無線傳感網絡擁塞控制中節點選擇強制博弈方法*

陳 紅，郭海濤

(1.南京信息職業技術學院 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)

無線傳感網絡由若干數量的傳輸節點組建成健全的信息傳輸系統，其包含數據的收集、傳輸和接收等功能，廣泛應用在檢測、跟蹤、控制等領域，但由于大量傳輸節點隨機分布，節點的能量及傳輸能力是相對有限的，一旦網絡中出現大量突發的傳輸數據時，很容易造成網絡的擁堵，致使網絡的處理和通信能力受到限制。為保證數據傳輸的穩定性和可靠性，需對網絡中的擁塞情況進行控制。

針對網絡傳輸的擁塞控制，馮維等[1]研究的快速二階算法，是基于網絡節點功率分配限制的方法，通過聯合優化分配功率，利用二階收斂算法，結合矩陣分類，實現網絡傳輸業務流速的分布更新變化，能有效地控制網絡節點能量和擁塞問題；Chanak 等[2]提出了一種基于物聯網的無線傳感網絡分布式擁塞控制算法，基于優先級的數據路由策略來緩解擁塞。基于優先隊列的調度方案提高可靠性，完成網絡擁堵控制。劉安戰等[3]提出一種移動延遲容忍傳感網絡擁塞控制算法。在節點狀態感知的基礎上，構造了一種可容許的移動延遲感知網絡擁塞預測機制，根據該機制獲得的歷史緩存信息，判斷節點的狀態，并在此基礎上對嚴重擁塞和中度擁塞的節點進行信息匯總，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，通過最小化網絡時延來提高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判別，以找到最適合無線傳感網絡擁塞控制的模型。

上述方法由于未對節點數據流進行分析，導致網絡數據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定。為此，本文在研究無線傳感網絡擁塞控制方法時，考慮到網絡節點吞吐的穩定性以及傳感器節點的能耗壽命問題，通過分析網絡路徑的分布，計算傳輸級別及節點能耗情況，利用匯聚節點的數據流情況，建立節點選擇強制博弈模型，設置約束條件，將數據包數量控制在一個穩定值附近小幅度波動，有效降低了網絡能耗，解決了網絡擁塞問題。

1 無線傳感網絡節點的選取方法設計

為有效解決網絡擁塞問題，首先要對無線傳感網絡節點的選取進行計算，通過分析網絡路徑分布情況，計算節點能耗及節點丟棄概率，選擇能耗低、丟棄率小的節點進行數據傳輸。

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

對于每一個節點i∈? 來說，網絡節點i經過節點j最終到匯聚節點的過程中，其付出的代價為i到j和j到匯聚節點的總和，根據其代價的順序，基于順序選取鄰近節點，實現網絡路徑分級:

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

所有節點都定期將其本地節點成本(Pri)及其最低成本廣播給接收機，dij表示的是i、j兩個節點間的實際距離，Esnd表示為傳輸數據所耗費的能量，Prj表示傳感節點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)表示每個變化參數相對應的重要常數，表示傳感節點j所在傳輸隊列的自由空間向量比值:

隨著傳輸節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生[6]，會隨之增加，此時傳輸節點的可用能量比值表示為:

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

此時變量的權重值為:

此時可計算傳輸節點的實際擁堵指數:

式中:pf和pc分別表示無線傳感網絡通信信道的接入失敗概率和沖突概率[9]，R為無線傳感網絡連接層中最大的重傳嘗試次數。根據傳輸節點的歷史狀態來看，可以利用加權平均計算得到，在過去時間段節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。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，當的數值越高，證明傳感器節點被丟棄的概率越高[10]。

考慮到傳感網絡更新信息的通信數量通常較短，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，在實際應用過程中，只需要著重考慮節點信息傳輸的能耗問題。

2 傳感網絡擁堵節點選擇中的強制博弈模型設計

利用上文節點選擇的情況，建立無線傳感網絡節點選擇強制博弈模型，設置傳感網絡數據包的發送概率為閾值觸發約束條件，通過閾值博弈實現強制選擇節點或者放棄節點，保證無線傳感網絡中數據包數量在一個穩定值附近小幅度波動，避免大量的概率計算過程:

式中:z表示參與選擇的節點數量，m表示無線傳感網絡層數。從根節點到達其他任意節點的實際路徑，可以計算出傳感網絡中根節點的介數Br:

式中:Pc表示傳感網絡數據包的發送沖突概率。通過分析可知，當閾值觸發約束條件時，無線傳感網絡中每個節點傳輸數據周期內，傳感器節點在概率P的影響下產生數據包，當P＜Pc時，網絡中相關數據包可以得到較好且及時的處理，數據包數量在一個穩定值附近小幅度波動，當P＞Pc時，隨著概率的逐漸增大，證明數據包的數量也在不斷地增加，該博弈過程一旦產生，強制選擇節點或者放棄節點，避免進一步的概率計算。

3 仿真分析

在仿真環境設置中，設定無線傳感網絡中包含多個節點，且在200 m×200 m 的空間范圍內隨機分布，每個無線傳感器傳輸節點的傳送半徑為25 m，在傳感網絡中數據的傳送速率為1 Mb/s，傳感網絡數據包的發送沖突概率Pc為2.8%。在節點隨機拋灑部署的基礎上，采用傳統的Voronoi 劃分方法，對傳感網絡覆蓋圖進行劃分，Voronoi 劃分的結果如圖1[12]所示。

圖1 中，小圓點表示參與通信的傳感節點，多邊形即為Voronoi 多邊形，由節點間直線的垂線組成，接下來根據劃分圖找出冗余節點，然后將這些冗余節點關閉，設置為睡眠狀態。

傳感網絡的仿真采用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點進行定位，很方便地實現節點的部署。基站節點用于發送查詢與接收數據，模型仿真實現如圖2 所示。

圖2 Mesh 節點模型

如圖2 所示，Mesh 節點模型包括單頻MESH 組網及雙頻MESH 組網兩種組網方式，前者節點的回傳和接入頻段相同，后者則不同。

傳感節點用于目標區域感知，數據收集是主要功能，在應用層上設計了數據收集模塊，融合單頻MESH 組網及雙頻MESH 組網兩種組網方式，構建傳感節點模型，其模型仿真實現如圖3 所示。

圖3 傳感節點模型

圖3 所示傳感節點模型，能夠保證每個無線傳感器傳輸節點的數據回傳和接收。設定節點的通信距離，基站節點與Mesh 節點的通信半徑均為100 m，傳感節點的通信半徑為10 m。為保證性能測試仿真分析結果具有真實性，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，設置傳感網絡中每個目標傳輸節點的傳輸鏈路都是已知的，便于直觀得到無線傳感網絡的擁塞控制性能。

首先分析無線傳感網絡提交數據包的速度，該指標表示在源節點發送數據后，網絡中目標傳輸節點從所有相關傳輸分組中，成功接收到數據包的百分比，驗證相應多路徑路線的可靠程度，仿真結果如圖4 所示。

圖4 不同方法分組遞交率對比

從圖4 中可以看出，在數據傳輸速率較低時，五種方法的網絡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，本文方法的數據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，網絡傳輸擁堵對提交數據的傳輸速率影響較小，網絡擁堵得到了有效控制。

其次通過分析五種方法下網絡傳輸節點端到端的延遲情況，測試源節點的數據包到達指定傳輸節點的時間，其中包含路由發現、接口列隊、重傳以及傳播延遲數據分析，在仿真過程中，隨機選擇網絡源節點和目標傳輸節點，通過仿真對五種方法的端對端延遲情況進行對比，結果如圖5 所示。

圖5 網絡傳輸節點端到端的延遲情況

通過圖5 可知，當數據傳輸速率增大時，傳輸終端節點之間的延遲也在不斷增加，當數據傳輸速率為5 MB/s 時，五種方法的分組遞交率相差不大，而后本文方法的優點逐漸顯現，端到端延遲增長緩慢，最終網絡傳輸節點端到端的延遲在0.3 s 以內。上述實驗結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，避免了無限尋優過程。

測試五種擁塞控制算法的網絡數據包丟失速率，設定測試初始網絡節點的網絡數據包丟失速率為80 pkt/s，結果如圖6 所示。

圖6 網絡數據包丟失速率情況比較

根據圖6 可知，在網絡運行的初始階段，本文方法的數據包丟失速率最低，當測試時間結束時，可以看到文獻[1]方法、文獻[2]方法、文獻[3]方法、文獻[4]方法將數據包丟失速率分別控制在187 pkt/s、261 pkt/s、205 pkt/s、298 pkt/s 之內，而本文方法的數據包丟失速率則保持在100 pkt/s 之內，相比較之下本文算法的網絡數據包丟失速率更低，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絡節點，通過擁堵反饋機制可以提前到達源節點，降低網絡擁堵的影響。

4 結論

本文提出提出一種無線傳感網絡擁塞控制中節點選擇強制博弈方法，在完成網絡擁塞判斷和檢測的基礎上，改善擁塞抗性，在短時間內迅速啟動并調整節點選擇過程，進而控制擁塞情況，經仿真證明，該方法不僅能夠減少網絡數據包丟失，同時也能夠降低傳感網絡的節點端到端傳輸延遲，確保網絡傳輸的可靠性。將該方法應用于無線傳感網絡的實際工業環境應用中，能夠有效改善網絡傳輸環境，實現網絡傳輸的公平性和穩定性，從而提升無線傳感網絡的監測性能。