基于异构比特速率的无线传感器网络拥塞控制技术*

骆 坚，席 望，谢 鲲

(湖南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙410082)

0 引 言

多跳汇聚的无线传感器网络(WSNs)中，数据多对一传输至Sink 节点，形成漏斗效应［1］。在漏斗区域中，随流量增加，包间隔时间(数据包相继到达MAC 层的时间间隔［2］)减小，包处理时间(数据包从到达MAC 层到转发完毕之间的时间间隔［2］)增大，超过转发节点的处理能力［3］，加重了节点级拥塞［4］，造成包延时和重传，降低了Sink 节点的吞吐量，增加了漏斗区域的能量开销，缩短了网络的生存周期。

现有研究针对漏斗效应采用源流量控制［5～7］、网络层均衡［8，9］、MAC 层调度［1］，以及强功能节点部署［10］等方法缓解能耗和拥塞，但对节点计算能力要求较高，降低了通信效率，或需要额外的通信硬件进行特定部署。

本文提出异构比特速率(heterogeneous－bit－rate)传输方式，逐跳增大Sink 节点附近高流量转发节点的发送比特速率，使节点的比特速率与流量匹配，降低高流量区域的节点级拥塞。针对现有传感器节点比特速率单一性，设计了基于ATmega128 微处理器和CC1100 射频芯片的传感器节点，改进了TinyOS 系统组件，实现多种比特速率在数据收发时动态切换。在真实环境下进行了实验测量，结果表明:该网络能够有效缓解网络拥塞，提高了网络吞吐量。

1 问题描述

无线传感器网络一般为同构比特速率，即所有节点配置为相同的比特速率，如图1(a)所示，源节点1，2 与转发节点3 采用相同比特速率，节点3 对数据包接收和转发需要相同的处理时间，包间隔时间小于节点1，2，包服务时间大于节点1，2。因此，转发节点对数据包处理的时间要大于其子节点之和，随着流量增大，使Sink 节点附近的转发节点拥塞加剧。

图1 汇聚网络传输模型Fig 1 Aggregation network transmission model

异构比特速率传输提高了节点的转发比特速率，如图1(b)所示，节点1，2 采用速率3 发送数据，节点3 采用速率2(速率2 ＞速率3)转发数据，转发数据包所需时间减少，数据包处理速度提高，进而缓解拥塞。

异构比特速率节点需发送、接收和ACK 三种比特速率。如图1(b)所示，节点5 以速率1 发送数据，以速率2接收数据，以速率3 反馈ACK，要求节点多种比特速率切换。MicaZ，Telosb 等现有常用的传感器节点并不支持多种比特速率通信，仅CC1100 等芯片具备该功能，而这些芯片一般用于同构比特速率网络，不能实时切换速率。本文针对该问题设计了支持多种比特速率实时切换的传感器节点。

2 异构比特速率传感器节点设计

根据对多种比特速率实时切换的需求，本文采用CC1100 射频芯片和ATmega128 微处理器、嵌入TinyOS［11］操作系统，设计专门的接口和组件，通过寄存器编程控制1.2 ～500 kB/s 比特速率，实现传感器节点多速率切换。节点硬件实现的引脚连接如图2 所示，通过串行接口总线SPI，ATmega128 的PB2(MOSI 主机向从机输入)、PB3(MISO 从机向主机输入)、PB1(SCLK 时钟)、PB0(SS 片选)引脚分别与CC1100 的SI，SO，CLK，CSn 引脚连接，用于数据输入输出、时钟以及片选控制。

图2 CC1100 与ATmega128 系统组成Fig 2 System composition of CC1100 and ATmega128

CC1100 的比特速率由MDMCFG3 和MDMCFG4 寄存器进行配置，计算方法如式(1)所示

其中，RM 表示寄存器MDMCFG3 全8 位二进制的值，RE 代表寄存器MDMCFG4 低4 位二进制的值，fxosc表示处理器的晶振频率。

为实现比特速率切换，本文改进了TinyOS 系统通信流程。如图3 所示，CC1100 芯片包含发送与接收两种通信模式，由数据发送事件触发进入发送模式，由数据接收事件触发进行数据接收，接收完成后发送ACK。同构速率系统比特速率仅在初始化阶段配置一次(速率(n+1))，异构比特速率系统在向发送或接收模式转变时，均进行比特速率更改，分别对发送、接收和ACK 配置比特速率为速率(n)、速率(n+1)、速率(n+2)。

图3 异构比特速率的TinyOS 系统Fig 3 TinyOS system of heterogeneous-bit-rate

为实现该通信流程，本文设计了多速率接口和组件。如图4 所示，TinyOS 系统由TransmitP 模块管理通信，通过SpiC 组件实现对CC1100 寄存器配置等操作。本文在TransmitP 通信模块中为其SpiC 组件设计了寄存器接口Multi 及其连接的寄存器改写组件Bitrate，在Bitrate 组件中设计了不同比特速率对应的MDMCF3 与MDMCF4 寄存器值，系统在每次通信模式转变时，都将调用Multi.Bitrate(速率n)，即可对CC1100 的寄存器进行读写操作，例如:系统调用Multi.Bitrate(19.2)，则组件中会对MDMCF3 和MDMCF4 分别配置为19.2 kB/s 比特速率对应的寄存器值0xCA和0x83。

图4 异构比特速率组件与接口Fig 4 Components and interfaces of heterogeneous-bit-rate

3 异构比特速率网络设计

异构比特速率网络中节点需确定自身位置和相应的比特速率。本文设计了异构比特速率网络组建和拓扑控制方案。

根据网络流量向Sink 节点汇聚的特点，异构比特速率网络按与Sink 节点的通信距离对节点进行速率分层，如图5所示，与Sink 节点距离为n 跳的节点划分为层次(n)，层次(n)对层次(n－1)以比特速率(n)进行通信(速率(n)＞速率(n+1))，距离越近，n 值越小，速率(n)也越大。

图5 异构比特速率传输网络Fig 5 Heterogeneous-bit-rate transmission network

组网机制:1)Sink 节点在部署时已设定自身位于层次(0)且以速率1 接收数据，以速率2 反馈ACK;2)任意新加入的节点首先进行层次定位，依次以速率(1)到速率(n)速率发送探测信息，并分别以速率(n+1)速率等待附近已确定层次节点的ACK 回复;3)根据ACK 信息中包含的节点层次和地址信息确定自身层次。

如图5 所示，Sink 节点会收到一跳范围内节点2，3 以速率1 发送的探测信息，并对这些节点回复ACK。节点2，3 收到ACK 中包含的层次信息(层次(0))和地址信息(Sink)，则将自身设定为层次(1)。同理，层次(1)节点会收到一跳范围内节点4，5，6 以速率2 发送的探测信息，并反馈ACK。节点4，5，6 根据ACK 确定自身为层次(2)，以层次(1)中的节点作为下一跳地址。

拓扑控制:节点在通信中若3 次未收到ACK 信息，则表示该链路已断开(下一跳死亡或拥塞等情况)，节点将重新启动速率探测，以重新确定自身层次和下一跳地址。

4 实验与分析

本文根据节点设计方案组成了25 个如图6 所示基于CC1100 与ATmega128 的传感器节点，在实际环境中的部署如下:

图6 实验节点Fig 6 Experimental node

实验布置于湖南大学工程训练中心3 楼实验室，由8 个节点于2 m×3 m 桌面部署了图7(a)所示偏二叉树网络，以部署在不同层次的叶节点作为数据源;由25 节点部署于8 m×8 m 地面部署了图7(b)所示漏斗结构网络，以层次(4)的10 个节点作为数据源，由层次(3)，(2)，(1)转发。节点工作频率设置为915 MHz，功率为－20 dBm，数据包长度为20 byte。

图7 实验网络部署Fig 7 Experimental network deployment

同构比特速率实验对所有节点配置为相同比特速率1(150 kB/s)，异构比特速率实验对距离Sink 节点1 ～4 跳范围节点预设比特速率1 ～速率4，分别选择为150，76.8，38.4，19.2 kB/s，通过组网机制确定层次和比特速率。实验在不同源数据流量下对同异构比特速率网络Sink 节点的吞吐量进行测量，结果如下:

在低流量环境下，网络拥塞较小，同异构比特速率网络吞吐量较为接近。随着源节点流量增大，网络拥塞加剧，异构比特速率网络吞吐量逐渐提高。在流量达到一定程度时，网络吞吐量趋于饱和，如图8 所示，偏二叉树网络在5 PPS流量下趋于饱和，Sink 节点的吞吐量约提高了10.9%，漏斗网络源节点较多，在2.5 PPS 流量下趋于饱和，Sink 节点吞吐量约提高了18.6%，有效缓解了网络拥塞，提高了网络吞吐量。

图8 实验结果Fig 8 Experimental result

5 结束语

本文针对无线传感器网络的漏斗效应，提出基于异构比特速率的拥塞控制技术，突破现有节点通信比特速率的局限性，实现了支持异构比特速率传输的传感器节点，实际网络实验表明:在趋于饱和的流量下有效缓解了网络拥塞，提高了网络吞吐量。

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