一種物聯(lián)網(wǎng)通信能耗控制算法的設(shè)計(jì)與仿真

吳昌錢，羅志偉，金 鳳

(1. 閩南科技學(xué)院計(jì)算機(jī)信息學(xué)院，福建 泉州 366200；2. 廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361000；3. 國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，陜西 西安 710106)

1 引言

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用涉及到較多創(chuàng)新技術(shù)，其中虛擬化技術(shù)和軟件定義技術(shù)可以劃分基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，獲得若干邏輯網(wǎng)絡(luò)，這種技術(shù)被稱為切片技術(shù)[1]。在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中任何切片都可以使用虛擬網(wǎng)絡(luò)功能滿足客戶的業(yè)務(wù)需求。合理的分配切片資源可以提高混合窄帶物聯(lián)網(wǎng)的通信能力[2]，在上述過(guò)程中混合窄帶物聯(lián)網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生較高的通信能耗，因此需要對(duì)通信能耗控制算法進(jìn)行分析和研究。

劉大鹍[3]等人基于節(jié)點(diǎn)覆蓋結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，獲得多個(gè)子區(qū)域，采用染色方案確定網(wǎng)絡(luò)中存在的掃頻節(jié)點(diǎn)，對(duì)空閑能耗和通信能耗進(jìn)行考慮，通過(guò)元胞遺傳方法完成通信能耗的控制。但是，該算法沒(méi)有對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行考慮，導(dǎo)致控制后的網(wǎng)絡(luò)生命周期較短。李志華[4]等人對(duì)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的密度和深度進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建簇首競(jìng)爭(zhēng)半徑函數(shù)，確定網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點(diǎn)，并對(duì)簇首等級(jí)進(jìn)行確定，在控制過(guò)程中引入貪心算法，降低通信能耗。但是，該算法對(duì)能耗控制后，傳輸切片資源所用的時(shí)間較長(zhǎng)，存在通信延時(shí)高的問(wèn)題。謝盈[5]等人對(duì)任務(wù)之間在網(wǎng)絡(luò)中存在依賴關(guān)系進(jìn)行分析，計(jì)算出在任務(wù)分配過(guò)程中的最大通信開(kāi)銷和最小通信開(kāi)銷，將計(jì)算結(jié)果作為選取通信方案的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)通信能耗控制，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。但是，在該算法中目的節(jié)點(diǎn)接收到的資源較少，存在投遞率低的問(wèn)題。

為解決上述方法中存在的問(wèn)題，提出混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法。

2 切片資源通信能耗優(yōu)化模型

為了提高混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)的容錯(cuò)能力，并降低切片資源通信能耗[6]，混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法構(gòu)建了切片資源通信能耗優(yōu)化模型。

散射體、反射面和障礙物等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信中的信號(hào)產(chǎn)生影響，因此接收信號(hào)強(qiáng)度的穩(wěn)定性較差。建立陰影衰落模型，分析混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)接收切片資源的概率，用P(s)表示通信距離與數(shù)據(jù)包發(fā)送半徑相同條件下的切片資源接收概率，其計(jì)算公式如下

(1)

式中，q=2；b代表路徑損耗系數(shù)；s代表通信距離，通過(guò)上述分析可知接收概率受通信距離和路徑損耗系數(shù)的影響。

(2)

在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的通信屬于最基礎(chǔ)、最簡(jiǎn)單的方式，混合窄帶物聯(lián)網(wǎng)的可靠性較差，切片資源數(shù)據(jù)包被接收消耗的能量和重傳次數(shù)無(wú)法確定，根據(jù)上述能耗模型[7，8]，分析點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸切片資源時(shí)的能耗。

假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為d，傳輸?shù)那衅Y源大小為nbit，接收端和發(fā)送端在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的能耗分別為Rrx、Rtx，此時(shí)接收和傳輸切片資源所用的總能耗Rcos t可通過(guò)下式計(jì)算得到

Rcos t=Rrx+Rtx=nRelec+(φampndα+nRelec)

=φampndα+2nRelec

(3)

式中，φamp表示對(duì)切片資源進(jìn)行傳輸時(shí)，發(fā)射放大電路對(duì)應(yīng)的能耗；α受附近環(huán)境的影響，在區(qū)間[2，5]內(nèi)取值，表示傳播衰減指數(shù)。

在監(jiān)測(cè)區(qū)域H中隨機(jī)部署N個(gè)節(jié)點(diǎn)，其分布特性滿足下式

(4)

式中，S′代表監(jiān)測(cè)區(qū)域的面積。

用F表示網(wǎng)絡(luò)中的圓域，其半徑可用通信距離d表示，節(jié)點(diǎn)落在F中的概率P{(X，Y)∈F}可通過(guò)下式計(jì)算得到

(5)

源節(jié)點(diǎn)中存在的切片資源經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)基站節(jié)點(diǎn)中。在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行跟蹤，用gij表示鄰居節(jié)點(diǎn)j傳輸?shù)街虚g節(jié)點(diǎn)i中的切片資源，中間節(jié)點(diǎn)i將接收到的切片資源轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)的基站節(jié)點(diǎn)k中，此時(shí)節(jié)點(diǎn)i在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的生命周期為Yi(f)

Yi(f)=Ei/[ar(i)+at(i，j)]

(6)

式中，Ei代表節(jié)點(diǎn)i在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的能量；ar(i)、at(i，j)代表節(jié)點(diǎn)傳輸切片資源的概率。

所有節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的最小生命周期Ysys(f)即為一定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率f下混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)的生命周期[9，10]，其計(jì)算公式如下

Ysys(f)=minYi(f)

(7)

在混合窄帶物聯(lián)網(wǎng)最小生命周期Ysys(f)內(nèi)，監(jiān)測(cè)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)i的單條路徑能耗可通過(guò)下式計(jì)算得到

(8)

式中，k代表節(jié)點(diǎn)度

源節(jié)點(diǎn)中將切片資源傳輸?shù)交舅玫霓D(zhuǎn)發(fā)次數(shù)即為跳數(shù)，可以反映混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信傳播過(guò)程中存在的時(shí)延問(wèn)題。

切片資源在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程可表示為圖1。

圖1 切片資源轉(zhuǎn)發(fā)

在幾何定理的基礎(chǔ)上獲得下式

(9)

其中，d代表節(jié)點(diǎn)在混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)中的通信半徑；a表示目的節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間存在的距離；C代表目的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的距離。

(10)

(11)

(12)

3 基于切片資源通信能耗優(yōu)化模型的能耗控制算法設(shè)計(jì)

混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法采用粒子群算法[11，12]對(duì)通信能耗優(yōu)化模型求解，實(shí)現(xiàn)切片資源的通信能耗控制，具體步驟如下：

(13)

式中，Cmax、Cmin為C(X)對(duì)應(yīng)的最大值和最小值；Mmax、Mmin為粒子種群中M(X)對(duì)應(yīng)的最大值和最小值；Kmax、Kmin分別代表完成任務(wù)所用的最長(zhǎng)時(shí)間，和完成任務(wù)所用的最短時(shí)間。

2)局部最優(yōu)解是粒子群算法中最常見(jiàn)的問(wèn)題，為了避免上述問(wèn)題混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法設(shè)置閾值divth，當(dāng)種群多樣性在迭代尋優(yōu)過(guò)程中低于divth時(shí)，此時(shí)的擾動(dòng)粒子即為適應(yīng)度最小值對(duì)應(yīng)的粒子，在排斥力的作用下粒子開(kāi)始移動(dòng)，進(jìn)入搜索區(qū)域，避免出現(xiàn)局部最優(yōu)解[15]，提高所提算法的全局搜索能力。

用div表示粒子種群的多樣性，其計(jì)算公式如下

(14)

式中，m代表種群規(guī)模；divs表示粒子s在種群中存在的個(gè)體多樣性，其計(jì)算公式如下

(15)

通過(guò)上式計(jì)算結(jié)果，獲得粒子種群全局最佳粒子Pg與粒子s自身局部最佳粒子Ps之間在種群中的相依程度，式中，simii，j代表粒子i與粒子j之間的個(gè)體相似性，可通過(guò)下式計(jì)算得到

(16)

式中，Qi(t)表示個(gè)體多樣性。

(17)

4)用Vi表示粒子速度，通過(guò)下式對(duì)粒子速度進(jìn)行更新

(18)

式中，c1、c2為隨機(jī)自然數(shù)。通過(guò)分布計(jì)算方法對(duì)粒子的位置進(jìn)行更新

X=X+c1(Pb-X)+c2Pg

(19)

5)設(shè)置終止條件，如果滿足輸出切片資源通信能耗優(yōu)化模型的最優(yōu)解，如果不滿足，返回步驟(4)中。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法的整體有效性，需要對(duì)混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法進(jìn)行測(cè)試。

分別采用混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法進(jìn)行如下對(duì)比測(cè)試。

4.1 網(wǎng)絡(luò)生命周期測(cè)試

將死亡節(jié)點(diǎn)的百分比低于50%時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)工作的時(shí)間作為網(wǎng)絡(luò)生命周期，所提算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，死亡節(jié)點(diǎn)百分比與網(wǎng)絡(luò)持續(xù)工作時(shí)間之間成反比關(guān)系，隨著死亡節(jié)點(diǎn)百分比的降低，所提算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的網(wǎng)絡(luò)持續(xù)工作時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，但在相同死亡節(jié)點(diǎn)百分比條件下，所提算法的網(wǎng)絡(luò)持續(xù)工作時(shí)間均高于文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法，表明所提算法對(duì)通信能耗控制后，物聯(lián)網(wǎng)具有良好的生命周期，因?yàn)樗崴惴ㄔ跇?gòu)建通信能耗優(yōu)化模型時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行了考慮，提高了物聯(lián)網(wǎng)的生命周期。

4.2 通信延時(shí)測(cè)試

采用三種算法對(duì)通信能耗進(jìn)行控制后，對(duì)比其通信延時(shí)，通信延時(shí)表明節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包傳送到目的節(jié)點(diǎn)所用的平均時(shí)間，通信延時(shí)越低表明算法的通信效率越高，所提算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的通信延時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同算法的通信延時(shí)

當(dāng)通信延時(shí)控制在0.2s以內(nèi)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片資源的通信不產(chǎn)生影響。分析圖2可知，采用所提算法進(jìn)行端到端延時(shí)測(cè)試時(shí)，在多次通信測(cè)試過(guò)程中的延時(shí)均控制在0.2s以內(nèi)，不對(duì)切片資源的通信產(chǎn)生影響。采用文獻(xiàn)[3]算法進(jìn)行端到端延時(shí)測(cè)試時(shí)，獲得的通信延時(shí)均高于0.6s，在第3次測(cè)試中通信延時(shí)高達(dá)0.8s，采用文獻(xiàn)[4]算法進(jìn)行端到端延時(shí)測(cè)試時(shí)，該算法的通信延時(shí)波動(dòng)較大，但均高于所提算法，且在第4次迭代過(guò)程高達(dá)1.0s。對(duì)比上述算法的測(cè)試結(jié)果可知，所提算法的通信延時(shí)最短，表明所提算法的通信效率較高。

4.3 投遞率測(cè)試

目的節(jié)點(diǎn)最終接收到的數(shù)據(jù)包比例即為投遞率，所提算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的投遞率測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 投遞率測(cè)試結(jié)果

由圖3可知，隨著測(cè)試時(shí)間的增長(zhǎng)，所提算法、文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的投遞率均出現(xiàn)不同程度的下降，但與文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法相比，所提算法的投遞率較高，文獻(xiàn)[3]算法和文獻(xiàn)[4]算法的投遞率出現(xiàn)大幅度下降的主要原因是在能耗控制過(guò)程中容易出現(xiàn)資源丟失的現(xiàn)象，而所提算法在能耗控制過(guò)程中可以保證切片資源的完整性，進(jìn)而提高了算法的投遞率。

5 結(jié)束語(yǔ)

混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變、大規(guī)模、節(jié)點(diǎn)能量有限和環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，切片資源的通信能耗直接影響著混合窄帶物聯(lián)網(wǎng)的性能，因此對(duì)通信能耗控制算法進(jìn)行分析和研究具有重要意義。目前通信能耗控制算法存在網(wǎng)絡(luò)生命周期短、通信延時(shí)高和投遞率低的問(wèn)題，提出混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)切片資源通信能耗控制算法，構(gòu)建了通信能耗優(yōu)化模型，并采用粒子群算法實(shí)現(xiàn)通信能耗的控制，解決了目前算法中的難點(diǎn)，促進(jìn)了混合式窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用。