云信任驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)電子通訊穩(wěn)定性優(yōu)化方法

高 飛，趙沙沙

(山東科技大學泰山科技學院，山東 泰安 271038)

1 引言

通信技術(shù)的發(fā)展與電子通訊技術(shù)密不可分，電子通信技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計涉及到社會生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。

文獻[1]針對車載互聯(lián)網(wǎng)(VANET)通信過程中，由于收發(fā)信機的雙重運動而導致的信道狀態(tài)時變快、非平穩(wěn)的問題，提出了一種車載通信的非平穩(wěn)信道方法。引入積分項以保證輸出信道衰落相位的連續(xù)性，并考慮收發(fā)機的時變特性，完成多普勒頻率參數(shù)的精確計算。文獻[2]為了提升激光通信二維伺服穩(wěn)定性，利用陀螺儀校正優(yōu)化方法，應用質(zhì)心優(yōu)化方法、陀螺儀、CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合器件)，引入同向小值快速收斂的方法實現(xiàn)對二維伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化。

但是以往研究方法只能實現(xiàn)正常通訊，如果多人同時通訊且外界干擾因素較多，那么其通訊穩(wěn)定性較差，為此，本文將通訊網(wǎng)絡節(jié)點定位信息加入到通信數(shù)據(jù)分組內(nèi)，得到最穩(wěn)定的通訊路徑，實現(xiàn)通訊穩(wěn)定性優(yōu)化。

2 云信任驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)通信目標函數(shù)以及動態(tài)模型構(gòu)建

在云計算中，云信任機制能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和通訊服務之間的動態(tài)演化信任關(guān)系，以及顯性和隱性的不確定性轉(zhuǎn)換，也是實現(xiàn)通信安全性的重要條件之一。

假設(shè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡是由N個節(jié)點以及L條邊構(gòu)成的，節(jié)點的鏈路集合分別采用χ、?表示，而具體的鏈路lt∈?，i=1，2…L信息流模型，如圖1所示。

圖1 整體鏈路的信息流模型

如果xi(t)表示的是li∈L狀態(tài)的變量，那么將xi(t)動態(tài)模型的描述公式為

(1)

在計算機網(wǎng)絡中采用分組交換的方法，縮短用戶的平均等待時間，改善網(wǎng)絡中的信息流是控制和優(yōu)化的主要目標。如果平均等待時間的減少等于每個網(wǎng)絡中停留的用戶數(shù)的減少，則鏈路上的數(shù)據(jù)包數(shù)也會減少[4]，具體公式為

(2)

(3)

式中：φj>0表示接受單位信息的入網(wǎng)收益，t0、tf表示控制間隔的起始和終止時間，而性能目標函數(shù)選擇決定了整體性能和控制策略。

3 電子通訊穩(wěn)定性優(yōu)化

3.1 電子通訊網(wǎng)絡的穩(wěn)定性因素分析

在電子通訊網(wǎng)絡內(nèi)拓撲穩(wěn)定性優(yōu)化過程中，在節(jié)點位置，把通訊過程中的網(wǎng)絡節(jié)點定位信息加入通信數(shù)據(jù)的分組內(nèi)，以此得到電子通訊網(wǎng)絡內(nèi)最穩(wěn)定的通訊路徑，構(gòu)成電子通訊網(wǎng)絡的拓撲模型，從而獲得通訊信號間的拓撲以及距離關(guān)系，通過此關(guān)系敘述對通訊網(wǎng)絡的拓撲穩(wěn)定性影響的主要因素[5]。步驟如下所示：

電子通訊內(nèi)網(wǎng)絡拓撲的穩(wěn)定性優(yōu)化過程中，將通訊訊號的范圍設(shè)置成以R作為半徑的圓，其中電子通訊的訊號B它在通訊信號A信號的覆蓋范圍之內(nèi)，通過u1表示對A的通訊速度，利用u2表示B通訊傳輸?shù)乃俣龋?x0，y0)表示通訊的信號A原始位置，(x″0，y″0)表示通訊信號B原始位置，(x1，y1)與(x2，y2)分別表示通訊信號A以及B實時位置，具體A與B之間的距離計算公式為

(4)

如果電子通訊訊號A處于t時的傳輸距離是d1，而電子通訊訊號B處于t時的距離是d2，那么電子通訊的信號A與B之間距離是S，依據(jù)式(4)對通訊信號之間的距離進行計算，既可以獲得構(gòu)建電子通訊內(nèi)網(wǎng)絡的拓撲模型[6]，具體公式為

(5)

式中：(x0-x′0)以及(y0-y′0)表示常數(shù)。

將式(4)與式(5)進行融合，能夠推導出式(6)，以此代表電子通訊信號之間的拓撲與距離關(guān)系，具體公式為

(6)

在電子通訊信號A與B處于傳輸過程內(nèi)時發(fā)生變化，距離很難保持穩(wěn)定，也會發(fā)生變化。所以把式(6)中的ω加入，采用式(7)敘述影響通訊網(wǎng)絡的拓撲穩(wěn)定性主要因素，具體公式為

(7)

3.2 穩(wěn)定性優(yōu)化實現(xiàn)

采用Krasovsky方法將影響電子通信網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定性的主要因素定義在穩(wěn)定范圍內(nèi)，并將電子通信網(wǎng)絡的節(jié)點工作狀態(tài)分為擁塞狀態(tài)和正常狀態(tài)。計算了兩者之間概率轉(zhuǎn)換平衡的范圍，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定性的優(yōu)化[8]。具體過程如下：

正常通訊傳輸?shù)臓顟B(tài)節(jié)點主要是利用α表示概率轉(zhuǎn)換成擁擠狀態(tài)節(jié)點。擁擠狀態(tài)中，采用β表示概率轉(zhuǎn)換成正常狀態(tài)節(jié)點。采用pi(t)表示t時刻網(wǎng)絡內(nèi)第i節(jié)點可用概率，通過克拉索夫方法把影響電子通訊內(nèi)穩(wěn)定性的主要因素設(shè)定在穩(wěn)定范圍中，具體公式為

(8)

式中：ki，λ表示通訊網(wǎng)絡中的非均質(zhì)拓撲構(gòu)造模式[9]。

將式(8)作為基礎(chǔ)，推導出擁擠狀態(tài)與正常狀態(tài)平衡點，具體公式為

(9)

以式(9)作為基礎(chǔ)，利用式(10)對平衡點的值進行計算，具體公式為

(10)

式中：ki表示通訊網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的幀構(gòu)造[10]。

隨機選擇m個電子通訊內(nèi)網(wǎng)絡的傳輸節(jié)點，把式(10)的計算結(jié)果加入至式(11)中，建立雅克比矩陣，具體公式為

(11)

式中：?f(p)表示電子通訊網(wǎng)絡節(jié)點入度值，?PT表示電子通訊網(wǎng)絡節(jié)點出度值，?p1表示電子通訊網(wǎng)絡節(jié)點緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)溢出，?fm表示網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點的最高連接度值[11]。

上述的雅克比矩陣為對角線所對稱矩陣，以建立矩陣作為基礎(chǔ)，采用式(12)把通訊內(nèi)網(wǎng)絡拓撲的穩(wěn)定性優(yōu)化模型進行轉(zhuǎn)換，將其變成網(wǎng)絡節(jié)點的工作狀態(tài)平衡問題，具體公式為

(12)

式中：FT(P)表示網(wǎng)絡的通訊鏈路帶寬。

(13)

式中：要滿足α≤β條件。

通過式(13)能夠得到電子通訊的網(wǎng)絡(擁擠狀態(tài)與正常狀態(tài))概念轉(zhuǎn)換平衡范圍，具體判斷公式為

(14)

設(shè)定合理的電子通訊網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換平衡范圍，即可實現(xiàn)電子通訊網(wǎng)絡的穩(wěn)定性優(yōu)化。

4 仿真證明

4.1 實驗環(huán)境

為了驗證所提方法的有效性，將仿真環(huán)境設(shè)置為：Penti-um(R)Dual-Core CPU，2.8GHz，4GB RAM，win-dows732Bit，Matlab R2013a。在仿真平臺Net Logo中進行模擬分析，設(shè)用戶的數(shù)據(jù)速率為200Kb/s，帶寬為4M，通信半徑為15m，網(wǎng)絡區(qū)域大小為1000*1000。具體的實驗數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 實驗環(huán)境

4.2 實驗傳輸精度分析

分析經(jīng)過所提方法優(yōu)化后的通訊傳輸精度，具體結(jié)果如圖2所示．

圖2 所提方法穩(wěn)定性優(yōu)化后的數(shù)據(jù)傳輸精度結(jié)果

通過觀察圖2能夠看出，實驗次數(shù)在10次時，所提方法的通訊精確度為98%，之后的實驗結(jié)果雖然出現(xiàn)輕微的波動，不過差距不大，一直保持在95%以上，只有在實驗次數(shù)為40次時，精確度出現(xiàn)大幅度降低，平均值為88%，經(jīng)過記錄排查發(fā)現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的原因是測試用戶傳輸過程中操作失誤，致使部分的實驗數(shù)據(jù)不準確，最后得出的實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差，而實驗次數(shù)到50次時，外界干擾消失，準確度恢復到95%以上，直到實驗結(jié)束，所提方法的精確度都維持在95%以上，說明所提方法可以有效地進行數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 傳輸速率對比分析

在同一條件下，選擇通訊傳輸效率作為該次實驗對比結(jié)果，實驗次數(shù)為60次，然后將所提方法與文獻[1]、文獻[2]進行對比，具體對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種方法傳輸速率對比結(jié)果

通過觀察圖3能夠看出，所提方法的傳輸速率一直保持在180Kb/s左右，雖然存在波動，不過波動數(shù)值較小，傳輸速率非常平穩(wěn)。而文獻[1]方法，則保持在130Kb/s左右，同樣波動較小，相對平穩(wěn)，但是傳輸速率低。而文獻[2]在實驗次數(shù)為10次時，傳輸速率為90Kb/s，之后的實驗出現(xiàn)波動較大，曲線上下起伏的趨勢，不能滿足現(xiàn)實需求。

在仿真環(huán)境中進行負載模擬，通過模擬多個用戶同時通訊狀態(tài)，觀察通訊過程中是否會擁擠，出現(xiàn)傳輸效率降低的狀況，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種方法個人數(shù)同時通訊結(jié)果對比

通過觀察圖4能夠看出，同時模擬100名用戶通訊時，三種方法的傳輸速率幾乎相同，差距不大，而在模擬500名用戶時，三者之間的傳輸速率出現(xiàn)較小的差別，而模擬2000名用戶時，三種方法的傳輸速率具有顯著差距。最后實驗結(jié)束時，所提方法傳輸效率降低至85%，文獻[1]降低至65%，而文獻[2]則降低至50%。雖然三種方法都隨著通訊的人數(shù)增加，導致通訊的傳輸速率降低，不過所提方法要比其它兩種方法下降得少，以此說明所提方法經(jīng)過對傳輸穩(wěn)定性進行優(yōu)化之后，不但通訊精確度較高，同時，傳輸速率也出現(xiàn)明顯提升。

4.4 外界干擾情況對比分析

為了進一步證明所提方法的應用效果，人為制造外界干擾信號，同時，為了避免通訊距離過近，導致人為制造的干擾信號無效果或者無法明顯體現(xiàn)通訊干擾信號強度等情況，將通訊距離增加，使傳輸信號處于弱傳輸?shù)臓顟B(tài)。將所提方法與文獻[1]、文獻[2]方法在相同條件下進行對比分析，具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種方法通訊信號傳輸對比

通過觀察圖5能夠看出，在外部干擾信號的影響下，所提方法采用拉索夫斯基方法，可以將影響電子通信網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定性的主要因素確定為固定范圍，因此，盡管通信信號略有下降，但在下降到80%時，幾乎不再下降，保持了當前的信號狀態(tài)，在數(shù)據(jù)傳輸期間，沒有數(shù)據(jù)丟失，而文獻[1]方法出現(xiàn)大幅下降現(xiàn)象，在下降到60%時，出現(xiàn)數(shù)據(jù)輕微丟失；而文獻[2]方法下降到50%，在通信過程中，數(shù)據(jù)嚴重丟失，甚至無法傳輸。

5 結(jié)束語

1)提出了云信任驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)電子通訊穩(wěn)定性優(yōu)化方法，通訊信號準確性在下降至80%時，幾乎不再下降，維持目前的信號狀態(tài)，且傳輸速率一直保持在180Kb/s左右，說明經(jīng)過穩(wěn)定性優(yōu)化之后，不僅通訊傳輸?shù)木容^高，并且多人傳輸時傳輸?shù)乃俾瘦^快，穩(wěn)定性更強。

2)在未來的研究中，不僅要使通訊過程更加平穩(wěn)，還要提升通訊的速度、通訊的范圍以及通訊的復雜性，從而應對科學發(fā)展和通訊場景的不確定性。