異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制算法

管乃彥, 郭娟利

(天津大學 建筑學院, 天津 300072； 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室, 天津 300072)

傳統(tǒng)光纖網(wǎng)絡(luò)很難滿足用戶對帶寬網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點移動覆蓋性的需求[1], 需要構(gòu)建異構(gòu)的無線通信網(wǎng)絡(luò), 實現(xiàn)高覆蓋度的高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信[2]. 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)采用動態(tài)路由組網(wǎng)進行設(shè)計[3], 結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信等網(wǎng)絡(luò)通信, 集成一個動態(tài)復雜且速度較快的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[4], 有效滿足了用戶對網(wǎng)絡(luò)保密性通信、 快速通信和抗干擾性強的需求[5]. 在異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有路由多源性, 網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點通信覆蓋受網(wǎng)絡(luò)負載和帶寬等因素的影響, 導致覆蓋度較低[6].

異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)采用基于IEEE 802.11p的路由協(xié)議[7], 為提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和通信覆蓋能力, 降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼`比特率, 需進行節(jié)點覆蓋優(yōu)化控制. 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制算法主要包括VANET路由協(xié)議設(shè)計方法、 Ad hoc NETwork節(jié)點優(yōu)化覆蓋方法和能量均衡控制算法等[8], 上述方法通過構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由傳輸探測協(xié)議, 采用基于距離測量和能量概率密度分析等方法進行網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點的優(yōu)化部署, 提高了網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋能力, 但隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)模的擴大, 高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信中離群失聯(lián)節(jié)點增多； 文獻[3]提出了基于客觀權(quán)重確定的方法, 通過對故障路由節(jié)點的及時診斷和路由修復, 提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力, 但該方法對大規(guī)模異構(gòu)通信節(jié)點的抗干擾性不強； 文獻[4]提出了基于距離測量和路由探測分析的異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點優(yōu)化部署方法, 提高了對異常節(jié)點的定位能力和網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋能力, 但對先驗信息的需求量較大, 在節(jié)點參考信息不足的情形下網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能較差. 為克服上述傳統(tǒng)算法的弊端, 本文提出一種基于能量負載均衡控制的異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制算法. 首先構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署和路由探測模型, 采用相鄰路由的負載均衡控制協(xié)議進行路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計, 然后利用能量負載均衡控制算法提高高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度.

1 節(jié)點部署和路由探測模型

1.1 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布模型

首先構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布結(jié)構(gòu)模型和路由探測模型. 采用均勻線性陣列分布模型構(gòu)建典型異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組網(wǎng)系統(tǒng), 假設(shè)異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布的有向圖模型為W={u,w1,w2,…,wk}, 在數(shù)據(jù)交互中心, 采用產(chǎn)品序列號(SN)、 Sink和跳數(shù)hop_count進行異構(gòu)信息傳輸通信[9], 設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在M個SN節(jié)點, 在不同時滯下, 高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互的線性調(diào)頻長度為ni, 種類為rj, 傳輸?shù)耐ㄐ糯a元為x(k-1),…,x(k-M), 高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)所有子節(jié)點傳輸?shù)臄U展集合表示為P(ni)={pk|prkj=1,k=1,2,…,m}, 路由鏈路信息集合為S={1,2,…,n}, 連通集集合i={i1,i2,…,in}, 則異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分組排列種類為

(1)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺纻鬏斈Ｐ蜐M足

路由節(jié)點的初始編號為{1,2,3,4,5}, 在異構(gòu)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布式排列如下：

{1,3,5,2,4}, {1,4,2,5,3}, {2,4,1,3,5}, {2,4,1,5,3}, {2,5,3,1,4};

{3,1,4,2,5}, {3,1,5,2,4}, {4,2,5,3,1}, {3,5,2,4,1}, {5,3,1,4,2};

{3,5,1,4,2}, {4,1,3,5,2}, {5,2,4,1,3}, {5,3,1,4,2}.

選擇路由傳輸信道Qn中的任意兩個排列進行節(jié)點優(yōu)化組網(wǎng), 得到節(jié)點分布向量集{i1,i2,…,in}和{j1,j2,…,jn}, 分別稱中繼節(jié)點指令集為X, Sink節(jié)點指令集為Y, 通過自適應能量均衡進行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點優(yōu)化部署, 得到節(jié)點的分布式控制目標函數(shù)F為

其中:f表示移動節(jié)點受到的虛擬引力；pN表示第N個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的感知半徑；m1表示第1個虛擬點和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離；E0表示異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的初始節(jié)點能量；EN表示異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)第N個節(jié)點的能量值；LN表示第N個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信半徑. 在T時刻內(nèi), 令zi(k)∈p×1為第i個異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量值, 通過能量管理機制[10]進行節(jié)點部署, 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸?shù)哪芰肯臄?shù)學期望為

(3)

(4)

若E(X)≠E(Y), 則當前高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由為最優(yōu)的； 若E(X)=E(Y), 則根據(jù)D(X)與D(Y)進行路由決策, 構(gòu)建如表1所示的路由信息表.

表1 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)路由消息互傳狀態(tài)

根據(jù)表1構(gòu)建路由信息表, 得到異構(gòu)環(huán)境下初始路由編號為{1,2,3,4,5,6},Qn=14, 節(jié)點定位信息約束條件滿足：

E0+…+EN-L1p1-…-LN+1pN+1=0.

(5)

對于任意的mi∈均滿足路由表項的能量均衡, 聯(lián)合概率分布特征函數(shù)為

根據(jù)上述構(gòu)建的異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布模型, 進行節(jié)點優(yōu)化部署和路由探測算法設(shè)計.

1.2 路由探測算法設(shè)計

(7)

(8)

其中： ?為權(quán)重系數(shù)；mN為第N個虛擬點和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離. 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點i在t時刻的位置可表示為：

Xi(t)=(xi1(t),xi2(t),…,xiD(t)).

(9)

定義往返時延(round-trip time, RTT)表示異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信的傳播衰減, 可得能量補償后異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)特定節(jié)點的優(yōu)化發(fā)射功率遞推公式為

(10)

在優(yōu)化覆蓋度下, 高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息負載均衡的約束代價函數(shù)為

pk(Sk-Si-1)+pk+1(Si-Sk)=pi(Si-Si-1).

(11)

對節(jié)點的輸出功率進行增益擴展, 令傳輸功率pi,pk,pk+1所對應的傳輸速率分別為ri,rk,rk+1, 則根據(jù)能量衰減原理, 可得異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的覆蓋度為

計算高速互聯(lián)網(wǎng)通信均衡負載的承載能力, 通過能量管理路由機制構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布模型, 實現(xiàn)路由探測設(shè)計.

2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制實現(xiàn)

2.1 路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計

為提高高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度, 在上述異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布模型設(shè)計和路由探測算法設(shè)計的基礎(chǔ)上, 本文提出一種基于能量負載均衡控制的異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制算法, 采用相鄰路由的負載均衡控制協(xié)議進行路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計, 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)端到端路由探測的分布模型為

(13)

其中：ru(0

Pgraph={1-[1-(1-Pe)2(1-Pd)]m}n,

(14)

在能量負載均衡控制下, 路由協(xié)議優(yōu)化控制的局部時間尺度為

PAOMDV=(1-Pd)2{1-[1-(1-Pe)n(1-Pd)n-1]m},

(15)

其中：Pe為特定源節(jié)點的能量開銷；Pd為鏈路的存活時間. 對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由的負載開銷進行幅值估計, 采用網(wǎng)絡(luò)沖突路由模糊約束檢測方法, 得到能量均衡控制后的誤碼輸出結(jié)果為

(16)

其中：n(t)為干擾項；si(t)為路由鏈路節(jié)點上的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息. 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由鏈路信息表匹配程度可通過模糊約束控制算法進行自適應修正, 采用相鄰路由信息表的循環(huán)控制算法, 得到路由轉(zhuǎn)發(fā)的探測報數(shù)檢測輸出為

(17)

其中f表示路由地址的檢測頻率. 源節(jié)點和目的節(jié)點的約束傳遞函數(shù)為

(18)

其中： Re(·)表示取實部;ai(t)為異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息包的包絡(luò)幅值. 輸出路由鏈路信息表的統(tǒng)計量為

(19)

通過路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計, 采用能量負載均衡控制算法提高高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度.

2.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制設(shè)計

在多路徑路由探測下, 采用能量負載均衡控制算法對網(wǎng)絡(luò)覆蓋進行優(yōu)化控制. 假設(shè)動態(tài)路由協(xié)議的目的端口長度為N, 路由鏈路信息表的時間序列為x, 路由轉(zhuǎn)發(fā)信息矩陣的N×1列向量x(n)∈N. 探測數(shù)據(jù)x在到達鏈路終端的鏈路信息表為Ψ={Ψ1,Ψ2,…,ΨN}, 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)下一跳路由節(jié)點的節(jié)點能耗為

(20)

在異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中, 路由鏈路節(jié)點的存活數(shù)為Nnode, 在路由鏈路分布空間上進行鏈路信息的優(yōu)化覆蓋, 構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由向量邊為

(21)

其中Newi′={ei′,1,ei′,2,…,ei′,D}是路由鏈路沖突節(jié)點發(fā)送的動態(tài)路由數(shù)據(jù)包. 根據(jù)如下公式生成動態(tài)路由鏈路模型：

(22)

其中：sR表示端到端路由的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息. 路由節(jié)點覆蓋的概率密度為

(23)

3 仿真結(jié)果分析

下面通過仿真實驗測試本文算法在異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)覆蓋優(yōu)化控制中的性能, 仿真實驗的硬件環(huán)境采用聯(lián)合PC機, 配置參數(shù)為： CPU 3.0 GHz, 12 GB內(nèi)存, 仿真軟件環(huán)境為MATLAB 2007, 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的鏈路節(jié)點數(shù)目為10 000, 網(wǎng)絡(luò)鏈路中干擾的信噪比為0～100 dB, 網(wǎng)關(guān)位置為(0,0), 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的初始傳輸比特率為240 B/(s·Hz-1), Sink節(jié)點傳輸一個統(tǒng)計單位的數(shù)據(jù)能量消耗為500 nJ/bit. 根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定, 進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制, 首先進行網(wǎng)絡(luò)鏈路中傳輸數(shù)據(jù)的特征采樣, 采樣帶寬為6 dB, 頻率為12 kHz, 得到鏈路傳輸數(shù)據(jù)采樣的時域波形如圖1所示.

以上述采樣的數(shù)據(jù)為研究對象進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制, 分析能量負載均衡性能, 采用相鄰路由的負載均衡控制協(xié)議進行路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計, 得到路由信息表中檢測到的探測報文的歸一化瞬時頻譜如圖2所示.

圖1 異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鏈路 傳輸數(shù)據(jù)采樣時域波形

圖2 路由信息表中檢測到的 探測報文歸一化頻譜

圖3 網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋概率對比

由圖1和圖2可見, 采用本文算法進行路由探測設(shè)計, 有效實現(xiàn)了高速互聯(lián)網(wǎng)在異構(gòu)環(huán)境下的能量均衡, 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性能較強. 以此為基礎(chǔ)進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制, 為了定量分析其性能, 采用本文算法與文獻[3]算法進行對比, 得到高速互聯(lián)網(wǎng)有效覆蓋概率對比結(jié)果如圖3所示. 由圖3可見, 本文算法的網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋概率遠高于文獻[3]算法, 提高了網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋能力.

綜上所述, 本文針對高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)因為通信覆蓋控制性較差導致負載失衡的問題, 提出了一種基于能量負載均衡控制的異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化控制算法. 首先構(gòu)建異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署和路由探測模型, 采用相鄰路由的負載均衡控制協(xié)議進行路由協(xié)議優(yōu)化設(shè)計； 然后采用能量負載均衡控制算法提高高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度. 仿真結(jié)果表明, 本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制算法能實現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境下高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由均衡控制, 網(wǎng)絡(luò)信道傳輸?shù)木庑院涂垢蓴_性均較好, 網(wǎng)絡(luò)的通信覆蓋能力較強.