肖 峰

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230031）

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，采用無(wú)線傳感均衡調(diào)度和節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)分配的方法，建立網(wǎng)絡(luò)傳輸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，從而提高網(wǎng)絡(luò)輸出的自適應(yīng)性。但在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)中，受到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度輪換因素和信道的干擾因素的影響，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配的自適應(yīng)性不好，抗干擾能力不強(qiáng)，需要研究?jī)?yōu)化的網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配模型，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配方法的研究受到了人們的極大關(guān)注［1］。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配的研究是建立在對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載的均衡調(diào)度和特征提取基礎(chǔ)上的，利用自適應(yīng)均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配處理［2］。在傳統(tǒng)方法中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配的方法主要有基于模糊慣性特征分析的均衡分配方法、基于擴(kuò)頻序列重組的網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配方法及基于PSO 的網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配方法等［3-5］。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配的適應(yīng)度函數(shù)，通過(guò)特征匹配和慣性融合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配。但是，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配的自適應(yīng)性不好，空間輪換調(diào)度能力不強(qiáng)［6］。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配算法。

1 網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載模型和抗干擾設(shè)計(jì)

在信道負(fù)載均衡分配前，首先構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載模型，并通過(guò)有限頻帶融合完成信道的多徑干擾抑制，同時(shí)分解其頻譜特征，為后續(xù)的負(fù)載均衡設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，也有效降低了輸出誤碼率。

1.1 網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載模型

為了實(shí)現(xiàn)基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配，采用特征相關(guān)性分析的方法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信道的擴(kuò)頻序列，結(jié)合多徑損失補(bǔ)償和信息碼元重組過(guò)程［7］構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡模型，其表示形式如下：

式中，xi表示簇首節(jié)點(diǎn)i的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)；N表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)；nc表示簇首節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

采用抽頭傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道的均衡配置，采用自適應(yīng)調(diào)整均衡器抽頭系數(shù)的方法，分析無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道的負(fù)載參數(shù)［8］，所得負(fù)載均衡調(diào)度參量為

式中，βki表示節(jié)點(diǎn)k的負(fù)載流量中需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)i進(jìn)行發(fā)送的部分；Tk表示節(jié)點(diǎn)k所產(chǎn)生的總流量負(fù)載。

采用自相關(guān)補(bǔ)償和臨界波束抑制的方法，得到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)分配，由N=2P個(gè)陣元組成，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道輸出的可靠度函數(shù)為

式中，si(t)為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道的偏移特征量；xm(t)為信道估計(jì)誤差。

在恒參數(shù)穩(wěn)態(tài)分配信道模型中，得到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道傳輸?shù)亩鄰椒至繛?/p>

式中，ε表示引力常數(shù)，為固定值。

采用多元拓?fù)涔?jié)點(diǎn)融合的方法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載模型，得到信道負(fù)載估計(jì)誤差表達(dá)式為

式中，d表示無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道分配節(jié)點(diǎn)的間隔距離；m表示陣元間隔。

根據(jù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道理論速率損失，結(jié)合信號(hào)調(diào)制和擴(kuò)頻分析，得到網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載模型，如圖1所示。

圖1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載模型

1.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的頻譜特征提取

為提取無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的頻譜特征，結(jié)合空間均衡補(bǔ)償方法分析無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道的沖激響應(yīng)特征分量，其表示形式如下：

式中，ak表示單個(gè)時(shí)延調(diào)度下的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道輸出脈沖響應(yīng)函數(shù)。

采用模糊狀態(tài)參數(shù)融合的方法，得到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道傳輸?shù)姆€(wěn)態(tài)特征分量：

采用穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，得到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡調(diào)度的模糊特征集Dk，其取值滿足：

式中，R表示無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道的均衡匹配系數(shù)。

設(shè)在時(shí)間段[Si-1,Si)內(nèi)的特征分量為Di，對(duì)接收信號(hào)頻譜分量進(jìn)行均衡處理［9］，得到采樣信號(hào)頻譜為pk和pk+1。輸入模擬信號(hào)頻譜，得到：

采用信道自適應(yīng)轉(zhuǎn)換和學(xué)習(xí)的方法，構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳輸?shù)男诺谰馀渲媚Ｐ?，得到多徑加?quán)特征分量表達(dá)式為

式中，?表示函數(shù)的共軛。

結(jié)合有限頻帶融合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的多徑干擾抑制和頻譜特征分解［10］，得到信道輸出的多普勒頻移參數(shù)表達(dá)式為

式中，Δt表示信道的傳輸時(shí)延。

在這一過(guò)程中，為了有效縮小采樣間隔對(duì)負(fù)載均衡性能的影響，分析信號(hào)衰落、幅度和相位等參數(shù)，通過(guò)參數(shù)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的方法獲取穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的頻譜特征［11］。

2 網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配優(yōu)化

根據(jù)上述提取到的網(wǎng)絡(luò)傳輸信道頻譜特征，利用遺傳算法設(shè)計(jì)分配過(guò)程的尋優(yōu)控制模型，提高負(fù)載均衡分配結(jié)果的自適應(yīng)性，并在滿足誤碼率的要求下，利用波特間隔均衡調(diào)節(jié)和無(wú)線擴(kuò)頻技術(shù)完成信道均衡設(shè)計(jì)。

2.1 信道負(fù)載均衡分配的尋優(yōu)控制

采用遺傳進(jìn)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道的負(fù)載均衡調(diào)度，通過(guò)遺傳尋優(yōu)方法構(gòu)建信道負(fù)載均衡分配的尋優(yōu)控制模型，得到有用信息序列的采樣間隔f=N/MT，然后采用T/2 抽頭間隔的均衡器，得到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道的均衡匹配功率為

采用遺傳進(jìn)化算法實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道的均衡分配。在L條多徑信道中，采用多普勒衰減調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行信道加性噪聲抑制［12］，得到信道加性噪聲的遺傳迭代離散信息為

分析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道的系統(tǒng)函數(shù)對(duì)環(huán)境參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男诺镭?fù)載均衡調(diào)度模型。在遺傳迭代過(guò)程中，得到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輸出的關(guān)系式為

式中，εk表示系統(tǒng)誤差；Ek表示系統(tǒng)期望響應(yīng)；Γk表示抽頭延遲線。

采用時(shí)延控制的方法，得到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡調(diào)度的誤差表達(dá)式為

在相干多途信道中，實(shí)現(xiàn)信道均衡和自適應(yīng)參數(shù)融合，通過(guò)遺傳進(jìn)化和尋優(yōu)控制，進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道輸出均衡配置和遺傳進(jìn)化學(xué)習(xí)。

2.2 信道負(fù)載均衡分配實(shí)現(xiàn)

在滿足誤碼率要求條件下，通過(guò)波特間隔均衡調(diào)節(jié)和無(wú)線擴(kuò)頻技術(shù)，構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳輸?shù)木庹{(diào)度和擴(kuò)頻參數(shù)融合模型。網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡的遺傳算法在相干多徑信道中，采用誤差調(diào)節(jié)和反饋補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ秘?fù)載輸出的量化均值為

假設(shè)每條路徑中的信息傳輸延遲是固定的，且多普勒輸出衰減量均為Wtk，然后采用不同時(shí)延和幅度雙重迭代的方法，得到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑鲆鏋閁1和U2，都選自經(jīng)過(guò)自適應(yīng)噪聲抵消后的反射信號(hào)U。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)表示為

經(jīng)過(guò)低通濾波和遺傳進(jìn)化調(diào)度后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信道擴(kuò)頻的抽頭數(shù)為L(zhǎng)（即濾波器長(zhǎng)度），遺傳算法的迭代步長(zhǎng)參數(shù)為μ（0<μ<2L/Smax），Smax是相干多徑信道的抽頭系數(shù)，則有限沖激響應(yīng)濾波表示為

在n時(shí)刻，分析各條路徑的相位偏移，然后根據(jù)各路徑與直達(dá)路徑之間的差異性特征量，采用頻譜差異性融合的方法，計(jì)算n+1 時(shí)刻的抽頭分量。在信道多徑分量存在相位偏移的情況下完成干擾抑制，過(guò)程如下：

根據(jù)上述分析，通過(guò)波特間隔均衡調(diào)節(jié)和無(wú)線擴(kuò)頻技術(shù)［13-15］，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的信道均衡設(shè)計(jì)和負(fù)載均衡分配。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真測(cè)試。假設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為348，多徑分量的相位偏移為0.34 rad/s，信道均衡系數(shù)為0.85，時(shí)延均衡調(diào)節(jié)系數(shù)為0.36，碼元速率為1 kBaud，根據(jù)上述仿真參數(shù)，得到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳輸?shù)呢?fù)載率，如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載率

以圖2 的網(wǎng)絡(luò)信道傳輸負(fù)載為研究對(duì)象，構(gòu)建信道負(fù)載均衡分配模型，測(cè)試不同方法的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭_(dá)率，對(duì)比曲線如圖3所示。

由圖3 可知，通過(guò)遺傳算法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡配置，提高了碼元傳輸?shù)牡竭_(dá)率。

圖3 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡竭_(dá)率

測(cè)試信道負(fù)載損失和碼元傳輸速率，得到測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 信道負(fù)載損失及速率測(cè)試

分析上述仿真結(jié)果可知，采用本文方法實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)載均衡分配的損失率較低，提高了信道傳輸速率。

測(cè)試信道輸出誤碼率，得到對(duì)比結(jié)果如表1 所示。分析表1 可知，采用本文方法進(jìn)行信道負(fù)載均衡分配，輸出誤碼率得到有效控制。

表1 輸出誤碼率對(duì)比測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

以提高網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配能力為目的，本研究基于遺傳算法設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡分配算法。在建立網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載均衡模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合多徑損失補(bǔ)償和信息碼元重組的方法，分析無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道的沖激響應(yīng)特征分量。然后采用遺傳算法構(gòu)建信道負(fù)載均衡分配的尋優(yōu)控制模型，并在滿足誤碼率要求條件下，結(jié)合參數(shù)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信道負(fù)載分配優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法提高了信道中的碼元傳輸速率，降低了輸出誤碼率，證明了其應(yīng)用性能較好。