基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級的物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路調(diào)度算法①

王彩玲

(河南警察學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)安全系，河南 鄭州 450046)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息科技的重要組成部分，也是信息化發(fā)展的重要體現(xiàn)之一。物聯(lián)網(wǎng)顧名思義就是采用物質(zhì)與物質(zhì)相連的網(wǎng)絡(luò)，但其核心依舊是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1-2]。將具有感知、處理、通信能力的智能設(shè)備連接應(yīng)用，優(yōu)化管理過程，提升工作效率，實(shí)現(xiàn)智能化工作就是物聯(lián)網(wǎng)使用的目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用普及為人們的生產(chǎn)、生活方式帶來了重大的變化。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成了巨大的影響，其在工業(yè)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域以及醫(yī)療領(lǐng)域均做出了巨大的貢獻(xiàn)[3]。

通過文獻(xiàn)研究可知，一般物聯(lián)網(wǎng)體系中包含四部分，分別為：感知層、管理層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。在物聯(lián)網(wǎng)的使用過程中，主要通過將數(shù)據(jù)信息在這四層中傳輸，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)。在網(wǎng)絡(luò)中，信息傳輸調(diào)度是影響其使用效果的主要因素。網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)度是對網(wǎng)絡(luò)中存在的數(shù)據(jù)展開確定性規(guī)劃的過程[4-5]。在以往的研究中，通常采用物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)對其的控制，但此種方法使用后系統(tǒng)資源利用率過低，無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的最優(yōu)傳輸。因而，在此次設(shè)計(jì)中，采用數(shù)據(jù)優(yōu)先級技術(shù)對其展開優(yōu)化，并設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級的物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路調(diào)度算法。通過設(shè)定數(shù)據(jù)類型的先后設(shè)定，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸中數(shù)據(jù)的調(diào)度。在此算法設(shè)計(jì)完成后，將采用其與文獻(xiàn)[7]中的調(diào)度算法進(jìn)行算例測試，以此完成對文中設(shè)計(jì)方法的研究。

1 基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級的物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路調(diào)度算法設(shè)計(jì)

針對原有物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路調(diào)度算法在日常使用中出現(xiàn)的問題，在此次設(shè)計(jì)中將采用數(shù)據(jù)優(yōu)先級技術(shù)對其展開優(yōu)化。常見的數(shù)據(jù)級優(yōu)化技術(shù)通常采用對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類對比的形式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的先后順序設(shè)定。在此次研究中將此技術(shù)應(yīng)用至任務(wù)的排序中，并通過此排序結(jié)果將作為傳輸鏈路調(diào)度的基礎(chǔ)。此次設(shè)計(jì)共分為3部分，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

1.1 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路模型

為實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)信息的調(diào)度，首先構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型。假設(shè)在物聯(lián)網(wǎng)以網(wǎng)絡(luò)沖突圖(圖1)為例，在物聯(lián)網(wǎng)中存在a個通信節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)的信息為B={b1,b2,…,bn}，無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?yàn)檫呴L是c的樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]，各節(jié)點(diǎn)通過通信鏈路完成通信過程。通過研究可知，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)之間的鏈路長度為|m-n|r，可以實(shí)現(xiàn)通信過程。在此次研究中，設(shè)定傳輸半徑為r，且r值足夠大，以此保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的正常通信。

圖1 網(wǎng)絡(luò)鏈路模型圖

圖1中，通過字母顯示物聯(lián)網(wǎng)中的信息節(jié)點(diǎn)，數(shù)字表示鏈路的序號。通過此模型圖可知，每個節(jié)點(diǎn)都會有相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)，并產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸。在此物聯(lián)網(wǎng)中處在多個任務(wù)，設(shè)定pm為第m個節(jié)點(diǎn)的任務(wù)。各任務(wù)的定義設(shè)定為M={m1,m2,…,mn}。每個節(jié)點(diǎn)的任務(wù)pi隨機(jī)確定使用的通信鏈路。

1.2 任務(wù)數(shù)據(jù)等級分化

由上文中設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)模型可知，物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路調(diào)度問題可定義為：在給定的任務(wù)鏈路Y={y1,y2,…,yn}，當(dāng)Y在兩節(jié)點(diǎn)之間擁有相應(yīng)的任務(wù)數(shù)據(jù)中，Y為物聯(lián)網(wǎng)中的一個可行調(diào)度[8-9]。因而，在任務(wù)信息傳輸?shù)倪^程中，將h個時間片組成的調(diào)度d是網(wǎng)絡(luò)任務(wù)傳輸?shù)谋匾獥l件。通過此定義可知，任務(wù)傳輸鏈路的任務(wù)傳輸量可以表示為：

gif=gd+gmn

(1)

上式中，gd傳輸鏈路的信息傳輸總量。通過文獻(xiàn)研究可知，物聯(lián)網(wǎng)中存在多種任務(wù)信息，此次數(shù)據(jù)優(yōu)先級設(shè)定根據(jù)任務(wù)的重要程度進(jìn)行劃分[10-11]。給定任務(wù)信息為L,定義L的優(yōu)先級需要綜合任務(wù)時間以及任務(wù)位置兩種因素，設(shè)定當(dāng)前L信息所處位置為(xL,yL),當(dāng)前任務(wù)處理時間為tL,則此任務(wù)在鏈路k上的優(yōu)先級為：

Qk=Sk(L)*Tk(L)*VL

(2)

上式中，Sk(L)為任務(wù)數(shù)據(jù)所在的鏈路位置，Tk(L)為任務(wù)的額定處理時間，VL為任務(wù)的數(shù)據(jù)類型。通過此公式，對鏈路中的任務(wù)信息進(jìn)行排序，并根據(jù)排序過程對任務(wù)鏈路進(jìn)行調(diào)度。

1.3 構(gòu)建調(diào)度器

采用上述設(shè)定的數(shù)據(jù)級優(yōu)先結(jié)果，設(shè)定適用于物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路的調(diào)度器，具體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 調(diào)度器設(shè)計(jì)流程

(3)

使用數(shù)學(xué)歸納法[14]，設(shè)定每條鏈路中以此僅能傳輸一個任務(wù)，則有：

Ri

(4)

將此約束條件引入調(diào)度器，其余調(diào)度部分采用原有調(diào)度算法[15]中的設(shè)計(jì)部分，實(shí)現(xiàn)采用數(shù)據(jù)優(yōu)先級技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路調(diào)度算法的優(yōu)化過程。至此，基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級的物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路調(diào)度算法設(shè)計(jì)完成。

2 算例測試

在上述部分中，完成了對基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級的物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路調(diào)度算法的設(shè)計(jì)過程。在此部分中，設(shè)計(jì)算例測試環(huán)節(jié)，對文中設(shè)計(jì)算法的有效性進(jìn)行研究。

2.1 測試環(huán)境

在此次測試中，為保證測試結(jié)果的有效性，對測試鏈路進(jìn)行設(shè)定，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試鏈路參數(shù)設(shè)定

采用上述參數(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路進(jìn)行仿真，并將此作為測試環(huán)境，采用文中設(shè)計(jì)算法與其他兩種算法展開對照測試。

2.2 測試過程

在此次測試中，將采用文中設(shè)計(jì)算法與其他兩種算法展開對比。為保證測試結(jié)果的可靠性，將此次測試環(huán)境設(shè)定為物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸?shù)纳闲墟溌芬约跋滦墟溌穬刹糠帧Ｊ褂梦闹性O(shè)計(jì)算法以及其他兩種算法對上述兩部分鏈路進(jìn)行信息調(diào)度，并設(shè)定測試指標(biāo)對其進(jìn)行衡量，通過變換物聯(lián)網(wǎng)中的任務(wù)數(shù)目，為此次測試提供變量。

為保證測試結(jié)果的有效性，將原有物聯(lián)網(wǎng)中使用的調(diào)度公式與文獻(xiàn)[7]中使用的調(diào)度公式顯示如下，并采用此兩種公式與文中設(shè)計(jì)算法進(jìn)行對比。

(5)

PRFj(t,α)=ej(t,α)*βj*oj(t)

(6)

上式中，ej(t,α)、ei(t,α)為t時刻，信息在第α個鏈路上的傳輸時間。βj為調(diào)度常量，用來調(diào)整不同的數(shù)據(jù)在鏈路中的傳輸速度，Eave(i,t)為傳輸?shù)钠骄鶗r間，i為原有算法中的參數(shù)，j為文獻(xiàn)[7]中算法的參數(shù)。采用上述兩公式與文中設(shè)計(jì)算法進(jìn)行對比，并將調(diào)度結(jié)果通過測試指標(biāo)體現(xiàn)出來。

圖3 上行鏈路測試結(jié)果

2.3 測試指標(biāo)

在此次測試中，共設(shè)定三類測試指標(biāo)，通過指標(biāo)計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)算法、原有算法以及文獻(xiàn)[7]中的調(diào)度算法的使用差異。

此次測試指標(biāo)設(shè)定如下：網(wǎng)絡(luò)傳輸信息吞吐量、網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率以及網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

圖4 下行鏈路測試結(jié)果

網(wǎng)絡(luò)吞吐量：吞吐量是指對網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、端口、虛電路或其他設(shè)施，單位時間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量。在此次測試中，主要為鏈路在單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量。通過公式可將其表示為：

QPS=xi/ti

(7)

在此公式中，QPS為網(wǎng)絡(luò)傳輸信息量，xi為網(wǎng)絡(luò)同一時間處理的事務(wù)量，ti為網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間。

網(wǎng)絡(luò)信息丟包率通過公式可以表示為：

(8)

上式中，U為網(wǎng)絡(luò)鏈路丟包率，Si為有效傳輸數(shù)據(jù)量，Sall為總傳輸數(shù)據(jù)量。

網(wǎng)絡(luò)資源利用率可通過公式表示為：

P=QPS*U

(9)

其余兩指標(biāo)與定義設(shè)定內(nèi)容基本相同。使用上述指標(biāo)作為此次算例測試的衡量標(biāo)準(zhǔn)，并采用此指標(biāo)組實(shí)現(xiàn)對文中設(shè)計(jì)算法與其他兩種算法的使用效果研究。

2.4 測試結(jié)果

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在上行鏈路環(huán)境下，文中設(shè)計(jì)算法的使用效果更佳，通過數(shù)據(jù)分析可知，將三種算法分別使用后，原有算法在網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率方面均為三種方法中的最差效果。已知網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率直接影響著網(wǎng)絡(luò)資源利用率。由上可知，原有方法的使用效果不佳。文獻(xiàn)[7]中的算法使用效果優(yōu)于原有算法，但不及文中算法的使用效果。由此可知，在上行鏈路環(huán)境下，文中設(shè)計(jì)方法使用效果更佳。

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在下行鏈路環(huán)境下，三種算法的使用效果均有小幅度下降，但文中算法使用效果依舊為三種算法中使用效果最佳的算法。文獻(xiàn)中[7]算法出現(xiàn)了丟包率的波動性，由此可知其使用效果不穩(wěn)定。原有算法的測試指標(biāo)均值較低，不能作為下行鏈路的調(diào)度控制方法。由此可知，在下行鏈路環(huán)境下，文中設(shè)計(jì)算法使用效果更佳。

將此部分測試結(jié)果，結(jié)合上行鏈路測試結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)方法在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下使用效果最佳。

3 結(jié) 語

在進(jìn)行了大量的文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，本文選擇了數(shù)據(jù)優(yōu)先級技術(shù)對原有的物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路調(diào)度算法進(jìn)行優(yōu)化。與常見的調(diào)度算法不同，重點(diǎn)關(guān)注一個優(yōu)先級隊(duì)列中其他數(shù)據(jù)的工作時間。此次研究中設(shè)計(jì)的方法主要關(guān)注在使用此方法后，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的資源利用情況。通過算法測試分析結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)算法的使用效果更加適用于物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)傳輸鏈路，由此，可將此方法應(yīng)用于日常計(jì)算中。

在此次設(shè)計(jì)中，還存在部分不足，在優(yōu)先級的管理上沒有考慮到高、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的交換次數(shù)，造成數(shù)據(jù)傳輸中時間較長的問題，在日后的研究中還應(yīng)加以改進(jìn)。