網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點抗干擾技術(shù)研究

那爾斯

(青海省廣播電視信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司， 青海 西寧 810001)

0 引言

作為計算機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的主要組成部分，移動網(wǎng)絡(luò)在我們的生活和工作中都發(fā)揮著重要的作用。網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點在工作時具有一定的規(guī)律，會不停地進(jìn)入、退出，直到脫離系統(tǒng)的管控。只有確保系統(tǒng)擁有良好的傳輸帶寬和及時性，才能減少信號干擾，確保通信效果。當(dāng)前對此方面抗干擾性的研究成果頗多，但是在某些方面都存在不足，限制了其應(yīng)用性。本文針對此種情況，提出了應(yīng)用節(jié)點屬性感知優(yōu)化和弱能量節(jié)點的方式來消除延遲，優(yōu)化節(jié)點傳輸快速性，提升系統(tǒng)的抗干擾性。

1 網(wǎng)絡(luò)通信原理分析

網(wǎng)絡(luò)通信由不同的應(yīng)用部件構(gòu)成，用戶可以通過ADSL、4G、WLAN等多種渠道進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，因使用用戶眾多，存在的差異性較大，因此往往采取分層方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于各渠道之間缺乏兼容性，因此在其進(jìn)行運算時會產(chǎn)生一定的干擾效果，其原理如下[1]。

如果我們將網(wǎng)絡(luò)通信的信號集合設(shè)定為D，其式為D2p={Dm,m=1,2,…,p},網(wǎng)絡(luò)通信信號的強(qiáng)度計算式,如式(1)。

(1)

檢驗密度公式,如式(2)。

(2)

式中，Bp表示通信信號完成傳輸工作時應(yīng)用的總時間；r表示信號微分變換的數(shù)據(jù)，其誤差計算式,如式(3)。

(3)

通過上述三式，我們可以計算出通信信號的對應(yīng)比率,如式(4)。

(4)

利用下方計算式，可以創(chuàng)建出完善的移動網(wǎng)絡(luò)通信模型，以此來提升通信信號的傳遞效率，如式(5)。

J(b)=V2-∑m,n?l?np(bm,bm)+

2∑mxlp(bm,b)-p(b,b)

(5)

借助上述方法，可以確保移動網(wǎng)絡(luò)通信信號在良好的環(huán)境下進(jìn)行傳輸，以此來完成移動網(wǎng)絡(luò)通信。但是受小區(qū)制結(jié)構(gòu)的影響，當(dāng)同頻復(fù)用系統(tǒng)發(fā)生增長后，會產(chǎn)生更大的干擾效果，會直接影響通信質(zhì)量。

2 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點傳輸原理

若想完成網(wǎng)絡(luò)通信的延遲消除工作，首先需要掌握網(wǎng)絡(luò)通信所能負(fù)載的最大值和消耗的能量值，根據(jù)剩余能量值構(gòu)建延遲消除模型，并給出適應(yīng)度函數(shù)當(dāng)做參考數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)為目標(biāo)，進(jìn)行延遲消除工作。

利用Etx(l,d)=l×Eelec+l×eamp×d2計算傳遞信息產(chǎn)生的能量損耗。

利用ERx(l)=l×Eelec計算接受信息產(chǎn)生的能量損耗。

(6)

f1數(shù)值的大小與所剩能量成正比。受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量大的影響，用戶在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時會受到干擾，出現(xiàn)隨機(jī)延遲現(xiàn)象，只有消除延遲才能提升通信節(jié)點的傳輸速度，提高通信質(zhì)量，因此利用屬性自學(xué)習(xí)和利用弱能量節(jié)點來減少干擾是目前廣泛應(yīng)用的方法。

3 節(jié)點屬性自學(xué)習(xí)法

3.1 節(jié)點屬性分類提取

從節(jié)點的特征和概率理論入手，對概率體制進(jìn)行深度分析。將節(jié)點數(shù)據(jù)特征設(shè)定為X，因其自身擁有多個特征項，單項數(shù)據(jù)分別為X1，X2，…，Xn，因這些單項數(shù)據(jù)之間無相關(guān)性，在進(jìn)行計算時可以通過刪除特征項之間的關(guān)聯(lián)項的方式來獲取更加簡化的概率模型。假如n個類型的節(jié)點數(shù)據(jù)分布狀況用g1，g2，…，gn來表示。任意選取兩個網(wǎng)絡(luò)通信渠道，假設(shè)為Xp和Xq，二者無關(guān)聯(lián)性，可獨立工作互不打擾。在X1，X2，…，Xn，中隨意選取兩個都可以確保二者相互獨立，因此可以得出條件概率式,如式(7)。

H(X1=x1,X2=x2,…,Xq=xq/dj)=

(7)

①節(jié)點數(shù)據(jù)k按屬性來劃分應(yīng)該歸屬于sr類，當(dāng)r=0時代表著數(shù)據(jù)之間存在沖突，當(dāng)r=1時則代表節(jié)點數(shù)據(jù)有效，如式(8)。

(8)

②對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，通過計算可以得出后驗概率的最大值,如式(9)。

(9)

應(yīng)用上述計算式的條件是各特征項之間不存在聯(lián)系，可以獨立運行，互不干擾，若在校驗過程中發(fā)現(xiàn)沖突節(jié)點,則要及時進(jìn)行劃分，計算出節(jié)點準(zhǔn)確的有效值，確保網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點運行的穩(wěn)定性[4-5]。

3.2 抗干擾過程分析

提升網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點的抗干擾性是一個需要不斷求精的過程，運用的迭代算法具有循環(huán)性，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整為節(jié)點找到合適的位置。為了確保抗干擾過程順利進(jìn)行，首先需要設(shè)定一個節(jié)點區(qū)間，將上一小節(jié)中計算出的節(jié)點分割結(jié)果輸入到Gossip反饋機(jī)制當(dāng)中，確保各節(jié)點獨自掌握自身信息，不受其他節(jié)點打擾。

抗干擾測試開始后，節(jié)點首先會證明自身所處位置，證明其具備獨立性后會采集相鄰節(jié)點的位置信息，運用最小二乘法計算距離值，通過計算結(jié)果判斷節(jié)點間是否可以完成相互通信。一般條件下，在經(jīng)過大量的測算后，各個節(jié)點間的實際間隔距離誤差值會越來越小，當(dāng)誤差值在合格范圍內(nèi)時，系統(tǒng)會自動停止求精運算。需要注意的是，若是三維空間中的節(jié)點數(shù)量超過4個，對應(yīng)的方程組就會具備超定性，此時運用最小二乘法可以有效地縮小計算誤差，雖然部分節(jié)點仍會對網(wǎng)絡(luò)通信造成干擾，但是從理論上來講，誤差值會朝著逐漸變小的方向發(fā)展。

因為干擾具備必然性，根據(jù)其產(chǎn)生干擾的原因?qū)⑵鋭澐譃閹追N類型：①通信節(jié)點所處的位置坐標(biāo)具有干擾性。②因通信技術(shù)不夠完善而產(chǎn)生的檢驗干擾。③在運算過程中產(chǎn)生的信號干擾。因產(chǎn)生干擾的原因各不相同，因此需要做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，調(diào)整函數(shù)式,如式(10)。

Δf(x)=∑qij(lij-dij)k(i/j)

(10)

式中，Lij表示節(jié)點i、j之間的相隔距離；dij表示節(jié)點i、j之間發(fā)生同頻干擾位置的相隔距離；k(i/j)表示指條件概率值。我們假設(shè)Q(X)為高斯分布函數(shù)的均值，D(X)為方差，如式(11)。

(11)

第j個節(jié)點的概率密度,如式(12)。

(12)

(13)

(14)

(15)

式中，Qrr表示所有相鄰節(jié)點之間的均衡系數(shù)；p表示數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點受干擾的強(qiáng)度與測量距離成正比，因此當(dāng)通信半徑距離不同時得到的Qrr數(shù)值也會發(fā)生明顯變化[6-7]。

4 延遲消除法

4.1 能量計算模型

若想順利地在網(wǎng)絡(luò)通信中開展延遲消除工作，必須掌握進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時所產(chǎn)生的總能量損耗、各節(jié)點能量損耗等多項參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過引入懲罰值的方法來重新規(guī)劃各通信節(jié)點的工作順序。計算OE(總能量損耗)，CE(各節(jié)點能量損耗)和BCP(電池懲罰值)的運算式,如式(16)、式(17)。

(16)

(17)

式中，nls,nhs,nch表示不同網(wǎng)絡(luò)通信條件下對應(yīng)的能量值。當(dāng)所處網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境有所差異時，各節(jié)點之間可以互換工作內(nèi)容，以此來快速地完成任務(wù)，需要注意的是，一個節(jié)點不可過多的進(jìn)行內(nèi)容互換，確保能量損耗值控制在一定范圍內(nèi)。同時還可以借助引入懲罰值的方式來重新排列各個網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點的工作順序，確保其以最好的條件開展工作，如式(18)、式(19)。

(18)

(19)

從式中我們可以得知，第i個網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點在進(jìn)行調(diào)整時參照的是原有的t-1節(jié)點的運行狀況，并最終得到BCi，BCP[t]指的是網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點t的能量抑制值，ngrid指的是整個網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中可以正常運行和使用的節(jié)點數(shù)。當(dāng)BCi的計算數(shù)值處于0-1之間時，證明網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點的能量損耗值在正常范圍內(nèi)，處于正常使用狀態(tài)[8-9]。

4.2 計算網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點的跳變距離

在計算出各個網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點之間的跳變距離后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類并傳送至通信網(wǎng)絡(luò)之中，然后利用三邊測量最大似然法對未能接受到數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點進(jìn)行標(biāo)記，并對其進(jìn)行計算，其運算過程由三個部分構(gòu)成。

(1) 首先利用下式計算各網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點之間的平均跳變距離，如式(20)。

Distancei=Hopsi×Hopsizei

(20)

(2) 將計算出的平均跳變距離分批傳送至網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，未接受到信息的網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點只需轉(zhuǎn)發(fā)第一次收到的每跳平均距離即可。

(3) 將各個網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點所接收到的信息進(jìn)行整合，利用三邊測量最大似然法對未接收到數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點進(jìn)行位置抓取，完成通信節(jié)點距離的測算。

4.3 網(wǎng)絡(luò)簇間交互通信

以前文計算出的各網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點的距離為參考數(shù)據(jù)，計算出在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時所需要消耗的具體能量值和網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點與目標(biāo)簇首二者的間隔距離，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信衰退矩陣，得到多渠道網(wǎng)絡(luò)通信傳輸函數(shù)，以此為參考，對網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行延遲消除，提升抗干擾性。

假設(shè)每個網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點都配備了全向天線且清楚地掌握自身所在的位置坐標(biāo)，我們將通信渠道設(shè)定為瑞利通道，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信所消耗的能量可以通過下式進(jìn)行計算,如式(21)。

(21)

各個網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點在進(jìn)行信息交互時，將交互節(jié)點值設(shè)定為m-1，參考鏈路負(fù)載的相關(guān)性，其發(fā)射能量的測算,如式(22)。

(22)

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時，需要構(gòu)建一個供信息傳遞的衰退矩陣，其自身應(yīng)該具備可獨立運行的高斯隨機(jī)變量，如式(23)。

H=[h1,h2,…,hm]

(23)

在該序列式中，所有元素的方差值都是1。當(dāng)m=1時，H=[h1]，其余數(shù)值以此類推進(jìn)行計算，如果在網(wǎng)絡(luò)通信過程中出現(xiàn)了兩個或多個天線功率相同的情況，那么需要計算信噪比，如式(24)。

(24)

根據(jù)Chernoff邊界定理為參考依據(jù)，隨誤符號率進(jìn)行計算，如式(25)。

(25)

(26)

(27)

計算結(jié)束后，取閾值當(dāng)中的最大值當(dāng)做計算參數(shù)，可以計算出網(wǎng)絡(luò)通信時產(chǎn)生的平均發(fā)射能量值,如式(28)。

(28)

如果初始通信節(jié)點與目標(biāo)通信節(jié)點之間相隔較遠(yuǎn)，在理論上來講，各網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點間的距離可視為相等，可以表示為εdcjB≈dabo，如式(29)。

(29)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點之間進(jìn)行信息傳遞時，收發(fā)端都會產(chǎn)生能量損耗，我們用Ec來表示，如式(30)。

Ec(m)=mEct+Ecr

(30)

結(jié)合上述公式，我們可以計算出網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點相互之間進(jìn)行通信時所需要的總體能量值,如式(31)。

(31)

在計算出最大能耗值后，可以在網(wǎng)絡(luò)通信中選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行信息傳遞和延遲消除，以此來提升通信節(jié)點的抗干擾性，確保通信正常進(jìn)行。

5 實驗結(jié)果與分析和評價指標(biāo)

本文應(yīng)用節(jié)點屬性自學(xué)習(xí)法和延遲消除法來提升網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點的抗干擾性，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆抡鎸嶒瀬砼袛嗥涫欠窬邆淇尚行?。在本次仿真實驗中，我們設(shè)計了7個信號干擾源，劃定了5個干擾區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點的綜合可以達(dá)到1 000個以上。在移動終端的選擇上，我們選擇日常生活中應(yīng)用較為頻繁的手機(jī)和可通信終端這兩種設(shè)備。由于在進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度算法時，數(shù)據(jù)往往具備隨機(jī)性，因此選擇了VRN算法來適當(dāng)?shù)亟鉀Q這一問題，對比傳統(tǒng)抗干擾方法Kademlia、AKademlia和本文提到的抗干擾方法優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)通信狀況，開始進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果，如表1所示。

表1 三種實驗方法抗干擾性統(tǒng)計表

從表1中我們可以看出，除了在極少時段,傳統(tǒng)的Kademlia、AKademlia的抗干擾效果會略高于本文所應(yīng)用的延遲消除法和節(jié)點屬性自學(xué)習(xí)法，本文所應(yīng)用的抗干擾方法的效果都是遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法的，其數(shù)值可穩(wěn)定控制在0.8左右，證明其對動態(tài)環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，抗干擾效果好，可以確保網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，可以進(jìn)行廣泛地推廣和使用[10]。

6 總結(jié)

本文采用了節(jié)點屬性自學(xué)習(xí)和延遲消除兩種方法來加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的抗干擾性，可以對受到干擾的節(jié)點的狀態(tài)和所處位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和分析，創(chuàng)建動態(tài)推理區(qū)間，采用Gossip程序來進(jìn)行信息采取，有效解決相鄰?fù)l段節(jié)點之間互相干擾的問題。還可以一定程度上優(yōu)化各通信節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸速度，提升通信質(zhì)量，帶給用戶更好的體驗。并于文章的最后進(jìn)行了仿真實驗，通過實驗結(jié)果我們也驗證了這兩種抗干擾方法擁有良好的使用效果，可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，具有可實施性和可操作性。