無線傳感網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制（完結(jié)版）1.ppt

1、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制,組員：李娟 涂一娜 曾湘鈺,無線傳感網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制,無線傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞介紹 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制機制 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制協(xié)議,無線傳感網(wǎng)絡(luò),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大規(guī)模的微型傳感器節(jié)點，協(xié)同地感知和處理感知對象的信息，并以自組織多跳的無線通信方式將信息發(fā)送給用戶 傳感節(jié)點(sensor node) 基站節(jié)點(sink node),無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點,以數(shù)據(jù)為中心 多對一通信方式 無線電路的相互干擾 拓撲結(jié)構(gòu)多變性 資源有限性 周期性監(jiān)測，或事件突發(fā),無線傳感網(wǎng)絡(luò)的擁塞,傳感器節(jié)點的大規(guī)模密集部署、多跳的多對一的通信方式、無線鏈路質(zhì)量和拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，

2、以及突發(fā)事件導致的流量突發(fā)性等，這些都容易引起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的局部或全局擁塞擁塞會引起信息傳輸延遲的增大和數(shù)據(jù)的丟失，甚至引起Sink節(jié)點接收不到任何信息，嚴重地影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸服務質(zhì)量,圖,無線傳感網(wǎng)絡(luò)的擁塞,節(jié)點級的擁塞 無線鏈路級的擁塞,擁塞影響,造成網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的下降和傳輸延時的增加以及數(shù)據(jù)的丟失，由此產(chǎn)生的重傳又會進一步增加網(wǎng)絡(luò)流量；擁塞造成大量的數(shù)據(jù)丟失和重傳還浪費了網(wǎng)絡(luò)能量，減少了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期，降低了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，影響網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和QoS傳輸性能,解決擁塞問題的兩種方案,基于預防擁塞的策略 從系統(tǒng)啟動開始，限制節(jié)點發(fā)送自身感知信息的速率及合理分配各個節(jié)點的發(fā)送速率

3、 基于擁塞檢測的擁塞控制策略 通過擁塞檢測，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生擁塞，通知相應的節(jié)點，進行擁塞處理。,擁塞控制機制,擁塞控制機制包括三個過程: 擁塞檢測 擁塞通知 擁塞處理,擁塞檢測,基于擁塞表現(xiàn)出來的各種網(wǎng)絡(luò)狀況，衡量擁塞的指標有多種如： 緩存占用率 丟包率 數(shù)據(jù)包延時 通道負載 傳輸速率,擁塞通知,顯式通知 使用專用的控制消息，通知相關(guān)節(jié)點發(fā)生了擁塞這樣的通知方式會增加額外的傳輸開銷 隱式通知 在正常的數(shù)據(jù)分組中捎帶擁塞信息，其他節(jié)點通過接收或監(jiān)聽這樣的數(shù)據(jù)分組獲取擁塞狀況 ,擁塞處理,速率控制 基本思想是在檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞后，節(jié)點減小發(fā)送速率防止擁塞 流量調(diào)度 把擁塞區(qū)域的部分流量調(diào)

4、度到附近非擁塞區(qū)域，減輕擁塞區(qū)域的流量負載,速率控制,end-to-end 擁塞產(chǎn)生后直接對源端節(jié)點的發(fā)送速率進行調(diào)整 從根本上解決了流量過大的問題，同時通道競爭也相應減少，是緩解擁塞最有效、最根本的辦法 端到端的擁塞處理機制，適用于處理涉及面大、持續(xù)時間長的較嚴重的擁塞.,速率控制,hop-by-hop 在發(fā)生擁塞的區(qū)域就地采取措施，例如立即降低上游節(jié)點的發(fā)送速率減少數(shù)據(jù)包流入，或者降低鄰居節(jié)點的發(fā)送速率減少信道競爭。經(jīng)過逐跳的限速，最終達到控制源端速率的目的。,無線傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的發(fā)展,不同的擁塞控制機制使用了不同的擁塞檢測、擁塞通知和擁塞處理機制。,無線傳感網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制考慮方面,能量

5、有效性 擁塞控制的操作簡單開銷要少，占用節(jié)點的存儲空間要小 公平性 保證節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的公平性 動態(tài)適應性 適應網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化和部署環(huán)境的變化，也能夠適應處理局部的擁塞和整個網(wǎng)絡(luò)的擁塞,無線傳感網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制考慮方面,保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁|(zhì)量 如網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和分組丟失率 及時性 能夠預測或及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，并在較短時間內(nèi)解除擁塞，避免擁塞擴散,CODA(Congestion Detection and Avoidance),由三種機制組成： 基于接收端的擁塞檢測 開環(huán)Hop-by-Hop 后壓機制 閉環(huán)多源調(diào)節(jié),CODA(Congestion Detection and Avoidance,（

6、1）基于接收端的擁塞檢測 CODA 結(jié)合信道負載、隊列占用狀態(tài)，使用了采樣機制在適當?shù)臅r機（ 即節(jié)點的發(fā)送緩沖非空時）檢測本地信道。一旦檢測到擁塞，節(jié)點通過后壓機制向其上游鄰居節(jié)點發(fā)送消息。,CODA(Congestion Detection and Avoidance,(2)開環(huán)Hop-by-Hop 的后壓機制 只要一個節(jié)點檢測到了擁塞，它就廣播后壓消息，后壓消息沿著通向源節(jié)點的方向傳播。收到后壓消息的源端節(jié)點采用AlMD調(diào)整速率或者選擇丟包，并參考本地網(wǎng)絡(luò)狀況決定是否繼續(xù)發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)包。,CODA(Congestion Detection and Avoidance,(3)閉環(huán)多源調(diào)節(jié) 當

7、源事件速率低于信道吞吐量的某一閾值時，源節(jié)點自行調(diào)節(jié)其速率；當超過了這一閾值即觸發(fā)閉環(huán)擁塞控制機制。,Fusion,跨層的擁塞控制解決方案，融合了三種擁塞控制技術(shù)： Hop-by-Hop的流量控制 源速率限制模式 有優(yōu)先級的MAC層協(xié)議,Fusion,(1)Hop-by-Hop的流量控制 Hop-by-Hop流量控制由兩部分組成：擁塞檢測和擁塞減輕。擁塞檢測有兩種方法：隊列占用和信道采樣。當節(jié)點輸出隊列的可用空間低于一個特定的標記值時，或信道的利用率超過了一定的水平，發(fā)送的分組則置擁塞位。減過使無線范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點抑制它們的發(fā)送速率來避免其下一跳節(jié)點隊列的溢出。,Fusion,(2)源速率限制

8、模式 假設(shè)所有的傳感器提供相同的通信負載且路由樹比較均衡，每個傳感器監(jiān)聽其父節(jié)點向前發(fā)送的通信量來估測N(N為通過該父節(jié)點進行路由轉(zhuǎn)發(fā)的源節(jié)點的總數(shù))，然后使用標記桶模式規(guī)定每個傳感器節(jié)點的發(fā)送速率。每當一個傳感器節(jié)點監(jiān)聽到其父節(jié)點發(fā)送出了N個分組，就把標記累計加1，直到標記的最大值。當一個節(jié)點的標記的數(shù)目大于零時，該節(jié)點才允許發(fā)送數(shù)據(jù)，每發(fā)送一次，消耗一個標記。這種解決方案限制了節(jié)點的速率。,Fusion,(3)有優(yōu)先級的MAC層協(xié)議 在基于CDMA機制的MAC協(xié)議中，賦予擁塞節(jié)點高的發(fā)送優(yōu)先權(quán)。如果一個節(jié)點發(fā)生了擁塞，則令其回退窗口的大小為非擁塞節(jié)點的14，使得發(fā)生擁塞的節(jié)點更容易獲得爭用

9、周期，進而釋放隊列，增大了擁塞控制信息在鄰居節(jié)點間傳播的可能性。,PCCP(Priotiry Based congestion Control Protocol),由3部分組成 智能擁塞探測（ICD,Intelligent congestion detestion） 隱式擁塞通知（ICN,Implicit congestion notification) 基于優(yōu)先級速率調(diào)整(PRA,Priorit-based rate adjustment),PCCP(Priotiry Based congestion Control Protocol),智能擁塞探測 基于分組交互到達時間和分組服務時間來探測

10、擁塞的方法 基于優(yōu)先級速率調(diào)整 PRA的設(shè)計保證：(1)高優(yōu)先級節(jié)點獲得更多帶寬，（2）相同優(yōu)先級得到相等帶寬，（3）高流量的節(jié)點獲得更多的帶寬,TARA（topology aware resource adaptation）,基于緩存區(qū)占用率和通道采樣的擁塞檢測 基于流量調(diào)控的擁塞處理,distributor node,detour path,original path,merger node,DAlPaS（Dynamic Alternative Path Selection scheme）,DAlPaS可以根據(jù)一些參數(shù)動態(tài)的選擇路徑，這些參數(shù)包括緩存占用率、通道采樣等。 DALPaS分為兩

11、個階段： 啟動階段 工作階段,DAlPaS,啟動階段 初始網(wǎng)絡(luò)連接圖,DAlPaS,啟動階段 啟動后的網(wǎng)絡(luò)連接圖,DAlPaS,啟動階段 NODE 2的鄰接表,DAlPaS,工作階段 數(shù)據(jù)包被接收后會被確認。確認包（ACK）的頭部結(jié)構(gòu)如下：,DAlPaS,工作階段 DAlPaS將擁塞分為兩個階段： Soft Stage 一個節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己接受到了兩個或兩個以上的流的數(shù)據(jù)包，則該節(jié)點進入Soft Stage。 Hard Stage 一個節(jié)點的一些參數(shù)超過閾值時，進入HardStage,DAlPaS,工作階段 Hard Stage 處在這個階段的節(jié)點在它的ACK中通過將“Flag”置為“False”

12、通知它的上游節(jié)點及鄰居節(jié)點自己將不再接收數(shù)據(jù)包。接收到這種ACK的節(jié)點必須更改下一跳路徑。 這個階段，下游節(jié)點強迫上游節(jié)點更改路徑。,DAlPaS,工作階段 Hard Stage 導致節(jié)點不可用的原因有： 緩存占用率超過上限 剩余能量低于下限 下游節(jié)點不可用,DAlPaS,工作階段 Soft Stage 處在這個階段的節(jié)點在它的ACK中通過將“Next Packet Sequence Number”置為“False”使特定的節(jié)點減緩發(fā)送速率。接收到這種ACK的節(jié)點需要考慮更改下一跳路徑。 這個階段，下游節(jié)點只是建議上游節(jié)點更改路徑。,DAlPaS,仿真結(jié)果 仿真工具：Prowler 仿真器 參數(shù)設(shè)置： 500個節(jié)點 100m100m的區(qū)域 性能參數(shù)： 能量消耗率 數(shù)據(jù)包傳遞成功率 平均逐跳延遲,DAlPaS,仿真結(jié)果,DAlPaS,仿真結(jié)