6LoWPAN 網絡中基于非協作博弈算法的能效擁塞策略*

馮 濤，崔炳德，辛 晨，張煥生

（河北水利電力學院計算機科學與信息工程學院，河北 滄州 061001）

0 引言

隨著物聯網（Internet of Things，IoT）［1］的快速發展，無線傳感網絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）的作用日益突出。WSNs 是由低功耗、具有感知能力的微型節點組成，已在康復醫療、戰場感知和軍事管理等領域內廣泛使用。

因特網工程任務組（Internet Engineering Task Force，IETF）為WSNs 的連接Internet 制定了標準：低功率低損耗網絡路由協議（Routing Protocol for Low Power and Lossy Network，RPL）［2］。作為6LoWPAN 默認的路由協議，RPL 使WSNs 通過RPL 邊界網關獲取Internet 服務，進而使WSNs 與Internet 間呈現雙向通信。

WSNs 中的傳感節點需不斷地向Internet 傳輸數據，進而滿足用戶的需求，如智慧農業、智能交通、智能家居等［3-4］。海量的數據傳輸增加了承擔轉發數據任務中間節點的擁塞。擁塞使數據包傳輸率下降，最終降低系統吞吐量［5-6］。此外，由于擁塞、數據包的重傳，增加了節點的能量消耗，延長了數據包傳輸的時延，因此，需有效地控制擁塞。

信道占用和緩存區的使用是造成網絡擁塞的兩個主要因素。并且信道和緩存區的擁塞導致網絡內大量數據包的丟失，因此，擁塞控制機制需關注緩存區的使用情況和信道的占用問題。

現存的擁塞控制策略可分為兩類：流量控制［5-6］和資源控制［7-8］。文獻［7-8］為成功傳輸一個數據包，在源節點與目的節點間建立非擁塞路徑，該策略屬資源控制。相反，文獻［9］采用了流量控制，其通過源節點自適應地調整數據發送率，進而緩解擁塞。

為此，針對6LoWPAN 提出基于非協作博弈論的能效擁塞控制（Non-cooperative Gaming for Energy-efficient Congestion Control，NGECC） 策略。NGECC 策略利用緩存區信息和信道占用情況優化葉節點的數據發送率，同時，將能耗參數納入葉節點的收益函數，優化節點的傳輸速率，進而控制擁塞，最終提高數據包傳遞率，降低能耗。

1 系統模型

考慮基于6LoWPAN 通信系統，采用IEEE 802.15.4 媒介接入控制（Medium Access Control，MAC）協議。系統內的節點分為3 類：信宿、中間節點或父節點以及葉節點。葉節點以其盡可能大的數據率，通過父節點向信宿傳輸數據包。

圖1 網絡拓撲

1.1 數據包輸出率

圖2 緩存區

1.2 緩存區-損失率

圖3 狀態轉換示意圖

最終，可依式（7）計算緩存區-損失率：

1.3 信道-損失率

依據文獻［10］，信道接入失敗和重傳受限使數據包傳輸失敗。首先，依據式（8）計算信道接入失敗的概率Pch-failure：

式中，Pch-busy表示信道處于忙碌狀態的概率，Pcollision表示數據包遭遇傳輸碰撞的概率，x 表示允許的最大退避的次數［10］，y 表示允許最大重傳的次數［10］。式（9）給出了傳輸數據包遭遇重傳受限而丟失的概率Pretl：

最后，信道-損失率等于Pch-failure與Pcollision的相加，如式（10）所示：

2 NGECC 策略

圖4 NGECC 策略的框架

2.1 博弈論模型

圖5 博弈論的3 個元素

2.2 收益函數

對于博弈論G 中的Nash 等式平衡點［11］，保持Ui的凹性是十分必要的。

考慮3 個成本函數：擁塞函數Ci、能量函數Ei和節點優先級函數Qi。擁塞函數Ci反映了葉節點（玩家）所采取的策略對其父節點ρk的擁塞情況，其定義如式（12）所示：

而能量函數Ei反映了葉節點所選用的數據發送率對父節點能耗的影響，其定義如式（13）所示：

2.3 求解

每個玩家均試圖最大化自己的收益函數，因此，可建立約束的非線性優化問題表達式：

3 性能分析

3.1 仿真環境

引用ContikiOS 3.0［12］操作系統和Cooja［13］仿真器建立仿真平臺。具體的仿真參數如表1 所示。此外，4 個權重系數的值設置為：w1=15、w2=7、w3=0.5、w4=0.9，，Pch-busy=0.05、Pcollision=0.05、Cp=250 kb/s。

表1 仿真參數

此外，選擇同類的算法GTCCF［14］、OHCA［15］和默認策略的RPL 作為參照，并分析它們的吞吐量、數據包傳輸率、能耗以及傳輸時延。

3.2 吞吐量

首先分析父節點和信宿端的吞吐量，如圖6 所示。圖6（a）顯示了4 個父節點的吞吐量。從圖6（a）可知，相比于GTCCF、OHCA 和RPL-default，NGECC算法獲取高的吞吐量。

圖6（b）給出了NGECC、GTCCF、OHCA 和RPLdefault 4 個路由的信宿的吞吐量。從圖6（b）可知，NGECC 路由獲取的吞吐量最大，相比GTCCF、OHCA 和RPL-default，NGECC 路由吞吐量的平均值分別提高了近69.7%、22.2%和159.5%。

圖6 吞吐量

3.3 數據包傳遞率

數據包傳遞率是衡量路由傳輸數據包成功的重要指標，其等于成功傳輸的數據包數與總的傳輸數據包數之比。圖7 顯示了NGECC、GTCCF、OHCA和RPL-default 4 個路由的平均數據包傳遞率。

從圖7 可知，相比于GTCCF、OHCA 和RPLdefault，NGECC 路由獲取最高的數據包傳遞率，其平均數據包傳遞率接近于0.89。而GTCCF、OHCA和RPL-default 路由的平均數據包傳遞率分別約0.64、0.82、0.42。

圖7 數據包傳遞率

3.4 能耗

本次實驗分析傳輸單個數據包所消耗的能量，其定義如式（20）所示：

圖8 傳輸單個數據包所消耗的平均能量

圖8 顯示了NGECC、GTCCF、OHCA 和RPLdefault 4 個路由的傳輸單個數據包所消耗的能量（簡稱單數據包能耗）。從圖8 可知，NGECC 路由傳輸單個數據包所消耗的能量最小，約8.6 m J/packet。而GTCCF、OHCA 和RPL-default 路由傳輸單個數據包所消耗的能量分別為19.1 m J/packet、11.6 m J/packet 和29.1 mJ/packet。

3.5 傳輸時延

最后，分析NGECC 路由的數據包傳輸時延，其等于60 s 時間間隔與向信宿成功傳輸的數據包數之比，如圖9 所示。

圖9 傳輸時延

從圖9 可知，NGECC 路由的傳輸時延最低，約14.6 ms，分別比GTCCF、OHCA、RPL-default 路由的傳輸時延下降約42.4%和20.6%、61.5%。GTCCF、OHCA、RPL-default 路由平均傳輸時延分別約25.3 ms、18.4 ms、37.9 ms。

4 結論

本文提出NGECC 策略控制6LoWPAN 的流量控制，進而最大化傳感節點的發送速率。NGECC 策略利用博弈論優化葉節點的發送速率，進而降低父節點端發生擁塞的概率。通過信道占用和緩存區的使用狀況信息構建博弈論目標函數，進而建立每個葉節點的收益函數。仿真結果表明，提出的NGECC 策略提高了數據包傳遞率和吞吐量，并減少了能耗。