| 标题 | 无线传感网络传输信道拥塞智能控制系统设计 |
| 范文 | 李瑛达 褚娜 宋晓莹 摘 要： 针对现有控制系统一直存在无线传感网络传输信道拥塞控制效率差的问题，提出并设计了基于双向控制融合的无线传感网络传输信道拥塞智能控制系统。在对无线传感网络传输信道拥塞分析的基础上，计算传输信道拥塞度，对无线传感网络传输信道拥塞影响情况进行分析；在系统硬件设计过程中，主要对滑膜变结构控制器及数据驱动控制进行分析，并给出了部分软件实现程序，达到实现无线传感网络传输信道拥塞智能控制系统设计的目的。实验结果表明，采用改进控制系统与传统控制系统进行对比时，其控制稳定性要优于传统控制系统，具有一定的实用性。 关键词： 无线传感网络； 传输信道； 拥塞控制； 网络传输； 拥塞度； 数据驱动控制 中图分类号： TN915?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 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 control0 引 言 隨着互联网和无线通信技术的快速发展，以及便携式通信设备的普及，导致无线传感网络成为互联网不可缺少的一部分，其性能也受到广大学者及使用者的关注。使用用户的增加，端到端的数据通信服务时，很容易出现网络传输信道拥塞，如链路各中间节点的传输是否可信，传输数据是否丢失或是否存在延时均是导致无线传感网络传输信道拥塞的原因，其中由误码引起的丢包可忽略不计。无线传感网络传输信道在进行传输时，当一段时间里传输的数据发送速率过大、网络可用宽带过小时，造成数据包注入过多，传输信道拥塞的现象，且在产生拥塞时未及时进行控制，数据包出现大量流失和传输时延过长的问题，严重时会导致无线传感网络拥塞崩溃，数据传输质量降低。对此，提出并设计了基于双向控制融合的无线传感网络传输信道拥塞智能控制系统。在对无线传感网络传输信道拥塞分析的基础上，计算传输信道拥塞度，对无线传感网络传输信道拥塞影响情况进行分析。在系统硬件设计过程中，主要对滑膜变结构控制器及数据驱动控制进行分析，并给出了部分软件实现程序，达到实现无线传感网络传输信道拥塞智能控制系统设计的目的。实验结果表明，采用改进控制系统与传统控制系统进行对比时，其控制稳定性要优于传统控制系统，具有一定的实用性。1 无线传感网络传输信道拥塞基础分析 当无线传感网络传输信道在对数据进行传输时，传送分组数目较多，会导致储存转发数据资源受限，传输性能降低，即拥塞现象。其重点表现在数据包丢失率的增加、传输速率的下降及时延的急剧增加，甚至在极端情况下网络传输信道出现崩溃现象。图1为网络负载、吞吐量和响应时间三者之间的关系。 由图1可以看出，在无线传感网络传输信道的负载情况较小时，吞吐量及负载成正比，响应时间增长趋于缓慢。随着无线传感网络负载的持续增加，若网络负载大于Krice点时，因为完整地使用了网络资源，吞吐量会缓慢的上涨，但响应时间会快速增加；当网络传输信道的负载持续增长并大于Cliff点时，因为网络所供应的资源无法满足此时网络传输信道传送资源的需要，这时吞吐量会快速降低，相反响应时间会快速增加，网络传输信道就会出现拥塞现象。假如无线传感网络传输信道负载持续提高到固定值时，吞吐量会趋于零，网络会完全崩溃。 2 无线传感网络传输信道拥塞影响情况分析 在计算各个传输信道拥塞情况时，依据传送数据的优先级，对传输信道拥塞状态进行衡量，其衡量标准亦会发生变化。对于优先级较高的传输数据，下一传输信道拥塞状况只对传输信道内部的高优先级队列[QH]目标运用状态进行分析；而对于优先级较低的传输数据，传输信道拥塞状况不但要对低优先级较低的数据进行转换分析，还需对其优先级队列转化为空才可对低优先级队列中的数据进行传送。 对于高优先级的传输数据，传输信道拥塞情况可用下式进行计算： 当在无线传感网络传输信道出现缓存溢出时，会导致大量丢包问题的产生。而出现此类问题的主要原因是大量的数据竞争优先使用传输信道出现数据冲撞所引起的，导致传输信道质量下降及网络时延增加。两者之间的关联如图2所示。3 拥塞控制系统设计 3.1 系统硬件设计 在分析无线传感网络传输信道拥塞控制性能时，将随机早期检测算法RED（Random Early Detection）思想引入其中，并与自适应拥塞控制策略结合，然后通过实验来测试网络传输信道拥塞控制性能。无线传感网络传输信道在收到分组信息后，进行计算获取相应的拥塞程度值，在系统硬件设计中，主要对滑膜变结构控制器及数据驱动控制进行分析。 1） 滑膜变结构控制器 把传输数据合理分配到传输信道中，整合速率控制及信道的接入模式，提出适合无线传感器网络传输信道的跨层滑膜拥塞控制算法，解析传输数据及传输信道链路同时产生拥塞问题时，无线传感网络跨层该如何控制拥塞，以达到更好的拥塞控制效果。对传输数据拥塞及传输信道链路拥塞分别进行准滑膜控制：传输数据拥塞采用主动队列管理方法达到控制拥塞现象的目的；传输信道链路拥塞使用数据输出流量最小化的方法，进行数据包优先传输。所设计的控制器达到了无线传感网络不同层的同时进行拥塞控制的目的，让全部无线传感网络里的数据依据局部的拥塞模式，整理数据传输速率，并一起进行自适应信道分配，采用Lyapunov函数验证算法的有效性。 2） 数据驱动控制 首先将无线传感网络传输信道数学模型转变为一个等价的动态线性化模型，并对线性化模型实行跨层拥塞控制：传输数据包小的优先使用信道，传输数据包大的退避选取其他传输信道；而传输层则使用迭代反馈正定方法。该控制模块可弥补无线传感器网络模型难以获得的一大难点，同时两层互相关联并调整，达到有效控制拥塞现象的目的，增加无线传感网络传输信道性能。分别对传送数据及接收数据间互相独立的现象及存在的影响进行分析。 3.2 软件设计 在软件设计中，控制系统在接收到分组数据包后，依据自身特征，使用传输信道，计算获取拥塞度，其部分软件实现程序如下： Begin Query_get（）； If（breg>=0&&breg; Reply_send（rate_initial）； P_get（rate_initial）； } If（breg>=b1&&breg; P_get（（1?β）*rate_initial）； } If（breg>=b2&&breg; 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 通过上述分析，发现针对当前分组接收数据进行速率的调整，并以此达到缓解当前传输信道拥塞的目的。4 实验结果分析 4.1 实验环境分析 实验采用NS?2仿真平台对提出的控制系统进行仿真实验，仿真参数设置如表1所示。根据实验要求，设置仿真实验将位于无线传感网络传输信道拥塞节点设置为Sink节点。 4.2 实验结果分析 为了验证改进系统在无线传感网络传输信道拥塞智能控制方面的有效性，以传统控制系统为对比，以控制稳定性为指标，进行实验对比分析，实验结果如图3、图4所示。 由图3、图4可知，采用传统系统时，其单向时延抖动明显，实时曲线中有很多毛刺；采用改进系统时，可以发现其噪音消除显著，在传输过程中信道拥塞发生概率较低，毛刺基本消失；同时保证了控制的稳定性，验证了改进方法能够有效缓解信道拥塞现象，对传输过程中存在的附加时延和拥塞可有效进行控制；还去除了与网络拥塞无关的附加时延，使得改进系统可有效地控制网络信道拥塞情况，控制效果更显著。 5 结 论 针对传统控制系统一直存在无线传感网络传输信道拥塞控制效率差的问题，提出并设计了基于双向控制融合的无线传感网络传输信道拥塞智能控制系统。实验结果表明，采用改进控制系统，与传统控制系统进行对比时，其控制稳定性要优于传统控制系统，具有一定的实用性。参考文献 [1] 谭营军，王俊平.基于MEACO的无线传感器网络路由光通信算法研究[J].激光杂志，2016，37（2）：131?133. 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