無線傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中節(jié)點選擇強制博弈方法*

陳 紅，郭海濤

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學院 電子信息學院，江蘇 南京 210023；2.華南理工大學 土木交通學院，廣東 廣州 510640)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)由若干數(shù)量的傳輸節(jié)點組建成健全的信息傳輸系統(tǒng)，其包含數(shù)據(jù)的收集、傳輸和接收等功能，廣泛應(yīng)用在檢測、跟蹤、控制等領(lǐng)域，但由于大量傳輸節(jié)點隨機分布，節(jié)點的能量及傳輸能力是相對有限的，一旦網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量突發(fā)的傳輸數(shù)據(jù)時，很容易造成網(wǎng)絡(luò)的擁堵，致使網(wǎng)絡(luò)的處理和通信能力受到限制。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，需對網(wǎng)絡(luò)中的擁塞情況進行控制。

針對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膿砣刂?，馮維等[1]研究的快速二階算法，是基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功率分配限制的方法，通過聯(lián)合優(yōu)化分配功率，利用二階收斂算法，結(jié)合矩陣分類，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)流速的分布更新變化，能有效地控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量和擁塞問題；Chanak 等[2]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)分布式擁塞控制算法，基于優(yōu)先級的數(shù)據(jù)路由策略來緩解擁塞?；趦?yōu)先隊列的調(diào)度方案提高可靠性，完成網(wǎng)絡(luò)擁堵控制。劉安戰(zhàn)等[3]提出一種移動延遲容忍傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法。在節(jié)點狀態(tài)感知的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了一種可容許的移動延遲感知網(wǎng)絡(luò)擁塞預(yù)測機制，根據(jù)該機制獲得的歷史緩存信息，判斷節(jié)點的狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上對嚴重擁塞和中度擁塞的節(jié)點進行信息匯總，從而給出了擁塞控制策略。Grover等[4]提出了一種新的速率感知擁塞控制機制，通過最小化網(wǎng)絡(luò)時延來提高PDR 和吞吐量。采用隊列管理算法，幫助識別擁塞級別，并根據(jù)接收到的擁塞信息將擁塞級別進一步分為不同的級別，在不同的傳播模型上實現(xiàn)判別，以找到最適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的模型。

上述方法由于未對節(jié)點數(shù)據(jù)流進行分析，導致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失速率相對較高，傳輸可靠性略差，擁塞處理能力不夠穩(wěn)定。為此，本文在研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法時，考慮到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點吞吐的穩(wěn)定性以及傳感器節(jié)點的能耗壽命問題，通過分析網(wǎng)絡(luò)路徑的分布，計算傳輸級別及節(jié)點能耗情況，利用匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)流情況，建立節(jié)點選擇強制博弈模型，設(shè)置約束條件，將數(shù)據(jù)包數(shù)量控制在一個穩(wěn)定值附近小幅度波動，有效降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，解決了網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的選取方法設(shè)計

為有效解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，首先要對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的選取進行計算，通過分析網(wǎng)絡(luò)路徑分布情況，計算節(jié)點能耗及節(jié)點丟棄概率，選擇能耗低、丟棄率小的節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。

假定n個無線傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中均勻分布，如果一個節(jié)點處于另一個節(jié)點的通信區(qū)域范圍內(nèi)，此時可構(gòu)成一個通信鏈路L＝{1，2，…，l}集合，每個無線傳感網(wǎng)絡(luò)鏈路保持在i、j兩個節(jié)點之間。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中存在s個源節(jié)點和一個匯聚節(jié)點，針對網(wǎng)絡(luò)中任意一個中間節(jié)點i∈? 而言，Gi表示在節(jié)點i通信范圍內(nèi)與之相鄰的節(jié)點集合。

對于每一個節(jié)點i∈? 來說，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i經(jīng)過節(jié)點j最終到匯聚節(jié)點的過程中，其付出的代價為i到j(luò)和j到匯聚節(jié)點的總和，根據(jù)其代價的順序，基于順序選取鄰近節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路徑分級:

式中:0≤α≤1 表示成本計算系數(shù)，Cij表示i、j兩個節(jié)點之間的通信成本，Prij表示兩個節(jié)點在本地傳輸過程中產(chǎn)生的本地成本，匯聚節(jié)點與相鄰節(jié)點間的通信成本，同樣可根據(jù)上述計算方式得到。利用傳感器能量消耗模型，計算傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗情況:

所有節(jié)點都定期將其本地節(jié)點成本(Pri)及其最低成本廣播給接收機，dij表示的是i、j兩個節(jié)點間的實際距離，Esnd表示為傳輸數(shù)據(jù)所耗費的能量，Prj表示傳感節(jié)點j在本地傳輸中的能耗損耗[5]，計算方法如下:

式中:β(0≤β≤1)表示每個變化參數(shù)相對應(yīng)的重要常數(shù)，表示傳感節(jié)點j所在傳輸隊列的自由空間向量比值:

隨著傳輸節(jié)點隊列長度的不斷增加，為了防止隊列過長導致溢出情況發(fā)生[6]，會隨之增加，此時傳輸節(jié)點的可用能量比值表示為:

式中:Zb和ZT分別表示傳輸節(jié)點的剩余能量和初始能量，此時假定傳輸節(jié)點被丟棄概率[7]為，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)當前節(jié)點擁塞指數(shù)Ii()，在傳輸節(jié)點丟失數(shù)據(jù)實際概率()的輔助下，可以計算出節(jié)點選擇丟棄概率:

此時變量的權(quán)重值為:

此時可計算傳輸節(jié)點的實際擁堵指數(shù):

式中:pf和pc分別表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道的接入失敗概率和沖突概率[9]，R為無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接層中最大的重傳嘗試次數(shù)。根據(jù)傳輸節(jié)點的歷史狀態(tài)來看，可以利用加權(quán)平均計算得到，在過去時間段節(jié)點丟棄概率的重要性為:

式中:t為傳輸時間的向后推延時間，?表示控制傳感器電流下降程度的影響參數(shù)。Ii和的取值范圍均在[0，1]之間，因此得到的同樣在[0，1]之間，當?shù)臄?shù)值越高，證明傳感器節(jié)點被丟棄的概率越高[10]。

考慮到傳感網(wǎng)絡(luò)更新信息的通信數(shù)量通常較短，傳輸功率很低，擁塞概率可以忽略，路徑成本計算和通信的傳輸模式相比，信息傳輸能量相對較大，在實際應(yīng)用過程中，只需要著重考慮節(jié)點信息傳輸?shù)哪芎膯栴}。

2 傳感網(wǎng)絡(luò)擁堵節(jié)點選擇中的強制博弈模型設(shè)計

利用上文節(jié)點選擇的情況，建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選擇強制博弈模型，設(shè)置傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送概率為閾值觸發(fā)約束條件，通過閾值博弈實現(xiàn)強制選擇節(jié)點或者放棄節(jié)點，保證無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包數(shù)量在一個穩(wěn)定值附近小幅度波動，避免大量的概率計算過程:

式中:z表示參與選擇的節(jié)點數(shù)量，m表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。從根節(jié)點到達其他任意節(jié)點的實際路徑，可以計算出傳感網(wǎng)絡(luò)中根節(jié)點的介數(shù)Br:

式中:Pc表示傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送沖突概率。通過分析可知，當閾值觸發(fā)約束條件時，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)周期內(nèi)，傳感器節(jié)點在概率P的影響下產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，當P＜Pc時，網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)數(shù)據(jù)包可以得到較好且及時的處理，數(shù)據(jù)包數(shù)量在一個穩(wěn)定值附近小幅度波動，當P＞Pc時，隨著概率的逐漸增大，證明數(shù)據(jù)包的數(shù)量也在不斷地增加，該博弈過程一旦產(chǎn)生，強制選擇節(jié)點或者放棄節(jié)點，避免進一步的概率計算。

3 仿真分析

在仿真環(huán)境設(shè)置中，設(shè)定無線傳感網(wǎng)絡(luò)中包含多個節(jié)點，且在200 m×200 m 的空間范圍內(nèi)隨機分布，每個無線傳感器傳輸節(jié)點的傳送半徑為25 m，在傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳送速率為1 Mb/s，傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送沖突概率Pc為2.8%。在節(jié)點隨機拋灑部署的基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)的Voronoi 劃分方法，對傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋圖進行劃分，Voronoi 劃分的結(jié)果如圖1[12]所示。

圖1 中，小圓點表示參與通信的傳感節(jié)點，多邊形即為Voronoi 多邊形，由節(jié)點間直線的垂線組成，接下來根據(jù)劃分圖找出冗余節(jié)點，然后將這些冗余節(jié)點關(guān)閉，設(shè)置為睡眠狀態(tài)。

傳感網(wǎng)絡(luò)的仿真采用OMNet＋＋仿真工具，以及第三方模型Mobility Framework 2(簡稱MF2)完成。可以采用隨機坐標或確定坐標對節(jié)點進行定位，很方便地實現(xiàn)節(jié)點的部署?；竟?jié)點用于發(fā)送查詢與接收數(shù)據(jù)，模型仿真實現(xiàn)如圖2 所示。

圖2 Mesh 節(jié)點模型

如圖2 所示，Mesh 節(jié)點模型包括單頻MESH 組網(wǎng)及雙頻MESH 組網(wǎng)兩種組網(wǎng)方式，前者節(jié)點的回傳和接入頻段相同，后者則不同。

傳感節(jié)點用于目標區(qū)域感知，數(shù)據(jù)收集是主要功能，在應(yīng)用層上設(shè)計了數(shù)據(jù)收集模塊，融合單頻MESH 組網(wǎng)及雙頻MESH 組網(wǎng)兩種組網(wǎng)方式，構(gòu)建傳感節(jié)點模型，其模型仿真實現(xiàn)如圖3 所示。

圖3 傳感節(jié)點模型

圖3 所示傳感節(jié)點模型，能夠保證每個無線傳感器傳輸節(jié)點的數(shù)據(jù)回傳和接收。設(shè)定節(jié)點的通信距離，基站節(jié)點與Mesh 節(jié)點的通信半徑均為100 m，傳感節(jié)點的通信半徑為10 m。為保證性能測試仿真分析結(jié)果具有真實性，將本文方法與文獻[1]方法、文獻[2]方法、文獻[3]方法、文獻[4]方法進行仿真對比，設(shè)置傳感網(wǎng)絡(luò)中每個目標傳輸節(jié)點的傳輸鏈路都是已知的，便于直觀得到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制性能。

首先分析無線傳感網(wǎng)絡(luò)提交數(shù)據(jù)包的速度，該指標表示在源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)后，網(wǎng)絡(luò)中目標傳輸節(jié)點從所有相關(guān)傳輸分組中，成功接收到數(shù)據(jù)包的百分比，驗證相應(yīng)多路徑路線的可靠程度，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法分組遞交率對比

從圖4 中可以看出，在數(shù)據(jù)傳輸速率較低時，五種方法的網(wǎng)絡(luò)擁堵控制性能基本相同，將分組傳輸速率增加到15 個分組/s 時，四種文獻對比方法的性能下降速度明顯高于本文方法，本文方法的數(shù)據(jù)傳送速率保持緩慢降低，最終分組遞交率在83%以上。本文提出的博弈方法降低了計算成本，證明在本文方法下，網(wǎng)絡(luò)傳輸擁堵對提交數(shù)據(jù)的傳輸速率影響較小，網(wǎng)絡(luò)擁堵得到了有效控制。

其次通過分析五種方法下網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點端到端的延遲情況，測試源節(jié)點的數(shù)據(jù)包到達指定傳輸節(jié)點的時間，其中包含路由發(fā)現(xiàn)、接口列隊、重傳以及傳播延遲數(shù)據(jù)分析，在仿真過程中，隨機選擇網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點和目標傳輸節(jié)點，通過仿真對五種方法的端對端延遲情況進行對比，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點端到端的延遲情況

通過圖5 可知，當數(shù)據(jù)傳輸速率增大時，傳輸終端節(jié)點之間的延遲也在不斷增加，當數(shù)據(jù)傳輸速率為5 MB/s 時，五種方法的分組遞交率相差不大，而后本文方法的優(yōu)點逐漸顯現(xiàn)，端到端延遲增長緩慢，最終網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點端到端的延遲在0.3 s 以內(nèi)。上述實驗結(jié)果進一步說明在博弈過程中，本文方法的計算成本大幅降低，避免了無限尋優(yōu)過程。

測試五種擁塞控制算法的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失速率，設(shè)定測試初始網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失速率為80 pkt/s，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失速率情況比較

根據(jù)圖6 可知，在網(wǎng)絡(luò)運行的初始階段，本文方法的數(shù)據(jù)包丟失速率最低，當測試時間結(jié)束時，可以看到文獻[1]方法、文獻[2]方法、文獻[3]方法、文獻[4]方法將數(shù)據(jù)包丟失速率分別控制在187 pkt/s、261 pkt/s、205 pkt/s、298 pkt/s 之內(nèi)，而本文方法的數(shù)據(jù)包丟失速率則保持在100 pkt/s 之內(nèi)，相比較之下本文算法的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失速率更低，從丟包速率的峰值上可以看到，本文方法覆蓋兩跳以上的上游網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過擁堵反饋機制可以提前到達源節(jié)點，降低網(wǎng)絡(luò)擁堵的影響。

4 結(jié)論

本文提出提出一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中節(jié)點選擇強制博弈方法，在完成網(wǎng)絡(luò)擁塞判斷和檢測的基礎(chǔ)上，改善擁塞抗性，在短時間內(nèi)迅速啟動并調(diào)整節(jié)點選擇過程，進而控制擁塞情況，經(jīng)仿真證明，該方法不僅能夠減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失，同時也能夠降低傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點端到端傳輸延遲，確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴⒃摲椒☉?yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實際工業(yè)環(huán)境應(yīng)用中，能夠有效改善網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓叫院头€(wěn)定性，從而提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測性能。