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1、无线传感网络的拥塞控制,组员：李娟 涂一娜 曾湘钰,无线传感网络的拥塞控制,无线传感网络拥塞介绍无线传感网络的拥塞控制机制无线传感网络的拥塞控制协议,无线传感网络,无线传感器网络通过部署在监测区域内大规模的微型传感器节点，协同地感知和处理感知对象的信息，并以自组织多跳的无线通信方式将信息发送给用户 传感节点(sensor node) 基站节点(sink node),无线传感网络的特点,以数据为中心 多对一通信方式 无线电路的相互干扰 拓扑结构多变性 资源有限性 周期性监测，或事件突发,无线传感网络的拥塞,传感器节点的大规模密集部署、多跳的多对一的通信方式、无线链路质量和拓扑结构的动态变化，以及
2、突发事件导致的流量突发性等，这些都容易引起无线传感器网络的局部或全局拥塞拥塞会引起信息传输延迟的增大和数据的丢失，甚至引起Sink节点接收不到任何信息，严重地影响网络的传输服务质量,图,无线传感网络的拥塞,节点级的拥塞 无线链路级的拥塞,拥塞影响,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；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，降低了整个网络的吞吐量，影响网络的能量消耗和QoS传输性能,解决拥塞问题的两种方案,基于预防拥塞的策略从系统启动开始，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 基于
3、拥塞检测的拥塞控制策略通过拥塞检测，发现网络将要发生或已经发生拥塞，通知相应的节点，进行拥塞处理。,拥塞控制机制,拥塞控制机制包括三个过程: 拥塞检测 拥塞通知 拥塞处理,拥塞检测,基于拥塞表现出来的各种网络状况，衡量拥塞的指标有多种如： 缓存占用率 丢包率 数据包延时 通道负载 传输速率,拥塞通知,显式通知使用专用的控制消息，通知相关节点发生了拥塞这样的通知方式会增加额外的传输开销 隐式通知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 ,拥塞处理,速率控制基本思想是在检测到网络拥塞后，节点减小发送速率防止拥塞流量调度把拥塞区域的部分流量调度到附近非拥塞区域
4、，减轻拥塞区域的流量负载,速率控制,end-to-end拥塞产生后直接对源端节点的发送速率进行调整 从根本上解决了流量过大的问题，同时通道竞争也相应减少，是缓解拥塞最有效、最根本的办法端到端的拥塞处理机制，适用于处理涉及面大、持续时间长的较严重的拥塞.,速率控制,hop-by-hop在发生拥塞的区域就地采取措施，例如立即降低上游节点的发送速率减少数据包流入，或者降低邻居节点的发送速率减少信道竞争。经过逐跳的限速，最终达到控制源端速率的目的。,无线传感网络拥塞控制的发展,不同的拥塞控制机制使用了不同的拥塞检测、拥塞通知和拥塞处理机制。,无线传感网络的拥塞控制考虑方面,能量有效性拥塞控制的操作简单
5、开销要少，占用节点的存储空间要小 公平性保证节点发送数据的公平性 动态适应性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,无线传感网络的拥塞控制考虑方面,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 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,CODA(Congestion Detection and Avoidance),由三种机制组成： 基于接收端的拥塞检测 开环Hop-by-Hop 后压机制 闭环多源调节,CODA(Congestion Detection and Avoidance,（1）基于接收端的拥塞检测CODA
6、结合信道负载、队列占用状态，使用了采样机制在适当的时机（ 即节点的发送缓冲非空时）检测本地信道。一旦检测到拥塞，节点通过后压机制向其上游邻居节点发送消息。,CODA(Congestion Detection and Avoidance,(2)开环Hop-by-Hop 的后压机制只要一个节点检测到了拥塞，它就广播后压消息，后压消息沿着通向源节点的方向传播。收到后压消息的源端节点采用AlMD调整速率或者选择丢包，并参考本地网络状况决定是否继续发送后续数据包。,CODA(Congestion Detection and Avoidance,(3)闭环多源调节当源事件速率低于信道吞吐量的某一阈值时，源
7、节点自行调节其速率；当超过了这一阈值即触发闭环拥塞控制机制。,Fusion,跨层的拥塞控制解决方案，融合了三种拥塞控制技术： Hop-by-Hop的流量控制 源速率限制模式 有优先级的MAC层协议,Fusion,(1)Hop-by-Hop的流量控制Hop-by-Hop流量控制由两部分组成：拥塞检测和拥塞减轻。拥塞检测有两种方法：队列占用和信道采样。当节点输出队列的可用空间低于一个特定的标记值时，或信道的利用率超过了一定的水平，发送的分组则置拥塞位。减过使无线范围内的邻居节点抑制它们的发送速率来避免其下一跳节点队列的溢出。,Fusion,(2)源速率限制模式假设所有的传感器提供相同的通信负载且路
8、由树比较均衡，每个传感器监听其父节点向前发送的通信量来估测N(N为通过该父节点进行路由转发的源节点的总数)，然后使用标记桶模式规定每个传感器节点的发送速率。每当一个传感器节点监听到其父节点发送出了N个分组，就把标记累计加1，直到标记的最大值。当一个节点的标记的数目大于零时，该节点才允许发送数据，每发送一次，消耗一个标记。这种解决方案限制了节点的速率。,Fusion,(3)有优先级的MAC层协议在基于CDMA机制的MAC协议中，赋予拥塞节点高的发送优先权。如果一个节点发生了拥塞，则令其回退窗口的大小为非拥塞节点的14，使得发生拥塞的节点更容易获得争用周期，进而释放队列，增大了拥塞控制信息在邻居节
9、点间传播的可能性。,PCCP(Priotiry Based congestion Control Protocol),由3部分组成 智能拥塞探测（ICD,Intelligent congestion detestion） 隐式拥塞通知（ICN,Implicit congestion notification) 基于优先级速率调整(PRA,Priorit-based rate adjustment),PCCP(Priotiry Based congestion Control Protocol),智能拥塞探测基于分组交互到达时间和分组服务时间来探测拥塞的方法 基于优先级速率调整PRA的设计保证：
10、(1)高优先级节点获得更多带宽，（2）相同优先级得到相等带宽，（3）高流量的节点获得更多的带宽,TARA（topology aware resource adaptation）,基于缓存区占用率和通道采样的拥塞检测 基于流量调控的拥塞处理,distributor node,detour path,original path,merger node,DAlPaS（Dynamic Alternative Path Selection scheme）,DAlPaS可以根据一些参数动态的选择路径，这些参数包括缓存占用率、通道采样等。DALPaS分为两个阶段： 启动阶段 工作阶段,DAlPaS,启动阶段
11、 初始网络连接图,DAlPaS,启动阶段启动后的网络连接图,DAlPaS,启动阶段 NODE 2的邻接表,DAlPaS,工作阶段 数据包被接收后会被确认。确认包（ACK）的头部结构如下：,DAlPaS,工作阶段 DAlPaS将拥塞分为两个阶段： Soft Stage 一个节点发现自己接受到了两个或两个以上的流的数据包，则该节点进入Soft Stage。 Hard Stage 一个节点的一些参数超过阈值时，进入HardStage,DAlPaS,工作阶段 Hard Stage 处在这个阶段的节点在它的ACK中通过将“Flag”置为“False”通知它的上游节点及邻居节点自己将不再接收数据包。接收到
12、这种ACK的节点必须更改下一跳路径。 这个阶段，下游节点强迫上游节点更改路径。,DAlPaS,工作阶段 Hard Stage 导致节点不可用的原因有：缓存占用率超过上限 剩余能量低于下限 下游节点不可用,DAlPaS,工作阶段 Soft Stage 处在这个阶段的节点在它的ACK中通过将“Next Packet Sequence Number”置为“False”使特定的节点减缓发送速率。接收到这种ACK的节点需要考虑更改下一跳路径。 这个阶段，下游节点只是建议上游节点更改路径。,DAlPaS,仿真结果仿真工具：Prowler 仿真器参数设置： 500个节点 100m100m的区域 性能参数： 能量消耗率 数据包传递成功率 平均逐跳延迟,DAlPaS,仿真结果,DAlPaS,仿真结果,DAlPaS,仿真结果,DAlPaS,以上仿真结果表明，与TARA相比，DAlPaS在更有效的利用能量，有更高的数据包传输成功率，并且逐跳延迟更小。,总结,所有的拥塞控制协议的目标都是为在无线传感网络中缓和拥塞从而解除拥塞。 所有的拥塞控制协议很难兼顾有能量有效性，公平性，动态网络适应性，及时性和保证网络的QoS. 不同的网络环境和应用需求将需要不同的拥塞控制协议。,谢 谢 ！,
