連和謬
(閩南理工學(xué)院,福建 石獅 362700)
無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是采用無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò),無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)承載著大量的數(shù)據(jù)信息,需要對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組,構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型,降低無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)穆窂介_銷,提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力.研究無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,對(duì)提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力方面具有重要意義[1],相關(guān)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究受到人們的極大關(guān)注.對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建立在網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化組網(wǎng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,采用構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)淠P停軐?shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸,當(dāng)前,對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M方法主要有最短路徑方法[2],該方法對(duì)大規(guī)模的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重組的開銷較大,自適應(yīng)性不好.對(duì)此,提出基于改進(jìn)蟻群算法的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M方法.構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型,采用4元組模型構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的線性結(jié)構(gòu)分解采用改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M,實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布式優(yōu)化設(shè)計(jì),提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能.最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析,得出有效性結(jié)論.
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M設(shè)計(jì),首先采用四元組模型構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型,通過(guò)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸鏈路結(jié)構(gòu)重組,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)優(yōu)化部署,構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的信息組合模型,采用最短路徑尋優(yōu)方法[3],進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),假設(shè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)的初始位置為Z,節(jié)點(diǎn)的鏈路開銷采用4元組表示為:{S1,S2,…,SL},無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用無(wú)向圖G=(V,E)設(shè)計(jì),用dG(u,v)表示無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖G中從u到v的歐式距離,輸出層初始權(quán)值為Rz,以輸出層初始權(quán)值為鏈路通信的帶寬進(jìn)行自適應(yīng)尋優(yōu),結(jié)合模糊特征提取方法進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)分簇節(jié)點(diǎn)傳輸控制,簇頭節(jié)點(diǎn)v=head(e)表示整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路e的頭,設(shè)計(jì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)向圖G=(V,E,W),用dG(u,v)表示無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG中從u到v最小跳數(shù),在連通圖區(qū)域內(nèi),構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G,V表示無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)集,V2表示任意兩點(diǎn)邊集,得到無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的在重組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的信息覆蓋集Si(i=1,2,…,L)滿足以下條件:
Si∩Sj=φ,?i≠j.
(1)
(2)
上式中,MIS為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在信息覆蓋區(qū)域S產(chǎn)生的路徑開銷,在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)最優(yōu)選擇設(shè)計(jì),根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)的吞吐量,得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)傳送數(shù)據(jù)的消耗能量為:
(3)
假設(shè)傳輸路徑中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑開銷具有確定性,在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,若vi是vj的子節(jié)點(diǎn),利用圖1所示的線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布式部署設(shè)計(jì),得到節(jié)點(diǎn)vi到sink的最大跳數(shù)hop_count_max(vi,v0).
在圖1所示的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型中,假設(shè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挒棣?γ,在sink周圍節(jié)點(diǎn),可靠鄰居協(xié)作的控制模型滿足:
(4)
采用4元組模型構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的線性結(jié)構(gòu)分解,Sink收集的能量記為:
(5)
將無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)間T等分為N+1個(gè)時(shí)間段,基于歷史數(shù)據(jù)和可靠鄰居節(jié)點(diǎn)部署的方法,進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4].
構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署模型,建立時(shí)空協(xié)作評(píng)估模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的融合聚類處理[5],得到節(jié)點(diǎn)的聚合模型如圖2所示.
圖1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布的線性結(jié)構(gòu)圖2 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的聚合模型
令無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)鏈路模型中的輸出功率損失為pi,pk和pk+1,對(duì)應(yīng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸速率分別表述為ri,rk和rk+1,構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路的優(yōu)化控制模型,采用自適應(yīng)鏈路尋優(yōu)方法,進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)渲亟M,得到信道結(jié)構(gòu)關(guān)系:
(6)
(7)
(8)
根據(jù)差量閾值進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組,假設(shè)N個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在預(yù)定監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輸出的離散頻譜為:
R1(k)=R2(k)exp(-jω0Tp/2),k=0,1,…,(N-3)/2.
(9)
R2(k)=Akexp(jφk),k=0,1,…,(N-3)/2.
(10)
當(dāng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)中的發(fā)射功率趨于恒定值,節(jié)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)與可靠鄰居數(shù)據(jù)的協(xié)作量減少,節(jié)點(diǎn)間的邊集為:
(11)
構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)混合匯聚節(jié)點(diǎn)離散控制模型,當(dāng)均衡調(diào)度因子mj小于1,提取無(wú)線網(wǎng)絡(luò)混合匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的空間波譜,得到數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸?shù)母怕拭芏群瘮?shù)為:
(12)
根據(jù)提取的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸混合匯聚節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)特征量,采用頻譜波束形成方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的增益控制,實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署和拓?fù)渲亟M,提高網(wǎng)絡(luò)輸出的穩(wěn)定性[6].
在上述采用4元組模型構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M設(shè)計(jì)提取無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的關(guān)聯(lián)特征量,采用頻譜特征分解方法進(jìn)行線性結(jié)構(gòu)重組,由于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)Va與Ca相互獨(dú)立,計(jì)算Source節(jié)點(diǎn)的傳輸比特率,采用空間網(wǎng)格劃分方法[7],得到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)延Ta和均值ta:
(13)
(14)
(15)
采用頻譜特征分解方法,得到無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的空間分配模型為:
(16)
(17)
構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾x散特征分布序列為x,采用無(wú)線擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募訖?quán)融合,得到輸出信息融合結(jié)果為:
(18)
在閉環(huán)區(qū)域中計(jì)算描述無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)特征量[8],得到無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組的最優(yōu)迭代函數(shù)為:
(19)
采用頻譜相關(guān)性檢測(cè)方法,得到無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)混合鏈路開銷:
(20)
采用分組檢測(cè)方法,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)傳輸和穩(wěn)定性控制,得到信道的輸出容量向量為y=[y1,y2,…,yN]T,定義 State(vi) 表示節(jié)點(diǎn)狀態(tài),得到無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)可靠鄰居的樣本空間重構(gòu)模型為:
(21)
其中,x(t)=[x1(t),x2(t),…,xt(t)]T是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)特征量,根據(jù)提取的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的關(guān)聯(lián)特征量,采用頻譜特征分解方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M[9].
采用改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M,實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布式優(yōu)化設(shè)計(jì),假設(shè)蟻群的初始位置為:
(22)
其中個(gè)體極值pbest,對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組的蟻群個(gè)體全局極值解為:
(23)
(24)
蟻群在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組過(guò)程中更新自身的速度和位置:
(25)
xt=xt-1+vt.
(26)
其中:vt是螞蟻當(dāng)前的速度,xt是螞蟻的適應(yīng)度值.c1和c2是操作算子常數(shù),μ值的選取應(yīng)滿足:
(27)
(28)
考慮全局優(yōu)化問(wèn)題min{f(x)},采用蟻群算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為:
(29)
綜上分析,采用改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M,實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布式優(yōu)化設(shè)計(jì),提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能[10].
為了驗(yàn)證該方法在實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲亟M和優(yōu)化傳輸?shù)男阅?,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析,實(shí)驗(yàn)采用Matlab設(shè)計(jì),無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域?yàn)?00 m×600 m的均勻線陣區(qū)域,無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)混合匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)目設(shè)定為200,蟻群算法的模因組數(shù)10個(gè),蟻群個(gè)體數(shù)為1 200,通信網(wǎng)絡(luò)的載波頻率為600 KHz,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)涞倪\(yùn)行迭代12 000次,根據(jù)上述仿真參量設(shè)定,進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲亟M,得到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇a元分布3所示.
以圖3的數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的線性結(jié)構(gòu)分解,提取無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的關(guān)聯(lián)特征量,實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)重組,得到重組后的能量開銷對(duì)比如圖4所示.
分析圖4得知,采用改進(jìn)方法進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M的輸出能量開銷較小,測(cè)試輸出誤碼和傳輸時(shí)延,得到對(duì)比結(jié)果如圖5所示.
分析上述仿真結(jié)果得知,采用該方法進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M能提高網(wǎng)絡(luò)的連通性,輸出穩(wěn)定性較好,傳輸誤碼率較低.
圖3 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇a元分布圖4 拓?fù)渲亟M的能量開銷對(duì)比
圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M的輸出性能對(duì)比
構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型,降低無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)穆窂介_銷,提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力.提出基于改進(jìn)蟻群算法的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M方法.構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型,采用4元組模型構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的線性結(jié)構(gòu)分解,提取無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的關(guān)聯(lián)特征量,采用頻譜特征分解方法,實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M,實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布式優(yōu)化設(shè)計(jì),提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能.仿真結(jié)果表明,采用該方法進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M能提高網(wǎng)絡(luò)的連通性,輸出穩(wěn)定性較好,傳輸誤碼率較低,具有很好的應(yīng)用性.