無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)設(shè)計

李瑛達(dá) 褚娜 宋曉瑩

摘 要： 針對現(xiàn)有控制系統(tǒng)一直存在無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞控制效率差的問題，提出并設(shè)計了基于雙向控制融合的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)。在對無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞分析的基礎(chǔ)上，計算傳輸信道擁塞度，對無線傳感網(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)計過程中，主要對滑膜變結(jié)構(gòu)控制器及數(shù)據(jù)驅(qū)動控制進(jìn)行分析，并給出了部分軟件實現(xiàn)程序，達(dá)到實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)設(shè)計的目的。實驗結(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)行對比時，其控制穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，具有一定的實用性。

關(guān)鍵詞： 無線傳感網(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)動控制

中圖分類號： TN915?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)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(lián)網(wǎng)和無線通信技術(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，很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞，如鏈路各中間節(jié)點的傳輸是否可信，傳輸數(shù)據(jù)是否丟失或是否存在延時均是導(dǎo)致無線傳感網(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。無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道在進(jìn)行傳輸時，當(dāng)一段時間里傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送速率過大、網(wǎng)絡(luò)可用寬帶過小時，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)生擁塞時未及時進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)包出現(xiàn)大量流失和傳輸時延過長的問題，嚴(yán)重時會導(dǎo)致無線傳感網(wǎng)絡(luò)擁塞崩潰，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量降低。對此，提出并設(shè)計了基于雙向控制融合的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)。在對無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞分析的基礎(chǔ)上，計算傳輸信道擁塞度，對無線傳感網(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)計過程中，主要對滑膜變結(jié)構(gòu)控制器及數(shù)據(jù)驅(qū)動控制進(jìn)行分析，并給出了部分軟件實現(xiàn)程序，達(dá)到實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)設(shè)計的目的。實驗結(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)行對比時，其控制穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，具有一定的實用性。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞基礎(chǔ)分析

當(dāng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道在對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時，傳送分組數(shù)目較多，會導(dǎo)致儲存轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)資源受限，傳輸性能降低，即擁塞現(xiàn)象。其重點表現(xiàn)在數(shù)據(jù)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(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)時間三者之間的關(guān)系。

由圖1可以看出，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的負(fù)載情況較小時，吞吐量及負(fù)載成正比，響應(yīng)時間增長趨于緩慢。隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的持續(xù)增加，若網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大于Krice點時，因為完整地使用了網(wǎng)絡(luò)資源，吞吐量會緩慢的上漲，但響應(yīng)時間會快速增加；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的負(fù)載持續(xù)增長并大于Cliff點時，因為網(wǎng)絡(luò)所供應(yīng)的資源無法滿足此時網(wǎng)絡(luò)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(yīng)時間會快速增加，網(wǎng)絡(luò)傳輸信道就會出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象。假如無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道負(fù)載持續(xù)提高到固定值時，吞吐量會趨于零，網(wǎng)絡(luò)會完全崩潰。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(jù)傳送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，對傳輸信道擁塞狀態(tài)進(jìn)行衡量，其衡量標(biāo)準(zhǔn)亦會發(fā)生變化。對于優(yōu)先級較高的傳輸數(shù)據(jù)，下一傳輸信道擁塞狀況只對傳輸信道內(nèi)部的高優(yōu)先級隊列[QH]目標(biāo)運(yùn)用狀態(tài)進(jìn)行分析；而對于優(yōu)先級較低的傳輸數(shù)據(jù)，傳輸信道擁塞狀況不但要對低優(yōu)先級較低的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析，還需對其優(yōu)先級隊列轉(zhuǎn)化為空才可對低優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。

對于高優(yōu)先級的傳輸數(shù)據(jù)，傳輸信道擁塞情況可用下式進(jìn)行計算：

當(dāng)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道出現(xiàn)緩存溢出時，會導(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)競爭優(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

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在分析無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞控制性能時，將隨機(jī)早期檢測算法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，然后通過實驗來測試網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞控制性能。無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道在收到分組信息后，進(jìn)行計算獲取相應(yīng)的擁塞程度值，在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，主要對滑膜變結(jié)構(gòu)控制器及數(shù)據(jù)驅(qū)動控制進(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產(chǎn)生擁塞問題時，無線傳感網(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)擁塞采用主動隊列管理方法達(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)計的控制器達(dá)到了無線傳感網(wǎng)絡(luò)不同層的同時進(jìn)行擁塞控制的目的，讓全部無線傳感網(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)驗證算法的有效性。

2） 數(shù)據(jù)驅(qū)動控制

首先將無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€等價的動態(tài)線性化模型，并對線性化模型實行跨層擁塞控制：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)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型難以獲得的一大難點，同時兩層互相關(guān)聯(lián)并調(diào)整，達(dá)到有效控制擁塞現(xiàn)象的目的，增加無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道性能。分別對傳送數(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

在軟件設(shè)計中，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，計算獲取擁塞度，其部分軟件實現(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 實驗結(jié)果分析

4.1 實驗環(huán)境分析

實驗采用NS?2仿真平臺對提出的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗，仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。根據(jù)實驗要求，設(shè)置仿真實驗將位于無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞節(jié)點設(shè)置為Sink節(jié)點。

4.2 實驗結(jié)果分析

為了驗證改進(jìn)系統(tǒng)在無線傳感網(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)為對比，以控制穩(wěn)定性為指標(biāo)，進(jìn)行實驗對比分析，實驗結(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，其單向時延抖動明顯，實時曲線中有很多毛刺；采用改進(jìn)系統(tǒng)時，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；同時保證了控制的穩(wěn)定性，驗證了改進(jìn)方法能夠有效緩解信道擁塞現(xiàn)象，對傳輸過程中存在的附加時延和擁塞可有效進(jìn)行控制；還去除了與網(wǎng)絡(luò)擁塞無關(guān)的附加時延，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

針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)一直存在無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞控制效率差的問題，提出并設(shè)計了基于雙向控制融合的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擁塞智能控制系統(tǒng)。實驗結(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)行對比時，其控制穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，具有一定的實用性。

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