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ε-近似和加权公平性保证的无线传感器网络拥塞控制算法

第 卷 第 期 3 4 1 1   年 月 2 0 1 1 1 1 计 算 机 学 报                 C H I N E S E J O U R N A L O F C O M P U T E R S V o l . 3 4 N o . 1 1 N o v . 2 0 1 1   近 似 和 加 权 公 平 性 保 证 的 无 线 传 感 器 网 络  ε 拥 塞 控 制 算 法   李 国 华 李 建 中 高 宏       ( 哈 尔 滨 工 业 大 学 计 算 机 科 学 与 技 术 学 院哈 尔 滨 ) 1 5 0 0 0 1   摘 要 , 针 对 现 有 的 无 线 传 感 器 网 络 拥 塞 控 制 算 法 中 很 少 考 虑 数 据 压 缩 和 加 权 公 平 性 的 问 题 提 出 了 一 种 近 似     ε , ( 和 加 权 公 平 性 保 证 的 拥 塞 控 制 算 法 首 先 我 们 对 传 感 器 节 点 产 生 的 时 间 序 列 采 用 贪 心 分 段 常 值 近 似 . r e e d ε G y , ) , , 的 策 略 极 大 地 减 少 了 数 据 通 信 量 其 次 我 们 给 出 了 具 有 加 权 公 平 性 P i e c e w i s e C o n s t a n t  A r o x i m a t i o n G P C A . ε p p ( , ) , 并 首 次 给 出 了 公 平 性 保 证 的 拥 塞 控 制 算 法 W e i h t e d F a i r n e s s G u a r a n t e e d C o n e s t i o n C o n t r o l A l o r i t h m W F C C g g g 2 ( / ) , , , 度 量 的 下 界 其 中 为 常 数 且 实 验 结 果 表 明 具 有 很 好 的 压 缩 性 能 达 到 了 1 - 1 0 犮 9 犮 0 犮 0 . 2 . G P C A W F C C < < ( ) 较 高 的 吞 吐 量 和 加 权 公 平 性 以 上 9 5 % . 关 键 词 ; ; ; ; 无 线 传 感 器 网 络 拥 塞 控 制 近 似 加 权 公 平 性 拥 塞 度 量    ε : / 中 图 法 分 类 号T 号 P 3 9 3 犇 犗 犐 1 0 . 3 7 2 4 S P . J . 1 0 1 6 . 2 0 1 1 . 0 2 1 9 7        犃 狉 狅 狓 犻 犿 犪 狋 犻 狅 狀 犪 狀 犱 犠 犲 犻 犺 狋 犲 犱 犉 犪 犻 狉 狀 犲 狊 狊 犌 狌 犪 狉 犪 狀 狋 犲 犲 犱 犆 狅 狀 犲 狊 狋 犻 狅 狀 ε 狆 狆 犵 犵 犆 狅 狀 狋 狉 狅 犾 犃 犾 狅 狉 犻 狋 犺 犿 犳 狅 狉 犠 犻 狉 犲 犾 犲 狊 狊 犛 犲 狀 狊 狅 狉 犖 犲 狋 狑 狅 狉 犽 狊 犵 ( , , ) 犇 犲 犪 狉 狋 犿 犲 狀 狋 狅 犆 狅 犿 狌 狋 犲 狉 犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 犪 狀 犱 犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犎 犪 狉 犫 犻 狀 犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犎 犪 狉 犫 犻 狀 1 5 0 0 0 1   狆 犳 狆 犵 狔 犳 犵 狔 L I G u o  H u a L I J i a n  Z h o n G A O

H o n     g g , , 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 I n a w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k c o n e s t i o n r o b l e m n o t o n l c a u s e s a c k e t l o s s b u t a l s o   g p y p l e a d s t o d e l a i n c r e a s e a n d e n e r c o n s u m t i o n . M o s t o f t h e e x i s t i n c o n e s t i o n c o n t r o l a l o  y g y p gg g r i t h m s f o r w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s s e l d o m c o n c e r n t h e c o m b i n e d r o b l e m o f d a t a c o m r e s s i o n p p , a r e e d i e c e w i s e c o n s t a n t  a r o x i  a n d w e i h t e d f a i r n e s s . I n o r d e r t o a d d r e s s t h i s r o b l e m ε g y p p p g p , , P C A a n d a n o v e l d e c e n t r a l i z e d c o n e s t i o n c o n t r o l a l o r i t h m W F C C a r e r o  m a t i o n a l o r i t h mG g g g p o s e d i n t h i s a e r . G P C A a r o x i m a t e s a s u b s e u e n c e u s i n a c o n s t a n t a n d u a r a n t e e s t h a t t h e p p p p p q g g e r r o r b e t w e e n t h e r e a l s e u e n c e a n d t h e a r o x i m a t i o n s e u e n c e i s l e s s t h a n o r e u a l t o . I n a d d i  ε q p p q q , w e r o v e t h e o t i m a l i t o f c o n s t a n t  a r o x i m a t i o n i n t h e o r . W F C C n o t o n l m i t i a t e s t i o n ε p p y p p y y g , , c o n e s t i o n b u t a l s o u a r a n t e e s t h e w e i h t e d f a i r n e s s a m o n a l l s e n s o r n o d e s . I m o r t a n t l w e g g g g p y 2 ( / ) i v e a l o w e r b o u n d o f

w e i h t e d f a i r n e s s m e t r i c 1 - 1 0 犮 9 w h e r e 犮 i s a c o n s t a n t a n d 0 犮 0 . 2 . < < g g , a n d t h e r e s u l t s s h o w t h a t G P C A h a s r e a t c o m r e s s i o n W e e v a l u a t e G P C A u s i n I n t e l L a b D a t a g g p , e r f o r m a n c e . I n a d d i t i o n w e e v a l u a t e t h e a l o r i t h m W F C C i n a 2 2  n o d e w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k p g b T O S S I M . T h e r e s u l t s o f s i m u l a t i o n d e m o n s t r a t e t h a t W F C C a c h i e v e s h i h t h r o u h u t a n d y g g p ( ) a b o v e 9 5 % o n a v e r a e . w e i h t e d f a i r n e s s g g ; ; ; ; 犓 犲 狑 狅 狉 犱 狊 w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s c o n e s t i o n c o n t r o l  a r o x i m a t i o n w e i h t e d f a i r n e s s   ε g p p g 狔 c o n e s t i o n m e t r i c g : ; : ( , ) 、 收 稿 日 期 最 终 修 改 稿 收 到 日 期 本 课 题 得 到 国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 国 家 自 然 科 学 2 0 1 1  0 8  2 9 2 0 1 1  0 9  1 5 . 6 1 0 3 3 0 1 5 6 0 9 3 3 0 0 1 ( , ) 、 ( ) ( ) 基 金 中 国 博 士 后 科 学 基 金 和 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 6 0 8 3 1 1 6 0 5 2 5 6 1 1 0 0 0 3 0 2 0 1 1 0 4 9 1 0 6 0 H I T . N S R I F . 2 0 1 1 7 9 . 李 国 华 李 建 中 , , , , : , , , , 男 年 生 博 士 研 究 生 主 要 研 究 方 向 为 无 线 传 感 器 网 络 和 物 联 网 男 年 生 教 授 1 9 8 4 . E  m a i l l h h i t 1 1 2 6 . c o m . 1 9 5 0 @ g , 、 、 : , , , , 博 士 生 导 师 主 要 研 究 领 域 为 物 联 网 无 线 传 感 器 网 络 数 据 库 和 海 量 数 据 处 理 女 年 生 博 士 高 宏 . E  m a i l l i z h h i t . e d u . c n .  1 9 6 6 @ j 教 授 博 士 生 导 师 主 要 研

究 领 域 为 无 线 传 感 器 网 络 物 联 网 海 量 数 据 管 理 和 数 据 挖 掘 , , 、 、 . 2 1 9 8 计 算 机 学 报                 年 2 0 1 1 , 性 度 量 和 理 论 结 果 保 证 针 对 上 述 不 足 我 们 提 出 了 . , 一 个 新 的 拥 塞 控 制 算 法 不 仅 考 虑 了 数 据 传 输 的 服 引 言 1     , , 还 首 次 给 出 了 一 个 加 权 公 平 性 度 量 并 在 理 务 质 量 、 无 线 通 信 技 术 微 电 子 技 术 及 嵌 入 式 计 算 技 术 论 上 给 出 了 其 的 一 个 下 界 . 的 快 速 发 展 使 得 无 线 传 感 器 网 络 被 广 泛 应 用 于 环 境 , 由 于 不 同 的 节 点 可 能 装 有 不 同 的 传 感 器 所 产 、 、 健 康 监 护 智 能 家 居 及 战 场 监 控 等 领 域 无 线 生 监 测 的 数 据 的 重 要 性 不 一 样 故 一 个 好 的 拥 塞 控 制 算 . . 传 感 器 网 络 由 许 多 分 布 于 特 定 区 域 且 具 有 一 定 计 法 从 重 要 的 传 感 器 节 点 接 收 较 多 的 数 应 该 使 s i n k 、 算 存 储 和 通 信 能 力 的 传 感 器 节 点 组 成 每 个 节 点 只 据 , 我 们 给 每 个 节 点 赋 予 一 个 权 值 越 大 包 . . 犻 狑 狑 犻 犻 , 能 与 附 近 几 跳 的 节 点 通 信 数 据 通 过 多 跳 转 发 才 能 表 示 节 点 产 生 的 数 据 越 重 要 我 们 采 用 下 面 的 公 犻 . [ ] 7 节 点 当 传 感 器 节 点 接 收 数 据 包 的 速 率 大 式作 到 达 为 公 平 性 度 量 s i n k . . 犖 , 需 对 过 剩 的 数 据 包 进 行 缓 于 其 转 发 或 调 度 速 率 时 2 / , 犘 狑 ( ) 犻 狋 犻 ∑ ; , 存 当 缓 存 的 数 据 包 队 列 满 时 过 剩 的 数 据 包 就 会 被 1 = , =犻 犳 狋 犖 , 即 引 发 无 线 传 感 器 网 络 中 的 拥 塞 问 题 拥 塞 不 丢 弃 . 2 ( / ) , 犖 犘 狑 犻 狋 犻 ∑ , 仅 增 加 包 的 延 迟 降 低 网 络 吞 吐 量 且 浪 费 能 量 因 此 犻 1 = . , [ , ] 里 表 示 节 点 在 时 间 段 接 收 来 自 节 , 犘 s i n k 0 狋 犻 狋 如 何 有 效 地 减 缓 拥 塞 是 无 线 传 感 器 网 络 技 术 研 究 的 这 , / 点 的 数 据 包 数 量 表 示 节 点 总 数 当 , 犻 犖 . 犘 狑 = 犻 狋 犻 一 个 重 要 方 面 . / ( [ , ] , ) , , 成 立 时 此 时 达 到 , 狑 1 犖 犻 = 1 ∈ ≠ 犼 犼 犳 狋 狋 犼 犼 , 目 前 几 乎 所 有 的 拥 塞 控 制 算 法 都 没 有 考 虑 对 犘 / / 当 为 正 数 而 最 大 的 公 平 性 , , . 犘 狑 犘 狑 = 0 犻 狋 犻 狋 犼 犼 在 无 线 传 感 了 数 据 进 行 预 处 理 后 再 进 行 传 输 的 问 题 . ( [ , ] , ) , / , 时 此 时 达 到 了 最 小 的 公 1

犖犼 犻犳 = 1 犖 ∈ ≠ 狋 , 器 网 络 应 用 中 连 续 稠 密 采 样 能 极 大 地 提 高 对 现 实 犼 2 ( / ) , 平 性 我 们 在 理 论 上 严 格 证 明 了 其 . 1 - 1 0 犮 9 , 然 而 如 果 不 加 处 理 将 采 集 的 原 始 世 界 的 感 知 程 度  犳 狋 为 常 数 且 犮 0 犮 0 . 2 . 数 据 存 储 再 转 发 将 带 来 很 大 的 存 储 和 通 信 开 销 为 中 < < . , 综 上 所 述 目 前 的 拥 塞 控 制 算 法 各 有 其 针 对 性 和 , 了 从 源 头 上 减 少 数 据 的 传 输 量 我 们 对 传 感 器 节 点 , , 均 是 对 原 始 数 据 进 行 操 作 且 没 有 给 出 加 权 限 性 ( 近 似 产 生 的 时 间 序 列 采 取 贪 心 分 段 常 值 G r e e d ε y 局 , 平 性 一 个 量 化 表 达 式 基 于 此 本 文 联 合 考 虑 了 数 , ) 的 策 公 . P i e c e w i s e C o n s t a n t  A r o x i m a t i o n G P C A ε p p , 提 出 了 一 个 近 似 和 加 权 公 压 缩 和 拥 塞 控 制 技 术 , 略 使 得 一 个 连 续 的 子 序 列 仅 需 要 一 个 常 值 来 近 似 据  ε , : 其 由 两 个 子 算 法 组 成 性 保 证 的 拥 塞 控 制 算 法 这 样 既 没 有 严 平 且 保 证 其 与 真 实 值 的 误 差 不 大 于 . ε [ ] 8 的 贪 心 分 段 常 值 近 似 算 法 和 加 ( ) 重 损 害 数 据 的 保 真 度 还 减 少 了 数 据 传 输 的 通 信 开 o , n  l i n e G P C A ε ( 权 公 平 性 保 证 的 拥 塞 控 制 算 法 , 销 从 而 延 长 了 网 络 的 生 命 周 期 节 点 在 得 到 时 间 序 W e i h t e d F a i r n e s s g . , ) 将 相 应 的 常 值 及 近 似 的 起 止 时 间 G 列 的 常 值 近 似 后 , u a r a n t e e d C o n e s t i o n C o n t r o l A l o r i t h m W F C C . g g 分 布 式 地 运 行 在 每 个 非 节 点 对 节 点 产 , , 存 入 缓 冲 队 列 等 待 调 度 传 输 G P C A s i n k . 使 得 每 一 个 连 续 , 的 时 间 序 列 进 行 贪 心 分 段 近 似 衡 量 拥 塞 控 制 算 法 有 效 性 主 要 有 两 个 指 标 一 生 : 序 列 仅 需 要 一 个 常 值 来 描 述 这 样 不 仅 减 少 了 存 , , 、 ; 包 括 吞 吐 量 时 延 二 是 加 权 公 平 子 是 服 务 质 量 [ ] 1  2 , 开 销 更 重 要 的 是 减 少 了 通 信 开 销 我 们 证 明 了 在 性. 目 前 的 大 多 数 拥 塞 控 制 算 法 主 要 考 虑 了 服 务 储 . 值 近 似 算 法 中 是 最 优 的 以 进 入 , , 质 量 而 很 少 考 虑 如 何 保 证 数 据 传 输 的 加 权 公 平 性 常 G P C A . W F C

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