高速網(wǎng)絡(luò)多模式相似數(shù)據(jù)串隔離式傳輸仿真

程少良

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130122)

1 引言

頻譜資源需要根據(jù)相應(yīng)的頻譜分配策略進(jìn)行使用，分配策略將頻譜資源分配到相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，其中部分頻帶將會(huì)被分配給特定的應(yīng)用系統(tǒng)中[1-2]。但是高速網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源十分稀少，導(dǎo)致系統(tǒng)中只有部分頻帶能夠使用。因此，相關(guān)專家在高速網(wǎng)絡(luò)中引入無(wú)線電來(lái)解決頻譜不足的問(wèn)題。在上述環(huán)境中，頻率一致的區(qū)域內(nèi)中有兩個(gè)共存的用戶，也就是初級(jí)用戶和二級(jí)用戶。前者就是所謂的授權(quán)用戶，它具有使用授權(quán)的頻譜帶，并且能夠在設(shè)定范圍內(nèi)訪問(wèn)指定的頻譜帶[3]。后者則是指未經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的用戶，它只能夠在用戶沒(méi)有占用的范圍內(nèi)伺機(jī)進(jìn)入頻譜空間，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)串隔離式傳輸方法存在模式單一，數(shù)據(jù)串相似度不高的問(wèn)題。

在上述問(wèn)題的基礎(chǔ)上，本文提出了高速網(wǎng)絡(luò)多模式相似數(shù)據(jù)串隔離式傳輸方法，通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析充分驗(yàn)證了所提方法的綜合有效性。

2 數(shù)據(jù)串隔離式傳輸方法

2.1 組建高速網(wǎng)絡(luò)多模式干擾無(wú)向圖

如果在CogWMN中，能夠?qū)㈩l譜劃分成一組正交信道，確保高速網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的正常傳輸[4]。在上述分析的基礎(chǔ)上，設(shè)定S代表一組可使用的信道集合；d代表數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行傳輸?shù)目偩嚯x；dr代表干擾距離的大小。如果數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)倪^(guò)程中需要兩個(gè)跳的距離，則說(shuō)明兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。實(shí)質(zhì)上是就是相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的傳輸需要兩跳[5-6]，也就是說(shuō)明兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不可能在相同的信道傳輸數(shù)據(jù)。各個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)中都有可用的頻道，并且各個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)不會(huì)對(duì)用戶之間的通信產(chǎn)生不良影響。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，不同的信道所支持的鏈路容量以及傳輸范圍是不同的。

假設(shè)存在一個(gè)相同的公共信道s，并且該信道能夠?yàn)椴煌墓?jié)點(diǎn)提供通信功能。則各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離需要滿足以下的約束條件：dij≤ds，此時(shí)，還存在另外一條通信鏈路eij∈E。在高速網(wǎng)絡(luò)中，含有一種特殊的虛擬匯聚節(jié)點(diǎn)sink以及一個(gè)有向虛擬鏈路[7-8]。為了有效解決通信鏈路上的干擾問(wèn)題，需要對(duì)不同鏈路信道上相似節(jié)點(diǎn)的可用性進(jìn)行評(píng)估。

如果利用χ代表任意一組鏈路信道對(duì)，當(dāng)s=s′，并且dij≤ds時(shí)，兩個(gè)鏈路之間的關(guān)系為互相干擾。

本文利用對(duì)稱干擾模型有效消除接收器和干擾器之間的干擾，保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。分析相關(guān)的先驗(yàn)知識(shí)可知，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)包，需要通過(guò)確認(rèn)鏈路層消息，采用接收器將消息發(fā)送至系統(tǒng)服務(wù)器[9]。數(shù)據(jù)傳輸模型主要是由與鏈路通道相對(duì)應(yīng)的子集所組成，整個(gè)過(guò)程中各個(gè)子集所對(duì)應(yīng)的通信鏈路之間互不干擾。

通常各個(gè)鏈路的干擾無(wú)向圖都是通過(guò)任意一組通信鏈路中的相互干擾情況進(jìn)行詳細(xì)描述。在網(wǎng)絡(luò)干擾無(wú)向圖中組建一組相對(duì)應(yīng)的鏈路通信節(jié)點(diǎn)Vij，通信鏈路節(jié)點(diǎn)是由節(jié)點(diǎn)pi、節(jié)點(diǎn)pj組成，則有

Gij=(Vij，Eij)

(1)

式中，Eij代表上述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在高速網(wǎng)絡(luò)中的全部鏈路集合。

如果設(shè)定干擾無(wú)向圖邊緣為(lij，lrij)，其中l(wèi)ij代表兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信鏈路，假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在相同的信道中彼此相互干擾，則利用lrij代表對(duì)鏈路lij造成干擾的其它鏈路[10]。

在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，一個(gè)干擾無(wú)向圖的概念能夠利用干擾模型來(lái)表示，以下給出針對(duì)于干擾無(wú)向圖的相關(guān)定義：

如果在干擾無(wú)向圖中包含兩個(gè)節(jié)點(diǎn)pi、pj，利用Ψ(i，j)表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間鏈路的干擾電平，以下各處干擾無(wú)向圖總的網(wǎng)絡(luò)干擾為：

(2)

式中，O(pi)代表節(jié)點(diǎn)pi的歸一化向量；O(pj)代表節(jié)點(diǎn)pj的歸一化向量。通過(guò)分析式(3)可知，各個(gè)鏈路之間的干擾主要取決于鏈路上的數(shù)據(jù)流量。

在鏈路請(qǐng)求傳播的過(guò)程中，由源節(jié)點(diǎn)在其所在的信道上廣播一個(gè)路由發(fā)送請(qǐng)求消息，根據(jù)采集到的初始階段即時(shí)消息，能夠獲取鄰近相似節(jié)點(diǎn)的信道信息[11]，通過(guò)相應(yīng)的廣播修改得到的消息，并將其發(fā)送至系統(tǒng)服務(wù)中心。

如果設(shè)定W=(wj1，…，wjn)代表高速網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)載數(shù)據(jù)，Ψj代表中間節(jié)點(diǎn)i感知的信道j的干擾電平。其中，競(jìng)爭(zhēng)電平的值能夠根據(jù)初始階段握手過(guò)程中進(jìn)行信息交換的即時(shí)消息計(jì)算獲取。

如果設(shè)定中間節(jié)點(diǎn)i中含有鄰居節(jié)點(diǎn)Vi，且鄰居節(jié)點(diǎn)中包含多個(gè)可用信道，以下詳細(xì)給出路由指標(biāo)函數(shù)

(3)

通過(guò)節(jié)點(diǎn)i的感知能夠得到信道j的干擾電平計(jì)算式

(4)

在進(jìn)行信道分配的過(guò)程中，能夠利用信道干擾的平均值進(jìn)行決定，設(shè)定在一個(gè)包含h個(gè)信道的網(wǎng)絡(luò)中，分配信道j的權(quán)重值能夠表示為

(5)

高速網(wǎng)絡(luò)Mesh模型主要是由一個(gè)個(gè)高速無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)組成，網(wǎng)絡(luò)中包含由N個(gè)SU節(jié)點(diǎn)和M個(gè)PU節(jié)點(diǎn)組成的信道。如果在上述兩個(gè)信道中任意選取一個(gè)信道，則能夠組建無(wú)向圖，具體表達(dá)為

G=(V，E，kj)

(6)

式中，V代表高速網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)集合，E代表節(jié)點(diǎn)鏈路集合。

2.2 高速網(wǎng)絡(luò)多模式相似數(shù)據(jù)串隔離式傳輸

在上述組建的多模式無(wú)向圖中，假設(shè)路由源節(jié)點(diǎn)U和路由目的節(jié)點(diǎn)W固定并且處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，為了不增加跳數(shù)，需要滿足如下的相關(guān)協(xié)議：

路由源節(jié)點(diǎn)U計(jì)算從出發(fā)點(diǎn)到目的地節(jié)點(diǎn)W每一跳的路由距離為x1，…，xn，其中xi≠xj，則有

(7)

節(jié)點(diǎn)U對(duì)路由距離所形成的向量為

x=[x1，…，xn]

(8)

設(shè)定初始化值的取值為1，其中emax代表向量中最大的元素，emin代表向量中的最小元素，將向量歸一化到[0，1]的范圍內(nèi)，將第i個(gè)元素Ei進(jìn)行歸一化處理，則有

(9)

以下給出節(jié)點(diǎn)U選擇第i個(gè)路由進(jìn)行第一跳路由，則有

(10)

在非滿環(huán)狀態(tài)下，通過(guò)相關(guān)定理中路由跳數(shù)的不確定性可知，路由源節(jié)點(diǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)計(jì)算從路由節(jié)點(diǎn)U到路由目的地W之間的不同跳的路由距離，以下詳細(xì)給出：

路由源節(jié)點(diǎn)U刪除指針表中長(zhǎng)度相同以及長(zhǎng)度大于|U-W|的路由距離所剩下路由距離組成的向量為

z=[z1，…，zh]

(11)

則與之相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)向量為

e=[e1，…，eh]

(12)

經(jīng)過(guò)歸一化處理后的向量為

E=[E1，…，Eh]

(13)

在路由源節(jié)點(diǎn)和目的地節(jié)點(diǎn)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下，需要通過(guò)路由協(xié)議來(lái)降低路由失敗率。

為了全面分析高速網(wǎng)絡(luò)多模式相似數(shù)據(jù)串隔離式傳輸?shù)男阅埽枰M(jìn)行如下的研究：

每步隨機(jī)選取2個(gè)相似節(jié)點(diǎn)分別作為高速網(wǎng)絡(luò)多模式相似數(shù)據(jù)串的路由源節(jié)點(diǎn)以及路由目的節(jié)點(diǎn)。針對(duì)路由源節(jié)點(diǎn)分別選取不同的路由協(xié)議向目的地發(fā)送相關(guān)的信息，最后針對(duì)不同的路由跳數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[12]。

設(shè)定路由協(xié)議中ID的位數(shù)在7-11位之間，非滿環(huán)時(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量需要為滿環(huán)時(shí)數(shù)量的十分之七，在經(jīng)過(guò)100步之后計(jì)算路由總跳數(shù)。滿環(huán)動(dòng)態(tài)多路由算法的跳數(shù)個(gè)滿環(huán)CHord的跳數(shù)完全一致。

在上述基礎(chǔ)上，兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)的干擾電平為

(14)

(15)

通過(guò)上述計(jì)算式能夠得到兩個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)多模式相似數(shù)據(jù)串的路由平均抗干擾程度

(16)

(17)

式中，γ代表信道環(huán)境中存在的干擾因子。分別對(duì)比φ1、φ2的取值，它們的取值越大，則說(shuō)明外界的干擾程度越大，根據(jù)干擾程度的對(duì)比結(jié)果選取干擾程度相對(duì)較小的路徑，以達(dá)到高速網(wǎng)絡(luò)多模式相似數(shù)據(jù)串隔離式傳輸?shù)哪康摹?/p>

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)將從多個(gè)不同的角度對(duì)高速網(wǎng)絡(luò)多模式相似數(shù)據(jù)串隔離式傳輸方法的性能進(jìn)行分析，進(jìn)而驗(yàn)證所提方法的綜合有效性。其中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：AMD Athlon(tm)64X2Dual Core Processor5000+的CPU，內(nèi)存為2G，采用C#，采用RS-2329針串口傳輸線，3011L+型高精度定位定向GPS羅經(jīng)。

圖1 RS-2329針串口傳輸線與GPS羅經(jīng)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1)平均傳輸延遲(s)：

以下給出實(shí)驗(yàn)100次不同數(shù)據(jù)傳輸方法的的傳輸延遲，計(jì)算方法如下所示

(18)

式中，πi表示回到第i條路由的平穩(wěn)分布，Ti表示第i條路由的傳輸實(shí)驗(yàn)。

具體對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法平均傳輸延遲

分析圖2可知，不同方法的數(shù)據(jù)傳輸延遲隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的變化而變化。文獻(xiàn)[7]方法的傳輸延遲是處于不穩(wěn)定狀態(tài)的，忽高忽低。文獻(xiàn)[8]方法的傳輸延遲呈直線直線上升趨勢(shì)，所提方法的傳輸延遲處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，并且所提方法的傳輸延遲明顯低于其它兩種方法。

2)吞吐量(Mbps)：

在測(cè)試中以一定速率發(fā)送一定數(shù)量的幀，并計(jì)算待測(cè)設(shè)備傳輸?shù)膸?，如果發(fā)送的幀與接收的幀數(shù)量相等，那么就將發(fā)送速率提高并重新測(cè)試；如果接收幀少于發(fā)送幀則降低發(fā)送速率重新測(cè)試，直至得出最終結(jié)果。吞吐量測(cè)試結(jié)果以比特秒或字節(jié)秒表示。吞吐量越大，說(shuō)明該方法的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載承受力越好，吞吐量計(jì)算方法如下所示

(19)

式中，VU表示虛擬用戶個(gè)數(shù)，R表示每個(gè)虛擬用戶發(fā)出的請(qǐng)求數(shù)，T表示性能測(cè)試所用的時(shí)間。

具體如下表所示：

分析表1可知，隨著信道數(shù)量的不斷變化，不同方法的吞吐量也在不斷發(fā)生變化，各個(gè)方法的吞吐量都在隨著信道數(shù)量的增加而增加。在信道數(shù)量為4時(shí)，所提方法的吞吐量為8.5Mbps，文獻(xiàn)[7]方法的吞吐量為6.0Mbps，文獻(xiàn)[8]方法的吞吐量為4.5Mbps。所提方法的吞吐量相比其它兩種方法分別高了2.5Mbps、4.0Mbps。分析相關(guān)數(shù)據(jù)可知，所提方法的吞吐量明顯高于其它兩種方法，由此可見(jiàn)所提方法的性能相對(duì)較好。

表1 不同方法在不同信道數(shù)量下的吞入量

3)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率(Mb/s)

千兆網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)試結(jié)果如圖3所示：

圖3 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

由上圖可以看出，千兆網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率可以達(dá)到52Mb/s，理論上千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸速率最高可達(dá)到125Mb/s，因此，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸效率能夠達(dá)到40%左右，處于較高的水平。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)分析，能夠得到以下結(jié)論：

1)所提方法的綜合性能相比傳統(tǒng)方法得到了一定程度的提升，其中選取的信道選擇方法如果較為理想時(shí)，能夠很大程度上減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，也就是說(shuō)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)延遲對(duì)比各個(gè)方法的所選取的信道是好還是壞。

2)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β试礁邉t說(shuō)明算法所選擇的信道能夠有效利用空閑信號(hào)，并且整個(gè)過(guò)程中用戶所受到的干擾相對(duì)較少。

3)通過(guò)具體的數(shù)據(jù)分析可知，所提方法的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力相比其它兩種方法較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法存在的一系列問(wèn)題，提出了一種高速網(wǎng)絡(luò)多模式相似數(shù)據(jù)串隔離式傳輸方法，通過(guò)與其它方法的實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知：所提方法能夠有效提升數(shù)據(jù)傳輸成功率以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并且有效降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。未來(lái)階段，將重點(diǎn)針對(duì)以下幾個(gè)方面展開(kāi)深入研究：

1)未來(lái)階段將深入研究如何大幅度提升數(shù)據(jù)的傳輸速率，獲取較為理想的數(shù)據(jù)傳輸效果。

2)由于數(shù)據(jù)中心具有較強(qiáng)的帶寬，當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)鏈路上時(shí)，就會(huì)形成短暫的流量爆發(fā)，如何在這段時(shí)間內(nèi)提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，也是下一階段研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

3)現(xiàn)階段大部分的數(shù)據(jù)傳輸方法都是基于終端的傳輸方法，這些方法無(wú)法在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中獲取理想的管道模型，未來(lái)階段，將會(huì)重點(diǎn)針對(duì)該方面展開(kāi)深入研究。