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硕士论文 基于事件剩余价值策略的无线传感器州络拥寒与速率控制 摘要 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展，无线传感器网络 w s n ( w i r c l e s ss e n s o r n e t w o r k s ) 6 1 起了人们的极大关注。w s n 主要任务是监测环境。 它的事件突发性和多对一的通信模式常常导致靠近基站处发生拥塞。 当前许多w s n 拥塞控制机制虽然提高了整体网络的传输质量，但没有考虑到 事件的实时性程度不同，要确保实时性高的重要数据包及时、可靠的传输。在w s n 应用中，时间约束是很重要的。如果实时性要求高的事件被延迟，将给实际应用带 来严重后果。因此，如何高效、公平、节能地将尽可能多的高实时性的数据汇集到 基站是该类网络的一个关键问题。 基于以上原因，本文提出了一种基于事件剩余价值策略的无线传感器网络拥塞 与速率控制方法c c b v p ( ac o n g e s t i o na n dr a t ec o n t r o ls c h e m eb a s e do nr e m a i n d e r v a l u ep o l i c y ) 。c c b v p 以定向扩散为路由，它主要分四个部分：( i ) 设定监测事件基 准价值，基准价值体现监测事件对实时性要求的重要程度。同时设定价值随着传输 时间的延时而不断变化。( i i ) 拥塞检测和逐跳的拥塞反馈机制。提前检测拥塞，进行 拥塞信息反馈，避免拥塞的产生。当拥塞产生时，丢弃当前剩余价值最低的数据包。 ( i i i ) 当无拥塞时，s i n k 节点根据各监测事件的价值可信度情况，发送速率调节消息， 避免拥塞反复出现，同时减少数据过量时带来的能量损耗和数据量过少影响s i n k 节点准确监测该事件和资源的浪费。( i v ) 源节点和传输节点接收到拥塞信息或速率 调节消息后，各节点基于数据包当前剩余价值调节发送速率，有效的避免拥塞和解 决拥塞的，确保高价值数据包的及时、可靠传输。本文给出了c c b v p 机制的思想 及具体实现。 同时，传统的网络性能指标只能体现网络整体数据包的传输状况，不能衡量高 价值数据的传输性能。因此，本文拟定了三个新的评价标准：网络的价值效率、价 值吞吐量和价值的丢包率。该标准用来评价网络能否有效的将尽可能多的高价值数 据汇聚到s i n k 节点，体现了网络传输的实时性能。 运用n s 2 进行扩展的仿真研究。仿真试验表明：c c b v p 不仅减少了丢包率、 提高了吞吐量，而且其网络的价值效率、价值吞吐量均比c o d a 高，其价值丢包率 也比c o d a 低。 关键字：无线传感器网络；定向扩散；拥塞控制；速率控制；数据价值 硕士论文基于事件剩余价值策略的无线传魑罂网络拥塞与速率控制 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n ，e m b e d d e dc o m p u t i n ga n ds e n s o r t e c h n o l o g y , w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) i sg a i n e dp e o p l e sg r e a ta t t e m i o n w i r e l e s s m a i n 础i st od e t e c tt h ee n v i r o n m e n t m u l t i h o pa n ds e v e r a l - f o r - o n ec o m m u n i c a t i o n p a r e m o t k nl e a dt oh a p p e n i n gc o n g e s t i o nn 哉t l - b a s es t a t i o n d u r i n gt h ep a s tt h ep a s tf e wy e a r s ，r e s e a r c h e r sh a ss u g g e s t e dal o to fc o n g e s t i o n c o n t r o la l g o r i t h m so fw s n t h e s ea l g o r i t h m sh a v ea l le f f e c tt o i m p r o v eq u a l i t yo f t r a n s m i s s i o nq u a l i t yi nw s n b u ti ti sn o tb ei n v o l v e dt h a tt h ei m p o r t a n tp a c k e t sn e e dt o t r a n s f e ri nt i m e t i m ei sav e r yi m p o r t a n tc o n s t r a i n ti nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si f h i g h - v a l u ee v e n t si sb ed e l a y e d ，t h ea c t u a la p p l i c a t i o nw i l lb eb r o u g h ta b o u ts e r i o u s c o n s e q u e n c e s b a s e do nt h ea b o v ec h a r a c t e r i s t i c ，i ti si m p o r t a n tt oe f f i c i e n t l y , f a i r n e s s ， p o w e r - e f f i c i e n t e dt og a t h e rt h eh i g h l yv a l u ed a t at os i n ko rb a s e - s t a t i o n s o ，t h i sp a p e rp r o p o s ec c b v p ( ac o n g e s t i o na n dr a t ec o n t r o ls c h e m eb a s e do n r e m a i n d e rv a l u ep o l i c y ) c c b v pi sb a s e do nd i r e c t e dd i f f u s i o n i ti sd i v i d e di n t of o u r p a r t s ( i ) p r o p o s cb e n c h m a r kp r i c e d a t u mp r i c ee m b o d i e st h ee v e n to nt h er e a l - t i m e r e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo fi m p o r t a n c e a n dp r o p o s et h a tt h e i rv a l u er e d u c eg r a d u a l l y w i t ht h en e t w o r kt r a n s f e r st i m e si n c r e a s i n g a n dp r i c i n gc h a n g er u l e ( i i ) d e t e c t c o n g e s t i o na n dc o n g e s t e dn o d et of e e d b a c kc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o nm a s s a g eh o p b y h o s p w h e nc o n g e s t i o no c c u r s ，l o w e s tv a l u ep a c k e t sa r ed r o p p e d ( i i i ) s i n ks e n tm t e a d j u s t i n gm e s s a g eb a s e do nv a l u er e l i a b i l i t yw h e nc o n g e s t i o nd i s a p p e a r i ta v o i d s r e c u r r i n gc o n g e s t i o na n dl o s so f e n e r g y ( i v ) a l lt h en o d e sa d j u s tr a t eb yr e s i d u a lp r i c e i t e n s u r e sh i g h v a l u ep a c k e t si nat i m e l ya n dr e l i a b l et r a n s m i s s i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sa c c b v pa l g o r i t h ma n di t sc o n c r e t er e a l i z a t i o n b e c a u s es t a n d a r d so ft r a d i t i o n a ln e t w o r kp e r f o r m a n c er e f l e c to n l yt r a n s m i s s i o n s t a t u so ft h eo v e r a l ln e t w o r kp a c k e t t h e yd on o tm e a s u r et h eh i g h v a l u e p a c k e t t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e s o ，t h i sp a p e ra l s op r o p o s e st h r e em e a s u r e st oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fs e n s o rn e t w o r k su n d e rc o n g e s t i o n ：n e t w o r kv a l u ee f f i c i e n c y , v a l u e t h r o u g h p u t , v a l u el o s sr a t e t h es t a n d a r dr e f l e c t st h er e a l t i m et r a n s m i s s i o no fn e t w o r k p e r f o r m a n c e w ec o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o d ai nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k su s i n gt h e n s 2s i m u l a t o r t h er e s u l to f e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h i sn e wa l g o r i t h mi m p r o v e sn e t w o r k v a l u e e f f i c i e n c ya n d v a l u et h r o u g h p u ta n dr e d u c ev a l u el o s sr a t e 硕士论文基于事件剩余价值策略的无线传感器嘲络拥塞j 速率控制 k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；d i r e c t e dd i f f u s i o n ；c o n g e s t i o n c o n t r o l ；r a t ec o n t r o l ；d a t av a l u e i i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月目 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士论文基于事件剩余价值策略的无线传感器脚络拥塞1 j 速率控制 1 绪言 1 1 引言 近年来更小、更廉价的低功耗计算设备代表的“后p c 时代”冲破了传统台式计 算机和高性能服务器的设计模式：普遍的网络化带来的计算处理能力是难以估量的； 微机电系统( m i c r o e l e e t r o - m e c h s n i s ms y s t e m ，简称m e m s ) 的迅速发展奠定了设计和实 现片上系统( s y s t e mo nc h i p ，简称s o c ) 的基础1 6 8 1 。以上三个方面的高度集成又孕育出 了许多新的信息获取和处理模式。无线传感器网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 就 是在这些技术之上新出现的事物。如果说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息时间，改变了 人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息与客观上的物理 世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式【3 1 。美国商业周刊和m i t 技术评论在 预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响的2 l 项技 术和改变世界的十大技术之一。 无线传感器网络是由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点密 布在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测 控网络系统。w s n 节点的结构如图1 1 1 所示。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。 电源。软件+ ， 1j 嬲舯h 嵌入式处骀h 通信部件 j 存越器 图1 1 1 节点结构 硕士论文基于事件剩余价值策略的无线传感器网络拥塞与速率控制 无线传感器网络采用多跳对等的通信方式，其网络拓扑动态变化，具有自组织、 自治、自适应等属性。其传输控制和传统i n t e r n e t 网络的控制具有很大的区别，主要 体现在如下两个方面： 数据传输的突发性：传感器网络结点一般成千上万地投到需要监控的环境。这些 结点一般无人看守。平时网络的负载很低，只需要维持一些基本的信息，如邻居的发 现、路由的维护等。但一旦在某个区域内有事件发生时，该区域内的传感器网络结点 的通信量非常大。 能量意识：在无线传感器网络中能量是除带宽外另外一个受限的资源【i9 】。无线传 感器网络在数据传送过程中既要避免选择拥塞的节点，同样也要避免选择低能量的节 点。在解除拥塞时要考虑节能问题。 实时性：在无线传感器网络中，时间约束很重要。一些对端到端到通信实时性有 明确要求的应用，如工业控制中压力表的测量值需要周期性、按时到达检测站。而无 线传感器网络的超大规模、动态变化以及易受干扰等特点给实时设计提出了很大的挑 战。 由于传感器节点分布规模大、所携带的电影及其内部的计算能力、通信和存储能 力非常有限等特殊性，在建立无线传感器网络拥塞机制除了需要考虑公平性、吞吐量 等因素外、还需要考虑实时性和能耗。如果没有一个好的机制来管理流量，网络冲突 引起数据包重发，网络负载将会迅速增大，将消耗大最的量，同时重要数据被延时将 给实际应用带来严重后果。 本章首先对无线传感器网络进行了简单的介绍，包括无线传感器网络结构、协议 栈、无线传感器网络面临的挑战：介绍了无线传感器网络的定向扩散路由，介绍了拥 塞及产生原因；在此基础上，给出了本文的研究内容和总体结构。 1 2 无线传感器网络 在当今信息技术飞速发展的时代，无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广 泛关注。1 9 8 8 年，m a r kw e i s e r t 5 6 】提出了“普适计算”思想，其基本思想是为用户提 出服务的计算技术将从用户意识中彻底消失，用户和周围环境在潜意识上进行交互， 用户不会有意识地弄清楚服务来自周围何处。无线传感器网络技术是普适计算思想的 延伸。借助于有大量游离于我们四周的微传感器构成的网络，我们可以实时地监测周 围物理环境的变化，不断地将一些模糊的感觉量化，将一些影响我们日常生活的无论 现象信息化。可以说，无线传感器网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在 一起，改变这人们与自然交互的方式。、 无线传感器网络是由多个带有传感器，数据处理单元及通信模块的节点，根据数 据采集任务的需录自组织而成的网络 2 2 1 。其任务是从环境中采集用户感兴趣的数据， 2 堡主丝苎苎皇竺型全竺篁篁堕塑兰丝堡堕堂堕竺塑鲞皇蕉圭丝墅 数据源节点负责数据的采集，所采集到的数据通过多个中间节点转发以多跳方式传递 给数据接收者( s i n k ) ，通常数据在经过中问节点时，需要一定的处理，去除冗余性提 取有用信息。按照应用模式，传感器网络可以分为主动和响应两种类型。主动型传感 器负责持续监测周围环境现象，并以恒定速率发送数据；而响应型传感器网络只在事 件触发时才传送数据。 无线传感器网络和传统无线自组织网络有一定相似处，但也存在本质区别。这主 要体现在无线传感器网络是以数据为中心的，是为一类特定的数据采集应用而设计 的，而传统无线自组织网络则是为多种应用而设计的一种通用平台。无线传感器网络 与传统的传感器阵列也有本质区别，这主要体现在传统的传感器阵列只是将各个传感 器收集到的数据统一接收到一个处理中心进行集中式处理以提取出有用信息，而在无 线传感器网络中，数据在传输的过程中也要经过网络内的分= 竹i 式处理，精炼提取有 用信剧“j 。 1 2 1 无线传感器网络结构 传感器网络结构如图1 2 1 1 所示，传感器网络通常包括传感器节点( s e n s o r n o d e ) ， 汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域( s e n s o rf i e l d1 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器 节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由 到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理接点。用户通过管理节点对传感器网络 进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 图1 2 1 1无线传感器网络体系结构图 硕士论文基于事件剩余价值策略的光线传感器嘲络拥塞与速率控制 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能 力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾 传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要 对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一 些特定任务【l5 1 。目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与 h l 钯m e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监 测任务，并把收集的数据转发到外部网络上【i ”。汇聚节点既可以是一个具有增强功能 的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能 仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 1 2 2 无线传感器网的协议栈 随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。圈 1 2 2 1 的( 1 ) 是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络 层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量 管理平台，移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能 源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源 共享。各层协议和平台的功能如下： 图1 2 2 1 无线传感器网络协议栈 ( 1 ) 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。 ( 2 ) 数据链路层负责帧检测、媒体访问和差错控制。 ( 3 ) 网络层主要负责路由生成与路由选择。 ( 4 ) 传输层负；莹数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。 4 硕士论文基于事件剩余价值策略的无线传感嚣嚼络拥塞与速率控制 ( 5 ) 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。 ( 6 ) 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省 能量。 ( 7 ) 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得 传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。 ( 8 ) 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 图1 2 2 1 的( 2 ) 所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时问同步子层在协 议栈中的位置比较特殊。它们既要以数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同 时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的m a c 协议，基于地理位置 的路由协议等很多传感器协议都需要定位和同步信息。所以在图1 2 2 1 中用到l 型 描述这两个功能子层。图1 2 2 1 的( 2 ) 右边的诸多机制一部分融入到图1 2 2 1 的( 1 ) 所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程：另一部分独立在协议外层，通过各种 收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理，在图1 2 2 1 的( 1 ) 中的每 个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决策：q o s 管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数 据给予特别处理：拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为 它们提供基础信息支持，优化m a c 协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减 少网络能量消耗：网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行 状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行【6 】。 1 2 3 无线传感器网络面临的挑战 无线传感器网络不同于传统数据网络的特点给无线传感器网络的设计与实现提 出了新的挑战，主要有以下几点【5 1 】 ( 1 ) 低能耗 无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作，要求网络中节点的平均能耗比现 有无线网络中节点的能耗更低。在一些工业监控应用中，装备纽扣电池的传感器需要 在无人值守的情况下工作几个月甚至几年。而在森林火灾监测等大范围的环境监测应 用中，为大量的传感器节点频繁地更换电池是不现实的。这些典型的应用要求在无线 传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时 间。 ( 2 ) 低成本 无线传感器网络由成千上万的节点构成，单个节点的价格将极大地影响系统的成 本。为了达到降低成本的目的，需要设计对计算和存储能力要求较低的简单的网络系 统和通信协议。此外，降低系统成本的另一个重要因素是减少系统管理与维护的开销。 5 硕士论文 摹于事件剩余价值策略的无线传感器喇络拥塞t j 速率控制 无线传感器网络中节点规模很大，人工的管理与维护开销很大，因此需要无线传感器 网络系统具有自配置、自修复的能力。自配置是指在没有人工干预的条件下，网络中 的节点能够检测到其他节点的存在并共同组成一个具有一定功能和结构的网络系统。 自修复是指在没有人为干预的条件下，系统能够检测到网络节点或通信链路的损坏并 能够从错误状态中恢复。 ( 3 ) 通用性 无线行李标牌、集装箱定位系统等无线传感器网络的许多应用需要系统能够在世 界范围内正常工作。此外，为了扩大生产规模、开拓市场，一个能在全球范围内正常 运转的系统也是必要的。尽管在理论上，我们可以通过为每个节点安装全球定位系统 或全球卫星导航系统的接收器并根据地理位置信息来调整节点行为的方法解决这一 问题，但接收器的成本很高，难以大量使用。因此，需要采用一种被各国政府允许的 通用设计。 ( 4 ) 安全 在一些应用中，网络的安全是必需的。无线传感器网络系统具有严格的资源限制， 需要设计低开销的通信协议，但同时会带来严重的安全问题。一方面，入侵者可以比 较容易地进行服务拒绝攻击；另一方面无线传感器网络系统的资源严格受限以及节 点间自组织协调工作的特点使其难以实现严密的安全防护。由于低成本的限制，一些 无线传感器网络系统只能采用单频率通信机制。入侵者通过频率扫面的手段可以很容 易地捕获无线传感器网络的工作频率，通过在网络中植入伪装节点，采用各种手段发 动攻击。这些手段包括：以较高的能量广播报文，通知周围节点其通信质量良好，使 邻节点选择伪装节点来转发报文，而伪装节点收到报文后直接丢弃：或伪装节点持续 唤醒周围节点，通过阻止节点休眠来耗尽其能量。提高大规模系统通信实时性的一种 有效的方法是在中间节点给予转发报文比新接收报文更高的优先级。减少其在多跳传 输中的延迟。但这种协议给泛洪式攻击提供了便利的条件。总之，保障无线传感器网 络的安全是很困难的，迫切需要提供符合无线传感器网络特点的简捷有效的安全机 制。 ( 5 ) 实时性 无线传感器网络是在真实的物理世界中运行的，因此，时间约束是很重要的。一 些应用具有不明确的实时要求。例如，一个用户进入房间后，系统需要在一个很短的 时间内对这一事件做出反应。反应的时延越短，我们认为系统的性能越好。一些应用 具有明确的实时要求，如车载控制系统需要每l o r e s 读一次加速度仪的测t 值，否则 ，无法正确估计速度，可能导致交通事故。一些对端到端通信实时性有明确要求的应用， 如工业控制中压力表的测量值需要周期性、按时到达监测站和执行器等。而无线传感 器网络的超大规模、动态变化以及易受干扰等特点给实时设计提出了很大的挑战。 6 硕士论文 基十事件剩余价值策略的无线传感器嘲磊拥雍i 速率控制 ( 6 ) 网络拓扑 传统的星型结构包含一个主节点，一个或多个从节点。在通信时，主节点与从节 点可以直接通信，从节点间的通信需要依靠主节点转发。星型结构适合在一些小规模 网络中使用。在无线传感器网络系统中，节点规模很大，节点间以一种对等、多跳的 方式通信，系统的动态性很强。需要设计一种适合无线传感器网络通信特点、低开销、 便于维护的网络拓扑结构。 ( 7 ) 智能性 无线传感器网络系统通过自组织的方式来完成用户指定的任务。系统需要感知环 境变化，通过节点问的协同工作来产生需要的输出。由于在工作过程中无需认为干预， 因此，网络节点这种根据感知的信息协同工作的方式体现了系统的智能性。无线传感 器网络系统的超大规模、资源严格受限和与物理世界密切相关等特点使其需要一种新 的工作模式。在无线传感器网络系统中，单个节点并不重要，我们关心的是群体行为。 用户需要知道当前地下室的平均温度而不是地下室中某点的温度，并且不关心是哪个 节点传回的信息，或者他需要知道当前地下室的温度时候超过了预警值。这些例子都 说明无线传感器网络系统是以数据为中心的。由于与物理世界密切相关，其高出错概 率、易受干扰和不确定的特点使传统的分布式系统解决方案无法适用，需要为其设计 新的工作模式。 1 3 无线传感器网络的定向扩散路由 路由协议负责将分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的 功能：寻找源节点和目的节点问韵优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发【1 7 1 。 a dh o e 、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效地利用 无线网带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的 路径，通货四提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等【4 1 。在 w s n 中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同 时传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在 局部网络信息的基础上选择合适的路径。因此传统无线网络的路由协议不适应于无线 传感器网络。 在无线传感器网络中，由于网络内节点资源有限，数据包的传送需要通过多跳通 信方式到达目的端，因此路由选择算法是网络层设计的一个主要任务。专为无线传感 器网络设计的定向扩散( d i r e c t e dd i f f u s i o n ，d d ) 是一种基于查询的路由机制【2 6 】。汇聚节 点通过兴趣消息( i n t e r e s t ) 发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣消息到整个区域或部 分区域内的所有传感器节点。兴趣消息用来表示查询的任务，表达网络用户对监测区 域内感兴趣的消息，例如监测区域内的温度、湿度和光照等环境信息i io 】。在兴趣消息 7 顼士论文基于事件剩余价值策略的无线传感器网络拥塞与速率控制 的传播过程中，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数 据传输梯度( g r a d i e n t ) ，传感器节点将采集到的数据沿着梯度方向传送到汇聚节点。 定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶 段。图1 3 1 显示了这三个阶段的数据传播路径和方向。 源。镑。 oo 叫卜咚i n k oo 图1 3 1 定向扩散路由机制 定向扩散路由是一种经典的以数据为中心的路由机制。汇聚节点根据不同应用需 求定义不同的任务类型、目标区域等参数的兴趣消息，通过向网络中广播兴趣消息启 动路由建立过程。中间传感器节点通过兴趣表建立从数据源到汇聚节点的数据传输梯 度，自动形成数据传输的多条路径。按照路径优化的标准，定向扩散路由使用路径加 强机制生成一条优化的数据传输路径。为了动态适应节点失效、拓扑变化等情况，定 向扩散路由周期性进行兴趣扩散、数据传播和路径加强三个阶段的操作。但是，定向 扩散路由在路由建立时需要一个兴趣扩散的洪泛传播，能量和时间开销都比较大，尤 其是当底层m a c 协议采用休眠机制时可能造成兴趣建立的不一致。 1 4 拥塞产生原因 拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源( 包括链路带宽，存储空间 和处理器处理能力) 的需求超过了其固有的容量【9 1 。在无线传感器网络中当一个节点接 收到的数据量超过其发送能力时，数据缓冲区溢出，无法再接收新的数据，导致了网 络拥塞。拥塞影响了正常的数据传输，降低了传输成功率，并且发向拥塞节点的数据 无法被正常接收，白白消耗了能量。 在文献 3 0 1 中通过在m i c a 2 传感器节点上的实验证明了拥塞对于w s n 的不利影 响。实验结果如图1 4 1 所示，横轴表示每秒钟发送数据的个数，纵轴表示每焦耳能 量所能够成功传输的数据位数。由图中可知，随着数据发送频率的增加，单位能量所 能够成功传输的数据量明显减少。这是因为当发送数据增多到网络拥塞时，很多己经 传输了几跳的数据被迫丢弃，使得前面的这几跳传输完全无用，降低了网络中能量的 利用效率，同时也降低了数据传输的成功率，该文中称此现象为“活锁。 8 硕士论文基于事件剩余价值策略的尤线传感器扣9 络拥塞j 速率控制 5 0 4 0 垦3 0 2 0 1 0 o o f f e r1 0 a d ( p p s ) 图1 4 1 网络拥塞的影响 一般来说，拥塞产生的直接原因主要有以下三点： ( 1 ) 存储空间不足。几个输入数据流共同需要同一个输出端口，在这个端口就会 建立排队【5 1 。如果没有足够的存储空间，数据包就会被丢弃，对突发数据流更是如此。 增加存储空间在某种程度上可以缓解这一矛盾，但如果路由器有无限存储量时，拥塞 只会变得更坏，而不是更好，因为在网络里数据包经过长时间排队完成转发时，它们 早己超时，源端认为它们已经被丢弃，而这些数据包还会继续向下一路由器转发，从 而浪费网络资源，加重网络拥塞。 ( 2 ) 带宽容量不足。高速数据流输入低速链路也会产生拥塞。很多w s n 的应用 都有这样的特点：在没有监测到事件时只以低速率发送数据或者根木不发送数据，而 被监测的事件一旦发生就会引起突发的大量数据【3 0 】。这种突发性的数据传输使得瞬时 数据发送频率骤增，可能引发网络拥塞。 ( 3 ) 拓扑的变化也可能导致网络中原先不拥塞的部分变得拥塞【吲。 ( 4 ) 数据传输的突发性。平时网络的负载很低，只需要维持一些基本的信息。但 一旦在某个区域内有事件发生时，该区域内的传感器网络结点的通信量非常大。极易 产生拥塞。 ( 5 ) 处理器处理能力弱、速度慢。如果路由器的c p u 在执行排队缓存，更新路由 表等功能时，处理速度跟不上高速链路，也会产生拥塞。同样，低速链路对高速c p u 因此，为了有效地缓解拥塞，减少拥塞带来的丢包和重传造成的额外能量消耗， 拥塞控制十分必要。 9 硕士论文基于事件剩余价值策略的无线传感器嗣络拥塞与速率控制 1 5 本文工作及结构 目前无线传感器网络中常见的拥塞控制机制有c o d a 、e s r t 、自适应的资源控 制、f u s i o n 、多到一的拥塞控制等等都有一定缺陷。这些拥塞控制机制虽然改善了吞 吐量和丢包率，但它们对所有数据包进行同一级别的拥塞处理，没有考虑到确保重要 事件数据包的实时性和可靠性传输。在w n s 进行实际监测环境时，这一缺陷可能带 来严重后果。因此，如何高效、公平、节能地将尽可能多的高价值事件数据包汇集到 基站是无线传感器网络的一个关键问题。本文针对w n s 中对数据包的实时性传输的 要求提出了一种基于事件剩余价值策略的无线传感器网络拥塞控制方法 c c b v p ( c o n g e s t i o n c o n t r o l b a s e d o n v a l u e ) 。c c b v p 以定向扩散为路由，对不同价值的 数据包进行与其价值相应的拥塞处理。 本文的主要工作归纳如下： ( 1 ) 介绍了当前两种典型的无线传感器网络的拥塞控制机制：e s r t 和c o d a 。 对无线传感器网络的相关问题进行综述和分析，包括无线传感器网络拥塞产生原因， 拥塞检测和处理机制，同时分析了当前典型的拥塞控制机制的主要缺陷。 ( 2 ) 提出一种以定向扩散为路由基于事件剩余价值的无线传感器网络拥塞和速 率控制机制c c b v p 。定义数据包的基准价值，基准价值代表数据包的实时性要求的 重要程度。根据w n s 自身特点以及香农的信息论：信息随着时间的变化其重要程度 也在变化，本文规定价值随着传输时间的增加而递减。节点采用缓冲器占有率方式提 前检测拥塞，逐跳的反馈拥塞控制信号，各节点根据接收到的拥塞控制信息和数据包 的剩余价值调节发送速率，避免拥塞发生。当拥塞发生时。按照数据包的剩余价值来 决定应抛弃的数据包和调节拥塞处的上游节点的发送速率，确保高价值的数据包可 靠、及时的传输。当无拥塞时，s i n k 节点判断各监测事件的价值可信度的情况，发送 速率调节信息。各节点根据接收到的速率调节信息和数据包的剩余价值调节发送速 率，避免拥塞反复出现，同时减少网络数据过量时带来的能量损耗和网络数据过少影 响s i n k 节点准确监测事件。 一 ( 3 ) 传统的网络性能指标只能体现网络整体数据包的传输状况，不能衡量高价值 事件数据的传输性能。因此，本文拟定了三个新的评价标准：网络的价值效率、价值 吞吐量和价值的丢包率。该标准用来评价网络能否有效的将尽可能多的高价值数据汇 聚到s i n k 节点，体现了网络传输的实时性能。 ( 4 ) 利用网络模拟器n s 2 进行模拟实验，从吞吐量、丢包率、网络的价值效率、 价值吞吐量和价值丢包率等方面对c c b v p 与传统的c o d a 机制进行比较和分析。 本文共分5 章，论文结构安排如下： 第一章绪论包括无线传感器网络概述，无线传感器网络拥塞产生的原因，本文 1 0 硕士论文基于事件剩余价值策略的无线传感器网络拥塞与速率控制 所做的工作。 第二章无线传感器网络拥塞控制当前研究现状，详述了e s r t 和c o d a 拥塞控 制。 第三章详细介绍由基于事件剩余价值策略的无线传感器网络拥塞控制机制 c c b v p oe o n g e s t i o na n dr a t ec o n t r o ls c h e m eb a s e do nr e m m n d e rv a l u ep o l i c y ) ，以及本文 提出的网络性能评价标准：网络的价值效率、价值吞吐量和价值的丢包率。包括现有 机制的一些缺陷。 第四章网络模拟器n s 2 的模拟实现和实验结果，包括网络模拟器的介绍和实验 数据的分析。 第五章结论总结全文的工作。 硬士论文基于事件剩余价值策略的无线传感器m 络拥塞j 速率控制 2 无线传感器网络拥塞控制机制 2 1 无线传感器网络拥塞概述 当一个延长的时段内产生的分组数量超过网络( 作为一个整体或者是局部的) 的 实际承载能力是就会发生拥塞。通常，节点具有一些可用的缓冲空间它可以用来处 理暂时的过载。任何超过可用缓冲空间的分组都会丢失，这就浪费了迄今所花在这个 分组上的能量。很明显，缓冲空间越大，能承受的过载越大，丢弃分组的情况就会越 迟发生i l 引。另一方面，较长的队列会产生较长的端到端延迟，协议也需要更长时间来 对拥塞状态作出反应。 拥塞在无线传感器网络中非常常见。无线传感器网络中业务流量的类型是多种多 样的，其中既可以是简单的周期业务流量，也可以是突发事件触发的不可预测突发流 量，不论哪种流量都有可能造成网络的拥塞。这是因为无线网络中不同链路上的并发， 无线传输会互相干扰和影响，在多个时标内由于噪音或流量密集度等因素，无线信道 的质量也会发生频繁的变化1 1 ”。另外，在传输数据时，节点和信道的增加或移动都可 能引起以前没有拥塞的网络部分变的拥塞。最后，无线传感器网络数据传输的突发性 更可能造成拥塞。 传统有线网和无线网发生拥塞的征兆是缓冲区包丢失和数据传输延迟增加。在过 去的几年里，研究者采用端到端速率调节机制和网络层的拥塞报告机制或队列管理机 制，有效的解决了这些网络的拥塞，确保了网络不会因拥塞而导致崩溃【2 0 川。除了缓 冲区溢出，w s n 有与传统这些网络明显不同的拥塞征兆：w s n 的其它部分突然发送 大量流量导致信道质量的不断恶化。这是因为在相同的传输途中，无线链路并不彼此 隔离。流量通过网络的任何部分都可能影响网络其他部分的信道质量和数据丢失率。 在文献 5 7 t i l a k 等人使用仿真研究了一些传感器网络中的拥塞问题。使他们考 虑众多场景中的一个，数量不定的节点随机分布在8 0 0 m x 8 0 0 m 的区域中。以每秒1 1 m 的速度随机通过这个区域到达一个随机选定的目的地。每个节点的传感范围是2 0 0 m ， 测量出它到事件发生地的距离；这些测量的误差不超出被感知距离的5 。一个传感 器一旦监测到事件发生，就开始以一个给定的报告周期的传输分组：汇聚节点以时隙 间隔工作，基于在那个时隙到达的分组对每一时隙产生一个位置估计。传感器节点将 i e e e8 0 2 1 l i l a c 层协议和d s r 作为路由选择协议，每一个节点可以缓冲五个分组。 硕士论文基于事件剩余价值策略的无线传感器网络拥塞与速率控制 图2 1 1 三个不同数量节点的精度与报告周期 图2 1 _ 2 三个不同数量节点的实际吞吐量与报告周期 在图2 1 1 中，展示了三个不同数量的节点数和不同的报告速率下到达的实际吞 吐量。这里定义的实际吞吐量是到达信宿的分组和在整个网络中传输分组的数量的比 值。下面几点值得注意： 对所有的节点数，实际吞吐量随着报告速率的增加而减少。进一步，实际吞 吐量衰减得很快。 节点数量越大，实际吞吐量减少的越大。因此，对一个给定的报告速率，增 (一嘲崮帽龌体 硕士论文基于事件剩余价值策略的无线传感器网络拥塞与速率控制 加网络中的节点数节点密度实际上减少了实际吞吐量，但浪费了更多的能量，它还 说明了随着节点密度的增加，平均每个传感器会更快地用完能量。因此，只要没有设 计额外的机制，节点密度的增加缩短了节点网络的寿命。 一个网络部署有类似的结果。 还可以看出，汇聚节点应该离事件很近，远的距离会引起拥塞，这是由于产 生了更多的分组的原因。 图2 1 2 展示了同样设置下的精度。精度定义为估计真实位置的节点时问的平均 ( 包括所有时隙) 标准差。可以观察到对于所有传感器存在一个最佳精度。对较小的 报告周期，精度快速地降低，这是因为拥塞使越来越多的分组丢失。另一方面，对于 较低的报告率，较少数量的读数使得估计更加不准确。 总结：拥塞能够减少网络节点的寿命，降低信息的精确性。 2 2 无线传感器网络的拥塞检测与处理机制 近年来，w s n 中的拥塞问题日益引起了学术界的关注。研究人员逐步提出了多 种针对w s n 自身特点的控制策略，如c o d a 、e s r t 、自适应的资源控制、f u s i o n 、 多到一的拥塞控制等等。总的来说，拥塞控制可分为拥塞检测和拥塞减轻两个阶段， 通过队列占用情况和信道采样能够精确地检测拥塞，不同的控制算法采用了不同的处 理机制有效地减轻拥塞。 1 拥塞检测 传感器节点可以使用不同的方法来检测拥塞。但是，这些方法都是有局限的，一 个节点只能判断它的中间邻节点的情况。 迄今所提出的在传感器网络中的检测方法依赖于两个基本因素：即结点缓冲器占 有率和信道利用率。最简单的方法是将瞬时缓冲器占有率于某个门限值作比较。