無線傳感網絡傳輸信道擁塞智能控制系統設計

李瑛達 褚娜 宋曉瑩

摘 要： 針對現有控制系統一直存在無線傳感網絡傳輸信道擁塞控制效率差的問題，提出并設計了基于雙向控制融合的無線傳感網絡傳輸信道擁塞智能控制系統。在對無線傳感網絡傳輸信道擁塞分析的基礎上，計算傳輸信道擁塞度，對無線傳感網絡傳輸信道擁塞影響情況進行分析；在系統硬件設計過程中，主要對滑膜變結構控制器及數據驅動控制進行分析，并給出了部分軟件實現程序，達到實現無線傳感網絡傳輸信道擁塞智能控制系統設計的目的。實驗結果表明，采用改進控制系統與傳統控制系統進行對比時，其控制穩定性要優于傳統控制系統，具有一定的實用性。

關鍵詞： 無線傳感網絡； 傳輸信道； 擁塞控制； 網絡傳輸； 擁塞度； 數據驅動控制

中圖分類號： TN915?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0159?04

Abstract： As the current control system has the long?existing problem of poor control efficiency of transmission channel congestion in wireless sensor networks， a transmission channel congestion intelligent control system for wireless sensor networks is proposed and designed based on bidirectional control fusion. On the basis of the analysis of transmission channel congestion in wireless sensor networks， the congestion degree of the transmission channel is calculated to analyze the transmission channel congestion impact of wireless sensor networks. During the process of system hardware design， the synovium variable structure controller and data drive control are mainly analyzed. Part of software implementation programs are presented to achieve the design implementation purpose of a transmission channel congestion intelligent control system for wireless sensor networks. The experimental results show that in comparison with the traditional control system， the improved control system has a better control stability and a certain practicability.

Keywords： wireless sensor network； transmission channel； congestion control； network transmission； congestion degree； data drive control

0 引 言

隨著互聯網和無線通信技術的快速發展，以及便攜式通信設備的普及，導致無線傳感網絡成為互聯網不可缺少的一部分，其性能也受到廣大學者及使用者的關注。使用用戶的增加，端到端的數據通信服務時，很容易出現網絡傳輸信道擁塞，如鏈路各中間節點的傳輸是否可信，傳輸數據是否丟失或是否存在延時均是導致無線傳感網絡傳輸信道擁塞的原因，其中由誤碼引起的丟包可忽略不計。無線傳感網絡傳輸信道在進行傳輸時，當一段時間里傳輸的數據發送速率過大、網絡可用寬帶過小時，造成數據包注入過多，傳輸信道擁塞的現象，且在產生擁塞時未及時進行控制，數據包出現大量流失和傳輸時延過長的問題，嚴重時會導致無線傳感網絡擁塞崩潰，數據傳輸質量降低。對此，提出并設計了基于雙向控制融合的無線傳感網絡傳輸信道擁塞智能控制系統。在對無線傳感網絡傳輸信道擁塞分析的基礎上，計算傳輸信道擁塞度，對無線傳感網絡傳輸信道擁塞影響情況進行分析。在系統硬件設計過程中，主要對滑膜變結構控制器及數據驅動控制進行分析，并給出了部分軟件實現程序，達到實現無線傳感網絡傳輸信道擁塞智能控制系統設計的目的。實驗結果表明，采用改進控制系統與傳統控制系統進行對比時，其控制穩定性要優于傳統控制系統，具有一定的實用性。

1 無線傳感網絡傳輸信道擁塞基礎分析

當無線傳感網絡傳輸信道在對數據進行傳輸時，傳送分組數目較多，會導致儲存轉發數據資源受限，傳輸性能降低，即擁塞現象。其重點表現在數據包丟失率的增加、傳輸速率的下降及時延的急劇增加，甚至在極端情況下網絡傳輸信道出現崩潰現象。圖1為網絡負載、吞吐量和響應時間三者之間的關系。

由圖1可以看出，在無線傳感網絡傳輸信道的負載情況較小時，吞吐量及負載成正比，響應時間增長趨于緩慢。隨著無線傳感網絡負載的持續增加，若網絡負載大于Krice點時，因為完整地使用了網絡資源，吞吐量會緩慢的上漲，但響應時間會快速增加；當網絡傳輸信道的負載持續增長并大于Cliff點時，因為網絡所供應的資源無法滿足此時網絡傳輸信道傳送資源的需要，這時吞吐量會快速降低，相反響應時間會快速增加，網絡傳輸信道就會出現擁塞現象。假如無線傳感網絡傳輸信道負載持續提高到固定值時，吞吐量會趨于零，網絡會完全崩潰。

2 無線傳感網絡傳輸信道擁塞影響情況分析

在計算各個傳輸信道擁塞情況時，依據傳送數據的優先級，對傳輸信道擁塞狀態進行衡量，其衡量標準亦會發生變化。對于優先級較高的傳輸數據，下一傳輸信道擁塞狀況只對傳輸信道內部的高優先級隊列[QH]目標運用狀態進行分析；而對于優先級較低的傳輸數據，傳輸信道擁塞狀況不但要對低優先級較低的數據進行轉換分析，還需對其優先級隊列轉化為空才可對低優先級隊列中的數據進行傳送。

對于高優先級的傳輸數據，傳輸信道擁塞情況可用下式進行計算：

當在無線傳感網絡傳輸信道出現緩存溢出時，會導致大量丟包問題的產生。而出現此類問題的主要原因是大量的數據競爭優先使用傳輸信道出現數據沖撞所引起的，導致傳輸信道質量下降及網絡時延增加。兩者之間的關聯如圖2所示。

3 擁塞控制系統設計

3.1 系統硬件設計

在分析無線傳感網絡傳輸信道擁塞控制性能時，將隨機早期檢測算法RED（Random Early Detection）思想引入其中，并與自適應擁塞控制策略結合，然后通過實驗來測試網絡傳輸信道擁塞控制性能。無線傳感網絡傳輸信道在收到分組信息后，進行計算獲取相應的擁塞程度值，在系統硬件設計中，主要對滑膜變結構控制器及數據驅動控制進行分析。

1） 滑膜變結構控制器

把傳輸數據合理分配到傳輸信道中，整合速率控制及信道的接入模式，提出適合無線傳感器網絡傳輸信道的跨層滑膜擁塞控制算法，解析傳輸數據及傳輸信道鏈路同時產生擁塞問題時，無線傳感網絡跨層該如何控制擁塞，以達到更好的擁塞控制效果。對傳輸數據擁塞及傳輸信道鏈路擁塞分別進行準滑膜控制：傳輸數據擁塞采用主動隊列管理方法達到控制擁塞現象的目的；傳輸信道鏈路擁塞使用數據輸出流量最小化的方法，進行數據包優先傳輸。所設計的控制器達到了無線傳感網絡不同層的同時進行擁塞控制的目的，讓全部無線傳感網絡里的數據依據局部的擁塞模式，整理數據傳輸速率，并一起進行自適應信道分配，采用Lyapunov函數驗證算法的有效性。

2） 數據驅動控制

首先將無線傳感網絡傳輸信道數學模型轉變為一個等價的動態線性化模型，并對線性化模型實行跨層擁塞控制：傳輸數據包小的優先使用信道，傳輸數據包大的退避選取其他傳輸信道；而傳輸層則使用迭代反饋正定方法。該控制模塊可彌補無線傳感器網絡模型難以獲得的一大難點，同時兩層互相關聯并調整，達到有效控制擁塞現象的目的，增加無線傳感網絡傳輸信道性能。分別對傳送數據及接收數據間互相獨立的現象及存在的影響進行分析。

3.2 軟件設計

在軟件設計中，控制系統在接收到分組數據包后，依據自身特征，使用傳輸信道，計算獲取擁塞度，其部分軟件實現程序如下：

Begin

Query_get（）；

If（breg>=0&&breg;

β=0；

Reply_send（rate_initial）；

P_get（rate_initial）； }

If（breg>=b1&&breg;

β=（breg?b1）*β1/（b2

Rcply_send（（1?β）*rate_initial）；

P_get（（1?β）*rate_initial）； }

If（breg>=b2&&breg;

β=（breg?b2）*（β2?β1）/（b3?b2）+β1；

If（breg>=（b2+b3）/2）{

P_lose（a*d_rate）；

reply_send（1/2）*（1?β）*rate_initial）；

（1/2）*（1?β）*rate_initial

P_get（（1/2）*（1?β）*rate_initial）；}

if（breg>bmax）{

printf（“this is wrong＼n”）；

}

End

通過上述分析，發現針對當前分組接收數據進行速率的調整，并以此達到緩解當前傳輸信道擁塞的目的。

4 實驗結果分析

4.1 實驗環境分析

實驗采用NS?2仿真平臺對提出的控制系統進行仿真實驗，仿真參數設置如表1所示。根據實驗要求，設置仿真實驗將位于無線傳感網絡傳輸信道擁塞節點設置為Sink節點。

4.2 實驗結果分析

為了驗證改進系統在無線傳感網絡傳輸信道擁塞智能控制方面的有效性，以傳統控制系統為對比，以控制穩定性為指標，進行實驗對比分析，實驗結果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，采用傳統系統時，其單向時延抖動明顯，實時曲線中有很多毛刺；采用改進系統時，可以發現其噪音消除顯著，在傳輸過程中信道擁塞發生概率較低，毛刺基本消失；同時保證了控制的穩定性，驗證了改進方法能夠有效緩解信道擁塞現象，對傳輸過程中存在的附加時延和擁塞可有效進行控制；還去除了與網絡擁塞無關的附加時延，使得改進系統可有效地控制網絡信道擁塞情況，控制效果更顯著。

5 結 論

針對傳統控制系統一直存在無線傳感網絡傳輸信道擁塞控制效率差的問題，提出并設計了基于雙向控制融合的無線傳感網絡傳輸信道擁塞智能控制系統。實驗結果表明，采用改進控制系統，與傳統控制系統進行對比時，其控制穩定性要優于傳統控制系統，具有一定的實用性。

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