无线通信中的拥塞控制与非相干MIMO信号方案评估

### 无线通信中的拥塞控制与非相干MIMO信号方案评估 #### 1. 无线通信拥塞问题与CoCoA+算法 在无线通信中，无线介质的特性会导致传输冲突，物联网设备有限的缓冲区大小常常会引发缓冲区溢出。这两种现象都会导致频繁的数据包丢失，进而引发额外消息的传输和额外流量，最终可能导致网络拥塞。 CoAP（Constrained Application Protocol）仅定义了基本的拥塞控制机制。最近，一种名为CoCoA的先进拥塞控制算法被提出，并在后续得到了扩展。CoCoA利用客户端和服务器之间测量的往返时间（RTT）来调整重传超时时间，避免频繁重传。此前的评估显示，与标准CoAP相比，CoCoA在吞吐量、数据包交付率和平均延迟方面都有性能提升。 在不同场景下的评估结果如下： - **大规模物联网场景**：在使用GPRS通信连接物联网节点的典型大规模物联网场景中，CoCoA与为TCP应用定义的其他拥塞控制机制相比，表现相当或更优。 - **仿真Zigbee网络**：在仿真的Zigbee网络中，将CoCoA与其他基于TCP的拥塞控制机制进行比较，也得出了类似的积极结论。 - **云基础设施**：在具有高网络带宽和强大节点的云基础设施中进行评估，大量实验表明，与默认的拥塞控制相比，CoCoA可使吞吐量提高100%以上。 - **高丢包率网络**：通过引入更复杂的RTT估计器来区分无线丢失和拥塞丢失，对CoCoA进行修改，结果显示在丢包率特别高的网络中性能有所改善。 #### 2. CoCoA+算法的仿真评估 为了评估CoCoA+算法的性能，采用了仿真方法。使用Cooja平台，借助ContikiOS对CoCoA+的实现，并将其更新以符合最新的CoCoA+规范。Cooja节点用于模拟无线传感器设备。相关的仿真参数如下表所示： | 参数 | 值 | | ---- | ---- | | 信道模型 | 单位圆盘GM，tx范围 = 10 m，干扰范围 = 20 m | | MAC缓冲区大小 | 8个数据包 | | MAC层最大重传次数 | 8 | | CoAP基本ACK超时时间 | 3 s | | CoAP请求缓冲区大小 | 4 | 在所有场景中，考虑一个6×6节点的网格。网络中，一个节点是RPL边界路由器（节点ID 1），一个节点作为CoAP服务器（节点ID 3），其余节点为CoAP客户端。每行中两个节点之间的线性距离为10 m。 #### 3. 性能评估实验设置 在性能评估实验中，考虑具有CoCoA+拥塞控制的周期性CoAP流量，以模拟按固定间隔报告测量值的传感器网络。具体操作步骤如下： 1. 所有CoAP客户端定期向ID为3的服务器发送可确认的POST请求，每个请求大小为95B。 2. 对于每个成功接收的请求，服务器通过CoAP ACK消息附带响应进行回复。 3. 所有请求都指向IPv6全局地址，这使得消息必须通过RPL边界路由器路由才能到达服务器。 4. 在开始传输CoAP请求之前，节点等待60 s让RPL拓扑稳定，然后再等待一段随机时间以避免同步效应。 5. 最后，节点以70 s到0.5 s的公共周期T开始发送请求，以向网络中注入越来越多的数据。 6. 每个实验持续800 s。为了获得统计上可靠的结果，每个场景运行12次独立重复实验，并为每个场景估计感兴趣的指标以及95%的置信区间。 #### 4. 性能评估结果分析 通过对实验结果的分析，可以得出以下结论： - **负载情况**：从聚合承载负载和实际提供负载与标称提供负载的关系图中可以看出，对于CoAP和CoCoA+，即使在承载负载停止线性增加（标称提供负载约为380 B/s），即网络开始拥塞时，各自的承载负载和实际提供负载也非常接近。这表明服务器几乎接收了客户端传输的所有请求，因此导致拥塞的主要瓶颈位于客户端，而不是网络。 - **拥塞分布**：拥塞开始后，承载负载仍会以较慢的速度增加。这是因为拥塞