管乃彥, 郭娟利

(天津大學(xué) 建筑學(xué)院, 天津 300072； 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072)

傳統(tǒng)光纖網(wǎng)絡(luò)很難滿足用戶對帶寬網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)移動覆蓋性的需求[1], 需要構(gòu)建異構(gòu)的無線通信網(wǎng)絡(luò), 實(shí)現(xiàn)高覆蓋度的高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信[2]. 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)采用動態(tài)路由組網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3], 結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信等網(wǎng)絡(luò)通信, 集成一個(gè)動態(tài)復(fù)雜且速度較快的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[4], 有效滿足了用戶對網(wǎng)絡(luò)保密性通信、 快速通信和抗干擾性強(qiáng)的需求[5]. 在異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有路由多源性, 網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)通信覆蓋受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和帶寬等因素的影響, 導(dǎo)致覆蓋度較低[6].

異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)采用基于IEEE 802.11p的路由協(xié)議[7], 為提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和通信覆蓋能力, 降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼`比特率, 需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)覆蓋優(yōu)化控制. 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制算法主要包括VANET路由協(xié)議設(shè)計(jì)方法、 Ad hoc NETwork節(jié)點(diǎn)優(yōu)化覆蓋方法和能量均衡控制算法等[8], 上述方法通過構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由傳輸探測協(xié)議, 采用基于距離測量和能量概率密度分析等方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化部署, 提高了網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋能力, 但隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模的擴(kuò)大, 高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信中離群失聯(lián)節(jié)點(diǎn)增多； 文獻(xiàn)[3]提出了基于客觀權(quán)重確定的方法, 通過對故障路由節(jié)點(diǎn)的及時(shí)診斷和路由修復(fù), 提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力, 但該方法對大規(guī)模異構(gòu)通信節(jié)點(diǎn)的抗干擾性不強(qiáng)； 文獻(xiàn)[4]提出了基于距離測量和路由探測分析的異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署方法, 提高了對異常節(jié)點(diǎn)的定位能力和網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋能力, 但對先驗(yàn)信息的需求量較大, 在節(jié)點(diǎn)參考信息不足的情形下網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能較差. 為克服上述傳統(tǒng)算法的弊端, 本文提出一種基于能量負(fù)載均衡控制的異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制算法. 首先構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署和路由探測模型, 采用相鄰路由的負(fù)載均衡控制協(xié)議進(jìn)行路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì), 然后利用能量負(fù)載均衡控制算法提高高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度.

1 節(jié)點(diǎn)部署和路由探測模型

1.1 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布模型

首先構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)模型和路由探測模型. 采用均勻線性陣列分布模型構(gòu)建典型異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)系統(tǒng), 假設(shè)異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布的有向圖模型為W={u,w1,w2,…,wk}, 在數(shù)據(jù)交互中心, 采用產(chǎn)品序列號(SN)、 Sink和跳數(shù)hop_count進(jìn)行異構(gòu)信息傳輸通信[9], 設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在M個(gè)SN節(jié)點(diǎn), 在不同時(shí)滯下, 高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互的線性調(diào)頻長度為ni, 種類為rj, 傳輸?shù)耐ㄐ糯a元為x(k-1),…,x(k-M), 高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)所有子節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄U(kuò)展集合表示為P(ni)={pk|prkj=1,k=1,2,…,m}, 路由鏈路信息集合為S={1,2,…,n}, 連通集集合i={i1,i2,…,in}, 則異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分組排列種類為

(1)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺纻鬏斈Ｐ蜐M足

路由節(jié)點(diǎn)的初始編號為{1,2,3,4,5}, 在異構(gòu)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布式排列如下：

{1,3,5,2,4}, {1,4,2,5,3}, {2,4,1,3,5}, {2,4,1,5,3}, {2,5,3,1,4};

{3,1,4,2,5}, {3,1,5,2,4}, {4,2,5,3,1}, {3,5,2,4,1}, {5,3,1,4,2};

{3,5,1,4,2}, {4,1,3,5,2}, {5,2,4,1,3}, {5,3,1,4,2}.

選擇路由傳輸信道Qn中的任意兩個(gè)排列進(jìn)行節(jié)點(diǎn)優(yōu)化組網(wǎng), 得到節(jié)點(diǎn)分布向量集{i1,i2,…,in}和{j1,j2,…,jn}, 分別稱中繼節(jié)點(diǎn)指令集為X, Sink節(jié)點(diǎn)指令集為Y, 通過自適應(yīng)能量均衡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署, 得到節(jié)點(diǎn)的分布式控制目標(biāo)函數(shù)F為

其中:f表示移動節(jié)點(diǎn)受到的虛擬引力；pN表示第N個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的感知半徑；m1表示第1個(gè)虛擬點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離；E0表示異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的初始節(jié)點(diǎn)能量；EN表示異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)第N個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量值；LN表示第N個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信半徑. 在T時(shí)刻內(nèi), 令zi(k)∈p×1為第i個(gè)異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量值, 通過能量管理機(jī)制[10]進(jìn)行節(jié)點(diǎn)部署, 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)哪芰肯臄?shù)學(xué)期望為

(3)

(4)

若E(X)≠E(Y), 則當(dāng)前高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由為最優(yōu)的； 若E(X)=E(Y), 則根據(jù)D(X)與D(Y)進(jìn)行路由決策, 構(gòu)建如表1所示的路由信息表.

表1 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)路由消息互傳狀態(tài)

根據(jù)表1構(gòu)建路由信息表, 得到異構(gòu)環(huán)境下初始路由編號為{1,2,3,4,5,6},Qn=14, 節(jié)點(diǎn)定位信息約束條件滿足：

E0+…+EN-L1p1-…-LN+1pN+1=0.

(5)

對于任意的mi∈均滿足路由表項(xiàng)的能量均衡, 聯(lián)合概率分布特征函數(shù)為

根據(jù)上述構(gòu)建的異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布模型, 進(jìn)行節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署和路由探測算法設(shè)計(jì).

1.2 路由探測算法設(shè)計(jì)

(7)

(8)

其中： ?為權(quán)重系數(shù)；mN為第N個(gè)虛擬點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離. 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻的位置可表示為：

Xi(t)=(xi1(t),xi2(t),…,xiD(t)).

(9)

定義往返時(shí)延(round-trip time, RTT)表示異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信的傳播衰減, 可得能量補(bǔ)償后異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)特定節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化發(fā)射功率遞推公式為

(10)

在優(yōu)化覆蓋度下, 高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息負(fù)載均衡的約束代價(jià)函數(shù)為

pk(Sk-Si-1)+pk+1(Si-Sk)=pi(Si-Si-1).

(11)

對節(jié)點(diǎn)的輸出功率進(jìn)行增益擴(kuò)展, 令傳輸功率pi,pk,pk+1所對應(yīng)的傳輸速率分別為ri,rk,rk+1, 則根據(jù)能量衰減原理, 可得異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的覆蓋度為

計(jì)算高速互聯(lián)網(wǎng)通信均衡負(fù)載的承載能力, 通過能量管理路由機(jī)制構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布模型, 實(shí)現(xiàn)路由探測設(shè)計(jì).

2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)

2.1 路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度, 在上述異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布模型設(shè)計(jì)和路由探測算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上, 本文提出一種基于能量負(fù)載均衡控制的異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制算法, 采用相鄰路由的負(fù)載均衡控制協(xié)議進(jìn)行路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì), 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)端到端路由探測的分布模型為

(13)

其中：ru(0

Pgraph={1-[1-(1-Pe)2(1-Pd)]m}n,

(14)

在能量負(fù)載均衡控制下, 路由協(xié)議優(yōu)化控制的局部時(shí)間尺度為

PAOMDV=(1-Pd)2{1-[1-(1-Pe)n(1-Pd)n-1]m},

(15)

其中：Pe為特定源節(jié)點(diǎn)的能量開銷；Pd為鏈路的存活時(shí)間. 對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由的負(fù)載開銷進(jìn)行幅值估計(jì), 采用網(wǎng)絡(luò)沖突路由模糊約束檢測方法, 得到能量均衡控制后的誤碼輸出結(jié)果為

(16)

其中：n(t)為干擾項(xiàng)；si(t)為路由鏈路節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔? 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由鏈路信息表匹配程度可通過模糊約束控制算法進(jìn)行自適應(yīng)修正, 采用相鄰路由信息表的循環(huán)控制算法, 得到路由轉(zhuǎn)發(fā)的探測報(bào)數(shù)檢測輸出為

(17)

其中f表示路由地址的檢測頻率. 源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的約束傳遞函數(shù)為

(18)

其中： Re(·)表示取實(shí)部;ai(t)為異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息包的包絡(luò)幅值. 輸出路由鏈路信息表的統(tǒng)計(jì)量為

(19)

通過路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì), 采用能量負(fù)載均衡控制算法提高高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度.

2.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制設(shè)計(jì)

在多路徑路由探測下, 采用能量負(fù)載均衡控制算法對網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行優(yōu)化控制. 假設(shè)動態(tài)路由協(xié)議的目的端口長度為N, 路由鏈路信息表的時(shí)間序列為x, 路由轉(zhuǎn)發(fā)信息矩陣的N×1列向量x(n)∈N. 探測數(shù)據(jù)x在到達(dá)鏈路終端的鏈路信息表為Ψ={Ψ1,Ψ2,…,ΨN}, 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)下一跳路由節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)能耗為

(20)

在異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中, 路由鏈路節(jié)點(diǎn)的存活數(shù)為Nnode, 在路由鏈路分布空間上進(jìn)行鏈路信息的優(yōu)化覆蓋, 構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由向量邊為

(21)

其中Newi′={ei′,1,ei′,2,…,ei′,D}是路由鏈路沖突節(jié)點(diǎn)發(fā)送的動態(tài)路由數(shù)據(jù)包. 根據(jù)如下公式生成動態(tài)路由鏈路模型：

(22)

其中：sR表示端到端路由的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔? 路由節(jié)點(diǎn)覆蓋的概率密度為

(23)

3 仿真結(jié)果分析

下面通過仿真實(shí)驗(yàn)測試本文算法在異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)覆蓋優(yōu)化控制中的性能, 仿真實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境采用聯(lián)合PC機(jī), 配置參數(shù)為： CPU 3.0 GHz, 12 GB內(nèi)存, 仿真軟件環(huán)境為MATLAB 2007, 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的鏈路節(jié)點(diǎn)數(shù)目為10 000, 網(wǎng)絡(luò)鏈路中干擾的信噪比為0～100 dB, 網(wǎng)關(guān)位置為(0,0), 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的初始傳輸比特率為240 B/(s·Hz-1), Sink節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)統(tǒng)計(jì)單位的數(shù)據(jù)能量消耗為500 nJ/bit. 根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定, 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制, 首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)鏈路中傳輸數(shù)據(jù)的特征采樣, 采樣帶寬為6 dB, 頻率為12 kHz, 得到鏈路傳輸數(shù)據(jù)采樣的時(shí)域波形如圖1所示.

以上述采樣的數(shù)據(jù)為研究對象進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制, 分析能量負(fù)載均衡性能, 采用相鄰路由的負(fù)載均衡控制協(xié)議進(jìn)行路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì), 得到路由信息表中檢測到的探測報(bào)文的歸一化瞬時(shí)頻譜如圖2所示.

圖1 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鏈路 傳輸數(shù)據(jù)采樣時(shí)域波形

圖2 路由信息表中檢測到的 探測報(bào)文歸一化頻譜

圖3 網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋概率對比

由圖1和圖2可見, 采用本文算法進(jìn)行路由探測設(shè)計(jì), 有效實(shí)現(xiàn)了高速互聯(lián)網(wǎng)在異構(gòu)環(huán)境下的能量均衡, 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性能較強(qiáng). 以此為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制, 為了定量分析其性能, 采用本文算法與文獻(xiàn)[3]算法進(jìn)行對比, 得到高速互聯(lián)網(wǎng)有效覆蓋概率對比結(jié)果如圖3所示. 由圖3可見, 本文算法的網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋概率遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[3]算法, 提高了網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋能力.

綜上所述, 本文針對高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)因?yàn)橥ㄐ鸥采w控制性較差導(dǎo)致負(fù)載失衡的問題, 提出了一種基于能量負(fù)載均衡控制的異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制算法. 首先構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署和路由探測模型, 采用相鄰路由的負(fù)載均衡控制協(xié)議進(jìn)行路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)； 然后采用能量負(fù)載均衡控制算法提高高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度. 仿真結(jié)果表明, 本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制算法能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由均衡控制, 網(wǎng)絡(luò)信道傳輸?shù)木庑院涂垢蓴_性均較好, 網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋能力較強(qiáng).