为r,节点所在子树的节点数目为（n-1）,其父节点发送速率为R,父节点所在子树节点数目为（N-1）,那么节点的发送速率r=R×n/N。
这种方法把父节点的通信带宽均分给所有子树上的节点,通过控制所有子
树节点形成的通信流量不超过节点的发送速率,避免出现网络拥塞。
但这种方法需要获得子树节点数目,各种干扰因素很难保证网络吞吐量和节点发送速率的稳定。
2.3.2 基于缓存通告机制
一种基于轻量级缓存管理的拥塞避免机制,仅在接收节点有足够缓存容纳要发送的数据分组时,发送节点才向其发送数据,避免传播路径上中间传感器节点因缓存溢出造成拥塞。
节点在发送数据分组时,在头部稍带当前缓存的状态信息,包括缓存的剩余空间。
空闲节点侦听无线信道上每个分组的源节点和目的节点,这样每个节点都能够及时获得邻居节点的缓存状态信息。
当节点希望发送分组时,如果其父节点缓存非满就发送;否则,缓存该分组直到父节点的缓存有空闲空间。
这种机制需要MAC协议的支持,同时存在隐终端问题会造成缓存状态消息的过时。
为此,该文又提出了一种IP6缓存的策略,即节点只广播其实际剩余缓存的IP6,这样能够减少隐终端问题导致的缓存溢出。
在实际传感器网络应用中,根据周期性报告或突发事件监测等应用类型的数据流量特性,以及网络部署、拓扑形成机制、节点的通信能力、网络通信协议等,判断网络的吞吐量是否满足数据流量的需求,分析存在全局拥塞或局部拥塞的概率。
在此基础上,通过限制节点的获取感知数据速率,或增加网络的吞吐量,或根据感知信息精度的要求,在预测拥塞将要出现时,（动态）调整节点的发送速率以及采用适当的策略丢弃分组等方法,减少网络出现拥塞的概率。
第四章 拥塞解除
由于实际应用环境的复杂性和网络流量的波动等诸多原因,在大多数应用中避免网络拥塞是非常困难和不现实的,研究人员更多研究在检测到网络拥塞后如何进行拥塞通告和拥塞解除。
当检测到网络将要或已经出现拥塞时,可以采用显式或隐式的方式进行拥塞通告。
显式通告使用专用的控制消息如CODA的反向压力消息,通知相关节点发生了拥塞。
隐式通告是在正常的数据分组中捎带拥塞信息,其他节点通过接收或监听这样的数据分组获取拥塞状况。
如ESRT在检查到拥塞时节点在数据分组的头部设置CN（congestionnotification）位,Sink节点根据分组的CN位及时了解网络的拥塞状况。
拥塞通告消息往往需要发送给数据源,也可以发送到通告源的所有子树。
如果节点一直检测到拥塞存在,可以不断地向上游节点发送拥塞通告消息,或者是发送规定最大次数后停止,以便减轻通告消息造成的流量增加。
解除拥塞有速率控制、流量调度、传输调度、分组丢弃和网内处理等多种方法。
在基于速率控制的机制中,传感器节点控制发送自己采样数据的速率和转发速率,如果应用规定了节点的采样速率,可以控制以这个速率产生数据的节点数量。
速率控制可以采用端到端的方式,Sink节点利用返回确认或命令通告等,迫使节点降低它们的发送速率;速率控制也可以本地执行,节点根据收到邻居节点的拥塞通告消息减少发送速率。
最终的期望速率取决于用户的信息精确度需求,通常放宽这些需求来减少拥塞状态的出现频率和持续时间。
流量调度通过把拥塞区域的部分流量调度到附近非拥塞区域,减轻拥塞区域的流量负载。
分组丢弃是在缓冲区满的情况下接收到新分组,节点必须丢弃这个新分组或者队列中一个旧分组;如果分组带有表示重要性的优先级权值,节点根据分组的优先级丢弃优先级最低的分组,但这些分组在丢弃前已经使用了网络的资源,相对而言在数据源减少发送速率更为可取。
对于网内处理和聚合,传感器网络是
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