基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)優(yōu)化算法研究

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)是具有強大能力的網(wǎng)絡(luò)模型，在物聯(lián)網(wǎng)中，它連接著虛擬網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，起著至關(guān)重要的作用。本文以物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為研究對象，提出三層結(jié)構(gòu)的理論模型對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行優(yōu)化處理。主要探討在優(yōu)化過程中解決數(shù)據(jù)延遲、大量數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)故障的問題。多徑傳輸顯得更加具有優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；優(yōu)化；算法

中圖分類號：TP317

通信網(wǎng)絡(luò)作為通信技術(shù)的基礎(chǔ)，已經(jīng)發(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)物物聯(lián)接的跨地域、跨應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)時代的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間的紐帶。通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之間可以進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，具有廣域互聯(lián)與局部互聯(lián)的功能。

1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的任務(wù)

在物聯(lián)網(wǎng)世界中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是運營商網(wǎng)絡(luò)的末梢延伸，將通信網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)以及近程感知網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)連接，并且在相互的網(wǎng)絡(luò)之間傳遞信息，這些連接組成了物聯(lián)網(wǎng)[1]。物聯(lián)網(wǎng)以運營商網(wǎng)絡(luò)為核心，是一個系統(tǒng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)之間主要具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、管理控制和協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能，同時也具備安全的管理等功能。在物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)關(guān)所起的任務(wù)主要是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、協(xié)議轉(zhuǎn)換和管理功能。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)優(yōu)化設(shè)計

2.1 研究意義與研究策略

物聯(lián)網(wǎng)是未來網(wǎng)絡(luò)的形式，因此作為數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換的橋梁，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的性能直接決定了物聯(lián)網(wǎng)的性能，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)優(yōu)化具有理論和使用價值。但是由于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、協(xié)議不統(tǒng)一、影響網(wǎng)絡(luò)效率的因素繁復(fù)[2]，本文將針對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的優(yōu)化算法設(shè)計出合理的研究策略，把握物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的本質(zhì)，提出有效而且新穎的見解。

2.1.1 設(shè)計模型

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要作用是傳輸數(shù)據(jù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換以及利于管理，所以在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的優(yōu)化難點是傳輸數(shù)據(jù)的實時性、協(xié)議轉(zhuǎn)換的有效性、傳輸?shù)娜萘恳约肮收瞎芾?。物?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的優(yōu)化設(shè)計，是網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化的一種，屬于非線性規(guī)劃方面的問題。本文在研究物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)優(yōu)化設(shè)計時采取的是基于Zigbee/GPRS協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)[3]，所構(gòu)架的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的三層結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

本文所構(gòu)筑的模型主要考察的是指一個通信周期中，網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)綜合效益以及最優(yōu)化的機構(gòu)模型，該模型是以Zigbee/GPRS協(xié)議為基礎(chǔ)的，所以需要在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中得到驗證。在三層結(jié)構(gòu)化模型中，上層代表的是決策節(jié)點、中層對應(yīng)備選節(jié)點、下層對應(yīng)的是源節(jié)點[4]。其中上層節(jié)點的行為結(jié)構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的傳輸數(shù)據(jù)的實時性、協(xié)議轉(zhuǎn)換的有效性、傳輸?shù)娜萘恳约肮收瞎芾碇陵P(guān)重要。在本文所建立的模型中，目標是建一個多目標優(yōu)化的模型，并且實時性快時、數(shù)據(jù)量大時、網(wǎng)絡(luò)故障時等情況時尋找最優(yōu)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)負載均衡，不擁塞，不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。

2.1.2 網(wǎng)關(guān)選取的指標

備選物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要來自于以下幾個方面：接入程度與可以連接的節(jié)點數(shù)量；能夠通信的最大節(jié)點數(shù)量；以及節(jié)點的平均移動速度。

2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)優(yōu)化設(shè)計

在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)矩陣設(shè)計中，先設(shè)定在網(wǎng)絡(luò)中有n個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，并且將這些網(wǎng)關(guān)機尾{G1，G2，G3……Gn}。參考在群決策的集結(jié)意見，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的評價矩陣建立起來：

在建立的矩陣中，G下面的數(shù)目字表示物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的編號，ai選定其中編號為i的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的模糊評價值。在建立了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的評價矩陣之后，所得在各種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的各種路徑被選用的概率計算模型如下：

其中公式（3）表示的是通信流量的分配率，θ為陪參數(shù)，f為多徑分流中有效路徑的條數(shù)。

2.1.4 優(yōu)化結(jié)果分析

在三層決策模型優(yōu)化算法后，在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)遵循的IEEE 802.15.4/Zigbee協(xié)議中進行分析，數(shù)據(jù)表示經(jīng)過三層結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性提高、傳輸數(shù)據(jù)吞吐度增加。

（1）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的實時性提升，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在模型中是表現(xiàn)出比較優(yōu)良的數(shù)據(jù)傳輸能力。經(jīng)過比較網(wǎng)關(guān)前后分組的總數(shù)目對比可知，三層模型能夠擴展協(xié)議并且在阻塞的情況下保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的流通。在三層模型中延遲大大降低，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r性。物聯(lián)網(wǎng)的實時性得到提升。

（2）當數(shù)據(jù)量大時，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的單徑傳輸會造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。因此在本文所展示的三層模型以及優(yōu)化設(shè)計中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)會自動尋找與節(jié)點不相交的其它路徑，從而選擇決策模型中的其他路徑。而且數(shù)據(jù)量越多，多徑傳輸?shù)暮锰幘捅憩F(xiàn)得越明顯。

（3）當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)會某段會失去連接。因此恢復(fù)斷開的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是十分必要的優(yōu)化設(shè)計。在相關(guān)的協(xié)議中，當物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)失去節(jié)點，會立刻朝備用的網(wǎng)關(guān)發(fā)出節(jié)點信號，直到能夠順暢的傳遞數(shù)據(jù)為止。

3 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)中的橋梁，起著傳輸數(shù)據(jù)、適應(yīng)協(xié)議的作用。本文以物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為研究對象，基于GPRS/Zigbee的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，提出三層結(jié)構(gòu)的理論模型對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行優(yōu)化處理。主要探討在優(yōu)化過程中解決數(shù)據(jù)延遲、大量數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)故障的問題。多徑傳輸顯得更加具有優(yōu)勢。

參考文獻：

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作者簡介：張慧（1989.7.1-），女，山東省諸城市人，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。