CODA：傳感器網(wǎng)絡(luò)中的擁塞檢測(cè)與避免.doc

CODA：傳感器網(wǎng)絡(luò)中的擁塞檢測(cè)與避免ChiehYihWanDept. of Electrical EngineeringColumbia UniversityNew York, NY 10027Shane B. EisenmanDept. of Electrical EngineeringColumbia UniversityNew York, NY 10027Andrew T. CampbellDept. of Electrical EngineeringColumbia UniversityNew York, NY 10027摘要事件驅(qū)動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)在空閑或者輕負(fù)載的狀態(tài)下運(yùn)作，在響應(yīng)檢測(cè)或監(jiān)視事件時(shí)變得活躍。在依賴傳感器應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)下，事件脈沖的傳輸可能會(huì)導(dǎo)致不同程度的擁塞。擁塞發(fā)生在事件發(fā)生期的可能性是最大的，并且傳輸?shù)男畔?duì)用戶最為重要。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，我們?yōu)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)提出了一個(gè)高效的擁塞控制方案，叫做CODA（擁塞檢測(cè)與預(yù)防），包括三個(gè)機(jī)制：（i）基于接收端的擁塞檢測(cè)；（ii）開環(huán)逐跳反壓；和（iii）閉環(huán)多源調(diào)整。目前我們使用仿真和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)CODA進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)、實(shí)施及評(píng)價(jià)。我們有兩個(gè)重要的性能指標(biāo)對(duì)CODA在傳感應(yīng)用中的作用進(jìn)行評(píng)估（即能耗和逼真度損耗）。我們討論了在基于使用CSMA的伯克利motes的傳感器網(wǎng)絡(luò)下CODA的性能優(yōu)勢(shì)及工程實(shí)施中出現(xiàn)的問題。仿真結(jié)果表明，CODA顯著的提高了數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的性能，比如通過減少熱點(diǎn)進(jìn)行定向擴(kuò)散，和在傳感應(yīng)用中通過低保真度損耗減少能耗。我們還證明了CODA在許多擁塞情況下能夠響應(yīng)，因此我們相信這些提高網(wǎng)絡(luò)速度的部署將流行。分類和主題描述C.2.1計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，無線通信通用條款算法，設(shè)計(jì)，性能。這項(xiàng)工作的數(shù)字或硬件拷貝將免費(fèi)用于個(gè)人或課堂使用，沒有商業(yè)利益，通知和完整引文在副本的第一頁。以其他方式復(fù)制、服務(wù)器上再版或者重新分配列表需要事先有特定的權(quán)限或者收費(fèi)。SenSys03，2003年11月5日-7日，美國(guó)，加州，洛杉磯版權(quán)所有： 2003 ACM 1581137079/03/0011 .$5.00.關(guān)鍵詞高效能量擁塞控制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1.引言傳感器網(wǎng)絡(luò)多種多樣，覆蓋了不同的地理區(qū)域，有稀疏或者密集的部署，使用各種能源有限的設(shè)備，并執(zhí)行各種傳感應(yīng)用。傳感器的一個(gè)應(yīng)用是報(bào)告一個(gè)環(huán)境突然變化的區(qū)域的狀態(tài)的變化，比如棲息地監(jiān)測(cè)，目標(biāo)探測(cè)，地震，洪水，火災(zāi)等。傳感器網(wǎng)絡(luò)一般工作在輕負(fù)載狀態(tài)下，在響應(yīng)一個(gè)檢測(cè)或監(jiān)視事件時(shí)變得活躍。不同的應(yīng)用可能會(huì)導(dǎo)致巨大的突然的數(shù)據(jù)脈沖，這些數(shù)據(jù)必須交付到少數(shù)傳感應(yīng)用沒有被顯著破壞的節(jié)點(diǎn)中。雖然傳感器網(wǎng)絡(luò)工作只花費(fèi)了一小部分事件來處理脈沖，但在此期間所提供的信息卻是最重要的。事件脈沖的傳輸可能會(huì)導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)不同程度的擁塞。用下面簡(jiǎn)單卻現(xiàn)實(shí)的模擬場(chǎng)景來說明傳輸擁塞的問題。圖1顯示了在不同報(bào)告速率下等數(shù)量的活動(dòng)信息源傳感網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳播中的擁塞影響。NS-2的仿真結(jié)果眾所周知是一個(gè)定向擴(kuò)散方案6的仿真結(jié)果，該仿真執(zhí)行在一個(gè)擁有30個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用2Mbps的IEEE 802.11 MAC，擁有6個(gè)活躍信息源和3個(gè)接收端的中等規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)上。6個(gè)信源是從30個(gè)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選取的，3個(gè)接收端則均勻分布在傳感器區(qū)域。每個(gè)信源產(chǎn)生的事件數(shù)據(jù)包的速度都是相同且固定的，同時(shí)接收端在模擬場(chǎng)景50秒周期的前20秒內(nèi)的任意時(shí)間接收（即廣播相應(yīng)的信息）不同信源的數(shù)據(jù)。事件和感應(yīng)包長(zhǎng)度分別為64和36比特。該圖說明信息源速率的增加超過一定的網(wǎng)絡(luò)容量閾值時(shí)，擁塞發(fā)生的更為頻繁，且接收端接收數(shù)據(jù)包的總的數(shù)量會(huì)迅速減少。該圖顯示，即使低到中度信源事件的速率，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)仍可以觀察到一個(gè)大的速率下降過程。例如，在一個(gè)信源事件速率為20事件/s的網(wǎng)絡(luò)中，接收端每接收一個(gè)數(shù)據(jù)事件包就會(huì)有一個(gè)包在傳感域被丟棄。被丟棄的包有MAC信令，數(shù)據(jù)事件包本身，和擴(kuò)散消息包。圖1所示的丟棄率不僅能反映傳感器網(wǎng)絡(luò)中包丟棄的情況，更重要的是反映傳感應(yīng)用中能源浪費(fèi)的情況。圖1：傳感器網(wǎng)絡(luò)中在接收端接收的作為顯示信源速率功能的數(shù)據(jù)事件包丟棄的總數(shù)。X軸的刻度值越大表示報(bào)告率越低。所有在50s的模擬情景中丟棄的包都被記作丟棄率的一部分，包括MAC信號(hào)（例如，RTS/CTS/ACK和ARP），數(shù)據(jù)事件，和擴(kuò)散消息報(bào)。根據(jù)傳感應(yīng)用的類型，事件脈沖的速率或多或少。一些應(yīng)用可能只在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)傳輸，產(chǎn)生很小的流量，同時(shí)其他的（例如水庫、地震）可能在整個(gè)傳感區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較大的流量波動(dòng)（正如圖1顯示的導(dǎo)致高丟包）。對(duì)此，未來的傳感器網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制機(jī)制必須能夠平衡負(fù)載，同時(shí)接收端在某一時(shí)刻或更長(zhǎng)時(shí)間的擁塞時(shí)，能夠努力保證交付信號(hào)的擴(kuò)散（即事件速率）能夠被接收?？赡軙?huì)出現(xiàn)一些不同的擁塞狀況。首先，在密集部署的傳感器產(chǎn)生數(shù)據(jù)事件將在靠近信源（例如，在一跳或兩跳內(nèi)）的位置創(chuàng)建一個(gè)正比于開始脈沖速率的持續(xù)的熱點(diǎn)。在這種情況下，本地化的快速反應(yīng)機(jī)制能夠?qū)⑿畔膿砣c(diǎn)反壓回信源，這點(diǎn)是非常有效的。第二，在稀疏部署傳感器產(chǎn)生低數(shù)據(jù)速率事件時(shí)，將在信源與接收端之間的略遠(yuǎn)于信源任意位置創(chuàng)建虛擬熱點(diǎn)。在這種情況下，同時(shí)使用本地反壓（在熱點(diǎn)與中確定的節(jié)點(diǎn)之間）和丟包技術(shù)的本地?zé)狳c(diǎn)的快速反應(yīng)將更為有效。由于暫時(shí)性的擁塞，信源節(jié)點(diǎn)不會(huì)參與反壓。第三，稀疏部署傳感器產(chǎn)生高數(shù)據(jù)速率事件時(shí)將在傳感器區(qū)域同時(shí)創(chuàng)建臨時(shí)和永久熱點(diǎn)。在最后一種情景下，快速反應(yīng)組合的動(dòng)作是為了解決本地臨時(shí)熱點(diǎn)和建立永久熱點(diǎn)的所有信源的閉環(huán)速率調(diào)節(jié)，這一點(diǎn)是很必要的。在本文中，我們?yōu)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)提出了一個(gè)稱為CODA（COngestion Detection and Avoidance）的高效節(jié)能的擁塞控制機(jī)制，包括以下三個(gè)機(jī)制：擁塞檢測(cè)。精確而高效的擁塞檢測(cè)在無線網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中起著重要作用。CODA綜合運(yùn)用當(dāng)前與以往的信道載荷狀態(tài)信息、當(dāng)前緩存器緩存信息量來推斷每個(gè)接收機(jī)的精確擁塞檢測(cè)，開銷低。由于傳輸介質(zhì)共享，并且相鄰的其他設(shè)備之間在傳輸過程中有可能擁塞，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)必須知道信道的狀態(tài)。如果一直通過監(jiān)聽信道來衡量本地負(fù)載將造成高能耗。因此，CODA采用采樣技術(shù)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間監(jiān)測(cè)本地信道，建立精確的估計(jì)，以減小能耗。一旦檢測(cè)到擁塞，則節(jié)點(diǎn)運(yùn)用反壓機(jī)制向上一相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送信令。開環(huán)、逐跳反壓。在CODA中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)只要檢測(cè)到擁塞就廣播一條反壓消息。反壓消息按上行方向朝源節(jié)點(diǎn)傳遞。對(duì)于密集網(wǎng)絡(luò)的脈沖數(shù)據(jù)事件，反壓消息可能直接傳遞到源節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)接收到反壓消息后就可以根據(jù)本地?fù)砣呗裕ㄈ鐏G包等）降低其發(fā)送速率或者丟掉數(shù)據(jù)包。上行節(jié)點(diǎn)接收到反壓消息后，根據(jù)本地網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)確定是否需要繼續(xù)朝上行方向轉(zhuǎn)發(fā)該反壓消息。閉環(huán)、多源調(diào)整。在CODA中，閉環(huán)調(diào)整工作時(shí)間較慢，能夠在發(fā)生持續(xù)性擁塞時(shí)針對(duì)單一接收端發(fā)送事件包的多個(gè)源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擁塞控制。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)事件速率小于信道最大理論吞吐量的一定百分比時(shí)，源節(jié)點(diǎn)自行調(diào)整。當(dāng)超過這一值時(shí)，源節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生擁塞，因此觸發(fā)了閉環(huán)擁塞控制，信源只進(jìn)入接收端調(diào)整。在這一點(diǎn)上，信源需要緩慢的不間斷的從接收端進(jìn)行反饋（如ACK），以維持其速率。信源接收到的ACKs作為時(shí)鐘自調(diào)機(jī)制，允許信源維持其當(dāng)前速率。如果沒有接收到ACK，則降低信源速率。本文結(jié)構(gòu)如下。第二部分介紹了相關(guān)工作。接下來，第三部分討論了一些用以緩解傳感器網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，如MAC和擁塞檢測(cè)問題。第四部分詳細(xì)介紹了CODA的反壓和速率調(diào)節(jié)機(jī)制。接下來在第五部分通過一個(gè)傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)對(duì)CODA的執(zhí)行情況進(jìn)行了評(píng)估。在傳感應(yīng)用性能上我們定義了兩個(gè)性能指標(biāo)（能耗和失真）來評(píng)估CODA的作用。有用CODA的設(shè)計(jì)與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳播策略是通用的，我們也使用眾所周知的傳播機(jī)制進(jìn)行評(píng)估。第六部分提出了一個(gè)使用NS-2模擬器進(jìn)行定向擴(kuò)散的CODA的初步性能評(píng)價(jià)。最后在第七部分進(jìn)行了總結(jié)并交代了今后的工作。2.相關(guān)工作傳感器網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制在文獻(xiàn)上沒有被大程度討論。擁塞避免技術(shù)需要在12中鑒定，同時(shí)需要權(quán)衡傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。Tilak, Abu-Ghazaleh,和 Heinzelman 12顯示了提高密度和報(bào)告速率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。雖然作者沒有提出任何的擁塞避免機(jī)制，但他們注意到任何此類機(jī)制都必須通過報(bào)告速率進(jìn)行銜接以滿足傳感應(yīng)用的性能或高保真。這是在傳感器網(wǎng)絡(luò)中極為重要的觀察。許多現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸策略613都可以通過配置或修改來響應(yīng)擁塞。例如定向擴(kuò)散可以在檢測(cè)到擁塞時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中使用數(shù)據(jù)縮減技術(shù)，比如主動(dòng)聚合。其他協(xié)議比如PSFQ（Pump Slowly Fetch Quickly 13，一種傳感器網(wǎng)絡(luò)下可靠的傳輸協(xié)議），能夠適應(yīng)協(xié)議（即調(diào)整pump/fetch比例）以避免擁塞。然而這些方法涉及到高度專業(yè)化的參數(shù)調(diào)整，精確的擁塞計(jì)時(shí)，及對(duì)協(xié)議內(nèi)部運(yùn)作的深入理解。擁塞控制機(jī)制需要涉及全面的設(shè)置，能夠最優(yōu)的約束和滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)及其新興應(yīng)用。這些機(jī)制應(yīng)提供組件的一半設(shè)置，在高效擁塞控制下可以插入應(yīng)用程序或者M(jìn)AC。在14中報(bào)告了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的載體傳感機(jī)制的綜合研究。作者提出了一種自適應(yīng)速率控制機(jī)制，可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持所有節(jié)點(diǎn)帶寬的公平分配。隱性損耗（即注入網(wǎng)絡(luò)失敗的數(shù)據(jù)包）用于碰撞信號(hào)以調(diào)整節(jié)點(diǎn)的傳輸速率。本文的側(cè)重點(diǎn)在于訪問控制的公平問題上，而不是擁塞控制。在9中一個(gè)事件到接收端可靠傳輸協(xié)議（ESRT）提供了對(duì)擁塞控制的支持。ESRT通過調(diào)節(jié)傳感器報(bào)告率以響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中檢測(cè)到的擁塞。本文代表了最新的最全面的傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞控制，其靈感來源于對(duì)Tilak, Abu-Ghazaleh, and Heinzelman 12 的討論。ESRT監(jiān)測(cè)了本地傳感器節(jié)點(diǎn)的緩存水平，并在包中設(shè)置了一個(gè)擁塞通知為，如果緩存溢出，則將包傳遞給接收端。如果一個(gè)接收端接收到了帶有擁塞通知設(shè)置比特的包，則進(jìn)行擁塞估計(jì)，并以廣播的形式通知各源節(jié)點(diǎn)，根據(jù)其控制信號(hào)的功能降低其報(bào)告頻率。正如9中討論的一樣，接收端必須在高能量下廣播控制信號(hào)，以確保所有信源都能接收到。這樣的信號(hào)在存在一些潛在的弊端，特別是在大型的傳感器網(wǎng)絡(luò)。所有正在進(jìn)行的事件傳輸都可能因?yàn)閭魍旁吹娜绱烁吣芰康男盘?hào)而擁塞。另外，9中提到的調(diào)節(jié)所有信源速率適用于具有相同報(bào)告速率傳感器網(wǎng)絡(luò)的均值應(yīng)用，但不適用于異構(gòu)數(shù)據(jù)源。即使是同質(zhì)信源，ESRT也總是調(diào)節(jié)所有信源，無論熱點(diǎn)發(fā)生在傳感器區(qū)域的任何位置，或者被觀察的熱點(diǎn)是否影響信源到接收端的路徑。我們認(rèn)為有必要支持異構(gòu)數(shù)據(jù)源，并且只有規(guī)范這些信源才能應(yīng)對(duì)或者影響這些臨時(shí)或者持久的擁塞狀況。此外，我們認(rèn)為信源的閉環(huán)調(diào)節(jié)不應(yīng)使用高能量，逐跳信號(hào)不會(huì)對(duì)正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳播產(chǎn)生干擾。許多其他的組織正著眼于傳感器網(wǎng)絡(luò)以外的無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制問題。例如，WTCP10通過檢測(cè)發(fā)送端與接收端包分離比例，對(duì)無線局域網(wǎng)內(nèi)的擁塞進(jìn)行檢測(cè)和反應(yīng)。如果無線網(wǎng)絡(luò)和hoc網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到擁塞則SWAN17將強(qiáng)制信源重新調(diào)整端到端。對(duì)于無線和hoc網(wǎng)絡(luò)中的組播，RALM11采用類似于TCP擁塞和錯(cuò)誤控制機(jī)制。同時(shí)多播擁塞控制和無線網(wǎng)絡(luò)擁塞控制不需要處理傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量擴(kuò)散擁塞檢測(cè)和避免的問題。3.設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)接下來我們討論對(duì)支持CODA設(shè)計(jì)技術(shù)方面的考慮，詳細(xì)設(shè)計(jì)將在第四部分。在無線共享介質(zhì)中，媒體訪問控制在管理數(shù)據(jù)脈沖的性能上起著顯著的作用。有一個(gè)影響越來越大的用于傳感器網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)型TDMA方案，通過定期關(guān)閉節(jié)點(diǎn)來維持能量。因?yàn)門DMA能夠嚴(yán)格控制和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的傳輸流量，擁塞控制的需求基本得到緩解?？墒窃赥DMA廣泛應(yīng)用之前仍有許多問題必須解決，包括同步和調(diào)度開銷。越來越多的傳感器網(wǎng)絡(luò)使用CSMA或其變種進(jìn)行介質(zhì)訪問。例如，廣泛應(yīng)用的Berkeley motes 5 使用一個(gè)簡(jiǎn)單的CSMA MAC作為TinyOS19平臺(tái)的一部分。在16作者提出了一個(gè)CSMA的修改版本叫做S-MAC，將TDMA調(diào)節(jié)結(jié)合了TCSMA的基于介質(zhì)訪問的論點(diǎn)卻沒有嚴(yán)格的時(shí)間同步要求。S-MAC使用虛擬載波監(jiān)聽以避免終端隱藏問題，允許除了發(fā)送端和接收端外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式（在RTS/CTS交換后NAV期間），以此節(jié)約能源。S-MAC在支持單一應(yīng)用的同質(zhì)化網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行良好。當(dāng)使用S-MAC或者基于其他理論的計(jì)劃時(shí)，一旦傳入流量超過節(jié)點(diǎn)容量并且隊(duì)列溢出，擁塞仍然會(huì)發(fā)生。CODA的設(shè)計(jì)仍有一些注意事項(xiàng)。接下來，我們討論了MAC和擁塞檢測(cè)的注意事項(xiàng)。3.1 CSMA的注意事項(xiàng)3.11 吞吐量問題CODA采用實(shí)踐方法，假定CSMA。CSMA的理論最大吞吐量近似為1:其中，CSMA的性能很大程度上依賴于，表示無限傳播時(shí)延和信道空閑檢測(cè)時(shí)延的和。表示時(shí)延，單位為秒，C表示原始信道的比特速率，L表示一個(gè)數(shù)據(jù)分組的比特估計(jì)數(shù)。如果節(jié)點(diǎn)可以快速檢測(cè)到空閑周期，即極小，那 么CSMA可以提供極高的信道利用率，與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載無關(guān)。式（1）中給出了一跳范圍內(nèi)CSMA的信道容量。在7中，參考文獻(xiàn)指出，一條理想Ad Hoc多跳轉(zhuǎn)發(fā)鏈應(yīng)該能后達(dá)到單跳傳輸所能達(dá)到的吞吐量的25%。就像3.2和4.2部分中討論的一樣，這個(gè)結(jié)果對(duì)于CODA的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。3.1.2 隱藏終端CSMA在多跳環(huán)境中會(huì)遇到隱藏終端問題。IEEE 802.11采用虛擬載波監(jiān)聽(VC)即RTS/CTS交互來消除隱藏終端。為了降低采用虛擬載波監(jiān)聽而引入的信令開銷，IEEE 802.11傳輸短分組時(shí)不采用RTS/CTS交互。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于低占空因數(shù)要求和流量特點(diǎn)8，分組通常很短（即幾十個(gè)字節(jié)）。因此如果每條信息都是用RTS/CTS交互的話，信令開銷會(huì)很高。此外，傳感器節(jié)點(diǎn)有一個(gè)有限的能源預(yù)算，這樣做會(huì)提高能源成本。通常，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很輕時(shí)，除了源節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都處于靜默狀態(tài)，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)的工作負(fù)載是很低的。因此隱藏終端引起的丟包很少。在14中，作者表明，一般情況下，即使在終端密集的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送/轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包良好時(shí)，終端隱藏存在的概率很低。在S-MAC16中，RTS/CTS交互被用于聚合方式而不是單一數(shù)據(jù)包，以減少能源成本?？傊?，就傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，正常操作期間，因?yàn)殚_銷高而沒有必要使用VC。為了防止擁塞，需要設(shè)計(jì)一種能夠滿足使用或者不使用VC的機(jī)制，要求在正常操作期間開銷低，甚至無開銷，足夠快的解決擁塞問題。在3.2部分，我們將討論這樣一個(gè)策略。3.13 鏈路層ARQ在IEEE802.11 MAC中，將已發(fā)送的包保存到發(fā)送緩存中，直到接收到其ACK或者到達(dá)最大重傳次數(shù)為止。這個(gè)機(jī)制提高了鏈路質(zhì)量，代價(jià)是能耗和儲(chǔ)存器空間的增大。可是，能量和儲(chǔ)存空間對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)而言是稀有資源，在正常操作下沒有必要用于支持鏈路的可靠性（即由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特定性，并非所有數(shù)據(jù)包都需要嚴(yán)格的可靠性）。我們相信，在傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需要分別考慮可靠性和擁塞控制。對(duì)于關(guān)鍵信息交互（如路由信令），VC和鏈路層ARQ作為通信可靠性手段是必須的，但在擁塞期間，VC和鏈路層ARQ不是必須的。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于所分發(fā)數(shù)據(jù)中的固有冗余度，能耗比偶爾數(shù)據(jù)包丟失更加嚴(yán)重。因此，主要目標(biāo)功能是能耗最低化。這與TCP相反，丟失的TCP分組總是要恢復(fù)的。在設(shè)計(jì)時(shí)，擁塞控制并不直接關(guān)心分組的丟失，允許CODA消除與其他控制機(jī)制的可靠性之間的相互影響。因此，根據(jù)應(yīng)用，CODA能夠與（可以不與）可靠性機(jī)制一起使用。3.2 擁塞檢測(cè)在傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中，精確高效的擁塞檢測(cè)起著重要的作用。對(duì)新的擁塞檢測(cè)技術(shù)的要求是低能耗和計(jì)算復(fù)雜性低?？赡苡袔醉?xiàng)技術(shù)。3.2.1 緩存器隊(duì)列長(zhǎng)度在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常采用隊(duì)列管理來檢測(cè)擁塞。但是，由于沒有鏈路層應(yīng)答（有些應(yīng)用可能不要求鏈路層應(yīng)答，因此為了節(jié)能不采用鏈路層應(yīng)答），所以不能使用緩存器信息緩存量或者隊(duì)列長(zhǎng)度作為擁塞指示。為了進(jìn)一步說明。利用ns-2仿真一個(gè)5節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)，如圖2。在仿真中，節(jié)點(diǎn)1和4各自開始發(fā)送CBR分組，占50%信道容量，CBR分組通過節(jié)點(diǎn)2分別傳給節(jié)點(diǎn)3和5。10秒后，其中一個(gè)源節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送?？梢苑抡鎯纱?，一次使用VC和鏈路層ARQ，另一次不使用VC和鏈路層ARQ。圖2：一個(gè)簡(jiǎn)單的5節(jié)點(diǎn)的IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)用于說明基于接收節(jié)點(diǎn)的擁塞控制圖3給出了時(shí)間序列軌跡結(jié)果，包括信道負(fù)載、緩存器信息緩存量以及中間節(jié)點(diǎn)2的包交付率。圖中可以清楚看到，在兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送的時(shí)候，信道負(fù)載幾乎立即上升到90%，發(fā)生擁塞，包交付率從100%下降到20%左右。但緩存器信息緩存量在擁塞期間，特別是在關(guān)閉VC仿真期間的事件序列軌跡中增長(zhǎng)緩慢。在仿真到5s左右急劇下降，從而提供了虛假的擁塞狀態(tài)信息。這是因?yàn)槿绻麤]有鏈路層ARQ，隊(duì)列的情況不代表擁塞已經(jīng)緩解，因?yàn)槌鲫?duì)列的包可能由于碰撞而沒有傳遞到下一跳。由于檢測(cè)時(shí)延1，CSMA不保證相鄰節(jié)點(diǎn)間無碰撞傳輸。圖3 采用及不采用VC的信道負(fù)載、緩存器占用時(shí)間軌跡，和采用VC情況下的包交付軌跡這個(gè)簡(jiǎn)單的模擬結(jié)果顯示，當(dāng)鏈路層ARQ被啟用，除了隊(duì)列為空或即將溢出等極端情況下，緩存器被占用不能準(zhǔn)確的反應(yīng)擁塞。第一種情況傳輸狀態(tài)良好，第二種情況信號(hào)擁塞嚴(yán)重。換句話手，很難量化擁塞等級(jí)或者推斷完全基于緩存占用的擁塞。這種雙峰型的影響不足以響應(yīng)，只是粗略的提供了平穩(wěn)有效的擁塞控制。3.2.2 信道負(fù)載在CSMA網(wǎng)絡(luò)中，傳感器直接監(jiān)聽信道，跟蹤信道工作時(shí)間并計(jì)算本地信道負(fù)載狀態(tài)。由于式（1）中的Smax給出了信道的最佳利用，如果一個(gè)傳感器檢測(cè)到信道負(fù)載到達(dá)信道容量的一定比例時(shí)，則表示發(fā)生碰撞的概率非常高。7信道負(fù)載給出了周圍網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)的精確信息，是固有的本地?fù)砣徑鈾C(jī)制。這限制了影響，例如，在從產(chǎn)生高速率流量的稀疏本地信源檢測(cè)由數(shù)據(jù)脈沖引起的大規(guī)模擁塞時(shí)，在節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道消耗相當(dāng)大的一部分能量。因此，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中一直執(zhí)行該操作是不現(xiàn)實(shí)的。在4.1節(jié)中，我們提出了一個(gè)抽樣方案，只在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候激活本地信道監(jiān)聽，從而盡量減低能源成本，同時(shí)得到對(duì)狀況的準(zhǔn)確估計(jì)。3.2.3 報(bào)告速率/逼真度對(duì)于在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的典型應(yīng)用6，接收端要求一定的源節(jié)點(diǎn)采樣速率或報(bào)告速率。該速率與具體應(yīng)用密切相關(guān)，并且可以被看做是表示時(shí)間逼真度12。這是因?yàn)?，源?jié)點(diǎn)對(duì)于某種現(xiàn)象的報(bào)告速率應(yīng)該足夠高，以滿足應(yīng)用所需的精確度。當(dāng)接收端的包接收率一直低于所要求的報(bào)告率，則推斷傳輸路徑上可能因擁塞而丟包。相比之下，當(dāng)ESRT9接收的小于要求的報(bào)告率，除非接收端接收到擁塞通知比特設(shè)置的包，否則向信源發(fā)送信令，要求提高信源的報(bào)告速率。這種逼真度測(cè)試方法的執(zhí)行相對(duì)于包傳輸來說需要很長(zhǎng)時(shí)間，并且要注意：信源與接收端之間的端到端延時(shí)。這是其采樣速率的自身需求。處理時(shí)延一個(gè)接收端通常收集多個(gè)信源關(guān)于同一現(xiàn)象的數(shù)據(jù)（如數(shù)據(jù)積累/融合）。為了處理不同信源的數(shù)據(jù)包因沿不同路徑傳播到達(dá)接收端的不同時(shí)延，接收端在得出結(jié)論前需要等待一段時(shí)間以接收各信源的報(bào)告。穩(wěn)定性為了避免對(duì)可能引起抖動(dòng)的瞬間現(xiàn)象的不必要反應(yīng)，接收端不應(yīng)對(duì)事件反應(yīng)過快，因此應(yīng)該定義一個(gè)合適的、時(shí)間較長(zhǎng)的“觀察周期”。總之，基于報(bào)告速率的擁塞檢測(cè)本來就很慢，并且是端到端的，因此，不能有效的處理傳感器網(wǎng)絡(luò)中的臨時(shí)熱點(diǎn)問題。4 CODA設(shè)計(jì)由于出現(xiàn)的擁塞情況不同，熱點(diǎn)可以發(fā)生在傳感器區(qū)域的不同位置。這引起了對(duì)CODA的開環(huán)逐跳反壓和閉環(huán)多源調(diào)整機(jī)制的需求。這兩中機(jī)制在不隔絕時(shí)可以很好的相互補(bǔ)充。傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)速率控制功能的需求不同，這取決于該節(jié)點(diǎn)是信源、接收端或者是中間節(jié)點(diǎn)。信源知道流量的屬性而中間節(jié)點(diǎn)不知道。接收端最有條件了解接收信號(hào)的真實(shí)速率，并且在一些應(yīng)用中，接收端因?yàn)榭梢詧?zhí)行復(fù)雜的啟發(fā)式算法而成為強(qiáng)大的節(jié)點(diǎn)。CODA的目標(biāo)是在正常狀況下降低能耗或者無能耗，但一旦檢測(cè)出擁塞，則不能足夠快得緩解熱點(diǎn)周圍的擁塞。接下來我們討論CODA的反壓和多源調(diào)節(jié)機(jī)制。4.1 開環(huán)逐跳反壓反壓是發(fā)生擁塞后的初步快速控制機(jī)制。其主要思想是采用3.2節(jié)中提到的各種檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行本地各節(jié)點(diǎn)的低開銷擁塞檢測(cè)。一旦檢測(cè)到擁塞，接收端將向鄰節(jié)點(diǎn)廣播一條抑制信息，通知作出本地調(diào)整，從而防止擁塞向下行方向擴(kuò)撒。節(jié)點(diǎn)只要檢測(cè)到擁塞就會(huì)廣播反壓消息。反壓信號(hào)朝信源方向傳遞。對(duì)于密集網(wǎng)絡(luò)的脈沖數(shù)據(jù)事件，反壓很可能直接傳遞個(gè)信源。節(jié)點(diǎn)接收到反壓信號(hào)后就可以根據(jù)某些本地?fù)砣呗裕ㄈ鐏G包、AIMD等）降低其發(fā)送速率或者直接丟包。上行節(jié)點(diǎn)（朝向信源方向）接收到反壓消息時(shí)，根據(jù)其本地網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)決定是否需要向上傳播反壓消息。例如，節(jié)點(diǎn)接收到反壓消息后，根據(jù)本地策略可以將其輸入數(shù)據(jù)包丟棄，防止其隊(duì)列填滿而造成擁塞，因?yàn)殛?duì)列溢出不會(huì)朝上行方向傳播反壓消息。但是，由于節(jié)點(diǎn)在沒有反壓信號(hào)傳播時(shí)的本地處理擁塞指示策略，需要閉環(huán)擁塞控制機(jī)制來處理這種情況下的持續(xù)性擁塞。我們使用擁塞深度來表示反壓消息在遭遇擁塞前傳播通過的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)。路由協(xié)議和本地丟包策略可以采用擁塞深度來衡量通過不同路徑的能耗。可以使用兩種簡(jiǎn)單的情況：以臨時(shí)擁塞深度作為路由協(xié)議選擇較佳路徑的指標(biāo)，從而降低深度擁塞路徑的流量。另外，節(jié)點(diǎn)可以抑制或者丟棄有關(guān)路由協(xié)議或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的重要信令消息（如interests6，數(shù)據(jù)廣播3等），而不是耦合擁塞控制和路由。這種方法有助于事件流按照透明方式離開擁塞區(qū)域和遠(yuǎn)離熱點(diǎn)。對(duì)于使用擁塞深度協(xié)助路由的進(jìn)一步研究超出了本文的范圍。本文的其余部分將描述CODA的開環(huán)控制的主要內(nèi)容和具體操作。4.1.1 基于接收方的檢測(cè)正如3.2節(jié)提到的，有多個(gè)良好的擁塞指示：將要溢出的隊(duì)列。所測(cè)信道負(fù)載高于最佳信道利用率的一定比例。這是擁塞的概率指示，通過觀測(cè)信道負(fù)載接近上限的程度來獲得。隊(duì)列長(zhǎng)度監(jiān)視除了極低的處理開銷外幾乎沒有開銷，只提供雙峰指示。監(jiān)聽信道只測(cè)量信道負(fù)載或者只獲取碰撞檢測(cè)信令的信息，提供擁塞指示，但是如果持續(xù)不停地監(jiān)聽信道則能量開銷很高。因此，只在合適的時(shí)候激活信道監(jiān)聽，使能耗最低是很關(guān)鍵的?？紤]一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的典型包轉(zhuǎn)發(fā)及其常用的無線業(yè)務(wù)模式。電臺(tái)只要不在發(fā)送狀態(tài)或者已經(jīng)關(guān)機(jī)，則處于監(jiān)聽模式。當(dāng)檢測(cè)到信道的載波后，電臺(tái)切換為接收方式，等待傳輸前導(dǎo)，然后繼續(xù)接收包比特流。在將分組轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳前，CSMA要求電臺(tái)檢測(cè)空閑信道，即電臺(tái)對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)聽一段時(shí)間。如果在該時(shí)間段內(nèi)信道空閑，則電臺(tái)切換到發(fā)送模式，并且發(fā)送包。由于需要在包發(fā)送前進(jìn)行載波監(jiān)聽。所以當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送包時(shí)，不存在額外的信道負(fù)載監(jiān)聽和測(cè)試開銷。基于這一觀察，我們得出應(yīng)在節(jié)點(diǎn)緩存器非空的時(shí)候在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候激活檢測(cè)機(jī)制。換句話說，根據(jù)某些協(xié)調(diào)策略（如GAF15，SPAN2,S-MAC 協(xié)議16等）節(jié)點(diǎn)電臺(tái)可能大部分時(shí)間都處于關(guān)閉狀態(tài)，但是，只要需要接收或者發(fā)送分組，電臺(tái)必須至少處于監(jiān)聽模式。圖2顯示了傳感器網(wǎng)絡(luò)中可能產(chǎn)生熱點(diǎn)或者擁塞區(qū)域的典型場(chǎng)景。在這個(gè)例子中，節(jié)點(diǎn)1和4發(fā)送CBR流量，消耗50%的信道容量，CBR流量經(jīng)過節(jié)點(diǎn)2分別達(dá)到節(jié)點(diǎn)3和5。由于信道忙，節(jié)點(diǎn)2接收的數(shù)據(jù)包留在其隊(duì)列中，最后丟棄。這個(gè)簡(jiǎn)單的例子說明，在擁塞相鄰區(qū)域內(nèi)，接收節(jié)點(diǎn)（如轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)2，）的緩存器緩存信息量高或者非空。節(jié)點(diǎn)在緩存非空時(shí)激活信道負(fù)載測(cè)試的響應(yīng)率高，幾乎沒有開銷。當(dāng)緩存器清空時(shí)，信道負(fù)載測(cè)試自動(dòng)停止，這說明擁塞緩解，數(shù)據(jù)流平穩(wěn)通過相鄰區(qū)域周圍的概率高。根據(jù)這些觀察，如果節(jié)點(diǎn)只在其接收包并需要轉(zhuǎn)發(fā)該包時(shí)激活信道負(fù)載監(jiān)聽，則信道負(fù)載測(cè)試的額外開銷非常低。CODA需要進(jìn)行信道負(fù)載測(cè)試的唯一時(shí)間就是節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送的時(shí)候，并且必須在發(fā)送前進(jìn)行載波監(jiān)聽。4.1.2 最低開銷采樣監(jiān)聽周期定義為分組時(shí)間的整數(shù)倍。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)開始監(jiān)聽信道（即有信息需要發(fā)送）的時(shí)候，要求MAC協(xié)議至少對(duì)信道監(jiān)聽一個(gè)監(jiān)聽周期，以測(cè)試信道負(fù)載。在一個(gè)監(jiān)聽周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)不是連續(xù)不停地在退避期間監(jiān)聽，而進(jìn)行周期性采樣，以節(jié)約能源，采樣之間的間隔期間可以關(guān)掉電臺(tái)。在測(cè)試N個(gè)連續(xù)長(zhǎng)度為E的監(jiān)聽周期的信道負(fù)載時(shí)運(yùn)用采樣方案，采用預(yù)先定義的采樣速率獲取信道狀態(tài)信息，即在一個(gè)偵聽周期內(nèi)信道狀態(tài)忙活著空閑的時(shí)間倍數(shù)。然后按照n（在監(jiān)聽周期n期間的信道負(fù)載測(cè)試結(jié)果）的指數(shù)平均以及參數(shù)計(jì)算前N個(gè)連續(xù)監(jiān)聽周期的信道負(fù)載監(jiān)聽結(jié)果，如式（3）。如果發(fā)送緩存器在n到達(dá)N之前變空，那么忽略平均值，將n置為1.數(shù)組（N，E，）提供了一種調(diào)整采樣方案的方法，以準(zhǔn)確測(cè)量特定的電臺(tái)和系統(tǒng)構(gòu)架的信道負(fù)載。在5.2節(jié)，我們描述并演示了在由伯克利Rene2傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)上這三個(gè)參數(shù)的調(diào)整。4.1.3 消息抑制當(dāng)所測(cè)信道負(fù)載大于門限閾值（可以簡(jiǎn)單的寫作Smax，在之后評(píng)價(jià)一節(jié)中有介紹）時(shí)，意味著發(fā)生了擁塞。節(jié)點(diǎn)廣播作為反壓信號(hào)的抑制消息，同時(shí)執(zhí)行本地?fù)砣呗?。盡管不能保證所有相鄰節(jié)點(diǎn)都能收到抑制消息，但至少有一些節(jié)點(diǎn)能夠有一定概率接收到。節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道負(fù)載和緩存器信息緩存量檢測(cè)到擁塞后就廣播抑制消息。只要擁塞持續(xù)存在，節(jié)點(diǎn)就繼續(xù)廣播抑制消息，直到到達(dá)預(yù)訂最大的廣播次數(shù)為止。抑制消息是開環(huán)反壓機(jī)制的基礎(chǔ)，還可以作為按需“Clear To Send”信號(hào)，所有其他鄰節(jié)點(diǎn)（發(fā)送節(jié)點(diǎn)除外，隨機(jī)選擇的發(fā)送節(jié)點(diǎn)或者能夠分配較多機(jī)會(huì)給更需要的發(fā)送節(jié)點(diǎn)）至少可以靜默一個(gè)包傳輸時(shí)間，從而支持CODA隱含的優(yōu)先級(jí)方法，即可以根據(jù)數(shù)據(jù)類型或者其他參數(shù)選擇嵌入抑制消息的“已選節(jié)點(diǎn)”，必須給已選節(jié)點(diǎn)分配較高的帶寬使用優(yōu)先級(jí)。所有節(jié)點(diǎn)共享同一數(shù)據(jù)類型的優(yōu)先級(jí)列表，并且該確定數(shù)據(jù)類型具有高于其他數(shù)據(jù)類型的優(yōu)先級(jí)。4.2 閉環(huán)多源調(diào)整在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如果發(fā)生持續(xù)性擁塞，則需要維護(hù)從單一接收端到多個(gè)源節(jié)點(diǎn)的擁塞控制。接收端作為1到N控制器對(duì)多個(gè)源節(jié)點(diǎn)起著重要的作用。閉環(huán)流控制需要反饋信令，因此相對(duì)于簡(jiǎn)單開環(huán)流控制開銷更高。我們提出了一個(gè)方法，即動(dòng)態(tài)調(diào)整與特定數(shù)據(jù)事件有關(guān)的源節(jié)點(diǎn)。在正常操作下，各個(gè)源節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先確定的速率自行調(diào)整（比如基于數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議63），不會(huì)干預(yù)閉環(huán)接收節(jié)點(diǎn)調(diào)整。當(dāng)信源事件速率（r）小于信道最大理論吞吐量（Smax）一定比例時(shí)，源節(jié)點(diǎn)自行調(diào)整。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)事件速率大于該值（rSmax）7，源節(jié)點(diǎn)很可能會(huì)引起擁塞，從而觸發(fā)閉環(huán)控制。這里的閾值不同于本地?fù)砣麢z測(cè)使用的閾值，實(shí)際上應(yīng)該更小，這一點(diǎn)在7中有說明。如果大于該閾值，源節(jié)點(diǎn)只進(jìn)入接收節(jié)點(diǎn)調(diào)整。此時(shí)，源節(jié)點(diǎn)不斷需要接收節(jié)點(diǎn)的反饋信息（如ACK）來維持其事件速率（r）。源節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到（rSmax）后觸發(fā)接收節(jié)點(diǎn)調(diào)整，在其轉(zhuǎn)發(fā)給接收節(jié)點(diǎn)的事件包中設(shè)置調(diào)整比特。接收到調(diào)整比特被置位的包后，迫使接收節(jié)點(diǎn)回送ACK（如接收節(jié)點(diǎn)每接收100個(gè)事件返回一個(gè)ACK），以便調(diào)整跟特定數(shù)據(jù)事件有關(guān)的所有源節(jié)點(diǎn)。按照應(yīng)用特定方式發(fā)送ACK。例如，接收節(jié)點(diǎn)只沿著定向擴(kuò)散6應(yīng)用需要強(qiáng)化的路徑發(fā)送ACK。源節(jié)點(diǎn)接收到ACK可以作為自行計(jì)時(shí)機(jī)制，以便允許源節(jié)點(diǎn)維護(hù)當(dāng)前事件速率（r）。源節(jié)點(diǎn)設(shè)置調(diào)整比特，希望按照預(yù)定的速率接收到接收節(jié)點(diǎn)回送的ACK或者在預(yù)定周期內(nèi)接收到接收節(jié)點(diǎn)回送的預(yù)定數(shù)量的ACK，可以接受臨時(shí)擁塞造成的ACK偶爾丟失。源節(jié)點(diǎn)在預(yù)定周期內(nèi)接收到預(yù)定數(shù)量的ACK，則維持其事件速率（r）。當(dāng)發(fā)生擁塞時(shí)，ACK丟失，迫使源節(jié)點(diǎn)按照某種速率遞減函數(shù)（如乘法遞減等）下調(diào)其事件速率。接收節(jié)點(diǎn)也可能根據(jù)所觀測(cè)到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)停止發(fā)送ACK。接收節(jié)點(diǎn)能夠測(cè)試其本地信道負(fù)載（）情況，如果負(fù)載過度（Smax），則停止向源節(jié)點(diǎn)回送ACK。由于接收節(jié)點(diǎn)要求一定的事件報(bào)告速率，所以當(dāng)事件報(bào)告速率一直低于所需報(bào)告速率（即信號(hào)逼真度12）時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)也可以采用應(yīng)用的指定操作。當(dāng)事件報(bào)告速率一直低于所需報(bào)告速率時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)推斷路徑上的事件包由于持續(xù)性擁塞而丟失，并且停止給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK。當(dāng)擁塞被排除后，接收節(jié)點(diǎn)又可以重新開始發(fā)送ACK，因此，源節(jié)點(diǎn)按照某種速率遞增函數(shù)（如加法遞增等）上調(diào)其事件速率。由于有些應(yīng)用的接收節(jié)點(diǎn)能力強(qiáng)于傳感器，接收節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)收集點(diǎn)，所以接收節(jié)點(diǎn)能夠維護(hù)有關(guān)特定數(shù)據(jù)類型的狀態(tài)信息。通過觀察源節(jié)點(diǎn)的包流，如果推斷發(fā)生了擁塞，則接收節(jié)點(diǎn)可以直接給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制消息，以降低源節(jié)點(diǎn)的閾值，迫使源節(jié)點(diǎn)以較低的速率（即低于較為重要的觀測(cè)接收節(jié)點(diǎn)）觸發(fā)接收節(jié)點(diǎn)調(diào)整。從而提出了一個(gè)間接優(yōu)先權(quán)機(jī)制，作為閉環(huán)擁塞控制的一部分。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)事件速率被重置（如通過加固6）而使其小于信道的理論最大吞吐量（Smax），然后源節(jié)點(diǎn)開始自行調(diào)整，但不需要接收節(jié)點(diǎn)回送的ACK。這種多模擁塞控制技術(shù)為設(shè)計(jì)高效、低耗、可以在伯克利mote54傳感器網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的擁塞控制技術(shù)提供了基礎(chǔ)，這些將在第5節(jié)中討論?？傊?，相對(duì)于開環(huán)擁塞控制，閉環(huán)多源調(diào)整與應(yīng)用層的關(guān)系更加密切。ESRT9總是采用使用同一速率的信源的高功率調(diào)整信令調(diào)整所有信源節(jié)點(diǎn)。CODA只調(diào)整其數(shù)據(jù)事件造成或者加重?fù)砣?，或者其?shù)據(jù)事件被傳輸路徑上的熱點(diǎn)所阻止的有關(guān)源節(jié)點(diǎn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求調(diào)整時(shí)，CODA沒有采用高功率發(fā)射的單條控制消息，而是采用逐跳信令傳遞法來實(shí)現(xiàn)調(diào)整。5 傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)在這一節(jié)中，我們討論了Rene2 motes 5上使用TinyOS平臺(tái)19的真實(shí)傳感器系統(tǒng)在實(shí)施CODA的上的初步經(jīng)驗(yàn)。我們報(bào)告的評(píng)價(jià)結(jié)果包括測(cè)量值，調(diào)整精確信道負(fù)載測(cè)量的參數(shù)和通用數(shù)據(jù)傳播應(yīng)用的CODA的評(píng)價(jià)。傳感器設(shè)備有ATMEL公司4MHz的，低能耗的，8比特微控制器，擁有16K比特的程序儲(chǔ)存器，1K比特的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器和32KB的EEPROM作為而至存儲(chǔ)。電臺(tái)是一個(gè)單一信道的RF收發(fā)器，工作在916MHz并能夠在10kbps傳輸下使用開關(guān)鍵控編碼，無線平臺(tái)通過軟件（TinyOS）對(duì)傳輸和比特進(jìn)行采樣。對(duì)于我們所有的測(cè)試，在Rene2 motes的頂層使用非持續(xù)的CSMA MAC。5.1 測(cè)量值使用4.1節(jié)中描述的CODA的開環(huán)控制機(jī)制時(shí)，必須決定開始申請(qǐng)反壓的擁塞閾值，這一點(diǎn)是非常重要的。作出這個(gè)決定的第一步是先確定使用電臺(tái)和MAC協(xié)議的信道的最大信道利用率。正如3.1節(jié)中式（1）標(biāo)注的，使用CSMA MAC協(xié)議，無線網(wǎng)絡(luò)中的信道利用率依賴于擁有最大物理分離的節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)延，最大物理分離節(jié)點(diǎn)仍然受相互之間通信和信道空閑檢測(cè)時(shí)延的干擾。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，最大物理分離通常是數(shù)萬米或者稍微少一些，這樣的傳播時(shí)延在大多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)。因此，如果信道空閑檢測(cè)時(shí)延可以忽略不計(jì)，則CSMA應(yīng)該提供支持信道負(fù)載的幾乎100%的信道利用率?？墒牵诂F(xiàn)實(shí)中，利用率要少得多，這是由于MAC層上在空閑信道檢測(cè)時(shí)存在時(shí)延。我們可以使用式（2）中定義的參數(shù)來預(yù)測(cè)延遲對(duì)降低最高信道利用率造成的影響。我們衡量對(duì)于Rene2 mote的價(jià)值時(shí)使用一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置上包含有兩個(gè)運(yùn)行著TinyOS19的mote。嵌入MAC的秒表計(jì)時(shí)器為測(cè)量提供了基礎(chǔ)。圖4顯示了在MAC層接收和發(fā)送流量時(shí)計(jì)時(shí)器的位置。當(dāng)MAC接收到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)棧的上層發(fā)送的包時(shí)，mote A開始觀察，當(dāng)檢測(cè)到mote B發(fā)送的包中含有開始符號(hào)時(shí)，停止觀察。在mote B MAC中秒表計(jì)時(shí)器觸發(fā)點(diǎn)的位置與mote A是相同的，但執(zhí)行的操作是相反的。它在接收包時(shí)開始觀察，在傳輸時(shí)停止。圖4 MAC層秒表測(cè)量安置。TinyOS MAC組件代碼下接收和發(fā)送狀態(tài)流量的圖。秒表開始/停止的位置標(biāo)有X。一個(gè)單獨(dú)的測(cè)量迭代包括mote A向mote B發(fā)送一個(gè)包，mote B立即向mote A回送一個(gè)包。由于秒表計(jì)時(shí)器觸發(fā)點(diǎn)的位置是固有對(duì)稱的，是與秒表A和秒表B之間差異的一半成正比：超過50次的迭代，我們可以測(cè)出Rene2 motes的平均值0.0300.003（有95%的可信度）。將帶入CSMA吞吐量（Smax）的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式式（1），我們預(yù)測(cè)了約71%的最高信道利用率。5.2 信道負(fù)載的測(cè)量與利用率能夠觸發(fā)反壓機(jī)制的信道負(fù)載閾值必須權(quán)衡節(jié)能和保真。節(jié)能意味著在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)信道負(fù)載的感應(yīng)減少?？墒牵诺镭?fù)載的測(cè)量是在單位時(shí)間內(nèi)感應(yīng)的越多越準(zhǔn)確。作為密集和稀疏采樣的折中辦法，我們使用一個(gè)情景，信道負(fù)載通過測(cè)量長(zhǎng)度為E的N段連續(xù)時(shí)期（在這一時(shí)期使用某些固定信道狀態(tài)采樣速率），并且通過計(jì)算含有參數(shù)的指數(shù)平均值來表示感應(yīng)的信道負(fù)載。然后問題就變成了處理（N，E，）這三個(gè)參數(shù)，因此節(jié)點(diǎn)的被感應(yīng)到的信道負(fù)載非常接近真實(shí)信道負(fù)載。為了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，我們使用兩個(gè)運(yùn)行著帶有CSMA MAC的TinyOS系統(tǒng)的mote。Mote S是一個(gè)隨機(jī)的CBR信源，發(fā)送速率為每秒4個(gè)包。Mote R是一個(gè)接受者，通過使用上一段提到的策略感應(yīng)信道負(fù)載。信道在長(zhǎng)度為E的時(shí)段每毫秒采樣一次，共N個(gè)時(shí)段。使用該設(shè)置，我們測(cè)試了N2,3,4,5，E100ms，200ms，300ms，0.75,0.80,0.85,0.90的所有的組合。每個(gè)組合（發(fā)送1024個(gè)包）的時(shí)間序列時(shí)間指數(shù)的平均值超過了256秒。使用這種方法我們發(fā)現(xiàn)組合（4，100ms，0.85）在mote R上產(chǎn)生的感應(yīng)信道負(fù)載的平均值最接近通過精確度為0.160.07的mote S計(jì)算的真實(shí)的信道負(fù)載（單位%）平均值。一般情況下，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)參數(shù)的檢測(cè)精度不是很敏感（誤差在5%以內(nèi)）。因此，不必為每個(gè)基于CSMA的新電臺(tái)進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)。作為今后工作的一部分，我們打算使用Mica2的新一代，其使用與Rene2不同的電臺(tái)以調(diào)查此問題。為了解決同時(shí)監(jiān)聽和轉(zhuǎn)發(fā)包的節(jié)點(diǎn)的更為現(xiàn)實(shí)的情況，在之前的實(shí)驗(yàn)裝置上添加了第三個(gè)mote F，所有的mote處于相互的傳輸范圍之內(nèi)。Mote F在接收到mote S發(fā)送過來的包后30到130毫秒的事件間隔內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)該包，并且也使用與mote R使用的（N，E，）參數(shù)相同的同一方案感應(yīng)信道負(fù)載。因?yàn)榇嬖趦蓚€(gè)數(shù)據(jù)包信源（和），因此會(huì)有信道爭(zhēng)奪。Mote R仍然作為參考節(jié)點(diǎn)檢查mote F感應(yīng)的信道負(fù)載，同時(shí)也跟蹤mote S和F發(fā)送的大量數(shù)據(jù)包，以計(jì)算其交付率。通過mote S發(fā)送1024個(gè)包，我們測(cè)量了數(shù)據(jù)包的交付率和使用不同信源包速率（即4.5,6.25,7.69,9.09,10,16.67）的信道負(fù)載感應(yīng)的準(zhǔn)確性。感應(yīng)到的信道負(fù)載的平均值，與標(biāo)稱信道負(fù)載（基于供應(yīng)負(fù)載的嚴(yán)格計(jì)算）和真實(shí)信道負(fù)載（基于MAC層發(fā)送的真實(shí)的包數(shù)量和花費(fèi)時(shí)間計(jì)算）在圖5中被畫出，與信源包速率形成對(duì)比。圖5 測(cè)量信道負(fù)載的限制是由決定的。額定負(fù)載曲線隨信源包速率的增加按照恒定斜率增加，同時(shí)測(cè)量負(fù)載值遠(yuǎn)小于飽和負(fù)載。圖5顯示了在Rene2 mote上CSMA MAC的依賴性。我們可以從額定信道負(fù)載的曲線中看到，當(dāng)每秒發(fā)送高于7.69個(gè)包（信源發(fā)送速率）時(shí)，供應(yīng)負(fù)載大于全部的飽和負(fù)載?？墒?，我們還觀察到，不論信源包速率是多少，測(cè)量的信道負(fù)載的飽和度低于70%。如果我們可以假設(shè)數(shù)據(jù)包沖突和緩存器限制不能顯著降低對(duì)觀測(cè)到的信道負(fù)載，這種限制預(yù)測(cè)（正如5.1節(jié)所示）將成為一種共識(shí)。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，我們分析了在MAC層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包交付率。我們定義了MAC數(shù)據(jù)包交付率為mote S和F在MAC層發(fā)送，實(shí)際上被mote R接收的數(shù)據(jù)包的百分比。應(yīng)用數(shù)據(jù)交付率是由mote S和F的應(yīng)用層發(fā)送的，實(shí)際由mote R接收的數(shù)據(jù)包的百分比。此外，我們定義了MAC發(fā)送率為由mote S和F的應(yīng)用層向下傳遞，實(shí)際上是每個(gè)單獨(dú)mote的MAC層發(fā)送出的數(shù)據(jù)包的百分比。Mote的緩存器限制可以導(dǎo)致自應(yīng)用層向下的丟包。在我們的Rene2 mote中，我們使用一個(gè)包大小的默認(rèn)緩存器。圖6顯示了MAC層能夠至多將從應(yīng)用層接收到的包的81%發(fā)送到電臺(tái)。實(shí)際上，雖然應(yīng)用交付率由于信源包速率的增加而迅速降低，但實(shí)際上由MAC發(fā)送的包幾乎100%被mote R接收。因此，通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，丟包幾乎只是由于的限制，不是由于接收端的碰撞。圖6 MAC層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包交付率。信道負(fù)載飽和不是由數(shù)據(jù)包碰撞引起的，因?yàn)镸AC交付率在所有測(cè)試的信源包速率中是很高的。此外，從圖5中我們也可以看到，mote F和R上被感應(yīng)的信道負(fù)載和實(shí)際供應(yīng)負(fù)載吻合良好。這進(jìn)一步鞏固了我們的參數(shù)（N，E，）選擇，我們的選擇是基于通過被動(dòng)監(jiān)聽器收集的數(shù)據(jù)。5.3 能源開銷和保真度損耗我們已經(jīng)建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的通用數(shù)據(jù)傳播的應(yīng)用，以評(píng)估在一個(gè)真正無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中我們的擁塞控制策略。這個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了在Rene2 mote測(cè)試平臺(tái)上運(yùn)行的使用TinyOS的開環(huán)快速時(shí)間刻度組建。當(dāng)一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)（非源節(jié)點(diǎn)/接收節(jié)點(diǎn)）接收到一個(gè)需轉(zhuǎn)發(fā)的包，使能信道負(fù)載感應(yīng)。當(dāng)包隊(duì)列清空時(shí)，關(guān)閉感應(yīng)。如果信道負(fù)載在感應(yīng)期內(nèi)超過一個(gè)給定的閾值（70%，在5.1節(jié)中討論過），將發(fā)送一個(gè)抑制包。為了保持與下節(jié)討論的仿真一致，源節(jié)點(diǎn)使用了乘法速率降低策略。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到抑制消息，其速率減少一半。使用一個(gè)2個(gè)數(shù)據(jù)包每秒的最小速率，以至于在這樣的速率下源節(jié)點(diǎn)將忽略后續(xù)的抑制消息。如果中間節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)抑制消息，除非是4.1.3節(jié)中討論的“選擇節(jié)點(diǎn)”，否則停止傳輸400ms。我們定義兩個(gè)指標(biāo)用于分析傳感應(yīng)用上CODA的性能：平均能源開銷這一度量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算傳感器網(wǎng)絡(luò)的丟包總數(shù)與在仿真模擬中接收節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)之間的比例。由于數(shù)據(jù)包發(fā)送/接收要消耗節(jié)點(diǎn)的主要部分的能量，接收到的數(shù)據(jù)包中作廢的數(shù)據(jù)包的數(shù)量直接表明了當(dāng)對(duì)比于沒有CODA的情況時(shí)CODA的節(jié)能情況。平均保真損失我們定義了數(shù)據(jù)保真度，即在一定時(shí)限內(nèi)交付的所需的數(shù)據(jù)事件包得數(shù)量。該指標(biāo)顯示出當(dāng)使用CODA和使用附錄中討論的理想策略之間接收到的數(shù)據(jù)包平均數(shù)的不同。由于CODA的控制策略是通過速率在擁塞期間控制信源，因此其保真度必然在平均值基礎(chǔ)上下降。其接收端獲得的正常保真度與理想保真度之間的差異表示使用CODA的保真度損失。一個(gè)CODA需要的較低的保真度需要能夠緩解擁塞，同時(shí)不影響傳感應(yīng)用觀測(cè)到的系統(tǒng)性能。圖7顯示了實(shí)驗(yàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)包按照?qǐng)D7中箭頭指示的單播路徑進(jìn)行單播。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)代表了一個(gè)mote的秘籍部署，因此圖中許多mote的電臺(tái)的范圍都重疊了。中間節(jié)點(diǎn)的本地?fù)砣呗钥梢园ā氨贿x擇的父節(jié)點(diǎn)”（即4.1.3節(jié)中討論的被選擇節(jié)點(diǎn)）的界定或者設(shè)置雙親，該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的抑制消息將調(diào)用除了被選擇雙親（一個(gè)或兩個(gè)）外的相鄰節(jié)點(diǎn)的抑制方法。該方法遵循流量?jī)?yōu)先級(jí)。圖7中粗箭頭顯示的是“被選擇路徑”。路徑漏斗事件朝向接收節(jié)點(diǎn)。三個(gè)信源節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)提供了高流量負(fù)載，代表了數(shù)據(jù)脈沖。信源速率是：Src-1:8pps（每秒包數(shù)），Src-2:4pps，Src-3:7pps。圖7 實(shí)驗(yàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)連接良好，數(shù)據(jù)包為單播。接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算從每個(gè)信源接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量。每個(gè)信源節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器發(fā)送出的數(shù)據(jù)包數(shù)量和應(yīng)用程序試圖發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量。兩組計(jì)數(shù)的不同代表了信源MAC層降低的數(shù)據(jù)包數(shù)量。使用十個(gè)120秒的實(shí)驗(yàn)，我們得到了接收、發(fā)送的數(shù)據(jù)包的平均值，并且對(duì)應(yīng)三個(gè)信源試圖發(fā)送回去，但是失敗了（如因?yàn)樾诺烂蛘呔彺嬉绯龅龋?。從這些測(cè)量的數(shù)據(jù)中我們計(jì)算出了這個(gè)三個(gè)信源的能源開銷和保真度損失。圖8給出了在有CODA和沒有CODA情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中我們可以看出，通過很小的保真度損失，相比于非CODA系統(tǒng)我們平均可以降低三倍的能源開銷。我們觀察到，如果沒有CODA，三個(gè)信源的保真度損失是相同的。如果有CODA，Src-2的保真度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)信源。與其他信源相比，Src-2的保真度損失在有CODA時(shí)要小于沒有CODA時(shí)。這是因?yàn)镾rc-2的數(shù)據(jù)類型具有最高的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)擁塞存在使用CODA時(shí)，抑制機(jī)制對(duì)Src-2的包比對(duì)其他的更加有利。圖8 使用CODA時(shí)以最小的保真度損失改善能源開銷。從保真度損失結(jié)果來看Src-2的優(yōu)勢(shì)明顯。6 仿真結(jié)果我們使用數(shù)據(jù)包水平仿真以獲得CODA的初步性能評(píng)價(jià)結(jié)果。我們也討論了在塑造CODA的設(shè)計(jì)選擇上我們的結(jié)果的影響。6.1 仿真環(huán)境我們?cè)趎s-218仿真器的最簡(jiǎn)單的實(shí)例上實(shí)施了開環(huán)反壓和閉環(huán)調(diào)節(jié)；每個(gè)傳感器信源通過應(yīng)用代理實(shí)施了一個(gè)簡(jiǎn)單的乘法減少功能。信源對(duì)抑制消息的接收或者在閉環(huán)控制情況下，超過預(yù)定義的時(shí)間段沒有從接收端接收到足夠的ACK，將導(dǎo)致信源速率減半。對(duì)于中間節(jié)點(diǎn)（非源節(jié)點(diǎn)/接收節(jié)點(diǎn)），本地?fù)砣麥y(cè)量是這樣的，抑制消息將停止節(jié)點(diǎn)傳輸隨機(jī)包數(shù)量的傳輸時(shí)間（），除非該節(jié)點(diǎn)是4.1.3中討論的抑制消息中指定的被選擇節(jié)點(diǎn)。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)于不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模使用隨機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。我們將節(jié)點(diǎn)隨機(jī)放置在一個(gè)正方形區(qū)域從而產(chǎn)生不同規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)。不同的規(guī)模是通過縮放平臺(tái)大小和保持額定無線首發(fā)范圍來產(chǎn)生的，用以保持基本恒定的傳感器節(jié)點(diǎn)的平均密度。在我們大部分的仿真中，我們研究了五個(gè)規(guī)模范圍從30到120個(gè)節(jié)點(diǎn)的增量為20個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器域。對(duì)于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，我們的報(bào)告是平均了五個(gè)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其約95%的有效間隔的報(bào)告的每個(gè)值。我們的仿真中使用了帶有一些修改的ns-2仿真器提供的2Mbps IEEE 802.11 MAC。首先，我們禁制數(shù)據(jù)包使用RTS/CTS交換和鏈路層ARQ，其原因在3.1節(jié)中討論過，因?yàn)槲覀兿Ｍ蹲降竭@樣一種情況，不需要數(shù)據(jù)的可靠傳送，并且保真度會(huì)影響節(jié)能。雖然我們?cè)诜抡嬷惺褂昧薎EEE 802.11，但大部分傳感器平臺(tái)使用簡(jiǎn)單鏈路技術(shù)，ARQ不是默認(rèn)啟動(dòng)的（如伯克利mote）。接下來，我們向MAC添加代碼，用于測(cè)量使用時(shí)間段參數(shù)的信道負(fù)載（N=3，E=200ms，=0.5），正如4.1.2中討論的一樣。參數(shù)的選擇并不重要，因?yàn)閚s-2仿真器不模擬IEEE 802.11物理層的詳細(xì)信息。當(dāng)測(cè)量到信道負(fù)載超過閾值的80%時(shí)MAC廣播抑制消息。我們已經(jīng)在模擬為0.01的信道空閑檢測(cè)時(shí)延時(shí)添加了代碼，從而產(chǎn)生了80%左右的Smax。閉環(huán)多源監(jiān)管被用作連接源端的應(yīng)用代理。接收節(jié)點(diǎn)接收到帶有調(diào)節(jié)比特設(shè)置的數(shù)據(jù)包后，一旦接收到100個(gè)數(shù)據(jù)包將向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)用ACK。另一方面，信源如果在一段時(shí)間Tregulate=200*Pkt Interual+內(nèi)沒有接收到ACK，閉環(huán)控制被觸發(fā)。Tregulate的選擇是由于源節(jié)點(diǎn)可以接受在減緩前丟失一個(gè)ACK，同時(shí)的選擇取決于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，用以容納最大的往返延遲。最后我們使用了直接擴(kuò)散6作為在仿真中的路由核心，這是由于我