考慮負(fù)載均衡的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制方法

摘 要：為降低節(jié)點(diǎn)負(fù)載輸出幅值，提升節(jié)點(diǎn)傳輸性能，提出考慮負(fù)載均衡的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制方法。分析物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制機(jī)制，確定限制條件，計(jì)算節(jié)點(diǎn)吞吐量；在所確定的限制條件下，預(yù)測(cè)傳輸時(shí)延，采用加權(quán)輪詢算法實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配和調(diào)度，控制物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載量，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；通過模糊尋優(yōu)節(jié)點(diǎn)鏈路，構(gòu)建傳輸速率控制算法，完成物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法的負(fù)載輸出幅值較低，傳輸速率控制較好。

關(guān)鍵詞：負(fù)載均衡；物聯(lián)網(wǎng)；節(jié)點(diǎn)；傳輸速率；控制方法；加權(quán)輪詢算法

中圖分類號(hào)：TP39；TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

當(dāng)多種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)被部署在各種環(huán)境中時(shí)，就形成了龐大的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)[1]。然而，由于物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模和復(fù)雜性，節(jié)點(diǎn)之間的通信負(fù)載不均衡問題日益凸顯，產(chǎn)生了較高的負(fù)載壓力，降低了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸速率[2-5]。因此，有必要設(shè)計(jì)一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率的控制方法。

相關(guān)研究人員針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的傳輸特點(diǎn)設(shè)計(jì)了幾種常規(guī)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制方法。文獻(xiàn)[6]基于WSN大量數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率自適應(yīng)控制方法，根據(jù)存儲(chǔ)資源的丟包狀態(tài)進(jìn)行信息反饋，完成節(jié)點(diǎn)速率控制。文獻(xiàn)[7]基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制方法，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn)度，確定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制。但上述兩種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制方法主要使用稀疏聚類隨機(jī)分析法檢測(cè)鏈路負(fù)載特征，易受鏈路傳輸碼源間隔影響，導(dǎo)致負(fù)載輸出幅值過高，造成鏈路擁堵，影響數(shù)據(jù)高效傳輸。因此，本文考慮負(fù)載均衡，設(shè)計(jì)了一種全新的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制方法。

1 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡傳輸速率控制方法設(shè)計(jì)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制限制條件

假設(shè)數(shù)據(jù)處于無限量狀態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)都在不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳輸過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸狀態(tài)始終發(fā)生動(dòng)態(tài)變化[8]。因此，需要依據(jù)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)傳輸條件分析傳輸過程，研究傳輸速率控制機(jī)制。首先，通過節(jié)點(diǎn)信息確定每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的身份和位置，為后續(xù)的傳輸速率控制提供依據(jù)[9]。其次，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備緩沖器用于臨時(shí)存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)包或待發(fā)送的數(shù)據(jù)包，以滿足不同傳輸速率條件下的數(shù)據(jù)交換需求。在能量管理方面，需要合理管理節(jié)點(diǎn)的能量使用，以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作壽命，提高穩(wěn)定性，例如優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸功耗和靈活配置能量消耗策略等。最后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載狀況、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)載均衡算法等因素，決定何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)以及以多大速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)資源有效利用，并提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。通過上述措施形成的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制機(jī)制可以確保節(jié)點(diǎn)信息的準(zhǔn)確性，能夠有效利用緩沖器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，合理管理能量消耗，并且可以根據(jù)不同條件靈活調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率，從而實(shí)現(xiàn)傳輸過程的優(yōu)化和控制，具體如圖1所示。

由此，傳輸速率控制機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸過程可以設(shè)置以下五條限制條件：第一條是傳輸時(shí)間限制條件，需要在保證數(shù)據(jù)與能量獨(dú)立隨機(jī)性下采集；第二條是緩存限制條件，需要根據(jù)給定的緩存容量完成設(shè)置；第三條是能量曲線限制條件，代表累積節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)量；第四條是數(shù)據(jù)傳輸/能量消耗曲線限制條件，代表累積消耗的能量；第五條是最優(yōu)吞吐量控制曲線限制條件，限制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送效率。其中，前四條均可以通過直接設(shè)置限制條件的具體數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，第五條的吞吐量控制曲線計(jì)算公式如下：

式中：Dt表示t個(gè)物聯(lián)網(wǎng)通信鏈路的總帶寬；p表示數(shù)據(jù)發(fā)送間隔。

針對(duì)上述傳輸機(jī)制，可以調(diào)整不同物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的吞吐量，將其轉(zhuǎn)化為隨機(jī)獨(dú)立問題，進(jìn)行綜合求解尋優(yōu)，并針對(duì)具體的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制要求進(jìn)行最優(yōu)限制條件控制。

1.2 考慮負(fù)載均衡的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載量控制

負(fù)載均衡是各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)有序傳輸?shù)谋ＷC。因此，要想有效地進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制，在上述限制條件下，進(jìn)一步考慮負(fù)載均衡，控制物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載量，使各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡，避免物聯(lián)網(wǎng)傳輸鏈路擁堵[10]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳輸速率控制。

本文根據(jù)隨機(jī)聚類分析原則對(duì)物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載傳輸特征進(jìn)行分析，此時(shí)生成的自適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載傳輸模糊度函數(shù)x（t）如下：

式中：Ri表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在負(fù)載飽和狀態(tài)下的最大傳輸能力。由此，可以確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載傳輸狀態(tài)，為預(yù)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)延提供參考。

當(dāng)各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)鏈路接收到傳輸信息后，會(huì)立即進(jìn)行響應(yīng)，使用上述函數(shù)進(jìn)行模糊度檢測(cè)，此時(shí)考慮鏈路的負(fù)載均衡狀態(tài)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)延預(yù)測(cè)模型h（t）如下：

式中：σi表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的幀重傳概率；δi表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列長(zhǎng)度。

根據(jù)傳輸時(shí)延的預(yù)測(cè)結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分配和調(diào)度策略。將任務(wù)合理地分配給空閑度較高、傳輸時(shí)延較低的節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，避免鏈路擁堵，提高傳輸速率。本文采用加權(quán)輪詢算法實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配和調(diào)度，該算法通過給不同節(jié)點(diǎn)分配不同的權(quán)重，將任務(wù)按照一定規(guī)則輪流分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn)。傳輸時(shí)延的預(yù)測(cè)可以作為調(diào)整節(jié)點(diǎn)權(quán)重的依據(jù)，將任務(wù)優(yōu)先分配給傳輸時(shí)延較低的節(jié)點(diǎn)。具體計(jì)算公式如下：

式中：β表示初始的任務(wù)分配權(quán)重；hmin表示所有節(jié)點(diǎn)中的最低傳輸時(shí)延。

在上述策略的控制下，鏈路的傳輸時(shí)延為h'，由此，可控制物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載量L（t）如下：

式中：Ai表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)性。

根據(jù)上述構(gòu)建的模型及計(jì)算的負(fù)載量可以實(shí)現(xiàn)最短時(shí)延下的數(shù)據(jù)傳輸鏈路均衡調(diào)度，最大程度提高物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率，并控制了節(jié)點(diǎn)負(fù)載的均衡性。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制算法

根據(jù)上述構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載量控制模型，可以調(diào)整各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延，調(diào)整傳輸負(fù)載均衡。但在數(shù)據(jù)傳輸過程的信道擴(kuò)展中，受各個(gè)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度效果影響，很容易出現(xiàn)信道抑制作用，影響最終的傳輸速率。

本文進(jìn)行了負(fù)載特征檢測(cè)，提取了有效的物聯(lián)網(wǎng)鏈路負(fù)載特征統(tǒng)計(jì)量，應(yīng)用模糊尋優(yōu)方法確定最優(yōu)傳輸鏈路，則物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制算法C的表達(dá)式如下：

式中：POS表示模糊尋優(yōu)參量。根據(jù)上述生成的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制算法，可以進(jìn)行分布式傳感融合，調(diào)整各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)鏈路的自適應(yīng)參數(shù)，重新對(duì)各個(gè)鏈路進(jìn)行多鏈路分配，完成快速尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)多陣列節(jié)點(diǎn)均衡控制優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳輸速率控制。

2 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的考慮負(fù)載均衡的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制方法的控制效果，本文配置了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將其與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]中的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取本地服務(wù)器集群作為實(shí)驗(yàn)集群，模擬了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的傳輸狀態(tài)，配置了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括一臺(tái)客戶端服務(wù)器、一臺(tái)負(fù)載均衡服務(wù)器、單臺(tái)后端服務(wù)器。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過性能測(cè)試軟件發(fā)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指令，由部署的Nginx組件完成響應(yīng)。本文選取的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為WSN-G5節(jié)點(diǎn)，使用高精度IEPE傳感器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。以某電力物聯(lián)網(wǎng)2023年6月1日到2023年6月15日的通信數(shù)據(jù)為樣本，濾除干擾信息后獲得600 GB的數(shù)據(jù)集，以此測(cè)試方法的數(shù)據(jù)傳輸性能。設(shè)定算法實(shí)現(xiàn)過程中，節(jié)點(diǎn)的幀重傳概率范圍為[0.005，0.012]，數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列長(zhǎng)度最大為1 024，任務(wù)分配權(quán)重為0.22。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過不同方法進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制實(shí)驗(yàn)，獲得物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載輸出幅值，并將其與標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸均衡輸出幅值[-2.0 Kb/s，2.0 Kb/s]進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證傳輸?shù)呢?fù)載均衡性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所列。

由表1可知，本文方法在不同時(shí)間內(nèi)的負(fù)載輸出幅值為[-0.822 6 Kb/s，0.569 6 Kb/s]，均在均衡幅值范圍內(nèi)，而文獻(xiàn)[2]

和文獻(xiàn)[3]的方法在不同時(shí)間內(nèi)的負(fù)載輸出幅值分別為[-4.625 4 Kb/s，4.244 2 Kb/s]和[-4.899 2 Kb/s，4.595 2 Kb/s]，超出了均衡幅值范圍。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文方法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡控制效果較好，能夠有效平衡節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載，避免某些節(jié)點(diǎn)過載而導(dǎo)致性能下降，同時(shí)也能避免負(fù)載過低的節(jié)點(diǎn)閑置，造成資源浪費(fèi)。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的傳輸速率控制效果，將數(shù)據(jù)集隨機(jī)分為不同大小的數(shù)據(jù)組，驗(yàn)證不同大小的數(shù)據(jù)組的傳輸速率，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，傳輸速率出現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢(shì)，且本文方法的傳輸速率持續(xù)高于其他方法，平均為68 Mb/s，表明本文方法對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸速率較高，可以提高整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能，使物聯(lián)網(wǎng)能夠更高效地處理和傳輸數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語

受復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)組成的影響，其在傳輸過程中很容易形成負(fù)載壓力，降低節(jié)點(diǎn)的傳輸性能。因此，本文考慮負(fù)載均衡設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸速率控制方法的負(fù)載輸出幅值較低，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)閮?yōu)化物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸性能提供參考。

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