一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法，克服现存无线传感器网络拥塞控制方法的时效性、公平性和效率性问题，包括以下步骤：1)拥塞检测；2)拥塞状况的传递：接收节点接收完数据包后，将发送一个ACK确认帧给发送节点，此时接收节点将自身的拥塞状况通过ACK传输到发送节点；3)拥塞状况分类：发送节点接收到下一跳节点的拥塞状况后，结合本身的拥塞状况将拥塞分为0‑0，0‑1，1‑0，1‑1；“0”表示未发生拥塞，“1表示发生拥塞”；4)拥塞控制过程：根据分类后的拥塞状况自适应调整竞争窗口以改变节点传输数据优先级，做出相应的控制处理；本发明专利技术使用点到点的拥塞控制方法，使得拥塞发生时能更加快速的启动拥塞缓解方法，缓解拥塞。

A Competition-based Hop-by-Hop Bidirectional Congestion Control Method for MAC Layer

【技术实现步骤摘要】
一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法
本专利技术属于无线传感器网络拥塞控制领域，具体涉及一种基于竞争的MAC(MediaAccessControl，媒体访问控制)层逐跳双向拥塞控制方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。分布在检测区域的传感器节点通过中间节点将接收到的数据发送到汇聚节点。随着物联网的迅速发展，无线传感器网络的应用越来越广泛，将会有越来越多的传感器接入到网络中传输数据，数据的大量聚集必然会导致网络的拥塞，而网络拥塞将会带来数据包的丢失，网络延时的增加，吞吐量的降低，以及能量的过度消耗等多种网络问题。拥塞控制作为WSN的核心技术，主要实现网络传输过程节点拥塞的判断和对产生的拥塞进行缓解处理，因此如何设计有效的拥塞控制协议来调整数据的传输，对缓解网络拥塞具有重要意义。目前针对拥塞控制协议已经有很多成熟的研究成果，根据网络中的设备关系可以将拥塞控制协议分为端到端的拥塞控制和点到点的拥塞控制。端到端的拥塞控制方法思想为：当目的节点检测到发生拥塞时，通过调整发送端的发送速率来控制网络的负荷量，CODA(CongestionDetectionandAvoidance)协议就是端到端的拥塞控制协议。点到点的拥塞控制方法思想是：当节点检测到发生拥塞时，对上一跳或本地节点的数据发送速率进行调整，控制当前节点的负荷量，CHCC(Cross-layerHop-by-hopCongestionControl)协议和CCDC(CongestionControltechniqueforDutyCycling)等。由于无线传感器网络的分布性涌现了很多点到点的拥塞控制协议。根据拥塞控制的调整方式可以将点到点的拥塞控制协议分为基于发送端的拥塞控制和基于接收节点的拥塞控制。但是这些拥塞控制协议也存在一些不足，列举如下：(1)端到端拥塞控制方法的时效性问题，当拥塞发生时，拥塞的信息反馈给发送端，发送端做出相应的处理，这会花费一定的时间，必然导致响应时间慢，对往返时间依赖性强的问题，不可避免地导致数据包丢失。(2)单向拥塞控制方法的公平性问题，在点到点的拥塞控制协议中，全都是单向处理的，当一个节点发生拥塞后，通过提高本地节点的数据发送速率来加快排空缓存队列，达到缓解拥塞的目的，但是此时并不考虑下一跳节点的拥塞状况和网络中的重要程度，很可能因为缓解本地路径的拥塞，造成下一跳节点拥塞，进而导致将下一跳节点作为转发节点的多条路径崩溃，这种情况下是得不偿失的。(3)单向控制方法的效率性问题，当拥塞发生后，需要尽可能快的缓解拥塞，而单向的拥塞处理，很有可能因为一个节点的问题而无法做出控制反应，而且相较于双向的拥塞处理速度是比较慢的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是为了克服现有技术存在拥塞控制方法不是最优和拥塞处理的公平性、时效性和效率性问题，而提供了一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法(Hop-by-hopBidirectionalCongestioncontrol,HBCC)，该方法针对现有拥塞控制协议的不足，综合考虑了拥塞控制方法的优化和拥塞处理的公平性、效率性等因素，从而达到降低网络丢包率、提高网络吞吐量的目的，在保证网络传输延时基本不变的情况下大大降低了网络拥塞的发生。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法，在该拥塞控制方法中，通过对节点缓存队列的检测判断节点是否发生拥塞，然后在拥塞传输阶段，接收节点接收完数据包后，将发送一个ACK(Acknowledgement)确认帧给发送节点，此时接收节点将自身的拥塞状况通过ACK传输到发送节点。根据相邻一跳两个节点的拥塞状况，将拥塞分为0-0,0-1,1-0,1-1四种情况(0代表未发生拥塞，1代表发生拥塞)。在发送节点接收到ACK的拥塞信息后，根据上述这四种拥塞状况，设置相应的拥塞处理方法，具体包括如下步骤：1拥塞检测过程：使用基于队列长度的拥塞检测方法，设置拥塞阈值为最大队列长度的75％，当节点队列长度大于设定的阈值时，判断节点发生了拥塞；2拥塞标志传递过程：接收节点接收完数据包后，将发送一个ACK确认帧给发送节点，此时接收节点将自身的拥塞状况通过ACK传输到发送节点，发送节点将从接收到的ACK中提取下一跳节点的拥塞信息，然后存储到下一跳拥塞标志A_CI中；3拥塞分类过程：节点接收到下一跳节点的拥塞状况后，结合本身的拥塞状况将拥塞分类为：当前节点和下一跳节点均未发生拥塞(0-0),当前节点未发生拥塞下一跳节点发生拥塞(0-1)，当前节点发生拥塞下一跳节点未发生拥塞(1-0),当前节点和下一跳节点均发生拥塞(1-1)；4拥塞处理过程：当判断当前的拥塞状况为拥塞分类中的0-0时，由于一跳的两个节点均未发生拥塞，所以此时采用IEEE802.11(802.11无线网络标准)协议中的DCF(DistributedCoordinationFunction，分布式协调功能)进行初始化处理；当判断当前的拥塞状况为0-1时，由于下一跳节点发生拥塞，而当前节点未发生拥塞，所以需要降低本地节点的数据发送速率，本专利技术采用调整竞争窗口的方式降低本地节点接入信道的优先级，从而使得本地的数据发送速率降低，达到缓解下一跳节点拥塞的目的；当判断当前拥塞状况为1-0时，由于本地节点发生拥塞，而下一跳节点未发生拥塞，所以需要提高本地节点的数据发送速率，本专利技术采用调整竞争窗口的方式提高本地节点接入信道的优先级，从而使得本地缓存队列的数据包迅速排空，缓解拥塞；当判断当前拥塞状况为1-1时，由于本地节点和下一跳节点均发生了拥塞，考虑到下一跳节点拥有较高的拥塞处理优先级，结合当前的拥塞状况和下一跳拥塞优先级自适应调整竞争窗口，改变节点接入信道优先级，从而缓解拥塞。一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法，其特征在于，所述的一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法包括步骤如下：1)拥塞检测过程：使用基于队列长度的拥塞检测方法，设置拥塞阈值为最大队列长度的75％，当节点队列长度大于设定的阈值时，判断节点发生了拥塞；2)拥塞标志传递过程：接收节点接收完数据包后，将发送一个ACK确认帧给发送节点，此时接收节点将自身的拥塞状况通过ACK传输到发送节点，发送节点将从接受到的ACK中提取下一跳节点的拥塞信息；3)拥塞分类过程：节点接收到下一跳节点的拥塞状况后，结合本身的拥塞状况将拥塞状况分类；当前节点和下一跳节点均未发生拥塞0-0，当前节点未发生拥塞下一跳节点发生拥塞0-1，当前节点发生拥塞下一跳节点未发生拥塞1-0，当前节点和下一跳节点均发生拥塞1-1；4)拥塞处理过程。技术方案中所述拥塞处理过程是指：根据分类中得到的拥塞状况做出相应的控制处理，通过修改竞争窗口的方式，改变节点接入信道的优先级，达到控制网络的负荷量，使拥塞得到缓解，拥塞的处理过程，就是以节点队里长度为参数，改变节点的竞争窗口；1)拥塞状况为0-0时，在网络没有发生拥塞时不改变协议的工作原理；2)拥塞状况为0-1时，通过改变竞争窗口大小，使本地节点接入信道的优先级降低，减少本地节点向拥塞节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法，其特征在于，所述的一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法包括步骤如下：1)拥塞检测过程：使用基于队列长度的拥塞检测方法，设置拥塞阈值为最大队列长度的75％，当节点队列长度大于设定的阈值时，判断节点发生了拥塞；2)拥塞标志传递过程：接收节点接收完数据包后，将发送一个ACK确认帧给发送节点，此时接收节点将自身的拥塞状况通过ACK传输到发送节点，发送节点将从接受到的ACK中提取下一跳节点的拥塞信息；3)拥塞分类过程：节点接收到下一跳节点的拥塞状况后，结合本身的拥塞状况将拥塞状况分类；当前节点和下一跳节点均未发生拥塞0‑0，当前节点未发生拥塞下一跳节点发生拥塞0‑1，当前节点发生拥塞下一跳节点未发生拥塞1‑0，当前节点和下一跳节点均发生拥塞1‑1；4)拥塞处理过程。

【技术特征摘要】
1.一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法，其特征在于，所述的一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法包括步骤如下：1)拥塞检测过程：使用基于队列长度的拥塞检测方法，设置拥塞阈值为最大队列长度的75％，当节点队列长度大于设定的阈值时，判断节点发生了拥塞；2)拥塞标志传递过程：接收节点接收完数据包后，将发送一个ACK确认帧给发送节点，此时接收节点将自身的拥塞状况通过ACK传输到发送节点，发送节点将从接受到的ACK中提取下一跳节点的拥塞信息；3)拥塞分类过程：节点接收到下一跳节点的拥塞状况后，结合本身的拥塞状况将拥塞状况分类；当前节点和下一跳节点均未发生拥塞0-0，当前节点未发生拥塞下一跳节点发生拥塞0-1，当前节点发生拥塞下一跳节点未发生拥塞1-0，当前节点和下一跳节点均发生拥塞1-1；4)拥塞处理过程。2.按照权利要求1所述的一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法，其特征在于，所述拥塞处理过程是指：根据分类中得到的拥塞状况做出相应的控制处理，通过修改竞争窗口的方式，改变节点接入信道的优先级，达到控制网络的负荷量，使拥塞得到缓解，拥塞的处理过程，就是以节点队里长度为参数，改变节点的竞争窗口；1)拥塞状况为0-0时，在网络没有发生拥塞时不改变协议的工作原理；2)拥塞状况为0-1时，通过改变竞争窗口大小，使本地节点接入信道的优先级降低，减少本地节点向拥塞节点数据发送速率，使发生拥塞的下一跳节点尽快排空缓存队列，达到缓解拥塞的目的；3)拥塞状况为1-0时，通过改变竞争窗口大小，使节点获得更高的接入信道的优先级，增加拥塞节点的数据发送速率，降低节点缓存队列长度，使拥塞得到缓解；4)拥塞状况为1-1时，根据节点的拥塞状况，和节点位于网络拓扑的位置，改变竞争窗口的大小，使节点在缓解拥塞的同时考虑节点的在网络中位置的作用，使得在尽可能缓解拥塞的情况下不影响整体网络的性能。3.按照权利要求2所述的一种基于竞争的MAC层逐跳双向拥塞控制方法，其特征在于，所述的拥塞状态为0-1时，竞争窗口调节实现的过程如下：基于接收节点的拥塞控制方法HRCC，通过增大本地节点竞争窗口CW的方式，降低本地节点接入信道的优先级，降低了下一跳节点的数据接收速率，使下一跳节点的拥塞得到缓解；由DCF方法可知，当随机数选取的值越大则节点发送数据前的退避时间越久，等待发送的时间越长，降低了拥塞节点的接收速率；根据下一跳节点的拥塞情况自适应地调整竞争窗口的大小，达到拥塞缓解的目的；CW的调整方式为：CW＝(CWmin+1)*2n-1CW为调整后的初始竞争窗口，CWmin为竞争窗口最小值31，n为拥塞程度窗口调节参数，n计算方式为：式...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓萍，王佳帅，刘哲，王世鹏，钱志鸿，李莉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22