楊 峰，馬 銘

(北華大學(xué)大數(shù)據(jù)與智慧校園管理中心，吉林 吉林 132013)

1 引言

目前，無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)已憑借較好的應(yīng)用性能與較強(qiáng)的信息感知力取得了飛速發(fā)展。無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成基礎(chǔ)為分散在多維空間中的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)[1]?，F(xiàn)如今，無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)因具有較強(qiáng)的適應(yīng)性與較高的數(shù)據(jù)處理容錯(cuò)性而被廣泛應(yīng)用于國防軍事安全以及主要干道交通等通訊形式中，應(yīng)用前景較為廣闊。但是，在特定網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)通信過程中，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的通信節(jié)點(diǎn)能量相對(duì)有限，極易造成數(shù)據(jù)傳輸延遲，從而影響無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)總體性能[2]。因此，合理地補(bǔ)償無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[3]針對(duì)傳感器采樣延時(shí)問題，基于傳統(tǒng)GPS/INS(Global Positioning System-Inertia Navigation System，全球定位系統(tǒng)+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng))松耦合組合導(dǎo)航模型，提出了一種延時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償算法。通過建立延時(shí)估計(jì)模型計(jì)算時(shí)間同步偏差，在設(shè)計(jì)殘差傳播方程后，采用殘差重構(gòu)方法補(bǔ)償同步軟件時(shí)間延時(shí)；文獻(xiàn)[4]中，重聯(lián)動(dòng)車組通過UIC(International Union of Railways，國際鐵路聯(lián)盟)網(wǎng)關(guān)的過程數(shù)據(jù)編組傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，導(dǎo)致重聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)降低重聯(lián)控制性能。因此，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)延預(yù)測及補(bǔ)償算法，利用網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的自回歸AR(Autoregressive model，自回歸模型)模型與Yule-walker參數(shù)自辨識(shí)算法，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)測網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，并采用快速隱式廣義預(yù)測控制補(bǔ)償預(yù)測出的時(shí)延。

為避免因數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)問題造成網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性遭到破壞，本文設(shè)計(jì)了無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)補(bǔ)償算法。優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：通過建立無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)下限累積分布函數(shù)與數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)違約概率下限的計(jì)算公式，提升補(bǔ)償算法的有效性；調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信半徑，精準(zhǔn)控制多跳網(wǎng)絡(luò)的分簇規(guī)格；通過調(diào)整分簇大小合理均衡簇負(fù)載；搜索各簇頭至匯聚節(jié)點(diǎn)代價(jià)最小的多跳路徑，增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)補(bǔ)償效果。

2 無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)延時(shí)違約概率計(jì)算

無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)的各條路徑均中含有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)均能夠生成新包，還能夠轉(zhuǎn)發(fā)接收的周圍節(jié)點(diǎn)包。單跳包傳輸?shù)年?duì)列模型主要用于描述各無線單跳通信鏈路包的傳輸形式，如圖1所示。

圖1 單跳包傳輸?shù)年?duì)列模型示意圖

無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)路徑中，節(jié)點(diǎn)所接收的各個(gè)新包均具有一定的獨(dú)立性，假設(shè)該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的包負(fù)載呈統(tǒng)一分布，新抵達(dá)包與轉(zhuǎn)發(fā)包的整合速率為μ，基于數(shù)據(jù)鏈路層，單隊(duì)列內(nèi)往往混合著新的抵達(dá)包與轉(zhuǎn)發(fā)包，且按照FIFO(First Input First Output，先進(jìn)先出)準(zhǔn)則被公平轉(zhuǎn)發(fā)，第n個(gè)采樣時(shí)刻的瞬時(shí)隊(duì)列長度為Qn。在此基礎(chǔ)上，假設(shè)第i跳穩(wěn)定狀態(tài)隊(duì)列的延時(shí)為Di，針對(duì)無線單跳網(wǎng)絡(luò)鏈路，采用等效帶寬描述Di大于延時(shí)限制Dmax的概率，如下所示

(1)

其中，等效帶寬恒定信道服務(wù)速率r的函數(shù)分別為θ(r)、γ(r)。根據(jù)等效帶寬定義可知，恒定信道吞吐量下限同時(shí)也是ε=γ(r)e-θ(r)Dmax的解。

由于γ(r)近似于邊緣卷積分布函數(shù)[5]，θ(r)與多普勒頻移相關(guān)聯(lián)[6]，故通過式(1)可推導(dǎo)出等效帶寬模型的累積分布函數(shù)FD(x)與概率密度函數(shù)fD(x)[7-8]，過程所示

FD(x)=1-γ(r)e-θ(r)x

(2)

fD(x)=γ(r)θ(r)e-θ(r)x+(1-γ(r))δ(x)

(3)

其中，δ(x)表示單位沖擊函數(shù)。

針對(duì)無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)中的普通路徑，在路由中間節(jié)點(diǎn)處混合兩種流量，一種是源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的流量，另一種是新生成與其它轉(zhuǎn)發(fā)的流量，從而建立一個(gè)無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)下限累積分布函數(shù)Fh(x)，如下所示

=(1-γ(r))h-i×γ(r)i-1×(1-e-θ(r)x)

(4)

其中，h表示通信網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)。

由式(4)可以得到無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)違約概率下限的計(jì)算公式，如下所示

J=Fh(x)×(1-(1-γ(r))h-i×γ(r)i-1)

(5)

3 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)補(bǔ)償算法構(gòu)建

3.1 均衡無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)簇負(fù)載

有關(guān)無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿縦比特監(jiān)控信息，在數(shù)據(jù)傳輸階段內(nèi)，假設(shè)ER(k)與ET(k)分別表示接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)所消耗的能量，則式(6)所示為與之相對(duì)應(yīng)的表達(dá)式

(6)

其中，在傳輸單位比特的數(shù)據(jù)過程中，Eamp表示網(wǎng)絡(luò)發(fā)送節(jié)點(diǎn)功率放大器消耗能量。若s是通信階段內(nèi)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的間距，利用下列計(jì)算公式求解消耗能量Eamp值

(7)

其中，εtr表示通信信號(hào)衰減因子[9]，s0表示網(wǎng)絡(luò)接收與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的間距門限。

針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)簇中節(jié)點(diǎn)采集到的k比特?cái)?shù)據(jù)，采用下列公式計(jì)算數(shù)據(jù)融合階段中簇頭節(jié)點(diǎn)消耗的能量Ef(k)

Ef(k)=EDAk

(8)

其中，EDA表示在網(wǎng)絡(luò)通信階段內(nèi)，簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合單位比特?cái)?shù)據(jù)時(shí)的能量消耗。

(9)

(10)

(11)

(12)

根據(jù)無線多跳網(wǎng)絡(luò)模型解得網(wǎng)絡(luò)分簇最佳個(gè)數(shù)，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信半徑，控制多跳網(wǎng)絡(luò)的分簇規(guī)格，求取簇中任意監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集階段里，通信節(jié)點(diǎn)所消耗的能量，基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度設(shè)置節(jié)點(diǎn)實(shí)際通信半徑，通過調(diào)整分簇大小均衡簇負(fù)載[11]。

3.2 通信發(fā)包率與增強(qiáng)信息素?fù)]發(fā)因子關(guān)系建立

在選取無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)簇頭時(shí)，通過非均勻分布式競爭形式，設(shè)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為網(wǎng)絡(luò)通信余下能量與距離，明確簇頭后進(jìn)行各簇頭至匯聚節(jié)點(diǎn)代價(jià)最小的多跳路徑搜索，補(bǔ)償通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。

(13)

其中，c表示簇頭節(jié)點(diǎn)競爭半徑取值范圍的控制參數(shù)，其取值范圍為c∈(0，1)，pc與si分別表示匯聚點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的距離用d(si，pc)表示。

假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸階段里，解得的每個(gè)節(jié)點(diǎn)半徑廣播競爭信息為M1，則該競爭信息M1由節(jié)點(diǎn)信息si、匯聚點(diǎn)pc與節(jié)點(diǎn)si間距d(si，pc)以及余下能量Er構(gòu)成。利用下列公式計(jì)算每個(gè)簇頭Er到各鄰居簇頭sj(j∈Ri)的初始信息素濃度

(14)

(15)

其中，簇頭sk的初始信息素濃度為uik，局部啟發(fā)值取值范圍的控制參數(shù)為σ，取值范圍為σ∈(0，1)。

簇頭si選擇具有最大概率pij值的節(jié)點(diǎn)sj當(dāng)做下一跳節(jié)點(diǎn)，并通過下列公式增強(qiáng)與節(jié)點(diǎn)sj對(duì)應(yīng)路由的信息素

u′ij=uij+Δuij

(16)

其中，增強(qiáng)的信息素濃度為u′ij，信息素濃度變化量為Δuij，計(jì)算過程如下

(17)

其中，無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)與實(shí)時(shí)性權(quán)重的調(diào)節(jié)參數(shù)為ω，取值范圍為ω∈(0，1)，增強(qiáng)信息與初始信息素間的比例調(diào)整系數(shù)為α，網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笱訒r(shí)為Tmax，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的最大延時(shí)為τmax，數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄訒r(shí)為Tij，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的平均延時(shí)為τij。路徑的增強(qiáng)速率隨著通信階段發(fā)包率的提升而加快，與此同時(shí)，也會(huì)增加通信路徑負(fù)擔(dān)，因此，通過下列信息揮發(fā)機(jī)制表達(dá)式，令通信發(fā)包率與增強(qiáng)信息素?fù)]發(fā)因子[12]之間呈正比例關(guān)系

(18)

其中，參考信息素?fù)]發(fā)因子為λ，吞吐量影響因子用β表示，無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)包率極值分別是Fmin與Fmax，在t時(shí)段中的通信路徑發(fā)包率為ft。當(dāng)完成網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸后，更新信息素，實(shí)現(xiàn)傳輸延時(shí)補(bǔ)償。

4 模擬數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證為研究設(shè)計(jì)的無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)補(bǔ)償算法的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)如下仿真加以驗(yàn)證。

4.1 仿真環(huán)境

首先構(gòu)建一個(gè)如圖2所示的無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為6個(gè)，業(yè)務(wù)流為兩條，采用雙向鏈路，圖中N1到N6為業(yè)務(wù)流1，N2到N5為業(yè)務(wù)流2。仿真通過MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)，隨機(jī)函數(shù)決定其初始信噪比變化范圍，將最小值SNRMIN設(shè)定為臨界值。

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定

圖2 無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

分別采用文獻(xiàn)[3]中的基于GPS/INS和殘差重構(gòu)的延時(shí)補(bǔ)償算法、文獻(xiàn)[4]中的網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)延預(yù)測及補(bǔ)償算法以及本文算法進(jìn)行仿真。分別以網(wǎng)絡(luò)吞吐量和傳輸延時(shí)為檢驗(yàn)指標(biāo)，驗(yàn)證不同算法的應(yīng)用性能。

4.2 吞吐量對(duì)比

圖3所示為各方法的節(jié)點(diǎn)平均吞吐量曲線。

圖3 節(jié)點(diǎn)吞吐量均值曲線圖

根據(jù)圖3的曲線走勢發(fā)現(xiàn)，除鏈路速率為20Mbps時(shí)，本文算法吞吐量較其它方法略低，多數(shù)情況下，本文算法下的節(jié)點(diǎn)平均吞吐量始終保持較高狀態(tài)。這是由于本文算法均衡了無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)簇負(fù)載，可獲得較大的節(jié)點(diǎn)平均吞吐量。

4.3 延時(shí)補(bǔ)償效果對(duì)比

從網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)中選取10個(gè)節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)補(bǔ)償效果的研究對(duì)象，分別應(yīng)用文獻(xiàn)[3]、[4]算法以及本文算法，得到如圖4所示的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)曲線。

圖4 各節(jié)點(diǎn)傳輸延時(shí)曲線圖

根據(jù)圖4的曲線走勢發(fā)現(xiàn)，相比于文獻(xiàn)[3]、[4]算法，本文算法因聯(lián)立了通信發(fā)包率與增強(qiáng)信息素?fù)]發(fā)因子之間的正相關(guān)關(guān)系，因此節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)更少，從而證明證明本文算法的有效性。

5 結(jié)語

無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用場景，且兼具自配置、拓展性好、成本低以及動(dòng)態(tài)自組織等優(yōu)勢。為避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)對(duì)服務(wù)體驗(yàn)的影響，本文設(shè)計(jì)了一種新的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)補(bǔ)償算法，并取得了較好的應(yīng)用效果。因?yàn)闀r(shí)間與水平的限制，在今后的研究中需要進(jìn)一步改善以下方面：①無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)的研究側(cè)重點(diǎn)一直是延時(shí)、丟包等問題，而無線網(wǎng)絡(luò)的連接高度不可靠性、帶寬較小、誤碼率較高均會(huì)直接引起傳輸延時(shí)，因此，應(yīng)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)與被控對(duì)象統(tǒng)一模型，結(jié)合不確定性處理策略與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)屬性；②無線多跳通信網(wǎng)絡(luò)具有低速、低帶寬特征，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常為資源有限的小型計(jì)算單元，且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)包含許多不確定性，應(yīng)有效結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)調(diào)度以及信息處理，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的交叉、融合，為其它領(lǐng)域研究注入新思路。