無線多跳通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸延時補償算法

楊 峰，馬 銘

(北華大學大數(shù)據(jù)與智慧校園管理中心，吉林 吉林 132013)

1 引言

目前，無線多跳通信網(wǎng)絡已憑借較好的應用性能與較強的信息感知力取得了飛速發(fā)展。無線多跳通信網(wǎng)絡的構成基礎為分散在多維空間中的多個傳感器節(jié)點[1]?，F(xiàn)如今，無線多跳通信網(wǎng)絡因具有較強的適應性與較高的數(shù)據(jù)處理容錯性而被廣泛應用于國防軍事安全以及主要干道交通等通訊形式中，應用前景較為廣闊。但是，在特定網(wǎng)絡的整個通信過程中，無線網(wǎng)絡傳感器技術的通信節(jié)點能量相對有限，極易造成數(shù)據(jù)傳輸延遲，從而影響無線多跳通信網(wǎng)絡的應用系統(tǒng)總體性能[2]。因此，合理地補償無線多跳通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸延遲時間具有重要的現(xiàn)實意義。

文獻[3]針對傳感器采樣延時問題，基于傳統(tǒng)GPS/INS(Global Positioning System-Inertia Navigation System，全球定位系統(tǒng)+慣性導航系統(tǒng)的組合導航系統(tǒng))松耦合組合導航模型，提出了一種延時估計與補償算法。通過建立延時估計模型計算時間同步偏差，在設計殘差傳播方程后，采用殘差重構方法補償同步軟件時間延時；文獻[4]中，重聯(lián)動車組通過UIC(International Union of Railways，國際鐵路聯(lián)盟)網(wǎng)關的過程數(shù)據(jù)編組傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)，導致重聯(lián)通信網(wǎng)絡的傳輸延時降低重聯(lián)控制性能。因此，設計了網(wǎng)絡控制時延預測及補償算法，利用網(wǎng)絡時延的自回歸AR(Autoregressive model，自回歸模型)模型與Yule-walker參數(shù)自辨識算法，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)實時預測網(wǎng)絡時延，并采用快速隱式廣義預測控制補償預測出的時延。

為避免因數(shù)據(jù)傳輸延時問題造成網(wǎng)絡穩(wěn)定性遭到破壞，本文設計了無線多跳通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸延時補償算法。優(yōu)化設計內(nèi)容如下：通過建立無線多跳通信網(wǎng)絡的延時下限累積分布函數(shù)與數(shù)據(jù)傳輸延時違約概率下限的計算公式，提升補償算法的有效性；調(diào)節(jié)網(wǎng)絡節(jié)點通信半徑，精準控制多跳網(wǎng)絡的分簇規(guī)格；通過調(diào)整分簇大小合理均衡簇負載；搜索各簇頭至匯聚節(jié)點代價最小的多跳路徑，增強通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸延時補償效果。

2 無線多跳通信網(wǎng)絡延時違約概率計算

無線多跳通信網(wǎng)絡的各條路徑均中含有多個節(jié)點，各節(jié)點均能夠生成新包，還能夠轉發(fā)接收的周圍節(jié)點包。單跳包傳輸?shù)年犃心Ｐ椭饕糜诿枋龈鳠o線單跳通信鏈路包的傳輸形式，如圖1所示。

圖1 單跳包傳輸?shù)年犃心Ｐ褪疽鈭D

無線多跳通信網(wǎng)絡路徑中，節(jié)點所接收的各個新包均具有一定的獨立性，假設該網(wǎng)絡內(nèi)的包負載呈統(tǒng)一分布，新抵達包與轉發(fā)包的整合速率為μ，基于數(shù)據(jù)鏈路層，單隊列內(nèi)往往混合著新的抵達包與轉發(fā)包，且按照FIFO(First Input First Output，先進先出)準則被公平轉發(fā)，第n個采樣時刻的瞬時隊列長度為Qn。在此基礎上，假設第i跳穩(wěn)定狀態(tài)隊列的延時為Di，針對無線單跳網(wǎng)絡鏈路，采用等效帶寬描述Di大于延時限制Dmax的概率，如下所示

(1)

其中，等效帶寬恒定信道服務速率r的函數(shù)分別為θ(r)、γ(r)。根據(jù)等效帶寬定義可知，恒定信道吞吐量下限同時也是ε=γ(r)e-θ(r)Dmax的解。

由于γ(r)近似于邊緣卷積分布函數(shù)[5]，θ(r)與多普勒頻移相關聯(lián)[6]，故通過式(1)可推導出等效帶寬模型的累積分布函數(shù)FD(x)與概率密度函數(shù)fD(x)[7-8]，過程所示

FD(x)=1-γ(r)e-θ(r)x

(2)

fD(x)=γ(r)θ(r)e-θ(r)x+(1-γ(r))δ(x)

(3)

其中，δ(x)表示單位沖擊函數(shù)。

針對無線多跳通信網(wǎng)絡中的普通路徑，在路由中間節(jié)點處混合兩種流量，一種是源節(jié)點與目的節(jié)點間的流量，另一種是新生成與其它轉發(fā)的流量，從而建立一個無線多跳通信網(wǎng)絡的延時下限累積分布函數(shù)Fh(x)，如下所示

=(1-γ(r))h-i×γ(r)i-1×(1-e-θ(r)x)

(4)

其中，h表示通信網(wǎng)絡跳數(shù)。

由式(4)可以得到無線多跳通信網(wǎng)絡下數(shù)據(jù)傳輸延時違約概率下限的計算公式，如下所示

J=Fh(x)×(1-(1-γ(r))h-i×γ(r)i-1)

(5)

3 數(shù)據(jù)傳輸延時補償算法構建

3.1 均衡無線多跳通信網(wǎng)絡簇負載

有關無線多跳通信網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿縦比特監(jiān)控信息，在數(shù)據(jù)傳輸階段內(nèi)，假設ER(k)與ET(k)分別表示接收節(jié)點與發(fā)送節(jié)點所消耗的能量，則式(6)所示為與之相對應的表達式

(6)

其中，在傳輸單位比特的數(shù)據(jù)過程中，Eamp表示網(wǎng)絡發(fā)送節(jié)點功率放大器消耗能量。若s是通信階段內(nèi)發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的間距，利用下列計算公式求解消耗能量Eamp值

(7)

其中，εtr表示通信信號衰減因子[9]，s0表示網(wǎng)絡接收與發(fā)送節(jié)點的間距門限。

針對通信網(wǎng)絡簇中節(jié)點采集到的k比特數(shù)據(jù)，采用下列公式計算數(shù)據(jù)融合階段中簇頭節(jié)點消耗的能量Ef(k)

Ef(k)=EDAk

(8)

其中，EDA表示在網(wǎng)絡通信階段內(nèi)，簇頭節(jié)點數(shù)據(jù)融合單位比特數(shù)據(jù)時的能量消耗。

(9)

(10)

(11)

(12)

根據(jù)無線多跳網(wǎng)絡模型解得網(wǎng)絡分簇最佳個數(shù)，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡節(jié)點通信半徑，控制多跳網(wǎng)絡的分簇規(guī)格，求取簇中任意監(jiān)控數(shù)據(jù)采集階段里，通信節(jié)點所消耗的能量，基于網(wǎng)絡節(jié)點密度設置節(jié)點實際通信半徑，通過調(diào)整分簇大小均衡簇負載[11]。

3.2 通信發(fā)包率與增強信息素揮發(fā)因子關系建立

在選取無線多跳通信網(wǎng)絡簇頭時，通過非均勻分布式競爭形式，設定評價標準為網(wǎng)絡通信余下能量與距離，明確簇頭后進行各簇頭至匯聚節(jié)點代價最小的多跳路徑搜索，補償通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸延時。

(13)

其中，c表示簇頭節(jié)點競爭半徑取值范圍的控制參數(shù)，其取值范圍為c∈(0，1)，pc與si分別表示匯聚點與節(jié)點，兩點之間的距離用d(si，pc)表示。

假設數(shù)據(jù)傳輸階段里，解得的每個節(jié)點半徑廣播競爭信息為M1，則該競爭信息M1由節(jié)點信息si、匯聚點pc與節(jié)點si間距d(si，pc)以及余下能量Er構成。利用下列公式計算每個簇頭Er到各鄰居簇頭sj(j∈Ri)的初始信息素濃度

(14)

(15)

其中，簇頭sk的初始信息素濃度為uik，局部啟發(fā)值取值范圍的控制參數(shù)為σ，取值范圍為σ∈(0，1)。

簇頭si選擇具有最大概率pij值的節(jié)點sj當做下一跳節(jié)點，并通過下列公式增強與節(jié)點sj對應路由的信息素

u′ij=uij+Δuij

(16)

其中，增強的信息素濃度為u′ij，信息素濃度變化量為Δuij，計算過程如下

(17)

其中，無線多跳通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)與實時性權重的調(diào)節(jié)參數(shù)為ω，取值范圍為ω∈(0，1)，增強信息與初始信息素間的比例調(diào)整系數(shù)為α，網(wǎng)絡通信時數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笱訒r為Tmax，數(shù)據(jù)包轉發(fā)的最大延時為τmax，數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄訒r為Tij，數(shù)據(jù)包轉發(fā)的平均延時為τij。路徑的增強速率隨著通信階段發(fā)包率的提升而加快，與此同時，也會增加通信路徑負擔，因此，通過下列信息揮發(fā)機制表達式，令通信發(fā)包率與增強信息素揮發(fā)因子[12]之間呈正比例關系

(18)

其中，參考信息素揮發(fā)因子為λ，吞吐量影響因子用β表示，無線多跳通信網(wǎng)絡的發(fā)包率極值分別是Fmin與Fmax，在t時段中的通信路徑發(fā)包率為ft。當完成網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)傳輸后，更新信息素，實現(xiàn)傳輸延時補償。

4 模擬數(shù)據(jù)分析

為驗證為研究設計的無線多跳通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸延時補償算法的實際應用性能，設計如下仿真加以驗證。

4.1 仿真環(huán)境

首先構建一個如圖2所示的無線多跳通信網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量為6個，業(yè)務流為兩條，采用雙向鏈路，圖中N1到N6為業(yè)務流1，N2到N5為業(yè)務流2。仿真通過MATLAB軟件實現(xiàn)，隨機函數(shù)決定其初始信噪比變化范圍，將最小值SNRMIN設定為臨界值。

網(wǎng)絡參數(shù)設定如表1所示。

表1 無線多跳通信網(wǎng)絡參數(shù)設定

圖2 無線多跳通信網(wǎng)絡拓撲示意圖

分別采用文獻[3]中的基于GPS/INS和殘差重構的延時補償算法、文獻[4]中的網(wǎng)絡控制時延預測及補償算法以及本文算法進行仿真。分別以網(wǎng)絡吞吐量和傳輸延時為檢驗指標，驗證不同算法的應用性能。

4.2 吞吐量對比

圖3所示為各方法的節(jié)點平均吞吐量曲線。

圖3 節(jié)點吞吐量均值曲線圖

根據(jù)圖3的曲線走勢發(fā)現(xiàn)，除鏈路速率為20Mbps時，本文算法吞吐量較其它方法略低，多數(shù)情況下，本文算法下的節(jié)點平均吞吐量始終保持較高狀態(tài)。這是由于本文算法均衡了無線多跳通信網(wǎng)絡簇負載，可獲得較大的節(jié)點平均吞吐量。

4.3 延時補償效果對比

從網(wǎng)絡通信節(jié)點中選取10個節(jié)點作為數(shù)據(jù)傳輸延時補償效果的研究對象，分別應用文獻[3]、[4]算法以及本文算法，得到如圖4所示的對應節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸延時曲線。

圖4 各節(jié)點傳輸延時曲線圖

根據(jù)圖4的曲線走勢發(fā)現(xiàn)，相比于文獻[3]、[4]算法，本文算法因聯(lián)立了通信發(fā)包率與增強信息素揮發(fā)因子之間的正相關關系，因此節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸延時更少，從而證明證明本文算法的有效性。

5 結語

無線多跳通信網(wǎng)絡具有廣泛的應用場景，且兼具自配置、拓展性好、成本低以及動態(tài)自組織等優(yōu)勢。為避免網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸延時對服務體驗的影響，本文設計了一種新的數(shù)據(jù)傳輸延時補償算法，并取得了較好的應用效果。因為時間與水平的限制，在今后的研究中需要進一步改善以下方面：①無線多跳通信網(wǎng)絡的研究側重點一直是延時、丟包等問題，而無線網(wǎng)絡的連接高度不可靠性、帶寬較小、誤碼率較高均會直接引起傳輸延時，因此，應創(chuàng)建網(wǎng)絡與被控對象統(tǒng)一模型，結合不確定性處理策略與網(wǎng)絡動態(tài)屬性；②無線多跳通信網(wǎng)絡具有低速、低帶寬特征，網(wǎng)絡節(jié)點通常為資源有限的小型計算單元，且網(wǎng)絡內(nèi)包含許多不確定性，應有效結合計算機網(wǎng)絡、實時調(diào)度以及信息處理，推動相關領域的交叉、融合，為其它領域研究注入新思路。