導(dǎo)語：物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)數(shù)據(jù)延遲保護傳輸策略一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：物聯(lián)網(wǎng)中部署在不同監(jiān)控區(qū)域的傳感器傳遞監(jiān)控數(shù)據(jù)到融合中心，所有鏈路試圖通過不公平地獲取信道訪問來增加它們的傳輸機會．但是，單條鏈路的自私行為將會加劇鏈路之間的傳輸沖突，這使得對延遲敏感的實時數(shù)據(jù)吞吐量惡化，嚴重影響數(shù)據(jù)融合的性能．為了保障融合數(shù)據(jù)實時可靠地傳輸，提出了一種基于博弈論的分布式調(diào)度策略NCG－CSMA．在參與者不需要彼此進行信息交互的前提下，以分布式的方式引導(dǎo)每個參與者做出理性決策，為帶有嚴格時延約束的異構(gòu)融合數(shù)據(jù)提供傳輸服務(wù)，同時保障對數(shù)據(jù)融合價值大的數(shù)據(jù)包的傳輸，保障數(shù)據(jù)融合的性能．實驗結(jié)果表明：提出的策略與其它現(xiàn)有的策略相比具有更好的實時性能．

關(guān)鍵詞：分布式；博弈論；時延；融合價值；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)融合

1引言

部署在物聯(lián)網(wǎng)中的各類傳感器，如攝像頭、移動設(shè)備、可穿戴設(shè)備甚至是互聯(lián)網(wǎng)和人等，收集、生成并保存來自不同事物的具有不同規(guī)模形式的多樣性數(shù)據(jù)，為物聯(lián)網(wǎng)提供了測量和理解環(huán)境變化的能力［1］．為了得到更加精確、可靠的估計和決策，帶有不同時間特征和相關(guān)性特征的數(shù)據(jù)由傳感器采樣并傳送到融合中心進行融合處理［2］．傳感器在沒有任何協(xié)調(diào)的情況下存在傳輸沖突．由于博弈論在基于競爭環(huán)境中強大的建模、分析和優(yōu)化共享資源能力，被廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域［3－5］．然而目前基于博弈論的調(diào)度方案主要關(guān)注吞吐量性能，實時性能沒有得到很好的解決．為滿足具有不同QoS的傳感數(shù)據(jù)的實時可靠傳輸，本文提出了一種基于非合作博弈的分布式調(diào)度方案．參與博弈的節(jié)點只有自己的剩余生存時間信息和數(shù)據(jù)相關(guān)性信息，各節(jié)點之間不需要彼此進行信息交互．只需要根據(jù)自己的特征做出決策．為了協(xié)調(diào)節(jié)點的自私行為，使其進行理性合作，并給予時間緊急度更高以及對數(shù)據(jù)融合更有價值的數(shù)據(jù)包的傳輸機會，本文將傳輸成本建模為剩余生存時間和數(shù)據(jù)相關(guān)性函數(shù)，信道接入概率由傳輸成本決定．為了最大化自身利益，各節(jié)點根據(jù)自身剩余生存時間和數(shù)據(jù)相關(guān)性彼此合作，做出最優(yōu)響應(yīng)，從而最大化整體的收益，保障數(shù)據(jù)融合性能．

2系統(tǒng)模型

本文考慮單跳網(wǎng)絡(luò)，等待融合的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式通過一跳傳送到融合中心．網(wǎng)絡(luò)建模為一個有向圖G（ν，ε），其中ν表示傳感器的集合，ε表示傳輸鏈路的集合．ε包含實時鏈路和非實時鏈路，分別負責傳輸實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)．傳感器節(jié)點根據(jù)產(chǎn)生的融合數(shù)據(jù)是否具有時延約束以及融合的目的地不同可以維護多條鏈路，但是每條鏈路只維護一條單獨的隊列．為了方便問題闡述，不對隊列和鏈路的概念作區(qū)分，都用Li表示，其中i∈ε．由于一組傳感器節(jié)點維護多條鏈路并且存在彼此靠近的鏈路，因此，存在傳輸干擾．用C（i）來表示鏈路Li的干擾集．對于鏈路Li來說，當其干擾集中的鏈路屬于活動狀態(tài)時，鏈路不能處于活動狀態(tài)．用Pij表示第i條鏈路中的第j個數(shù)據(jù)包．傳感器為每一個實時數(shù)據(jù)包隨機分配一個延遲閾值Tdij，數(shù)據(jù)包超期將會被丟棄．鏈路Li的數(shù)據(jù)包的丟棄量被定義為Di（t）．為了保證非實時數(shù)據(jù)包的信道競爭力，為非實時數(shù)據(jù)包設(shè)置一個默認的延遲閾值Tdij，當數(shù)據(jù)傳輸延遲到達該默認值時，不對數(shù)據(jù)包作丟棄處理．在每個時隙t的開始，數(shù)據(jù)包隨機到達并且被放入不同鏈路的單獨隊列中等待傳輸．隊列Li在時隙t的數(shù)據(jù)包到達量用Ai（t）表示，Si（t）表示鏈路i的服務(wù)量，當Si（t）為1時表示鏈路Li在當前的時隙被調(diào)度并且成功傳輸．數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包的到達率λ服從伯努利分布．對于目標跟蹤等常見業(yè)務(wù)中，數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)的突然變化對融合決策的結(jié)果有很大影響，這在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合中是不容忽視的．不同數(shù)據(jù)包的突變頻率不同，因此，數(shù)據(jù)包所攜帶的價值也不一樣．XPij表示數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)的變化頻率，XPij越小，數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)變化頻率越小，數(shù)據(jù)相關(guān)性越大，數(shù)據(jù)越容易被預(yù)測，因此，該數(shù)據(jù)包對數(shù)據(jù)融合的價值較小．用Vij表示第i條鏈路中的第j個數(shù)據(jù)包價值的衡量參數(shù)．本文假傳送到融合中心的數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)為傳感器接收到的數(shù)據(jù)與指定閾值比較的本地決策．如果傳感器收集到的數(shù)據(jù)大于該閾值，則判為1；否則，判為0．數(shù)據(jù)包中的二進制決策表示為Pij＝｛b1，b2，b3，…，bn｝，bn為數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)的判決值．數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)的相關(guān)性XPij如公式（2）所示，它是每個數(shù)據(jù)包內(nèi)相鄰數(shù)據(jù)決策值做異或累加的結(jié)果，數(shù)據(jù)包的價值Vij如公式（3）所示，它是數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)相關(guān)性與異或次數(shù)之比．

3非合作博弈

3．1博弈定義

在物聯(lián)網(wǎng)融合數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，每條隊列都爭相向融合中心傳輸數(shù)據(jù)包．隊列的收益不僅僅依賴于本隊列的行為，還依賴于那些對本隊列存在傳輸干擾的隊列的行為．并且，在分布式的環(huán)境中，每個隊列只有自己的本隊列的信息，如數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)的相關(guān)性以及剩余生存時間．如果隊列的干擾集中的隊列在當前時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，則隊列在本時隙保持沉默．我們將這種隨機接入的情景建模為靜態(tài)的非合作博弈，博弈論模型定義如下：參與者P：博弈論的參加者為上節(jié)所述的參與融合數(shù)據(jù)傳輸?shù)膇條鏈路，其中i∈ε．行動A：參與者i可采取的行為滿足αi∈｛silent，announce｝．類型T：類型Typei包括鏈路i的隊首（HoL）數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)包價值Vi1和剩余生存時間Ti1（t），為了方便闡述，后面將統(tǒng)一表示為Vi和Ti（t）．策略β：參與者i的傳輸概率βi是類型Typei的函數(shù)，βi在［0，1］范圍內(nèi)取值．收益U：收益ui＝Ui（Ti（t），Vi）－Ci（Ti（t），Vi）由參與者的類型決定．其中，Ui為效用函數(shù)，C（i）為傳輸成本．文獻［6］中已經(jīng)證明，隊列i的傳輸概率βi是競爭窗口CW的映射，在傳輸隊列通信量飽和的情況下，CWi與傳輸策略的映射關(guān)系為：CW（）i＝21＋βi（4）每個自私的參與者都希望獲得最大的收益：Maxuiβi，β－（）i，i∈ε（5）在本文中，傳輸成本建模為剩余生存時間和數(shù)據(jù)包價值的函數(shù)．在計算傳輸成本時，考慮鏈路的歷史狀態(tài)［7］，為了避免鏈路長期處于餓死狀態(tài)，對過去未被調(diào)度的鏈路收取較低的傳輸成本，增加其在當前時刻的傳輸機會．本文考慮隊列的歷史延遲遺漏率MKi（t）和歷史價值遺漏率VKi（t）．歷史延遲遺漏率MKi（t）是當前時隙t中，隊列Li最后的K個數(shù)據(jù)包因為截止時間到期而丟棄的數(shù)據(jù)包的比例．定義如下：pi（t）的引入使數(shù)據(jù)包的傳輸成本隨著數(shù)據(jù)包傳輸優(yōu)先級的提高而下降，即對時間緊急并且數(shù)據(jù)融合價值大的數(shù)據(jù)包收取更少的傳輸成本，來為其爭取更大的傳輸機會．此外對上述參數(shù)進行如下定義。

3．2納什均衡策略分析

靜態(tài)策略的形式化定義如下：定義1：參與者i的靜態(tài)策略是從類型T到策略β的映射．對系統(tǒng)而言，靜態(tài)策略是從n維向量T＝（Type1，Type2，…，Typen）到β＝（β1，β2，…，βn）的映射．其中β的第i個元素是當參與者i的HoL數(shù)據(jù)包類型為Typei時的傳輸概率．定義2：參與者i的最佳響應(yīng)定義為β＊i∈argmaxβi∈βUi（βi（Ti（t），Vi））－Ci（βi（Ti（t），Vi［））］，它是i的所有可能的策略中能夠使ui最大化的策略．定義3：如果策略β＊＝（β1＊，β2＊，…，βn＊）是納示時隙t開始時鏈路隊列的積壓量，即隊列長度，其中Qi（0）＝0，Qi（t）≥0．Qit（＋1）＝Qi（）t－什均衡，那么它滿足：任意參與者所選策略都是對其余參與者所選策略的最佳響應(yīng)．當各參與者到達納什均衡時，沒有任何參與者可以通過單方面改變自身策略來提高收益，即滿足如下不等式：E［Ui（β＊i）－Ci（β＊i）］≥E［Ui（βi）－Ci（βi）］（15）參與者為了獲取更多的收益，都會傾向選擇最佳響應(yīng)β＊i，從而最大化其收益ui．下面分析納什均衡的存在性與唯一性．證明1：先前的研究中已經(jīng)證明，如果滿足如下兩個條件，納什均衡（NE）存在：（1）β是歐氏空間的一個非空子集．（2）ui是βi的連續(xù)凹函數(shù)

3．3調(diào)度算法設(shè)計

考慮到帶有延遲約束的場景的通信量通常不滿足飽和條件，本文中的最大競爭窗口CWmax采用如下表達式獲得［8］：在本文中，將每個時隙劃分為傳輸子時隙和控制子時隙，將控制子時隙進一步劃分為控制微時隙．當參與者的類型確定以后，提出的NCG－CSMA算法將根據(jù)參與者的最佳響應(yīng)找到最佳的可調(diào)度集合．NCG－CSMA算法包括三部分．第一部分是數(shù)據(jù)包排隊．通過最大貪婪算法將鏈路i的數(shù)據(jù)包根據(jù)pij值的大小降序排隊，排在隊首的數(shù)據(jù)包是在當前時刻pij值最大的數(shù)據(jù)包．第二部分是鏈路接入博弈．鏈路HoL數(shù)據(jù)包根據(jù)該鏈路在當前博弈中取得的最佳響應(yīng)β＊i更新其鏈路接入概率并調(diào)整該鏈路的競爭窗口CWi大小．第三部分為鏈路監(jiān)聽多路訪問．在控制子時隙開始，如果在前CWi個子時隙之前鏈路i沒有監(jiān)聽到它的干擾集C（i）中有隊列發(fā)出INTENT消息，則鏈路將在第CWi＋1個子時隙發(fā)送INTENT消息，否則，該鏈路保持沉默．如果該鏈路在第CWi＋1個控制子時隙前沒有發(fā)生傳輸沖突，則被選入調(diào)度集合，并將HoL數(shù)據(jù)包傳輸?shù)饺诤现行?，否則，該鏈路保持沉默．最終得到最大可行調(diào)度集合．NCG－CSMA算法的思想是通過非合作博弈為時間緊急度高、對數(shù)據(jù)融合價值大的HoL數(shù)據(jù)包提供更大的傳輸機會，即分配更小的競爭窗口．并且，為了避免多個具有相同pij值的HoL數(shù)據(jù)包在同一時刻發(fā)送INTENT消息導(dǎo)致沖突，競爭窗口在指定區(qū)間內(nèi)取隨機值．

4實驗分析

4．1仿真設(shè)置

本文使用matlab模擬了具有干擾約束的物聯(lián)網(wǎng)融合數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度的場景．該場景包含6條傳輸鏈路，其中鏈路1，2，3為實時鏈路，鏈路4，5，6為非實時鏈路．每條鏈路的干擾集合定義如下：C（3）＝｛l1，l4｝，C（4）＝｛l1，l2，l3，l5，l6｝，C（5）＝｛l1，l2，l4｝，C（6）＝｛l1，l4｝．其中鏈路1、鏈路4與其它所有鏈路都產(chǎn)生干擾．本文假設(shè)數(shù)據(jù)包到達率λ服從伯努利分布．控制微時隙數(shù)目為48．實時數(shù)據(jù)包生存期在［5，30］范圍內(nèi)隨機取值，非實時數(shù)據(jù)包的虛擬生存期設(shè)為30．此外，A＝1，C＝2，δ＝0．9，ω1＝0．7，ω2＝0．3．參與對比的實驗為Q－CSMA、DMS、DRA．

4．2性能分析

圖1到圖3顯示了在不同的網(wǎng)絡(luò)負載下，不同調(diào)度策略下的吞吐量性能．從圖中可以看出，Q－CS－MA策略下的吞吐量性能很差．這是因為，盡管研究表明，Q－CSMA策略能實現(xiàn)良好的吞吐量性能，但是忽略了鏈路的實時性，導(dǎo)致大量實時數(shù)據(jù)包由于截止時間到期而被丟棄，這使得實時鏈路的吞吐量變得很差，并且進一步惡化了系統(tǒng)的總吞吐量．數(shù)據(jù)包到達率在［0，0．2］范圍內(nèi)時，DMS、DRA與NCG－CSMA策略在吞吐量方面的性能基本一致．但是隨著數(shù)據(jù)包到達率的增加，系統(tǒng)的通信量密度增大，NCG－CSMA的吞吐量優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來，尤其是在實時鏈路中．從圖2可以看出，NCG－CSMA策略的吞吐量明顯高于其它三種策略．這是因為本文提出的NCG－CSMA策略在形成調(diào)度集合時考慮了數(shù)據(jù)包的時間屬性，那些時間緊急的數(shù)據(jù)包擁有更多的傳輸機會．然而，實時吞吐量的增加是以犧牲非實時鏈路的吞吐量為代價的．盡管本文所提出的策略在實時性方面具有良好的性能，但是從圖3可以看出，本文所提出的策略的非實時鏈路的吞吐量與其它三種策略相比較差．但是，本文提出的策略旨在系統(tǒng)層面優(yōu)化性能，數(shù)據(jù)融合對實時數(shù)據(jù)包的延遲非常敏感，因此，為了保證這些數(shù)據(jù)有效傳輸，本文認為，適當?shù)貭奚菍崟r數(shù)據(jù)包的吞吐量是有價值的．圖1總吞吐量圖4顯示了四種策略在不同的數(shù)據(jù)包到達率下的延遲丟失率．從圖中可以看出，隨著數(shù)據(jù)包到達率的增圖2實時吞吐量圖3非實時吞吐量加，數(shù)據(jù)包因截止時間到期而丟棄的比率也在增加．但是本文所提出的NCG－CSMA策略的延遲丟失率最低，能夠有效保障數(shù)據(jù)融合的實時性能．圖5顯示了四種策略下，鏈路1與鏈路3的延遲丟失率．從圖中可以看出，無論是本文所提出的NCG－CSMA策略還是其它三種策略，鏈路3的延遲丟失率都要低于鏈路1．這是因為鏈路1與鏈路3干擾鏈路數(shù)目不同．鏈路1的干擾鏈路有5條，而鏈路3的干擾鏈路只有2條，因此，鏈路3將會獲得比鏈路1更多的傳輸機會，因而，鏈路3的實時性要好于鏈路1．即便如此，NCG－CSMA與其他三種策略相比鏈路1的實時性依然是最好的．這是因為NCG－CSMA策略下的鏈路行為不是自私的，各鏈路之間存在合作行為，為保障鏈路1的傳輸，其它鏈路犧牲了部分傳輸機會．圖6為實時鏈路的數(shù)據(jù)價值丟失率．由圖可以看出，在數(shù)據(jù)包到達率較低的情況下，DMS、DRA以及NCG－CSMA策略下的數(shù)據(jù)價值丟失率都很低，接近于0．隨著數(shù)據(jù)包到達率的增加，DMS、DRA的價值丟失率開始增加，在數(shù)據(jù)包到達率為0．8時，DMS的價值丟失率達到18％，DRA的價值丟失率達到22％，而本文所提出的NCG－CSMA策略下的價值丟失率僅為8％．這是因為，本文在設(shè)計NCG－CSMA策略時不僅考慮了數(shù)據(jù)包的時間屬性，還考慮了數(shù)據(jù)包的價值屬性，這對數(shù)據(jù)融合來說不可忽視．因為從數(shù)據(jù)融合性能的角度來看，那些數(shù)據(jù)有顯著地起伏變化的數(shù)據(jù)包攜帶的信息更為重要，也更為數(shù)據(jù)融合所需要．因此，在系統(tǒng)的通信量過大不可避免的要導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟棄的情況下，應(yīng)該首先保障那些對數(shù)據(jù)融合更有價值的數(shù)據(jù)包的傳輸．從圖6可以看出，NCG－CSMA策略的價值丟失率最低，能夠很好的保障對數(shù)據(jù)融合更有價值的數(shù)據(jù)包的傳輸．圖6實時鏈路價值丟失率。

5結(jié)束語

本文從通信角度，針對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合傳輸過程中鏈路之間的自私行為導(dǎo)致的吞吐量惡化、實時性差的問題，基于非合作博弈提出NCG－CSMA調(diào)度策略，在各參與者不需要進行信息交互的情況下，為了協(xié)調(diào)鏈路之間的自私行為，將傳輸成本建模為時間和數(shù)據(jù)包價值的函數(shù)，對時間緊急度高并且融合價值大的數(shù)據(jù)包索取更少的傳輸成本，為其提供更多的傳輸機會．實驗結(jié)果表明，本文所提出的NCG－CSMA策略與其他策略相比具有較好的實時性能，并且能夠較好地保證對數(shù)據(jù)融合價值大的數(shù)據(jù)包的傳輸．

作者：徐九韻 孫姍 單位：中國石油大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 中國石油大學(xué)海洋與空間信息學(xué)院