6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)中基于非協(xié)作博弈算法的能效擁塞策略*

馮 濤，崔炳德，辛 晨，張煥生

（河北水利電力學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河北 滄州 061001）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）［1］的快速發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）的作用日益突出。WSNs 是由低功耗、具有感知能力的微型節(jié)點(diǎn)組成，已在康復(fù)醫(yī)療、戰(zhàn)場(chǎng)感知和軍事管理等領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用。

因特網(wǎng)工程任務(wù)組（Internet Engineering Task Force，IETF）為WSNs 的連接Internet 制定了標(biāo)準(zhǔn)：低功率低損耗網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（Routing Protocol for Low Power and Lossy Network，RPL）［2］。作為6LoWPAN 默認(rèn)的路由協(xié)議，RPL 使WSNs 通過(guò)RPL 邊界網(wǎng)關(guān)獲取Internet 服務(wù)，進(jìn)而使WSNs 與Internet 間呈現(xiàn)雙向通信。

WSNs 中的傳感節(jié)點(diǎn)需不斷地向Internet 傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)而滿足用戶的需求，如智慧農(nóng)業(yè)、智能交通、智能家居等［3-4］。海量的數(shù)據(jù)傳輸增加了承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)任務(wù)中間節(jié)點(diǎn)的擁塞。擁塞使數(shù)據(jù)包傳輸率下降，最終降低系統(tǒng)吞吐量［5-6］。此外，由于擁塞、數(shù)據(jù)包的重傳，增加了節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r(shí)延，因此，需有效地控制擁塞。

信道占用和緩存區(qū)的使用是造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的兩個(gè)主要因素。并且信道和緩存區(qū)的擁塞導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大量數(shù)據(jù)包的丟失，因此，擁塞控制機(jī)制需關(guān)注緩存區(qū)的使用情況和信道的占用問(wèn)題。

現(xiàn)存的擁塞控制策略可分為兩類：流量控制［5-6］和資源控制［7-8］。文獻(xiàn)［7-8］為成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包，在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間建立非擁塞路徑，該策略屬資源控制。相反，文獻(xiàn)［9］采用了流量控制，其通過(guò)源節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送率，進(jìn)而緩解擁塞。

為此，針對(duì)6LoWPAN 提出基于非協(xié)作博弈論的能效擁塞控制（Non-cooperative Gaming for Energy-efficient Congestion Control，NGECC） 策略。NGECC 策略利用緩存區(qū)信息和信道占用情況優(yōu)化葉節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送率，同時(shí)，將能耗參數(shù)納入葉節(jié)點(diǎn)的收益函數(shù)，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的傳輸速率，進(jìn)而控制擁塞，最終提高數(shù)據(jù)包傳遞率，降低能耗。

1 系統(tǒng)模型

考慮基于6LoWPAN 通信系統(tǒng)，采用IEEE 802.15.4 媒介接入控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議。系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分為3 類：信宿、中間節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)以及葉節(jié)點(diǎn)。葉節(jié)點(diǎn)以其盡可能大的數(shù)據(jù)率，通過(guò)父節(jié)點(diǎn)向信宿傳輸數(shù)據(jù)包。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

1.1 數(shù)據(jù)包輸出率

圖2 緩存區(qū)

1.2 緩存區(qū)-損失率

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

最終，可依式（7）計(jì)算緩存區(qū)-損失率：

1.3 信道-損失率

依據(jù)文獻(xiàn)［10］，信道接入失敗和重傳受限使數(shù)據(jù)包傳輸失敗。首先，依據(jù)式（8）計(jì)算信道接入失敗的概率Pch-failure：

式中，Pch-busy表示信道處于忙碌狀態(tài)的概率，Pcollision表示數(shù)據(jù)包遭遇傳輸碰撞的概率，x 表示允許的最大退避的次數(shù)［10］，y 表示允許最大重傳的次數(shù)［10］。式（9）給出了傳輸數(shù)據(jù)包遭遇重傳受限而丟失的概率Pretl：

最后，信道-損失率等于Pch-failure與Pcollision的相加，如式（10）所示：

2 NGECC 策略

圖4 NGECC 策略的框架

2.1 博弈論模型

圖5 博弈論的3 個(gè)元素

2.2 收益函數(shù)

對(duì)于博弈論G 中的Nash 等式平衡點(diǎn)［11］，保持Ui的凹性是十分必要的。

考慮3 個(gè)成本函數(shù)：擁塞函數(shù)Ci、能量函數(shù)Ei和節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)函數(shù)Qi。擁塞函數(shù)Ci反映了葉節(jié)點(diǎn)（玩家）所采取的策略對(duì)其父節(jié)點(diǎn)ρk的擁塞情況，其定義如式（12）所示：

而能量函數(shù)Ei反映了葉節(jié)點(diǎn)所選用的數(shù)據(jù)發(fā)送率對(duì)父節(jié)點(diǎn)能耗的影響，其定義如式（13）所示：

2.3 求解

每個(gè)玩家均試圖最大化自己的收益函數(shù)，因此，可建立約束的非線性優(yōu)化問(wèn)題表達(dá)式：

3 性能分析

3.1 仿真環(huán)境

引用ContikiOS 3.0［12］操作系統(tǒng)和Cooja［13］仿真器建立仿真平臺(tái)。具體的仿真參數(shù)如表1 所示。此外，4 個(gè)權(quán)重系數(shù)的值設(shè)置為：w1=15、w2=7、w3=0.5、w4=0.9，，Pch-busy=0.05、Pcollision=0.05、Cp=250 kb/s。

表1 仿真參數(shù)

此外，選擇同類的算法GTCCF［14］、OHCA［15］和默認(rèn)策略的RPL 作為參照，并分析它們的吞吐量、數(shù)據(jù)包傳輸率、能耗以及傳輸時(shí)延。

3.2 吞吐量

首先分析父節(jié)點(diǎn)和信宿端的吞吐量，如圖6 所示。圖6（a）顯示了4 個(gè)父節(jié)點(diǎn)的吞吐量。從圖6（a）可知，相比于GTCCF、OHCA 和RPL-default，NGECC算法獲取高的吞吐量。

圖6（b）給出了NGECC、GTCCF、OHCA 和RPLdefault 4 個(gè)路由的信宿的吞吐量。從圖6（b）可知，NGECC 路由獲取的吞吐量最大，相比GTCCF、OHCA 和RPL-default，NGECC 路由吞吐量的平均值分別提高了近69.7%、22.2%和159.5%。

圖6 吞吐量

3.3 數(shù)據(jù)包傳遞率

數(shù)據(jù)包傳遞率是衡量路由傳輸數(shù)據(jù)包成功的重要指標(biāo)，其等于成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)與總的傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)之比。圖7 顯示了NGECC、GTCCF、OHCA和RPL-default 4 個(gè)路由的平均數(shù)據(jù)包傳遞率。

從圖7 可知，相比于GTCCF、OHCA 和RPLdefault，NGECC 路由獲取最高的數(shù)據(jù)包傳遞率，其平均數(shù)據(jù)包傳遞率接近于0.89。而GTCCF、OHCA和RPL-default 路由的平均數(shù)據(jù)包傳遞率分別約0.64、0.82、0.42。

圖7 數(shù)據(jù)包傳遞率

3.4 能耗

本次實(shí)驗(yàn)分析傳輸單個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量，其定義如式（20）所示：

圖8 傳輸單個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的平均能量

圖8 顯示了NGECC、GTCCF、OHCA 和RPLdefault 4 個(gè)路由的傳輸單個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量（簡(jiǎn)稱單數(shù)據(jù)包能耗）。從圖8 可知，NGECC 路由傳輸單個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量最小，約8.6 m J/packet。而GTCCF、OHCA 和RPL-default 路由傳輸單個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量分別為19.1 m J/packet、11.6 m J/packet 和29.1 mJ/packet。

3.5 傳輸時(shí)延

最后，分析NGECC 路由的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延，其等于60 s 時(shí)間間隔與向信宿成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)之比，如圖9 所示。

圖9 傳輸時(shí)延

從圖9 可知，NGECC 路由的傳輸時(shí)延最低，約14.6 ms，分別比GTCCF、OHCA、RPL-default 路由的傳輸時(shí)延下降約42.4%和20.6%、61.5%。GTCCF、OHCA、RPL-default 路由平均傳輸時(shí)延分別約25.3 ms、18.4 ms、37.9 ms。

4 結(jié)論

本文提出NGECC 策略控制6LoWPAN 的流量控制，進(jìn)而最大化傳感節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率。NGECC 策略利用博弈論優(yōu)化葉節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率，進(jìn)而降低父節(jié)點(diǎn)端發(fā)生擁塞的概率。通過(guò)信道占用和緩存區(qū)的使用狀況信息構(gòu)建博弈論目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而建立每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)的收益函數(shù)。仿真結(jié)果表明，提出的NGECC 策略提高了數(shù)據(jù)包傳遞率和吞吐量，并減少了能耗。