无线传感网络拥塞控制中节点选择强制博弈方法*

陈 红，郭海涛

(1.南京信息职业技术学院 电子信息学院，江苏 南京 210023；2.华南理工大学 土木交通学院，广东 广州 510640)

无线传感网络由若干数量的传输节点组建成健全的信息传输系统，其包含数据的收集、传输和接收等功能，广泛应用在检测、跟踪、控制等领域，但由于大量传输节点随机分布，节点的能量及传输能力是相对有限的，一旦网络中出现大量突发的传输数据时，很容易造成网络的拥堵，致使网络的处理和通信能力受到限制。为保证数据传输的稳定性和可靠性，需对网络中的拥塞情况进行控制。

针对网络传输的拥塞控制，冯维等[1]研究的快速二阶算法，是基于网络节点功率分配限制的方法，通过联合优化分配功率，利用二阶收敛算法，结合矩阵分类，实现网络传输业务流速的分布更新变化，能有效地控制网络节点能量和拥塞问题；Chanak 等[2]提出了一种基于物联网的无线传感网络分布式拥塞控制算法，基于优先级的数据路由策略来缓解拥塞。基于优先队列的调度方案提高可靠性，完成网络拥堵控制。刘安战等[3]提出一种移动延迟容忍传感网络拥塞控制算法。在节点状态感知的基础上，构造了一种可容许的移动延迟感知网络拥塞预测机制，根据该机制获得的历史缓存信息，判断节点的状态，并在此基础上对严重拥塞和中度拥塞的节点进行信息汇总，从而给出了拥塞控制策略。Grover等[4]提出了一种新的速率感知拥塞控制机制，通过最小化网络时延来提高PDR 和吞吐量。采用队列管理算法，帮助识别拥塞级别，并根据接收到的拥塞信息将拥塞级别进一步分为不同的级别，在不同的传播模型上实现判别，以找到最适合无线传感网络拥塞控制的模型。

上述方法由于未对节点数据流进行分析，导致网络数据包丢失速率相对较高，传输可靠性略差，拥塞处理能力不够稳定。为此，本文在研究无线传感网络拥塞控制方法时，考虑到网络节点吞吐的稳定性以及传感器节点的能耗寿命问题，通过分析网络路径的分布，计算传输级别及节点能耗情况，利用汇聚节点的数据流情况，建立节点选择强制博弈模型，设置约束条件，将数据包数量控制在一个稳定值附近小幅度波动，有效降低了网络能耗，解决了网络拥塞问题。

1 无线传感网络节点的选取方法设计

为有效解决网络拥塞问题，首先要对无线传感网络节点的选取进行计算，通过分析网络路径分布情况，计算节点能耗及节点丢弃概率，选择能耗低、丢弃率小的节点进行数据传输。

假定n个无线传感器节点在网络中均匀分布，如果一个节点处于另一个节点的通信区域范围内，此时可构成一个通信链路L＝{1，2，…，l}集合，每个无线传感网络链路保持在i、j两个节点之间。在无线传感网络中存在s个源节点和一个汇聚节点，针对网络中任意一个中间节点i∈ℕ 而言，Gi表示在节点i通信范围内与之相邻的节点集合。

对于每一个节点i∈ℕ 来说，网络节点i经过节点j最终到汇聚节点的过程中，其付出的代价为i到j和j到汇聚节点的总和，根据其代价的顺序，基于顺序选取邻近节点，实现网络路径分级:

式中:0≤α≤1 表示成本计算系数，Cij表示i、j两个节点之间的通信成本，Prij表示两个节点在本地传输过程中产生的本地成本，汇聚节点与相邻节点间的通信成本，同样可根据上述计算方式得到。利用传感器能量消耗模型，计算传感网络节点的功耗情况:

所有节点都定期将其本地节点成本(Pri)及其最低成本广播给接收机，dij表示的是i、j两个节点间的实际距离，Esnd表示为传输数据所耗费的能量，Prj表示传感节点j在本地传输中的能耗损耗[5]，计算方法如下:

式中:β(0≤β≤1)表示每个变化参数相对应的重要常数，表示传感节点j所在传输队列的自由空间向量比值:

随着传输节点队列长度的不断增加，为了防止队列过长导致溢出情况发生[6]，会随之增加，此时传输节点的可用能量比值表示为:

式中:Zb和ZT分别表示传输节点的剩余能量和初始能量，此时假定传输节点被丢弃概率[7]为，结合无线传感网络当前节点拥塞指数Ii()，在传输节点丢失数据实际概率()的辅助下，可以计算出节点选择丢弃概率:

此时变量的权重值为:

此时可计算传输节点的实际拥堵指数:

式中:pf和pc分别表示无线传感网络通信信道的接入失败概率和冲突概率[9]，R为无线传感网络连接层中最大的重传尝试次数。根据传输节点的历史状态来看，可以利用加权平均计算得到，在过去时间段节点丢弃概率的重要性为:

式中:t为传输时间的向后推延时间，ϑ表示控制传感器电流下降程度的影响参数。Ii和的取值范围均在[0，1]之间，因此得到的同样在[0，1]之间，当的数值越高，证明传感器节点被丢弃的概率越高[10]。

考虑到传感网络更新信息的通信数量通常较短，传输功率很低，拥塞概率可以忽略，路径成本计算和通信的传输模式相比，信息传输能量相对较大，在实际应用过程中，只需要着重考虑节点信息传输的能耗问题。

2 传感网络拥堵节点选择中的强制博弈模型设计

利用上文节点选择的情况，建立无线传感网络节点选择强制博弈模型，设置传感网络数据包的发送概率为阈值触发约束条件，通过阈值博弈实现强制选择节点或者放弃节点，保证无线传感网络中数据包数量在一个稳定值附近小幅度波动，避免大量的概率计算过程:

式中:z表示参与选择的节点数量，m表示无线传感网络层数。从根节点到达其他任意节点的实际路径，可以计算出传感网络中根节点的介数Br:

式中:Pc表示传感网络数据包的发送冲突概率。通过分析可知，当阈值触发约束条件时，无线传感网络中每个节点传输数据周期内，传感器节点在概率P的影响下产生数据包，当P＜Pc时，网络中相关数据包可以得到较好且及时的处理，数据包数量在一个稳定值附近小幅度波动，当P＞Pc时，随着概率的逐渐增大，证明数据包的数量也在不断地增加，该博弈过程一旦产生，强制选择节点或者放弃节点，避免进一步的概率计算。

3 仿真分析

在仿真环境设置中，设定无线传感网络中包含多个节点，且在200 m×200 m 的空间范围内随机分布，每个无线传感器传输节点的传送半径为25 m，在传感网络中数据的传送速率为1 Mb/s，传感网络数据包的发送冲突概率Pc为2.8%。在节点随机抛洒部署的基础上，采用传统的Voronoi 划分方法，对传感网络覆盖图进行划分，Voronoi 划分的结果如图1[12]所示。

图1 中，小圆点表示参与通信的传感节点，多边形即为Voronoi 多边形，由节点间直线的垂线组成，接下来根据划分图找出冗余节点，然后将这些冗余节点关闭，设置为睡眠状态。

传感网络的仿真采用OMNet＋＋仿真工具，以及第三方模型Mobility Framework 2(简称MF2)完成。可以采用随机坐标或确定坐标对节点进行定位，很方便地实现节点的部署。基站节点用于发送查询与接收数据，模型仿真实现如图2 所示。

图2 Mesh 节点模型

如图2 所示，Mesh 节点模型包括单频MESH 组网及双频MESH 组网两种组网方式，前者节点的回传和接入频段相同，后者则不同。

传感节点用于目标区域感知，数据收集是主要功能，在应用层上设计了数据收集模块，融合单频MESH 组网及双频MESH 组网两种组网方式，构建传感节点模型，其模型仿真实现如图3 所示。

图3 传感节点模型

图3 所示传感节点模型，能够保证每个无线传感器传输节点的数据回传和接收。设定节点的通信距离，基站节点与Mesh 节点的通信半径均为100 m，传感节点的通信半径为10 m。为保证性能测试仿真分析结果具有真实性，将本文方法与文献[1]方法、文献[2]方法、文献[3]方法、文献[4]方法进行仿真对比，设置传感网络中每个目标传输节点的传输链路都是已知的，便于直观得到无线传感网络的拥塞控制性能。

首先分析无线传感网络提交数据包的速度，该指标表示在源节点发送数据后，网络中目标传输节点从所有相关传输分组中，成功接收到数据包的百分比，验证相应多路径路线的可靠程度，仿真结果如图4 所示。

图4 不同方法分组递交率对比

从图4 中可以看出，在数据传输速率较低时，五种方法的网络拥堵控制性能基本相同，将分组传输速率增加到15 个分组/s 时，四种文献对比方法的性能下降速度明显高于本文方法，本文方法的数据传送速率保持缓慢降低，最终分组递交率在83%以上。本文提出的博弈方法降低了计算成本，证明在本文方法下，网络传输拥堵对提交数据的传输速率影响较小，网络拥堵得到了有效控制。

其次通过分析五种方法下网络传输节点端到端的延迟情况，测试源节点的数据包到达指定传输节点的时间，其中包含路由发现、接口列队、重传以及传播延迟数据分析，在仿真过程中，随机选择网络源节点和目标传输节点，通过仿真对五种方法的端对端延迟情况进行对比，结果如图5 所示。

图5 网络传输节点端到端的延迟情况

通过图5 可知，当数据传输速率增大时，传输终端节点之间的延迟也在不断增加，当数据传输速率为5 MB/s 时，五种方法的分组递交率相差不大，而后本文方法的优点逐渐显现，端到端延迟增长缓慢，最终网络传输节点端到端的延迟在0.3 s 以内。上述实验结果进一步说明在博弈过程中，本文方法的计算成本大幅降低，避免了无限寻优过程。

测试五种拥塞控制算法的网络数据包丢失速率，设定测试初始网络节点的网络数据包丢失速率为80 pkt/s，结果如图6 所示。

图6 网络数据包丢失速率情况比较

根据图6 可知，在网络运行的初始阶段，本文方法的数据包丢失速率最低，当测试时间结束时，可以看到文献[1]方法、文献[2]方法、文献[3]方法、文献[4]方法将数据包丢失速率分别控制在187 pkt/s、261 pkt/s、205 pkt/s、298 pkt/s 之内，而本文方法的数据包丢失速率则保持在100 pkt/s 之内，相比较之下本文算法的网络数据包丢失速率更低，从丢包速率的峰值上可以看到，本文方法覆盖两跳以上的上游网络节点，通过拥堵反馈机制可以提前到达源节点，降低网络拥堵的影响。

4 结论

本文提出提出一种无线传感网络拥塞控制中节点选择强制博弈方法，在完成网络拥塞判断和检测的基础上，改善拥塞抗性，在短时间内迅速启动并调整节点选择过程，进而控制拥塞情况，经仿真证明，该方法不仅能够减少网络数据包丢失，同时也能够降低传感网络的节点端到端传输延迟，确保网络传输的可靠性。将该方法应用于无线传感网络的实际工业环境应用中，能够有效改善网络传输环境，实现网络传输的公平性和稳定性，从而提升无线传感网络的监测性能。