李瑛達(dá) 褚娜 宋曉瑩

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)一直存在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞控制效率差的問題，提出并設(shè)計(jì)了基于雙向控制融合的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)。在對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算傳輸信道擁塞度，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞影響情況進(jìn)行分析；在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中，主要對(duì)滑膜變結(jié)構(gòu)控制器及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行分析，并給出了部分軟件實(shí)現(xiàn)程序，達(dá)到實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比時(shí)，其控制穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)； 傳輸信道； 擁塞控制； 網(wǎng)絡(luò)傳輸； 擁塞度； 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(lián)網(wǎng)和無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，以及便攜式通信設(shè)備的普及，導(dǎo)致無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)成為互聯(lián)網(wǎng)不可缺少的一部分，其性能也受到廣大學(xué)者及使用者的關(guān)注。使用用戶的增加，端到端的數(shù)據(jù)通信服務(wù)時(shí)，很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞，如鏈路各中間節(jié)點(diǎn)的傳輸是否可信，傳輸數(shù)據(jù)是否丟失或是否存在延時(shí)均是導(dǎo)致無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞的原因，其中由誤碼引起的丟包可忽略不計(jì)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道在進(jìn)行傳輸時(shí)，當(dāng)一段時(shí)間里傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送速率過大、網(wǎng)絡(luò)可用寬帶過小時(shí)，造成數(shù)據(jù)包注入過多，傳輸信道擁塞的現(xiàn)象，且在產(chǎn)生擁塞時(shí)未及時(shí)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)包出現(xiàn)大量流失和傳輸時(shí)延過長(zhǎng)的問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞崩潰，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量降低。對(duì)此，提出并設(shè)計(jì)了基于雙向控制融合的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)。在對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算傳輸信道擁塞度，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞影響情況進(jìn)行分析。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中，主要對(duì)滑膜變結(jié)構(gòu)控制器及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行分析，并給出了部分軟件實(shí)現(xiàn)程序，達(dá)到實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比時(shí)，其控制穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用性。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞基礎(chǔ)分析

當(dāng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，傳送分組數(shù)目較多，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)資源受限，傳輸性能降低，即擁塞現(xiàn)象。其重點(diǎn)表現(xiàn)在數(shù)據(jù)包丟失率的增加、傳輸速率的下降及時(shí)延的急劇增加，甚至在極端情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸信道出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象。圖1為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、吞吐量和響應(yīng)時(shí)間三者之間的關(guān)系。

由圖1可以看出，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的負(fù)載情況較小時(shí)，吞吐量及負(fù)載成正比，響應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)趨于緩慢。隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的持續(xù)增加，若網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大于Krice點(diǎn)時(shí)，因?yàn)橥暾厥褂昧司W(wǎng)絡(luò)資源，吞吐量會(huì)緩慢的上漲，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)快速增加；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的負(fù)載持續(xù)增長(zhǎng)并大于Cliff點(diǎn)時(shí)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)所供應(yīng)的資源無(wú)法滿足此時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸信道傳送資源的需要，這時(shí)吞吐量會(huì)快速降低，相反響應(yīng)時(shí)間會(huì)快速增加，網(wǎng)絡(luò)傳輸信道就會(huì)出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象。假如無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道負(fù)載持續(xù)提高到固定值時(shí)，吞吐量會(huì)趨于零，網(wǎng)絡(luò)會(huì)完全崩潰。

2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞影響情況分析

在計(jì)算各個(gè)傳輸信道擁塞情況時(shí)，依據(jù)傳送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，對(duì)傳輸信道擁塞狀態(tài)進(jìn)行衡量，其衡量標(biāo)準(zhǔn)亦會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于優(yōu)先級(jí)較高的傳輸數(shù)據(jù)，下一傳輸信道擁塞狀況只對(duì)傳輸信道內(nèi)部的高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列[QH]目標(biāo)運(yùn)用狀態(tài)進(jìn)行分析；而對(duì)于優(yōu)先級(jí)較低的傳輸數(shù)據(jù)，傳輸信道擁塞狀況不但要對(duì)低優(yōu)先級(jí)較低的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析，還需對(duì)其優(yōu)先級(jí)隊(duì)列轉(zhuǎn)化為空才可對(duì)低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。

對(duì)于高優(yōu)先級(jí)的傳輸數(shù)據(jù)，傳輸信道擁塞情況可用下式進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道出現(xiàn)緩存溢出時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大量丟包問題的產(chǎn)生。而出現(xiàn)此類問題的主要原因是大量的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)先使用傳輸信道出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖撞所引起的，導(dǎo)致傳輸信道質(zhì)量下降及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延增加。兩者之間的關(guān)聯(lián)如圖2所示。

3 擁塞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在分析無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞控制性能時(shí)，將隨機(jī)早期檢測(cè)算法RED（Random Early Detection）思想引入其中，并與自適應(yīng)擁塞控制策略結(jié)合，然后通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)試網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞控制性能。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道在收到分組信息后，進(jìn)行計(jì)算獲取相應(yīng)的擁塞程度值，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，主要對(duì)滑膜變結(jié)構(gòu)控制器及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行分析。

1） 滑膜變結(jié)構(gòu)控制器

把傳輸數(shù)據(jù)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的跨層滑膜擁塞控制算法，解析傳輸數(shù)據(jù)及傳輸信道鏈路同時(shí)產(chǎn)生擁塞問題時(shí)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)跨層該如何控制擁塞，以達(dá)到更好的擁塞控制效果。對(duì)傳輸數(shù)據(jù)擁塞及傳輸信道鏈路擁塞分別進(jìn)行準(zhǔn)滑膜控制：傳輸數(shù)據(jù)擁塞采用主動(dòng)隊(duì)列管理方法達(dá)到控制擁塞現(xiàn)象的目的；傳輸信道鏈路擁塞使用數(shù)據(jù)輸出流量最小化的方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)包優(yōu)先傳輸。所設(shè)計(jì)的控制器達(dá)到了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)不同層的同時(shí)進(jìn)行擁塞控制的目的，讓全部無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)依據(jù)局部的擁塞模式，整理數(shù)據(jù)傳輸速率，并一起進(jìn)行自適應(yīng)信道分配，采用Lyapunov函數(shù)驗(yàn)證算法的有效性。

2） 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制

首先將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)等價(jià)的動(dòng)態(tài)線性化模型，并對(duì)線性化模型實(shí)行跨層擁塞控制：傳輸數(shù)據(jù)包小的優(yōu)先使用信道，傳輸數(shù)據(jù)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(bǔ)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型難以獲得的一大難點(diǎn)，同時(shí)兩層互相關(guān)聯(lián)并調(diào)整，達(dá)到有效控制擁塞現(xiàn)象的目的，增加無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道性能。分別對(duì)傳送數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)間互相獨(dú)立的現(xiàn)象及存在的影響進(jìn)行分析。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)在接收到分組數(shù)據(jù)包后，依據(jù)自身特征，使用傳輸信道，計(jì)算獲取擁塞度，其部分軟件實(shí)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)針對(duì)當(dāng)前分組接收數(shù)據(jù)進(jìn)行速率的調(diào)整，并以此達(dá)到緩解當(dāng)前傳輸信道擁塞的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境分析

實(shí)驗(yàn)采用NS?2仿真平臺(tái)對(duì)提出的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)將位于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞節(jié)點(diǎn)設(shè)置為Sink節(jié)點(diǎn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)系統(tǒng)在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制方面的有效性，以傳統(tǒng)控制系統(tǒng)為對(duì)比，以控制穩(wěn)定性為指標(biāo)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)時(shí)，其單向時(shí)延抖動(dòng)明顯，實(shí)時(shí)曲線中有很多毛刺；采用改進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)其噪音消除顯著，在傳輸過程中信道擁塞發(fā)生概率較低，毛刺基本消失；同時(shí)保證了控制的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了改進(jìn)方法能夠有效緩解信道擁塞現(xiàn)象，對(duì)傳輸過程中存在的附加時(shí)延和擁塞可有效進(jìn)行控制；還去除了與網(wǎng)絡(luò)擁塞無(wú)關(guān)的附加時(shí)延，使得改進(jìn)系統(tǒng)可有效地控制網(wǎng)絡(luò)信道擁塞情況，控制效果更顯著。

5 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)一直存在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞控制效率差的問題，提出并設(shè)計(jì)了基于雙向控制融合的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比時(shí)，其控制穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚營(yíng)軍，王俊平.基于MEACO的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由光通信算法研究[J].激光雜志，2016，37（2）：131?133.

TAN Yingjun， WANG Junping. Study on routing optical communication algorithm for wireless sensor networks based on multi?path energy ant colony algorithm [J]. Laser journal， 2016， 37（2）： 131?133.

[2] 王潔，盧建朱，曾小飛.可及時(shí)確定受攻擊節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合方案[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2016，36（9）：2432?2437.

WANG Jie， LU Jianzhu， ZENG Xiaofei. Data aggregation scheme for wireless sensor network to timely determine compromised nodes [J]. Journal of computer applications， 2016， 36（9）： 2432?2437.

[3] 陳慧杰，韓江洪，劉磊.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中自然能收集分簇路由算法研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2016，42（3）：143?147.

CHEN Huijie， HAN Jianghong， LIU Lei. Research on clustering routing algorithm for ambient energy harvesting in wireless sensor network [J]. Computer engineering， 2016， 42（3）： 143?147.

[4] 徐晶晶，張欣慧，許必宵，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2017，44（2）：31?37.

XU Jingjing， ZHANG Xinhui， XU Bixiao， et al. Survey of clustering algorithms for wireless sensor networks [J]. Computer science， 2017， 44（2）： 31?37.

[5] 于磊磊，周永利，黃玉.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多路徑纏繞模型及其容錯(cuò)路由機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2016，36（3）：606?609.

YU Leilei， ZHOU Yongli， HUANG Yu. Multipath braided model and fault?tolerant routing scheme for wireless sensor network [J]. Journal of computer applications， 2016， 36（3）： 606?609.

[6] 張嬋，易唐唐.基于和聲搜索算法的VANET分布式擁塞控制方案[J].控制工程，2017，24（8）：1636?1642.

ZHANG Chan， YI Tangtang. A distributed congestion control scheme for VANET using harmony search [J]. Control engineering of China， 2017， 24（8）： 1636?1642.

[7] 方如舉，王建平，孫偉.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制策略[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2016，30（4）：558?567.

FANG Ruju， WANG Jianping， SUN Wei. The congestion control strategy for WSNs communication [J]. Journal of electronic measurement and instrumentation， 2016， 30（4）： 558?567.

[8] 賀仁宇.保證QoS的無(wú)線TCP擁塞控制機(jī)制跨層設(shè)計(jì)方法[J].激光雜志，2016，37（8）：117?122.

HE Renyu. Cross?layer design method of ensuring QoS wireless TCP congestion control mechanism [J]. Laser journal， 2016， 37（8）： 117?122.

[9] 劉明劍，譚國(guó)真，李帥兵，等.基于信道擁塞代價(jià)計(jì)算的車聯(lián)網(wǎng)自適應(yīng)消息發(fā)送速率控制方法[J].通信學(xué)報(bào)，2016，37（10）：108?116.

LIU Mingjian， TAN Guozhen， LI Shuaibing， et al. Adaptive message sending rate control method based on channel congestion cost calculation in VANET [J]. Journal on communications， 2016， 37（10）： 108?116.

[10] 劉廣怡，李鷗，宋濤，等.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳感網(wǎng)高效數(shù)據(jù)傳輸方法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2016，38（6）：1362?1367.

LIU Guangyi， LI Ou， SONG Tao， et al. Energy?efficiency data transmission method in WSN based on Bayesian network [J]. Journal of electronics & information technology， 2016， 38（6）： 1362?1367.