无线传感器网络中基于定向扩散协议的跨层拥塞控制方法

　　无线传感器网络( Wireless Sensor Networks，WSN) 中大规模随机布署的传感器节点利用短距离无线通信技术进行通信，共享唯一的无线信道。传感器节点能量、存储能力、计算能力和网络传输带宽等都非常有限，并且WSN 多对一的通信方式造成的“漏斗效应”容易导致网络出现局部甚至全局拥塞，造成能量消耗过快、节点失效甚至网络瘫痪[1-2]，传统的Internet 网络和无线Ad Hoc 网络的拥塞控制技术跟WSN 的拥塞控制技术的要求和设计目标完全不同，传统网络中现有的算法、规范和协议并不能适应无线传感器网络的特点和应用的要求[3-4]。定向扩散路由协议是一个针对无线传感器网络特点而设计的平面路由协议，遵循最小代价的原则形成最优路径的构造树，保证数据的稳定传输，并且在数据传输阶段的路径维护能耗大大降低，是能源高效性路由协议的代表[5]。

　　RMST[6]、CODA[7]、Siphon[8]、CRDD[9]都是基于定向扩散协议的典型的拥塞控制机制。RMST 是最早的基于定向扩散协议传输控制算法，该算法修改了定向扩散协议的梯度过滤模块( Filter) 并增加后向反馈路径用于传输丢包信息，保证数据的可靠传输，但是该算法缺少有效的拥塞控制机制以及节省节点能量的机制，使网络出现时延大和能耗高等不利的情况。CODA( Congestion Detection Avoidance) 提出的能源有效的拥塞控制机制，针对网络中出现的短暂性拥塞和持续性拥塞，该机制联合使用开环逐跳反馈机制以及闭环多源速率调节机制进行缓解，但是基于AIMD 的速率调节方法容易导致源节点发送速率严重震荡，不利于保持网络吞吐量的稳定性。针对网络中“漏斗效应”所造成的拥塞现象， Siphon 算法使用具有双通信模块的强功能传感器节点将拥塞区域中的数据通过自身的其他信道重定向到上层网络中，这种通信模式增加了额外的通信硬件，并且要对强功能节点进行有效地部署才能起到作用，该算法只适合在异构或层次的无线传感器网络中使用。CRDD 机制使用双信道保证拥塞消息和速率调节信息能快速准确地传递给上游节点和源节点，该机制虽然减轻了拥塞的程度，但是需要消耗过多的网络能源，调节时间比较长，不适用于短暂性拥塞。

　　目前，大部分的拥塞控制协议的研究仅仅专注于单层，忽略了整个网络的设计目标和不同层次之间协同工作的重要性，容易造成有限资源的浪费[10]，本文综合考虑网络层和MAC 层的特点，使用网络层和MAC 层的跨层设计方案，并针对已有的WSN 拥塞控制算法中存在的缓解拥塞时间长和网络能耗高的问题，提出了一种基于定向扩散协议的跨层拥塞控制方法，该方法利用定向扩散协议形成的最短路径实现速率的控制和拥塞的缓解，将拥塞信息进行融合和共享，达到缓解拥塞和降低整个协议栈的能量损耗的目的，不仅能够在较短时间内缓解拥塞，而且能降低网络的能量消耗，延长网络的生命周期，保证数据包的完整性。