【正文】 制策略APE（Adaptive Parameter Estimation based congestion control strategy），并通過仿真實(shí)驗(yàn)比較APE和GPE及傳統(tǒng)擁塞控制策略的性能。 引言現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)通信仍然是基于端到端連接進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)包的傳遞也是由端到端連接進(jìn)行傳遞[ ]。但是在野外環(huán)境中還存在各種應(yīng)用的稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，如野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)，森林火災(zāi)預(yù)防等，在空中有衛(wèi)星通信和深空科研探索，在城市中有車載無線網(wǎng)絡(luò)以及在軍事中的特殊應(yīng)用的軍事網(wǎng)絡(luò)[ ][ ]。在上面提到的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可能分布很分散、移動(dòng)速度比較慢，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信時(shí)延遲較大，甚至通信中連接斷開了。這樣源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間難有穩(wěn)定的、連續(xù)的通信連接。所以稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是具有DTN特性的。本文后面就針對(duì)具有DTN特性的稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)展開研究。通常情況下，稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的分布和移動(dòng)具有隨機(jī)性，其節(jié)點(diǎn)的通信范圍、通信速率等參數(shù)是比較類似的。因此可分析其數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如網(wǎng)絡(luò)的平均延遲和平均跳數(shù)的分布規(guī)律等。這些數(shù)學(xué)規(guī)律有助于更好地理解該類型的網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)其網(wǎng)絡(luò)特性設(shè)計(jì)新的擁塞控制策略。 適于典型稀疏Ad Hoc場(chǎng)景的DTN擁塞控制策略GPE GPE擁塞控制策略設(shè)計(jì)GPE擁塞控制策略的設(shè)計(jì)思路源于對(duì)場(chǎng)景中默認(rèn)的緩存管理方式的研究和分析。在參考文獻(xiàn)[22]研究工作的基礎(chǔ)上，通過分析其學(xué)位論文第4章相關(guān)內(nèi)容，場(chǎng)景的大小是1000m1000m，節(jié)點(diǎn)數(shù)目是50個(gè)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)丟包策略的平均延遲是在1000s至1450s左右。延遲正好是場(chǎng)景最遠(yuǎn)點(diǎn)距除以平均速度的行進(jìn)時(shí)間的附近。由于設(shè)置的Ad Hoc場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式，地圖上節(jié)點(diǎn)行進(jìn)的方向和路徑是隨機(jī)的，所以在統(tǒng)計(jì)上數(shù)據(jù)包的平均延遲就與地圖最遠(yuǎn)點(diǎn)距上平均行進(jìn)時(shí)間的數(shù)量級(jí)相同。根據(jù)經(jīng)典論文“The capacity of wireless networks” [ ]， Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中N個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布情況下，其節(jié)點(diǎn)的鄰居數(shù)目數(shù)量級(jí)是ln(N)，其平均轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)的數(shù)量級(jí)是。由此可見，稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有如下傳輸特性：（1）網(wǎng)絡(luò)的平均延遲在一定數(shù)量級(jí)，并且是可以通過場(chǎng)景參數(shù)預(yù)估的；（2）網(wǎng)絡(luò)的平均跳數(shù)在一定數(shù)量級(jí)，并且是可以通過場(chǎng)景參數(shù)預(yù)估的。在稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，使用Epidemic 泛洪路由時(shí)，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都向鄰居大量發(fā)送數(shù)據(jù)包的副本并且長(zhǎng)時(shí)間保存，所以網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的膨脹非?？欤菀讓?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。如何利用網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)提高數(shù)據(jù)包的成功交付率，就是本章需要解決的問題。由于稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的平均延遲在一定數(shù)量級(jí)，那么針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中存在了很長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，可以優(yōu)先丟棄這些延遲大的數(shù)據(jù)包；同樣地，由于網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)在一定數(shù)量級(jí)，那么在擁塞時(shí)可以優(yōu)先丟棄轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)比較多的數(shù)據(jù)包。因此，利用這些傳輸特性設(shè)計(jì)新的擁塞控制策略，根據(jù)場(chǎng)景的全局參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均延遲和網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)等參數(shù)進(jìn)行估值，設(shè)計(jì)按照數(shù)據(jù)包延遲和轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)衰減的保存權(quán)值函數(shù)，當(dāng)前數(shù)據(jù)包延遲（包在網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)生存的時(shí)間）越大，保存權(quán)值越低，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)越多，保存權(quán)值也越低。保存權(quán)值低的數(shù)據(jù)包在擁塞時(shí)優(yōu)先被丟棄。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)基于全局估值的GPE擁塞控制策略：（1）網(wǎng)絡(luò)未發(fā)生擁塞時(shí)，按正常接收數(shù)據(jù)包；（2）網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，需要為將接收的數(shù)據(jù)包騰出空間，那么計(jì)算當(dāng)前緩存中所有數(shù)據(jù)包的保存權(quán)值，丟棄保存權(quán)值最低的包，直到空間足夠后接收新數(shù)據(jù)包。保存權(quán)值的計(jì)算： ()其中，是延遲部分的權(quán)重，是包已經(jīng)生存的時(shí)間，就是當(dāng)前包的延遲，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景平均延遲的估值， 估值計(jì)算公式： ()是場(chǎng)景最遠(yuǎn)兩點(diǎn)的距離，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中就是場(chǎng)景對(duì)角線的距離，是場(chǎng)景中所有節(jié)點(diǎn)的平均移動(dòng)速度。是包經(jīng)歷的跳數(shù)，是對(duì)平均跳數(shù)的估值，是平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)估值： () ()保存權(quán)值函數(shù)兩個(gè)部分，第一項(xiàng)是包已經(jīng)存在時(shí)間對(duì)保存權(quán)值的影響，當(dāng)數(shù)據(jù)包的已存在時(shí)間超過2倍平均延遲估值時(shí)，第一項(xiàng)的數(shù)值會(huì)降到較低的水平；第二部分是包轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)對(duì)保存權(quán)值的影響，當(dāng)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)超過平均跳數(shù)估值時(shí)，第二項(xiàng)的數(shù)值會(huì)降到較低的水平，第二項(xiàng)中的是針對(duì)泛洪路由算法添加的，因?yàn)槭嵌嗫截惵酚桑従訑?shù)目越多，路由收斂得就越快，因此為第二項(xiàng)增加了鄰居數(shù)目估值的因子。兩個(gè)部分均是按照負(fù)指數(shù)函數(shù)衰減。負(fù)指數(shù)函數(shù)y=exp(x)的在x=1附近衰減得快，：圖 3. 1 負(fù)指數(shù)函數(shù)使用如上衰減函數(shù)，當(dāng)緩存中包的延遲比較大，跳數(shù)比較多時(shí)，其保存權(quán)值會(huì)降到很低的水平，在擁塞時(shí)，就會(huì)優(yōu)先丟棄這些保存權(quán)值低的數(shù)據(jù)包。 GPE擁塞控制策略仿真實(shí)驗(yàn)GPE擁塞控制策略的仿真場(chǎng)景主要模擬野外探測(cè)無線傳感器組成的無線延遲容忍網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)不需要昂貴的基站設(shè)備和額外的服務(wù)費(fèi)用，就能夠用于傳遞信息和監(jiān)測(cè)環(huán)境等方面的任務(wù)。本文實(shí)驗(yàn)都是基于ONE平臺(tái)的，仿真中假定都是使用無線接口的節(jié)點(diǎn)，在50m范圍內(nèi)可以通信，超出范圍則會(huì)停止通信。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬性都一樣，而節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包大小是在100KB到250KB之間。場(chǎng)景大小為1平方公里，平均每10秒產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)包，持續(xù)仿真時(shí)間20小時(shí)，總的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)約為7200個(gè)，節(jié)點(diǎn)主要是模仿行人和野外生物，采用隨機(jī)的路徑移動(dòng)。：表 3. 1 GPE策略實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)ONE場(chǎng)景設(shè)置項(xiàng)設(shè)定值節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度~傳輸速率250KB/s節(jié)點(diǎn)通信范圍50m消息大小100~250 KB數(shù)據(jù)包生存時(shí)間60min節(jié)點(diǎn)緩存大小從1MB逐漸增到10MB路由算法Epidemic路由仿真場(chǎng)景大小1000m1000m仿真節(jié)點(diǎn)數(shù)目50仿真時(shí)間20h消息產(chǎn)生頻率每8~12秒1個(gè)實(shí)驗(yàn)中主要和ONE默認(rèn)的丟包策略對(duì)比，默認(rèn)是丟棄緩存中最早接收的數(shù)據(jù)包（即DropOld），作為比較的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)為：網(wǎng)絡(luò)交付率（delivery_prob）、網(wǎng)絡(luò)平均延遲（latency_avg）、成功到達(dá)包的平均跳數(shù)（hopcount_avg）和網(wǎng)絡(luò)開銷比率（overhead_ratio）。在ONE上實(shí)現(xiàn)GPE擁塞控制策略之后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析。以下是=：（1）網(wǎng)絡(luò)交付率的比較圖 3. 2 GPE和傳統(tǒng)DropOld交付率對(duì)比，GPE策略顯著提升了網(wǎng)絡(luò)的交付率，在1MB緩存時(shí)，交付率提升幅度為51%，在4MB時(shí)，交付率最高提升幅度為87%，在10MB時(shí)提升幅度為 59% ，從1MB到10MB，提升幅度最低也有51% 。對(duì)比參考文獻(xiàn)[22]中TCWDS（TTL and Copies based Weighted Dropping Strategy）丟包策略的最好結(jié)果，%的網(wǎng)絡(luò)交付率，從1MB到10MB，其平均提升約為50%，可以看出GPE比TCWDS對(duì)交付率的提升要好一些。（2）網(wǎng)絡(luò)平均延遲的比較圖 3. 3 GPE和傳統(tǒng)DropOld平均延遲對(duì)比，可以看出GPE的平均延遲比默認(rèn)的DropOld策略大15%左右，由于GPE的交付率提升幅度大，其平均延遲大一些是可以接受的。TCWDS策略的平均延遲也是比默認(rèn)的DropOld要大一些。（3）平均跳數(shù)的比較圖 3. 4 GPE和傳統(tǒng)DropOld平均跳數(shù)對(duì)比，可以看出GPE的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)比較少，DropOld策略是盡可能地多跳轉(zhuǎn)發(fā)，而GPE注重的是靠節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)使數(shù)據(jù)包經(jīng)過較少轉(zhuǎn)發(fā)就到目的地。（4）網(wǎng)絡(luò)開銷比率的比較 圖 3. 5 GPE和傳統(tǒng)DropOld網(wǎng)絡(luò)開銷比率對(duì)比，可以看出在緩存較小時(shí)DropOld策略的網(wǎng)絡(luò)開銷比率較小，而GPE在緩存較大時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)開銷比率較小。網(wǎng)絡(luò)開銷比率由包轉(zhuǎn)發(fā)總數(shù)和成功到達(dá)包的數(shù)目共同決定。包轉(zhuǎn)發(fā)總數(shù)越大，網(wǎng)絡(luò)開銷比率越大；成功到達(dá)包數(shù)越大，網(wǎng)絡(luò)開銷比率越小。網(wǎng)絡(luò)開銷比率的大小是由二者的增長(zhǎng)幅度決定的。對(duì)于DropOld策略，緩存增加時(shí)，其總轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)增長(zhǎng)得相對(duì)比成功到達(dá)包數(shù)目快，所以其開銷比率呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)；對(duì)于GPE策略，緩存增加時(shí)，其成功到達(dá)包的數(shù)目增長(zhǎng)得更快，所以其開銷比率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。l 對(duì)平均延遲項(xiàng)的權(quán)重的討論在保存權(quán)值計(jì)算公式里，是平均延遲項(xiàng)所占的權(quán)重，1是平均跳數(shù)項(xiàng)所占的權(quán)重。前面實(shí)驗(yàn)是在=。下面研究在同一緩存容量下，權(quán)重對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。固定節(jié)點(diǎn)緩存容量為5MB，讓從0變化到1。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：（1）對(duì)網(wǎng)絡(luò)交付率的影響圖 3. 6 α對(duì)網(wǎng)絡(luò)交付率的影響，可以看出=，網(wǎng)絡(luò)交付率比較大，隨著的繼續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)交付率緩慢減小。（2）對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均延遲的影響圖 3. 7 α對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均延遲的影響，隨著的增加，網(wǎng)絡(luò)平均延遲是逐漸減小的。=，但是延遲也比較大。（3）對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)的影響圖 3. 8 α對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)的影響，隨著增大，平均跳數(shù)緩慢增加。（4）對(duì)網(wǎng)絡(luò)開銷比率的影響圖 3. 9 α對(duì)網(wǎng)絡(luò)開銷比率的影響，~。實(shí)際上，=0時(shí)，保存權(quán)值就完全按照數(shù)據(jù)包的跳數(shù)單調(diào)遞減，GPE策略就退化為擁塞時(shí)丟棄跳數(shù)最多的丟包策略，丟棄跳數(shù)最多的包，其結(jié)果就是網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)最低，而其平均延遲則很大。=1時(shí)，保存權(quán)值就完全按照數(shù)據(jù)包已生存時(shí)間單調(diào)遞減，GPE策略退化為擁塞時(shí)丟棄已生存時(shí)間最長(zhǎng)的包的丟包策略，這種策略結(jié)果就是網(wǎng)絡(luò)平均延遲最小，而其平均跳數(shù)會(huì)比=，其交付率也稍差。~，比較小的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)交付率比較好，但是其延遲比較大；而比較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)交付率比較差，但是其延遲又比較好。所以綜合考慮網(wǎng)絡(luò)交付率和網(wǎng)絡(luò)平均延遲，其網(wǎng)絡(luò)交付率、平均延遲、平均跳數(shù)、網(wǎng)絡(luò)開銷比率的仿真結(jié)果都比較好。l 對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)稀疏程度的討論場(chǎng)景中如果節(jié)點(diǎn)數(shù)目變少，節(jié)點(diǎn)分布越稀疏，DropOld和GPE的成功交付率都會(huì)下降，因此設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)觀察節(jié)點(diǎn)的稀疏程度對(duì)GPE策略的影響程度，考察GPE策略的實(shí)用性。在=，節(jié)點(diǎn)緩存固定為5MB的情況下，節(jié)點(diǎn)數(shù)目從10變化到50，研究節(jié)點(diǎn)稀疏程度對(duì)GPE策略的影響。（1）網(wǎng)絡(luò)交付率的比較圖 3. 10節(jié)點(diǎn)稀疏程度對(duì)GPE交付率的影響，在場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)數(shù)很少的時(shí)候，GPE的交付率提升比較小，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)分布非常稀疏，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換也少，其改良空間小；在節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到20后，GPE對(duì)網(wǎng)絡(luò)交付率的提升就越來越明顯。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增多，GPE策略的交付率一直處于上升的趨勢(shì)。而默認(rèn)的DropOld在節(jié)點(diǎn)數(shù)到達(dá)25以后，其交付率變化就非常小了，節(jié)點(diǎn)數(shù)目變多，也導(dǎo)致緩存越來越擁塞，使DropOld策略顯得比較乏力。（2）網(wǎng)絡(luò)平均延遲的比較圖 3. 11節(jié)點(diǎn)稀疏程度對(duì)GPE平均延遲的影響，可以看出GPE的延遲比DropOld的稍大一些，平均多12%左右。由于GPE策略對(duì)交付率提升比較好，延遲稍大一些可以接受。（3）網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)的比較圖 3. 12節(jié)點(diǎn)稀疏程度對(duì)GPE平均跳數(shù)的影響，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，DropOld的平均跳數(shù)數(shù)值增加較快，而GPE的平均跳數(shù)的增加比較緩慢。DropOld策略是盡可能地多跳轉(zhuǎn)發(fā)，而GPE注重的是靠節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)使數(shù)據(jù)包經(jīng)過較少轉(zhuǎn)發(fā)就到目的地。（4）網(wǎng)絡(luò)開銷比率的比較圖 3. 13節(jié)點(diǎn)稀疏程度對(duì)GPE網(wǎng)絡(luò)開銷比率的影響，可以看出GPE的網(wǎng)絡(luò)開銷比率比DropOld的普遍要大，是因?yàn)镚PE在節(jié)點(diǎn)增多，網(wǎng)絡(luò)變擁塞時(shí)，總的轉(zhuǎn)發(fā)的包數(shù)目增長(zhǎng)比較快，其增長(zhǎng)幅度超過了成功到達(dá)目的地的數(shù)據(jù)包數(shù)目，所以GPE的網(wǎng)絡(luò)開銷比率比較大。 通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以看出GPE在對(duì)網(wǎng)絡(luò)交付率的提升是很顯著的，其平均轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)比較少，更多地是通過節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地。GPE的延遲比傳統(tǒng)DropOld稍大，由于容遲網(wǎng)絡(luò)最重要的是看網(wǎng)絡(luò)交付率，所以延遲稍大一些可以接受。GPE的網(wǎng)絡(luò)開銷比率是隨著節(jié)點(diǎn)緩存容量增加而逐漸減少的，但總體的網(wǎng)絡(luò)開銷比率比較大，有改善的空間。 自適應(yīng)的稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的DTN擁塞控制策略APE APE擁塞控制策略設(shè)計(jì)APE擁塞控制策略是源于對(duì)GPE策略實(shí)用性的思考。GPE是利用場(chǎng)景的全局參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)進(jìn)行估值，進(jìn)而計(jì)算數(shù)據(jù)包的保存權(quán)值，在擁塞時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)包保存權(quán)值的大小決定丟包的次序。在做仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)然可以輕易獲取這些全局參數(shù)，因?yàn)槎际亲约涸O(shè)置的。那么在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中呢？假如是在車載通信系統(tǒng)中做DTN網(wǎng)絡(luò)，那么此刻在合肥城中跑了多少輛車？車輛是如何運(yùn)動(dòng)、如何分布的？假如是在藍(lán)牙手機(jī)上做DTN網(wǎng)絡(luò)，那么此刻在合肥城中有多少個(gè)藍(lán)牙手機(jī)處在開機(jī)可用狀態(tài)？這些可用的藍(lán)牙手機(jī)是如何運(yùn)動(dòng)、如何分布的？這些全局參數(shù)的獲取問題會(huì)成為GPE策略邁向?qū)嵱玫慕O腳石。而且實(shí)際場(chǎng)景中的全局參數(shù)是可能隨著時(shí)間變化而變化的，GPE策略獲取的全局參數(shù)能不能趕上實(shí)際的變化也是個(gè)問題。另外，全局估值方法對(duì)所有節(jié)點(diǎn)一視同仁，采用的傳輸參數(shù)估值是一樣的，如果節(jié)點(diǎn)分布不均勻、節(jié)點(diǎn)類型多，那么分布的不均勻性是GPE策略難以照顧到的方面，不同節(jié)點(diǎn)類型的移動(dòng)速度、傳輸速度也可能不一樣，這些多樣性GPE策略也難以顧及。因此，必須從實(shí)用性角度對(duì)GPE策略進(jìn)行改良。全局參數(shù)估值的方式實(shí)用性不佳，那么可以完全從節(jié)點(diǎn)本身出發(fā)，利用節(jié)點(diǎn)本身蘊(yùn)藏的信息來重新估算傳輸參數(shù)。那么如何利用節(jié)點(diǎn)自己僅有的信息來進(jìn)行估值呢？在仿真實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，比如網(wǎng)絡(luò)的平均延遲、平均跳數(shù)，都是對(duì)成功到達(dá)目的地的數(shù)據(jù)包的延遲、跳數(shù)求均值的。這當(dāng)然是顯而易見的，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的平均延遲和平均跳數(shù)就是這么定義的。而所有成功到達(dá)目的地的數(shù)據(jù)包，都是經(jīng)由其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的。這也是必然的。上一段的內(nèi)容看起來淺顯，但這就是根據(jù)節(jié)點(diǎn)本身的信