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        一種物聯(lián)網(wǎng)通信能耗控制算法的設(shè)計(jì)與仿真

        2022-02-09 02:21:10吳昌錢羅志偉
        計(jì)算機(jī)仿真 2022年12期
        關(guān)鍵詞:資源

        吳昌錢,羅志偉,金 鳳

        (1. 閩南科技學(xué)院計(jì)算機(jī)信息學(xué)院,福建 泉州 366200;2. 廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 廈門 361000;3. 國防科技大學(xué)信息通信學(xué)院,陜西 西安 710106)

        1 引言

        5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用涉及到較多創(chuàng)新技術(shù),其中虛擬化技術(shù)和軟件定義技術(shù)可以劃分基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò),獲得若干邏輯網(wǎng)絡(luò),這種技術(shù)被稱為切片技術(shù)[1]。在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中任何切片都可以使用虛擬網(wǎng)絡(luò)功能滿足客戶的業(yè)務(wù)需求。合理的分配切片資源可以提高混合窄帶物聯(lián)網(wǎng)的通信能力[2],在上述過程中混合窄帶物聯(lián)網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生較高的通信能耗,因此需要對通信能耗控制算法進(jìn)行分析和研究。

        劉大鹍[3]等人基于節(jié)點(diǎn)覆蓋結(jié)構(gòu),劃分網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域,獲得多個(gè)子區(qū)域,采用染色方案確定網(wǎng)絡(luò)中存在的掃頻節(jié)點(diǎn),對空閑能耗和通信能耗進(jìn)行考慮,通過元胞遺傳方法完成通信能耗的控制。但是,該算法沒有對網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行考慮,導(dǎo)致控制后的網(wǎng)絡(luò)生命周期較短。李志華[4]等人對節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的密度和深度進(jìn)行計(jì)算,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建簇首競爭半徑函數(shù),確定網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點(diǎn),并對簇首等級進(jìn)行確定,在控制過程中引入貪心算法,降低通信能耗。但是,該算法對能耗控制后,傳輸切片資源所用的時(shí)間較長,存在通信延時(shí)高的問題。謝盈[5]等人對任務(wù)之間在網(wǎng)絡(luò)中存在依賴關(guān)系進(jìn)行分析,計(jì)算出在任務(wù)分配過程中的最大通信開銷和最小通信開銷,將計(jì)算結(jié)果作為選取通信方案的依據(jù),實(shí)現(xiàn)通信能耗控制,降低網(wǎng)絡(luò)能耗。但是,在該算法中目的節(jié)點(diǎn)接收到的資源較少,存在投遞率低的問題。

        為解決上述方法中存在的問題,提出混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法。

        2 切片資源通信能耗優(yōu)化模型

        為了提高混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)的容錯(cuò)能力,并降低切片資源通信能耗[6],混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法構(gòu)建了切片資源通信能耗優(yōu)化模型。

        散射體、反射面和障礙物等環(huán)境因素都會(huì)對混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信中的信號產(chǎn)生影響,因此接收信號強(qiáng)度的穩(wěn)定性較差。建立陰影衰落模型,分析混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)接收切片資源的概率,用P(s)表示通信距離與數(shù)據(jù)包發(fā)送半徑相同條件下的切片資源接收概率,其計(jì)算公式如下

        (1)

        式中,q=2;b代表路徑損耗系數(shù);s代表通信距離,通過上述分析可知接收概率受通信距離和路徑損耗系數(shù)的影響。

        (2)

        在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中點(diǎn)對點(diǎn)之間的通信屬于最基礎(chǔ)、最簡單的方式,混合窄帶物聯(lián)網(wǎng)的可靠性較差,切片資源數(shù)據(jù)包被接收消耗的能量和重傳次數(shù)無法確定,根據(jù)上述能耗模型[7,8],分析點(diǎn)對點(diǎn)傳輸切片資源時(shí)的能耗。

        假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為d,傳輸?shù)那衅Y源大小為nbit,接收端和發(fā)送端在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的能耗分別為Rrx、Rtx,此時(shí)接收和傳輸切片資源所用的總能耗Rcos t可通過下式計(jì)算得到

        Rcos t=Rrx+Rtx=nRelec+(φampndα+nRelec)

        =φampndα+2nRelec

        (3)

        式中,φamp表示對切片資源進(jìn)行傳輸時(shí),發(fā)射放大電路對應(yīng)的能耗;α受附近環(huán)境的影響,在區(qū)間[2,5]內(nèi)取值,表示傳播衰減指數(shù)。

        在監(jiān)測區(qū)域H中隨機(jī)部署N個(gè)節(jié)點(diǎn),其分布特性滿足下式

        (4)

        式中,S′代表監(jiān)測區(qū)域的面積。

        用F表示網(wǎng)絡(luò)中的圓域,其半徑可用通信距離d表示,節(jié)點(diǎn)落在F中的概率P{(X,Y)∈F}可通過下式計(jì)算得到

        (5)

        源節(jié)點(diǎn)中存在的切片資源經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā),傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)基站節(jié)點(diǎn)中。在轉(zhuǎn)發(fā)過程中對數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行跟蹤,用gij表示鄰居節(jié)點(diǎn)j傳輸?shù)街虚g節(jié)點(diǎn)i中的切片資源,中間節(jié)點(diǎn)i將接收到的切片資源轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)的基站節(jié)點(diǎn)k中,此時(shí)節(jié)點(diǎn)i在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的生命周期為Yi(f)

        Yi(f)=Ei/[ar(i)+at(i,j)]

        (6)

        式中,Ei代表節(jié)點(diǎn)i在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的能量;ar(i)、at(i,j)代表節(jié)點(diǎn)傳輸切片資源的概率。

        所有節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的最小生命周期Ysys(f)即為一定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率f下混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)的生命周期[9,10],其計(jì)算公式如下

        Ysys(f)=minYi(f)

        (7)

        在混合窄帶物聯(lián)網(wǎng)最小生命周期Ysys(f)內(nèi),監(jiān)測區(qū)域中節(jié)點(diǎn)i的單條路徑能耗可通過下式計(jì)算得到

        (8)

        式中,k代表節(jié)點(diǎn)度

        源節(jié)點(diǎn)中將切片資源傳輸?shù)交舅玫霓D(zhuǎn)發(fā)次數(shù)即為跳數(shù),可以反映混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信傳播過程中存在的時(shí)延問題。

        切片資源在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)的過程可表示為圖1。

        圖1 切片資源轉(zhuǎn)發(fā)

        在幾何定理的基礎(chǔ)上獲得下式

        (9)

        其中,d代表節(jié)點(diǎn)在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的通信半徑;a表示目的節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間存在的距離;C代表目的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的距離。

        (10)

        (11)

        (12)

        3 基于切片資源通信能耗優(yōu)化模型的能耗控制算法設(shè)計(jì)

        混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法采用粒子群算法[11,12]對通信能耗優(yōu)化模型求解,實(shí)現(xiàn)切片資源的通信能耗控制,具體步驟如下:

        (13)

        式中,Cmax、Cmin為C(X)對應(yīng)的最大值和最小值;Mmax、Mmin為粒子種群中M(X)對應(yīng)的最大值和最小值;Kmax、Kmin分別代表完成任務(wù)所用的最長時(shí)間,和完成任務(wù)所用的最短時(shí)間。

        2)局部最優(yōu)解是粒子群算法中最常見的問題,為了避免上述問題混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法設(shè)置閾值divth,當(dāng)種群多樣性在迭代尋優(yōu)過程中低于divth時(shí),此時(shí)的擾動(dòng)粒子即為適應(yīng)度最小值對應(yīng)的粒子,在排斥力的作用下粒子開始移動(dòng),進(jìn)入搜索區(qū)域,避免出現(xiàn)局部最優(yōu)解[15],提高所提算法的全局搜索能力。

        用div表示粒子種群的多樣性,其計(jì)算公式如下

        (14)

        式中,m代表種群規(guī)模;divs表示粒子s在種群中存在的個(gè)體多樣性,其計(jì)算公式如下

        (15)

        通過上式計(jì)算結(jié)果,獲得粒子種群全局最佳粒子Pg與粒子s自身局部最佳粒子Ps之間在種群中的相依程度,式中,simii,j代表粒子i與粒子j之間的個(gè)體相似性,可通過下式計(jì)算得到

        (16)

        式中,Qi(t)表示個(gè)體多樣性。

        (17)

        4)用Vi表示粒子速度,通過下式對粒子速度進(jìn)行更新

        (18)

        式中,c1、c2為隨機(jī)自然數(shù)。通過分布計(jì)算方法對粒子的位置進(jìn)行更新

        X=X+c1(Pb-X)+c2Pg

        (19)

        5)設(shè)置終止條件,如果滿足輸出切片資源通信能耗優(yōu)化模型的最優(yōu)解,如果不滿足,返回步驟(4)中。

        4 實(shí)驗(yàn)與分析

        為了驗(yàn)證混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法的整體有效性,需要對混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法進(jìn)行測試。

        分別采用混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法進(jìn)行如下對比測試。

        4.1 網(wǎng)絡(luò)生命周期測試

        將死亡節(jié)點(diǎn)的百分比低于50%時(shí),物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)工作的時(shí)間作為網(wǎng)絡(luò)生命周期,所提算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的測試結(jié)果如表1所示。

        表1 不同算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期

        分析表1中的數(shù)據(jù)可知,死亡節(jié)點(diǎn)百分比與網(wǎng)絡(luò)持續(xù)工作時(shí)間之間成反比關(guān)系,隨著死亡節(jié)點(diǎn)百分比的降低,所提算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的網(wǎng)絡(luò)持續(xù)工作時(shí)間逐漸延長,但在相同死亡節(jié)點(diǎn)百分比條件下,所提算法的網(wǎng)絡(luò)持續(xù)工作時(shí)間均高于文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法,表明所提算法對通信能耗控制后,物聯(lián)網(wǎng)具有良好的生命周期,因?yàn)樗崴惴ㄔ跇?gòu)建通信能耗優(yōu)化模型時(shí),對網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行了考慮,提高了物聯(lián)網(wǎng)的生命周期。

        4.2 通信延時(shí)測試

        采用三種算法對通信能耗進(jìn)行控制后,對比其通信延時(shí),通信延時(shí)表明節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包傳送到目的節(jié)點(diǎn)所用的平均時(shí)間,通信延時(shí)越低表明算法的通信效率越高,所提算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的通信延時(shí)測試結(jié)果如圖2所示。

        圖2 不同算法的通信延時(shí)

        當(dāng)通信延時(shí)控制在0.2s以內(nèi)時(shí)對網(wǎng)絡(luò)切片資源的通信不產(chǎn)生影響。分析圖2可知,采用所提算法進(jìn)行端到端延時(shí)測試時(shí),在多次通信測試過程中的延時(shí)均控制在0.2s以內(nèi),不對切片資源的通信產(chǎn)生影響。采用文獻(xiàn)[3]算法進(jìn)行端到端延時(shí)測試時(shí),獲得的通信延時(shí)均高于0.6s,在第3次測試中通信延時(shí)高達(dá)0.8s,采用文獻(xiàn)[4]算法進(jìn)行端到端延時(shí)測試時(shí),該算法的通信延時(shí)波動(dòng)較大,但均高于所提算法,且在第4次迭代過程高達(dá)1.0s。對比上述算法的測試結(jié)果可知,所提算法的通信延時(shí)最短,表明所提算法的通信效率較高。

        4.3 投遞率測試

        目的節(jié)點(diǎn)最終接收到的數(shù)據(jù)包比例即為投遞率,所提算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的投遞率測試結(jié)果如圖3所示。

        圖3 投遞率測試結(jié)果

        由圖3可知,隨著測試時(shí)間的增長,所提算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的投遞率均出現(xiàn)不同程度的下降,但與文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法相比,所提算法的投遞率較高,文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的投遞率出現(xiàn)大幅度下降的主要原因是在能耗控制過程中容易出現(xiàn)資源丟失的現(xiàn)象,而所提算法在能耗控制過程中可以保證切片資源的完整性,進(jìn)而提高了算法的投遞率。

        5 結(jié)束語

        混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變、大規(guī)模、節(jié)點(diǎn)能量有限和環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn),切片資源的通信能耗直接影響著混合窄帶物聯(lián)網(wǎng)的性能,因此對通信能耗控制算法進(jìn)行分析和研究具有重要意義。目前通信能耗控制算法存在網(wǎng)絡(luò)生命周期短、通信延時(shí)高和投遞率低的問題,提出混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法,構(gòu)建了通信能耗優(yōu)化模型,并采用粒子群算法實(shí)現(xiàn)通信能耗的控制,解決了目前算法中的難點(diǎn),促進(jìn)了混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用。

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