面向空間信息光網(wǎng)絡(luò)的寬帶無線微波接入控制

王夢曉，李香菊，謝修娟

(東南大學(xué)成賢學(xué)院電子與計算機工程學(xué)院，江蘇 南京210088)

1 引言

寬帶無線微波接入控制技術(shù)是現(xiàn)階段較為熱門的一項無線城域網(wǎng)技術(shù)[3]。該技術(shù)是關(guān)于微波和毫米波頻段提出的一種新型空中接口標準。擁有數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸距離遠、維護升級簡便等諸多優(yōu)勢。由于寬帶無線微波管理及數(shù)據(jù)安全等限制條件，空間信息多數(shù)是面向行業(yè)的、依附于固定的運行環(huán)境，用戶對空間信息光網(wǎng)絡(luò)的地理信息共享需求越發(fā)強烈，在數(shù)據(jù)級、信息級與服務(wù)級等層次均表現(xiàn)出不同程度的異構(gòu)特性[1]，不能進行相互溝通與協(xié)作，很難滿足網(wǎng)絡(luò)中空間信息的決策請求。針對應(yīng)用的深層次挖掘，更加體現(xiàn)出互操作不當所引發(fā)的種種問題，由此，共享空間信息資源問題也成為研究人員共同攻克的主要難題[2]。

由此，本文設(shè)計一種面向空間信息光網(wǎng)絡(luò)的寬帶無線微波接入控制。描述空間信息光網(wǎng)絡(luò)相關(guān)原理及特征，針對網(wǎng)絡(luò)突發(fā)性失效，提出基于自然連通系數(shù)的空間信息光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，增強網(wǎng)絡(luò)體系堅固性，確?？臻g地理信息精度；以寬帶無線微波接入控制技術(shù)為基礎(chǔ)添加IAVB(節(jié)能調(diào)度)方法，通過時隙操作得到最短調(diào)度周期，加入空閑狀況閾值，改善虛擬突發(fā)終止條件；利用協(xié)議測試手段建立寬帶無線微波接入控制，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)空間地理位置數(shù)據(jù)的動態(tài)匹配與交互，且能耗較低，具備相當?shù)膶嵱眯?。面向空間信息光網(wǎng)絡(luò)的寬帶無線微波接入控制交互精度與效率均較高，可在真實場景下進行廣泛運用。

2 空間信息光網(wǎng)絡(luò)分析

空間信息光網(wǎng)絡(luò)是將空間平臺當作載體，利用多種模式的鏈路一體化網(wǎng)絡(luò)，是空間信息體系化應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)備。因為空間信息光網(wǎng)絡(luò)具有一定的脆弱性，容易受到宇宙空間輻射干擾源干擾，可能導(dǎo)致節(jié)點與鏈路產(chǎn)生突發(fā)性失效[4]。所以，構(gòu)建一個擁有強壯性的空間信息光網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是十分必要的。特征譜就像空間信息光網(wǎng)絡(luò)中的指紋，不同類別的網(wǎng)絡(luò)具備各不相同的特征譜，特征譜內(nèi)基本涵蓋了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的全部信息。

假設(shè)E(G)=(aij)N×N是空間信息光網(wǎng)絡(luò)G的鄰域矩陣，aij為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i、j之間的連接狀態(tài)，如果i、j之間擁有鏈路，那么aij=1，反之等于0?？紤]雙向通信鏈路，可將G當作一個無向圖，所以E(G)是對稱矩陣，因此E(G)的拉普拉斯矩陣為

(1)

空間信息在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸路徑為信息經(jīng)過鏈路及節(jié)點的集合[5]，將傳輸路徑記作

w={s1l1s2l2…lksk|li∈L，si∈S}

(2)

式中，S表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點集合，L表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)鏈路集合，k表示信息傳輸?shù)穆窂介L度。

(3)

(4)

W1的值越大，證明網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的閉環(huán)個數(shù)越多，即網(wǎng)絡(luò)冗余路徑越多。提升網(wǎng)絡(luò)的冗余性，可以極大增強網(wǎng)絡(luò)的強健度。從式(4)可知，因為存在反復(fù)計算邊及節(jié)點的可能性，所以W→∞。研究表明，較長的路徑反復(fù)計算概率較大，對網(wǎng)絡(luò)的抗毀性貢獻就較少。為了解決這一難題，同時保證收斂度，將改進后的W′表示為

(5)

根據(jù)式(5)可以看出，閉路徑個數(shù)W′能夠直接使用空間信息光網(wǎng)絡(luò)的特征譜進行求解，同時也映射了網(wǎng)絡(luò)特征譜和網(wǎng)絡(luò)抗毀性的潛在關(guān)聯(lián)，進一步求解W′的自然對數(shù)，得到

(6)

將空間信息光網(wǎng)絡(luò)模型定義為

G={D，H，L，E}

(7)

本文通過將自然連通系數(shù)當作空間信息光網(wǎng)絡(luò)的抗毀性衡量標準，融合空間信息光網(wǎng)絡(luò)模型，最后構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的抗毀性優(yōu)化模型

(8)

通過上述過程，可以有效增強空間信息光網(wǎng)絡(luò)性能的穩(wěn)固性，為空間地理位置的精準交互提供充分條件。

3 寬帶無線微波接入控制

寬帶無線微波接入控制是一種基于IEEE 802.16標準的寬帶無線接入局域網(wǎng)技術(shù)，可以在局域網(wǎng)內(nèi)一對多的復(fù)雜環(huán)境下，提供有效的互操作寬帶無線接入方法[6]。寬帶無線微波接入控制技術(shù)轉(zhuǎn)換底層流程和傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有一定的相似度，其中包含轉(zhuǎn)換前的檢測與觸發(fā)、轉(zhuǎn)換發(fā)生及處理、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等流程。該技術(shù)具備搭建成本低、易拓展等優(yōu)勢，是未來最有潛力的寬帶無線微波接入控制技術(shù)之一。因此，本文面向空間信息光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建一個寬帶無線微波接入控制方法，以此完成網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)請求的動態(tài)匹配，實現(xiàn)空間地理位置信息的實時共享和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸應(yīng)用。

因為寬帶無線微波接入控制的移動節(jié)點關(guān)鍵依靠電池供電，在接入控制前，對能量損耗問題的研究至關(guān)重要。由此提出一種基于IAVB的節(jié)能調(diào)度方法，方法的具體實現(xiàn)步驟如下：

若MS節(jié)點原始寬帶請求Q={q1，q2，…，qn}，可獲得MS節(jié)點vi的請求帶寬

(9)

因為帶寬請求和正交頻分復(fù)用碼元具備相對關(guān)聯(lián)，每個鏈路在各幀內(nèi)的時隙請求為

(10)

根據(jù)上述分析可以看出，vi的能耗是通過其在清醒狀況的時間、從休眠到清醒狀況的改變次數(shù)以及可用帶寬決定的，所以，vi在一定時間T′中的全局能耗Pi為

(11)

式中，Di表示vi在時間T中保持清醒狀況的時隙總數(shù)，Li表示vi從休眠狀況改變到清醒狀況次數(shù)。減少系統(tǒng)能耗的目的是保證服務(wù)質(zhì)量的同時，讓系統(tǒng)的平均能耗為最低。

網(wǎng)絡(luò)鏈路E和時隙N的映射關(guān)聯(lián)可以采用矩陣I進行表達，且滿足鏈路在時序內(nèi)的傳輸條件

(12)

因為移動節(jié)點在空閑時也在耗費能量，所以假設(shè)節(jié)點能夠在清醒狀況時持續(xù)收發(fā)數(shù)據(jù)，在沒有數(shù)據(jù)傳輸時進入休眠狀況，這樣能夠降低能量損耗情況[7]。將移動節(jié)點進入休眠狀態(tài)的收斂條件定義為

(13)

(14)

(15)

通過式(15)可以計算出

(16)

把式(16)引入式(18)，獲得移動終端vi在一次時隙分配后處在空閑狀況的預(yù)期時間是

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

式中，E′表示任意突發(fā)開始時處在清醒狀況的移動節(jié)點集合，j(j∈E′)表示處于清醒狀況的移動節(jié)點索引。式(21)可以顯示移動節(jié)點目前的信道質(zhì)量狀態(tài)，更加精準挑選出最短時間內(nèi)實現(xiàn)休眠最低速度請求的終端作為主移動終端。

空閑率就是一個虛擬突發(fā)中主移動終端的空閑時隙個數(shù)和總時隙個數(shù)的此例，表示為ξ?？臻e率ξ為主移動終端占據(jù)帶寬資源的水平，ξ越小證明主移動終端在虛擬突發(fā)中得到的資源越多，反之越少。ξ伴隨次移動終端個數(shù)的增長而增多。由于必須對各個次移動終端進行時隙分配，保障服務(wù)質(zhì)量的穩(wěn)定性，所以ξ也是虛擬突發(fā)中次移動終端的遞增函數(shù)，將其表示成

(22)

式中，Ea表示次移動終端集合，C表示信道總?cè)萘?。突發(fā)虛擬終止標志為

ξ≥ε

(23)

式中，ε為系統(tǒng)參變量。

關(guān)于真實系統(tǒng)內(nèi)極易出現(xiàn)的兩種特殊狀況制定了附加虛擬突發(fā)終止條件：若ξ小于系統(tǒng)參變量，在主移動終端請求休眠時，則終止虛擬突發(fā)；在系統(tǒng)內(nèi)移動節(jié)點較多的情況下，導(dǎo)致主移動終端得到的數(shù)據(jù)速度不符合休眠條件時，會出現(xiàn)ξ≥ε的狀況。這時不可立即終止虛擬突發(fā)，而是等待主移動終端實現(xiàn)休眠數(shù)據(jù)速度后再終止當前突發(fā)，否則會形成能量損耗。所以，虛擬突發(fā)終止的關(guān)鍵條件是主移動終端目前速度大于可休眠的最低速度請求，記作

(24)

通過上述方法描述，可以最大限度減少終端系統(tǒng)能耗，提升系統(tǒng)的資源利用率。

4 仿真研究

為了證明本文方法的有效性，進行仿真。實驗硬件配置設(shè)置為PC機Pentium(R)4CPU2.50GHz，windows10操作系統(tǒng)，CPU為3.5GHz，運行內(nèi)存為4GB，軟件開發(fā)環(huán)境為Matlab、C/C++為實驗編寫程序和方法流程。

圖1為理想的寬帶無線微波接入控制模型示意圖。

圖1 理想的寬帶無線微波接入控制模型

在該控制模型中，各個被測對象均通過用戶接口進行檢測活動，所以在圖1中，檢測器1與檢測器2分別為被測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)1及被測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)2的用戶。本文方法主要是為了控制對空間信息光網(wǎng)絡(luò)的交互能力，且盡量完成與空間信息光網(wǎng)絡(luò)的信息交換。

理想狀態(tài)的寬帶無線微波接入控制的構(gòu)建有以下幾個難點：首先，因為寬帶無線微波接入控制與被檢測網(wǎng)絡(luò)獨立存在于不同系統(tǒng)之內(nèi)，要了解被檢測網(wǎng)絡(luò)的通信業(yè)務(wù)，就必須可以對其進行監(jiān)聽；其次，因為檢測器布置在每個被測網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)同步的及時性得不到保證。為了有效解決上述問題，構(gòu)建一個改進的寬帶無線微波接入控制模型，具體如圖2所示。

圖2 改進的寬帶無線微波接入控制模型

從圖2可知，寬帶無線微波接入控制模型與兩個被測網(wǎng)絡(luò)分別處于獨立系統(tǒng)中，檢測系統(tǒng)利用測試協(xié)調(diào)過程來管理與控制三個檢測器。UT1使用于IUT1的檢測，UT2作用于IUT2的檢測，LT用于采集底層數(shù)據(jù)。兩個被測的空間信息光網(wǎng)絡(luò)中的輔助檢測器用于配合寬帶無線微波接入控制的上測器完成檢測，最終實現(xiàn)信息實時交互。

為了進一步驗證面向空間信息光網(wǎng)絡(luò)的寬帶無線微波接入控制的效果及可行性，分別進行寬帶無線微波接入控制內(nèi)存需求對比，具體結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法內(nèi)存需求對比結(jié)果圖

從圖3中可知，本文方法的內(nèi)存需求量較少，且接近實際需求值，證明該方法信道條件優(yōu)良，可以降低數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸次數(shù)，原因在于本文系統(tǒng)采用IAVB節(jié)能調(diào)度，有效降低系統(tǒng)能耗，從而降低了寬帶無線微波接入控制的內(nèi)存需求，而Agent方法由于交互性能略差，重傳次數(shù)較多，所需內(nèi)存也隨之增加。

5 結(jié)論

為了進一步提高空間地理位置信息的交互時效性，本文構(gòu)建一個面向空間信息光網(wǎng)絡(luò)的寬帶無線微波接入控制。利用自然連通系數(shù)建立空間信息光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，保障地理信息傳輸?shù)挠行нM行；利用微波接入互操技術(shù)與協(xié)議測試方法實現(xiàn)寬帶無線微波接入控制，改善系統(tǒng)能量損耗問題，實現(xiàn)空間地理位置的實時共享。