主动队列管理下大时滞网络路径拥塞控制算法

刘国芳，张 炜

(四川大学锦江学院，四川眉山 620860)

1 引言

无线通道交换网络是设定在监测区域中的一些小型路由节点，通过无线通信的方式衍生出的具有多跳性、自组织性的网络系统[1]。大时滞条件下，无线通道交换网络的计算、储存以及网络能量供应过程都会存在一定延时[2]。无线通道交换网络里一个或多个路由节点吞吐量饱满后，难以同其它节点实现即时通信，便会使网络路径堵塞，造成网络服务延迟，减少无线通道交换网络的使用性能[3]。因此，大时滞下无线通道交换网络路径拥塞是无线通道交换网络的核心研究方向。为此，提出一种主动队列管理下大时滞网络路径拥塞控制算法，以期可以优化无线通道交换网络路径、缩短传输时延。

2 无线通道交换网络路径优化选取方法

2.1 相邻路由节点网络路径拥塞情况预测

大时滞网络路径拥塞时，无线通道交换网络路由节点能量消耗与拥塞状态成正比。因此，通过对路由节点能量消耗的预测可以直接预测网络路径拥塞情况。无线通道交换网络路由节点能量消耗状态如图1所示。

图1 无线信道交换网络节点的能耗情况

伴随集成电路工艺的快速发展，无线通道交换网络中传感器模块与处理器的功耗逐渐变小[4]。由图1能够看出，大量的无线通道交换网络能耗均消耗于无线通信模块中，但无线通信模块具有发送、接收、空闲以及睡眠四类情况。图1中，无线通道交换网络在发送时消耗能量最高；空闲与接收时能耗类似，但小于发送时的能量耗损，睡眠时的能耗最小。所以解决无线通道交换网络路径拥塞可以通过路由节点工作的变换，让路由节点在无线通道交换网络高效运行时快速由睡眠状态变为发送接收状态，高效应用无线通道交换网络路径[5]。

主动队列管理是通过网络中间节点分组丢弃减少无线通道交换网络中路由节点的缓存，以实现缩短传输时延和较高的吞吐量。若掌握自身全部相邻路由节点的剩余可使用队列，继而可以在符合查询和传输条件的近邻节点里，先选择剩余队列较多的路由节点作为下一条节点，路由节点选择即为网络路径选取[6]。

为实现对相邻路由节点网络路径拥塞情况的有效控制，本文在分析路由节点状态与对相邻路由节点的剩余队列的基础上，获取无线通道交换网络路由节点中相邻路由节点的剩余队列数据。该数据是无线通道交换网络路径选取的核心标准，能够有效平衡无线通道交换网络路径吞吐量负载。

在预测机制里，使用马尔可夫链对无线通道交换网络路由节点实行分析，路由节点在差异化工作模式中对应的马尔科夫链也存在差异化状态：若一个路由节点存在N种工作模式，那么能够使用马尔可夫的N种状态实行分析。在此类模型中，无线通道交换网络各个路由节点均存在一系列随机数Y0；Y1；Y2；…，此类随机数依次描述路由节点各个数据吞吐处理时间步长(time-step)各自的状态。无线通道交换网络各个time-step中路由节点仅存在一种状态。若Y0=j，则第m个time-step属于状态j。此外，若路由节点某数据吞吐处理时间步长的状态是j，则路由节点后续数据吞吐处理时间步长会在固定概率qij的约束下，将自身的状态变成i。则采用式(1)描述路由节点状态转移概率

qij=q{Yn+1=i|Yn=j}

(1)

(2)

各个无线通道交换网络路由节点队列消耗率参数是

(3)

其中，ΔB描述后续A个time-step中平均各个time-step的节点队列消耗。经过相邻路由节点ΔB的计算，便能够预测出无线通道交换网络路由节点中相邻路由节点在后续A时间中所消耗的队列信息，最终获取相邻路由节点的剩余队列[8]。

2.2 改进WSN蚁群路由选取算法

无线通道交换网络路径的路由选取时，需要充分分析无线通道交换网络路由节点的队列有限性[9]。针对这个特征，本文在上小节分析的无线通道交换网络队列消耗和工作状态后，顾及到后续节点队列参数和实际工作中的传输速度等情况，采用改进WSN蚁群路由选取算法，优化节点队列、传输速度等方面，获取最佳无线通道交换网络路由队列，同时在蚁群进行路由队列的自动寻优时，会存在队列感知意识，大大增强了网络队列路由的动态优化选取性能[10]。

2.2.1路径概率选择

基于路径探索的角度分析，必须融合概率访问附近节点：在路径寻优这个角度出发，为了克服进入局部最优解，在访问无线通道交换网络节点中，若只凭借概率而获取的最优解并不是都是正确的。则考虑传输方向参数，获取改进转移概率为

(4)

2.2.2本地分组丢弃函数

蚂蚁在无线通道交换网络传感器路由节点j转移至相邻路由节点i的期望水平用分组丢弃函数dij描述。无线通道交换网络不仅需要分析路由距离因素，也需要分析节点、相邻路由节点剩余队列等有关数据[11]。所以，本文采用的分组丢弃函数是：

(5)

2.2.3吞吐量信息素更新

蚂蚁选取下一个节点时，在走过的路径上会释放吞吐量信息素，进而变成引导后续蚂蚁的吞吐量信息素浓度。则吞吐量信息素更新公式是

cij(a+1)=cij(a)+Δcij

(6)

(7)

式中，cij(a)与Δcij分别描述前一时刻吞吐量信息素浓度与当下吞吐量信息素浓度；Hs表示蚂蚁在源节点至目的节点走过的路径长；θ表示全局设定常量；Bs-min、Bs-avg依次描述蚂蚁走过路径节点的最小队列以及平均队列。

2.2.4优化选取实现

结合上述路径拥塞情况预测和改进WSN的蚁群路由选取过程，实现路径优化选取，详细的实现流程如下：

第一步：初始化。将蚂蚁路径、访问标志恢复到原始状态；在源节点处放n只蚂蚁，并设定成已访问，其是路线的第一个节点，其它每个节点的初始值都是常数，存在一样的吞吐量信息素；信息素增量值是0；

第二步：设定到达目的节点的蚂蚁数是0；

第三步：蚂蚁数s的值是0；

第四步：经过运算获取路由节点间距；

第五步：运算路径转移概率，判定路由节点i，将蚂蚁s转移到i，并设定这个路由节点属于已访问；

第六步：采用式(5)分析是否存在路由节点队列耗尽，若存在便直接跳转到步骤八；

第七步：s′=s+1，将此值和n值相比，小于n跳至第五步；

第八步：运算蚂蚁所走过的路径总长度，对比获取最短路径；

第九步：若经过运算后，若不存在路由节点耗尽队列的情况，那么按照式(6)、式(7)实行吞吐量信息素的全局更新后跳转至第二步，反之停止。

第十步：若上述循环停止，最后输出最佳路由选取结果。

基于上述可知，改进WSN蚁群路由选取算法可在增加无线通道交换网络应用吞吐量的同时，将传输时延最小化，该算法通过路径概率选取、分组丢弃函数、更新吞吐量信息素方面，从传输距离、节点队列以及传输方向三个方面，优化网络路径选取过程，得到缩短无线通道交换网络传输时延的方法。

3 实验分析

为了评估主动队列管理下大时滞网络路径拥塞控制算法的实际应用效果，建立大时滞无线通道交换网络的模拟环境展开实验验证。顾及到实验的复杂性，将蚂蚁总数设成60只，则路由节点数量为60；无线通道交换网络路由节点每次传输的数据包大小一样，各个节点的初始队列是200。网络环境配置参数如表1所示。

表1 网络环境配置参数

为避免实验结果的单一性，采用本文算法、基于链路容量的多路径拥塞控制算法、基于功率分配的网络拥塞控制算法进行对比。对比指标为：无线通道交换网络队列消耗总量、死亡节点数、网络丢包率、传输时延。

3.1 无线通道交换网络队列消耗总量

无线通道交换网络队列消耗总量通过节点队列体现。节点队列越多，能力消耗越大。设置实验无线通道交换网络存在60个节点，各个节点的初始队列是200，则全网队列总值是12000。图2为三种算法的队列消耗对比结果。

图2 三种算法的能耗对比

分析图2数据可知，本文算法在3000轮时的能耗仅为60kJ，其能耗曲线始终位于另外两种算法能耗曲线之下，证明本文算法的节点队列消耗更低，说明保证其在选取网路路径路由时有效增大无线通道交换网络的吞吐量。

3.2 死亡节点数

路由节点平均队列消耗和死亡节点数不存在必然的关系，死亡节点数并不会随着路由节点队列增大而增大。假定只有少量路由节点消耗队列，剩余节点没有消耗或者基本未曾消耗队列，此类状况下死亡节点数较小，而不能忽略的是很有可能死亡节点都在关键路由上，便会导致全部网络出现崩溃，相应的网络传输时延也会增多。假定无线通道交换网络中是多数节点一起消耗节点队列，便属于平均消耗，即使无线通道交换网络中会存在大量死亡节点，但也不会发生节点全部失效的情况，网络崩溃的概率也较小，便可缩短网络传输时间。图3为三种算法的死亡节点数对比结果。

图3 三种算法的死亡节点数对比

分析图3数据可知，本文算法在第3000轮迭代时，死亡节点数量最高，但也处于20个以下；相比之下，基于链路容量和基于功率分配的拥塞控制算法的死亡节点数量均较高。由此可知，本文算法的节点死亡效率最慢，能够达到预期效果。

3.3 网络丢包率

设定不同长度数据包，测试应用三种算法后的无线通道交换网络的网络丢包率，对比结果如图4所示。

图4 三种算法的无线信道交换网络丢包率对比

分析图4可知，在不同长度数据包的设定下，应用本文算法后的无线通道交换网络丢包率最大值为4.43%；而应用基于链路容量的多路径拥塞控制算法和基于功率分配的网络拥塞控制算法后的无线通道交换网络丢包率均大于本文算法。由此可说明本文算法在选取无线通道交换网络路径时，能够有效保护数据安全性，对数据包不存在较大的损耗，也可保证了传输吞吐量。

3.4 传输时延

图5为不同长度数据包的设定下，使用三种算法时无线通道交换网络的传输时延对比结果。

图5 三种算法的无线信道交换网络传输时延

分析图5可知，当数据包长度值较小，三种算法的性能差异度较小；当数据包长度增大至120字节时，使用本文算法时无线通道交换网络的传输时延仅有29ms；使用基于链路容量的算法时无线通道交换网络的传输时延为94ms；而使用基于功率分配的算法时，传输时延最大，其延迟接近150ms。由此可知，在不同数据包长度值的前提下，使用本文算法时无线通道交换网络的传输时延最小，这是因为本文算法能够有效选取最佳网络路径，可以保持较小的传输时延。

4 结束语

为了缓解大时滞下无线通道交换网络路径的拥塞情况，本文设计了基于主动队列管理算法的大时滞网络路径拥塞控制算法。考虑到无线通道交换网络中间节点队列少，引入主动队列管理算法，使用相邻路由节点剩余队列预测分析无线通道交换网络路由节点的队列消耗和工作状态；在此基础上，为了获取最佳网络路径，考虑后续节点队列参数和实际工作中的最佳传输距离以及传输方向等情况，则采用改进 WSN 蚁群路由选取算法进行路径概率选取、分组丢弃函数、更新吞吐量信息素三方面优化，从传输距离、节点队列以及传输方向三个方面，优化网络路径队列选取过程，确保在增多无线通道交换网络应用吞吐量的同时，将传输时延最小化，最终获取最佳网络路径。经验证得到，本文算法有效解决了无线通道交换网络存在的传输时延长能耗大等问题，具有较高的实际应用意义。