[论文解读] A Hop-by-hop Cross-layer Congestion Control Scheme for Wireless Sensor Networks

Guowei Wu, Feng Xia+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2011

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于无线传感器网络的逐跳跨层拥塞控制方案（HCCC），该方案根据本地缓冲区占用情况和拥塞程度动态调整MAC层信道访问优先级和传输速率。仿真结果表明，与现有方案相比，HCCC显著降低了分组丢失率，提高了吞吐量，并增强了能量效率。

ABSTRACT

Congestions in wireless sensor networks (WSNs) could potentially cause packet loss, throughput impairment and energy waste. To address this issue, a hop-by-hop cross-layer congestion control scheme (HCCC) built on contention-based MAC protocol is proposed in this paper. According to MAC-layer channel information including buffer occupancy ratio and congestion degree of local node, HCCC dynamically adjusts channel access priority in MAC layer and data transmission rate of the node to tackle the problem of congestion. Simulations have been conducted to compare HCCC against closely-related existing schemes. The results show that HCCC exhibits considerable superiority in terms of packets loss ratio, throughput and energy efficiency.

研究动机与目标

• 解决无线传感器网络（WSNs）中因拥塞导致的分组丢失、吞吐量下降和能量浪费问题。
• 设计一种跨层拥塞控制机制，利用MAC层的实时反馈实现动态自适应。
• 在争用型MAC协议中，提升网络在可靠性、效率和能量节约方面的性能。
• 评估所提方案相较于现有拥塞控制方法在WSNs中的有效性。

提出的方法

• HCCC使用来自MAC层的本地节点缓冲区占用率和拥塞程度作为关键指标，以指导控制决策。
• 该方案根据实时拥塞状态，动态调整MAC层的信道访问优先级。
• 在节点级别调整传输速率，以防止过载并减少拥塞传播。
• 控制动作以逐跳方式进行，实现局部化且响应迅速的拥塞处理。
• 跨层设计将MAC层反馈整合到路由和传输控制过程中。
• 该算法以分布式方式运行，所需信令开销极低。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用实时本地反馈有效控制无线传感器网络中的拥塞？
• RQ2 逐跳跨层控制对吞吐量和能量效率等网络性能指标有何影响？
• RQ3 与现有拥塞控制机制相比，所提方案在分组丢失率和可靠性方面表现如何？
• RQ4 动态调整MAC层访问优先级和传输速率是否能在无需集中协调的情况下减轻拥塞？

主要发现

• 在高网络负载下，HCCC相比现有方案显著降低了分组丢失率。
• 由于更高效的介质访问和更少的重传，吞吐量得到提升。
• 通过减少不必要的重传和优化传输速率，能量效率得以提高。
• 该方案在动态和高密度网络场景中表现出更优性能。
• 逐跳机制相比端到端或全局方案，对拥塞事件的响应速度更快。
• 仿真结果证实了跨层集成在缓解WSNs中拥塞问题方面的有效性。