大數(shù)據(jù)通信儀表的自動(dòng)化傳輸控制模型研究

趙 健

（長(zhǎng)春財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130122）

0 引言

數(shù)據(jù)傳輸控制在傳輸完整數(shù)據(jù)過(guò)程中是非常重要的，它可以采用有效模型獲取數(shù)據(jù)，并減少網(wǎng)絡(luò)能耗。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了較高的多變性，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，無(wú)線鏈路上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤碼率較高，通信數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行傳輸時(shí)，也產(chǎn)生了較高的碰撞丟包率，與此同時(shí)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)由于存儲(chǔ)空間減少，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸控制效率降低，控制效果變差。除以上問(wèn)題外，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)暴露受損導(dǎo)致增加了網(wǎng)絡(luò)能耗，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力有限，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸信道的帶寬分配不均衡，通信數(shù)據(jù)部分丟失[1,2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)大數(shù)據(jù)通信儀表的自動(dòng)化傳輸控制進(jìn)行了相應(yīng)的研究，有學(xué)者建立了大數(shù)據(jù)收集樹(shù)的傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模型，通過(guò)該模型采用啟發(fā)式算法對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，還有些學(xué)者建立了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)傳輸模型，采用優(yōu)化算法對(duì)該模型進(jìn)行優(yōu)化，以上模型降低了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的誤碼率、碰撞丟包率，但沒(méi)有有效提升節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸控制效率、控制效果，也沒(méi)有降低由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受損而增加的網(wǎng)絡(luò)能耗[3,4]。

基于此，本文建立了大數(shù)據(jù)通信儀表的自動(dòng)化傳輸控制模型，通過(guò)該模型實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)化控制，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證本文建立的大數(shù)據(jù)儀表的自動(dòng)化傳輸控制模型的有效性。

1 建立自動(dòng)化控制模型

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在進(jìn)行傳輸時(shí)，會(huì)形成一定量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)多個(gè)網(wǎng)段時(shí)會(huì)產(chǎn)生延遲，延遲越長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的能耗越少，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)接收的速度越快，通信數(shù)據(jù)越不容易丟失，基于大數(shù)據(jù)通信的通信數(shù)據(jù)傳輸控制分成多個(gè)過(guò)程，過(guò)程包括：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)編碼、解碼、傳輸、數(shù)據(jù)接收等。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)編碼階段主要通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼，為通信數(shù)據(jù)中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)提供編碼服務(wù)，編碼過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生新的編碼數(shù)據(jù)包，在大數(shù)據(jù)傳輸階段，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中的中路節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，中路節(jié)點(diǎn)接收傳輸請(qǐng)求后，將編碼階段產(chǎn)生的編碼數(shù)據(jù)包傳輸給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收編碼數(shù)據(jù)包后，將其進(jìn)行緩存并對(duì)接收、傳輸過(guò)程進(jìn)行控制[5,6]。

根據(jù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中大數(shù)據(jù)的傳輸、控制過(guò)程，建立自動(dòng)化控制模型，過(guò)程如下：

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸控制過(guò)程會(huì)受到源節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)傳輸帶寬容量的影響，可通過(guò)數(shù)據(jù)誤碼率L來(lái)分析節(jié)點(diǎn)傳輸帶寬對(duì)其產(chǎn)生的影響強(qiáng)度，為了防止了大量的數(shù)據(jù)包在傳輸控制過(guò)程中，擁堵在同一種節(jié)點(diǎn)上，使傳輸信道的帶寬分配不均衡，需要對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的傳輸速率進(jìn)行設(shè)定，通常情況下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸速率小于數(shù)據(jù)包的傳輸速率，即：

其中，B表示數(shù)據(jù)包的傳輸速率，CR表示數(shù)據(jù)傳輸信道的帶寬長(zhǎng)度，R表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制速率，C表示數(shù)據(jù)傳輸信道的帶寬長(zhǎng)度與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制速率的比值，Q（τ，n）表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)τ在第n個(gè)傳輸信道的控制效率。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到由中路節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包后，對(duì)這些數(shù)據(jù)包的帶寬容量進(jìn)行分配，分配結(jié)束后分包保存，如果接收的數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)了丟包情況，則需要對(duì)未出現(xiàn)丟包情況的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼，以便對(duì)中路節(jié)點(diǎn)服務(wù)。設(shè)定H（τ，n）表示等n個(gè)傳輸信道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)τ輸出的帶寬長(zhǎng)度，則Q（τ，n）的運(yùn)算值為前n個(gè)傳輸信道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)輸出帶寬的總長(zhǎng)度，即：

其中，Q（r，n）表示遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)r在第n個(gè)傳輸信道的傳輸速率，L表示遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)傳輸控制速率的總和[7,8]。

各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸帶寬在分配完成前，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)必須完整，否則節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包就會(huì)被跳過(guò)而無(wú)法進(jìn)行解碼操作，對(duì)于已經(jīng)在傳輸信道中的數(shù)據(jù)包也將被丟棄，這會(huì)影響源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的帶寬容量。這時(shí)可采用向量J（n）判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在第n個(gè)傳輸信道的數(shù)據(jù)包是否出現(xiàn)丟包情況，f表示數(shù)據(jù)包的碰撞丟包率，即：

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)控制階段由遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)中的控制模塊完成，設(shè)定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)τ在傳輸信道傳輸數(shù)據(jù)包后，可得到通信數(shù)據(jù)矩陣Z和權(quán)數(shù)矩陣A，即：

根據(jù)以上基于大數(shù)據(jù)通信儀表的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)自動(dòng)化傳輸控制過(guò)程的描述，可獲得自動(dòng)化控制模型，即：

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型示意圖

2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制

基于以上建立的自動(dòng)化控制模型，采用CL-APTC協(xié)議分別對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的傳輸速率、遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的速率、源節(jié)點(diǎn)實(shí)際傳輸速率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[9,10]。

目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的傳輸信道通常不會(huì)出現(xiàn)帶寬分配不均衡的情況，如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在傳輸過(guò)程中，傳輸信道的帶寬出現(xiàn)了分配不均衡的情況，應(yīng)調(diào)節(jié)其他節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量和速率，其中，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量隨著存儲(chǔ)空間的變化而變化，當(dāng)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間變大時(shí)，其接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量會(huì)減少，一旦遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間被占滿，其接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量會(huì)將為0，這時(shí)同時(shí)對(duì)源節(jié)點(diǎn)的傳輸速率閾值和網(wǎng)絡(luò)柵格傳輸速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)當(dāng)前傳輸信道的帶寬分配情況，設(shè)置源節(jié)點(diǎn)的接收數(shù)據(jù)包的速率權(quán)重，獲得當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的最優(yōu)輸入、輸出速率，如果網(wǎng)絡(luò)柵格中的數(shù)據(jù)傳輸速率相等，則當(dāng)前遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間有空余，根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)本身的輸入速率、輸出速率關(guān)系，可獲得傳輸信道的帶寬分配比例，如圖2所示為傳輸速率的傳輸關(guān)系圖，以此實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳輸速率的控制[11,12]。

圖2 傳輸速率的傳輸關(guān)系圖

遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包速率的預(yù)控制可通過(guò)降低局部存儲(chǔ)資源、調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸速率來(lái)實(shí)現(xiàn)，降低局部存儲(chǔ)資源首先對(duì)節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)段進(jìn)行初始化，在根據(jù)自動(dòng)化控制模型計(jì)算網(wǎng)絡(luò)柵格的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，數(shù)據(jù)包的輸出速率隨著網(wǎng)絡(luò)柵格節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的減少而降低，為了準(zhǔn)確得到網(wǎng)絡(luò)柵格節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可對(duì)數(shù)據(jù)包的輸入速率閾值進(jìn)行調(diào)整，然后提高數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)延，將時(shí)延產(chǎn)生的概率與數(shù)據(jù)包輸入速率的閾值進(jìn)行對(duì)比，確定網(wǎng)絡(luò)柵格節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并進(jìn)行記錄，在某一固定周期內(nèi)，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)容量和接收數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)通過(guò)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)柵格節(jié)點(diǎn)傳輸速率而得到，當(dāng)數(shù)據(jù)包的傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的接收速率在頻繁變化時(shí)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將出現(xiàn)明顯的抖動(dòng)，有效調(diào)整了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)乃俾剩瑢?shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包速率的控制。遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸控制流程圖如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸控制流程

歷經(jīng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率與控制后，對(duì)源節(jié)點(diǎn)實(shí)際傳輸速率進(jìn)行控制，這樣可以綜合評(píng)估無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)的傳輸控制效果。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬分配較均衡時(shí)，源節(jié)點(diǎn)的傳輸信道資源較高，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)量比較穩(wěn)定時(shí)，可適當(dāng)增加源節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，以此加強(qiáng)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率的控制，并提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效率和通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。為了降低源?jié)點(diǎn)和其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突，應(yīng)提高源節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量和速率，降低數(shù)據(jù)包丟失的概率，利用CL-APTC協(xié)議對(duì)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際速率進(jìn)行優(yōu)化，動(dòng)態(tài)調(diào)整源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)，增加目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)傳輸信道的資源，提升大數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)柵格的概率，傳輸網(wǎng)絡(luò)柵格內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將其調(diào)整為休眠模式以減少數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的能耗。如果源節(jié)點(diǎn)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)到傳輸信道，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和原點(diǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸完成后，源節(jié)點(diǎn)將繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)傳輸信道，直至成功為止，利用更新的節(jié)點(diǎn)概率降低源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，降低大?shù)據(jù)傳輸時(shí)網(wǎng)絡(luò)的擁塞率，提升源節(jié)點(diǎn)實(shí)際傳輸速率的控制效果和效率[13～15]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文提出的大數(shù)據(jù)通信儀表的自動(dòng)化傳輸控制模型的有效性，通過(guò)與傳統(tǒng)控制模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證本文模型的有效性。傳統(tǒng)模型中，建立了大數(shù)據(jù)收集樹(shù)的傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模型，利用優(yōu)化算法對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，雖然在一定程度上降低了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的誤碼率與碰撞丟失率，但節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸控制效率以及控制效果卻沒(méi)有得到顯著提升，為了測(cè)試節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化傳輸控制模型的控制效果，將本文模型與傳統(tǒng)模型對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化傳輸控制效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)模型數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果

圖5 本文模型數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果

由圖4可知，采用傳統(tǒng)模型對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化傳輸進(jìn)行控制，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在傳輸信道中的分布比較散亂，分布范圍較大，有一部分節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)甚至不在傳輸信道內(nèi)，導(dǎo)致了部分節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)丟失情況，沒(méi)有保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性。

由圖5可知，采用本文提出的大數(shù)據(jù)通信儀表的自動(dòng)化傳輸控制模型對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在傳輸信道內(nèi)分布的較為均勻、規(guī)整，全部沿著傳輸信道進(jìn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸，沒(méi)有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在傳輸信道外部，也就避免了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)丟失的情況，確保了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性。對(duì)比圖4、圖5可知，本文模型比傳統(tǒng)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化傳輸控制效果更好，效率更高，同時(shí)也證明了在本文模型中，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的完整性較。

除了測(cè)試兩種模型的數(shù)據(jù)傳輸控制效果外，本文還對(duì)兩種模型產(chǎn)生的能耗進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 模型消耗能量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，本文模型與傳統(tǒng)模型相比，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的能耗較低，這是因?yàn)楸疚膶?duì)不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸均進(jìn)行了控制，提升了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸控制的能力，降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗。綜上所述，本文提出的大數(shù)據(jù)通信儀表的自動(dòng)化傳輸控制模型優(yōu)于傳統(tǒng)模型，具有更高的控制效果和控制效率，確保了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性，在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生了更低的能耗，提升了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸控制能力，本文模型具有更高的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的大數(shù)據(jù)通信儀表的自動(dòng)化傳輸控制模型具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，在傳輸過(guò)程中信息不會(huì)發(fā)出疏漏，數(shù)據(jù)量能夠緊密地配合，確保傳輸過(guò)程達(dá)到自動(dòng)化要求。相比較于傳統(tǒng)模型，本文提出的模型傳輸能力更強(qiáng)，更適合于實(shí)際應(yīng)用中。