模糊理論在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的應(yīng)用

常賽

【摘 要】隨著無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，合理高效的分布式算法體系的設(shè)計(jì)尤為重要。而模糊理論以模糊不確定復(fù)雜系統(tǒng)為研究對象并對其進(jìn)行嚴(yán)格量化處理，為分布式算法體系的設(shè)計(jì)提供了有力保障。討論了模糊理論在無線信道估計(jì)、負(fù)載均衡及流量預(yù)測等方面的應(yīng)用，事實(shí)證明，模糊理論的應(yīng)用對Ad hoc網(wǎng)絡(luò)性能的提升具有積極的作用。

【關(guān)鍵詞】模糊理論；Ad hoc；負(fù)載均衡

0 前言

無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)起源于美國DARPA的分組無線網(wǎng)（PRNET， Packet Radio Network）項(xiàng)目，是由IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)定義的一種對等式無線通信網(wǎng)絡(luò)。不同于以蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)為代表的中心輻射式架構(gòu)，Ad hoc不依賴于任何預(yù)設(shè)設(shè)施，適用于固定通信設(shè)施無法覆蓋及各類臨時(shí)通信場景，網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)處于平等的地位，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈合，具有良好的自治性及抗毀性能。Ad hoc的另一個(gè)特性在于各節(jié)點(diǎn)均支持?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可實(shí)現(xiàn)多跳通信，支持動(dòng)態(tài)拓?fù)?，方便網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)模及空間的拓展。正是由于上述種種優(yōu)勢，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)已作為重要的通信領(lǐng)域重要的組成部分廣泛應(yīng)用于臨時(shí)會(huì)議、個(gè)人局域網(wǎng)、智能硬件、抗震救災(zāi)、野外勘探、軍事打擊等方面。

由于Ad hoc采用分布式架構(gòu)，其算法設(shè)計(jì)相對于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)集中式的網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)高效可行的算法體系已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

1 模糊理論介紹

隨著社會(huì)的進(jìn)步，研究對象日趨復(fù)雜，其表現(xiàn)的非線性、時(shí)變性、不確定性使得精確數(shù)學(xué)模型的建立無法實(shí)現(xiàn)，動(dòng)搖了傳統(tǒng)理論分析的基石。

模糊理論（Fuzzy Theory， FT）屬于運(yùn)籌學(xué)范疇，打破了以二值邏輯為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)思維，接受模糊性現(xiàn)象存在的事實(shí)，并對其進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，最終得到精確量化的輸出，特別適用于非線性、時(shí)變、滯后、模型不完全系統(tǒng)的應(yīng)用。

模糊決策的設(shè)計(jì)包含輸入維度的選擇、模糊語言取值、隸屬度函數(shù)的確定、模糊規(guī)則庫的建立、模糊推理及解模糊化等步驟。其中輸入維度應(yīng)選擇與輸出值具有明顯邏輯關(guān)系的元素；模糊語言取值通常選取3、5或者7個(gè)，如取{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}；隸屬度函數(shù)描述了各維度及輸出取值到模糊語言集的映射；模糊規(guī)則庫又稱專家?guī)?，由若干條if-then結(jié)構(gòu)的模糊語句組成，是從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值過渡到模糊決策的核心環(huán)節(jié)，屬于模糊理論設(shè)計(jì)的難點(diǎn)；模糊推理是利用規(guī)則庫對實(shí)際輸入值進(jìn)行判決獲取輸出值的過程；解模糊化則對模糊的輸出值進(jìn)行量化，完成模糊系統(tǒng)向精確系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。

2 模糊理論應(yīng)用

2.1 信道估計(jì)

無線信道由于多徑、衰落、多普勒頻移等因素影響具有明顯的時(shí)變性，因此Ad hoc協(xié)議設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的感知，并自適應(yīng)的調(diào)整工作參數(shù)，以保證系統(tǒng)的自組織特性?，F(xiàn)有算法中前向信道狀態(tài)僅在收到反饋信息時(shí)進(jìn)行更新，而為防止過多的開銷，反饋系統(tǒng)間隔設(shè)置往往較長，造成采納值相對于實(shí)時(shí)值存在較大的時(shí)間落后性。而合理運(yùn)用模糊理論，則可以從數(shù)據(jù)接收反饋、反向信道感知等多個(gè)維度對信道狀態(tài)進(jìn)行修正，保證前向信道狀態(tài)的采納值向?qū)崟r(shí)值的逼近，從而提升數(shù)據(jù)吞吐量及傳輸正確性。

2.2 負(fù)載均衡

Ad hoc屬于典型的多跳網(wǎng)絡(luò)，報(bào)文通常需要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)才能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。受無線信道本身的物理特性限制，其提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對于有線信道要低得多，若網(wǎng)內(nèi)存在多個(gè)業(yè)務(wù)，則會(huì)增加因?yàn)閭€(gè)別節(jié)點(diǎn)負(fù)載較重而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的概率。為從根本解決這個(gè)問題，需要源節(jié)點(diǎn)及各中繼節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行路由優(yōu)選時(shí)運(yùn)用模糊理論建立以Qos指標(biāo)如時(shí)延、抖動(dòng)為因素的綜合評價(jià)機(jī)制，從而保證業(yè)務(wù)的快速傳遞及并發(fā)傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級的負(fù)載均衡。

2.3 流量預(yù)測

無線流量預(yù)測對于網(wǎng)絡(luò)性能研究意義重大，通過合理有效的預(yù)測，可以相應(yīng)調(diào)整業(yè)務(wù)的接納控制，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的分配，保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，提升網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能。而模糊預(yù)測作為預(yù)測機(jī)制研究的重要分支，通過模型預(yù)測、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正等機(jī)理來完成預(yù)測分析，目前已在電力負(fù)荷、工業(yè)控制、經(jīng)濟(jì)分析等領(lǐng)域取得良好的效果。對于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，可以通過建立模糊多項(xiàng)式，利用對歷史數(shù)據(jù)對各階系數(shù)進(jìn)行在線的因素篩選及擬合逼近，并從精度、模糊度、擬合度三方面進(jìn)行考核評價(jià)，最終達(dá)到業(yè)務(wù)流量預(yù)測的目的。

3 結(jié)束語

本文討論了模糊理論在無線通信領(lǐng)域多方面的應(yīng)用，從中可以發(fā)現(xiàn)模糊理論的適當(dāng)運(yùn)用有助于改善網(wǎng)絡(luò)性能。

模糊理論不依賴于精確地?cái)?shù)學(xué)建模，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，符合現(xiàn)代通信理論的原則。但模糊控制仍存在設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性、隸屬度量化精度難以確定、模糊規(guī)則通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲取等多方面問題亟待解決。隨著模糊理論的日益成熟，其在無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域及其他領(lǐng)域的應(yīng)用勢必會(huì)更加廣泛。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]方志明.自適應(yīng)模糊控制理論的研究[D].江蘇大學(xué)，2003.

[責(zé)任編輯：湯靜]