低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡構(gòu)架模型?

黃林偉

（廣東工業(yè)大學華立學院 廣州 511325）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和無線傳感技術(shù)的發(fā)展，采用分布式組網(wǎng)方法進行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，提高網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)性能，低功耗無線網(wǎng)絡(luò)采用無線傳感節(jié)點進行無線組網(wǎng)設(shè)計，該型網(wǎng)絡(luò)體系具有功耗低和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單的特點，在進行低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架設(shè)計中，需要進行節(jié)點的優(yōu)化部署設(shè)計，提高網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化組網(wǎng)性能。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速度快和帶寬高等優(yōu)點，低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系由網(wǎng)絡(luò)層、感知層和應用層構(gòu)成，采用低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系進行大數(shù)據(jù)信息處理，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸和信息調(diào)度，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)和并行轉(zhuǎn)換，提高信息傳輸?shù)牟⑿姓{(diào)度能力［1］。為了提高低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的體系構(gòu)架能力，降低網(wǎng)絡(luò)的存儲開銷和計算開銷，需要進行網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)負載均衡構(gòu)架設(shè)計。研究低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡算法，在實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的進程管理和內(nèi)存優(yōu)化管理中具有重要意義。

對低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡研究是建立在對網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路層的路由均衡設(shè)計和信道優(yōu)化部署基礎(chǔ)上的，具有路由優(yōu)化部署和無線自組網(wǎng)設(shè)計，提高網(wǎng)絡(luò)的負載均衡調(diào)度能力。傳統(tǒng)方法中，低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系的動態(tài)負載調(diào)度算法設(shè)計主要采用分簇能耗調(diào)度算法和最短路徑尋優(yōu)方法［2～3］，將分布式網(wǎng)絡(luò)體系的節(jié)點部署分解為多任務(wù)的并行調(diào)度方法，結(jié)合多線程調(diào)度協(xié)議進行優(yōu)先級節(jié)點部署列表設(shè)計，取得了較好的節(jié)點部署均衡效能。其中，文獻［4］中提出一種基于混合粒子聚類算法的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系雙閾值動態(tài)負載調(diào)度算法，在低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系的全局動態(tài)負載調(diào)度，提高低功耗無線網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負載調(diào)度的均衡性，但該方法計算開銷較大，組網(wǎng)構(gòu)架負載增大；文獻［5］中提出一種LEACH分簇算法的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負載調(diào)度算法，在Linux嵌入式系統(tǒng)中進行于自適應能量補給，提高負載均衡調(diào)度能力，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架體系的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)點優(yōu)化部署，提高調(diào)度過程中的能量聚集性，但該方法存在的缺點對動態(tài)抗干擾能力不強，導致負載均衡性不好［6］。

針對上述問題，本文提出一種基于最短路由節(jié)點部署的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡調(diào)度算法，采用自適應鏈路均衡方法進行低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道均衡設(shè)計，進行動態(tài)負載均衡調(diào)度的優(yōu)先級列表構(gòu)建，設(shè)計高效時分多址協(xié)議進行的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系負載調(diào)度的時隙分配，實現(xiàn)動態(tài)負載均衡調(diào)度。最后進行仿真測試，展示了本文方法在提高低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡調(diào)度能力方面的優(yōu)越性能。

2 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署模型及均衡設(shè)計

2.1 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署模型

低功耗無線網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的大數(shù)據(jù)分布式并行網(wǎng)絡(luò)傳輸模型，主要分為進程管理、內(nèi)存管理和大數(shù)據(jù)信息傳輸管理幾大模塊組成，低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署的信息傳播模型設(shè)計中，低功耗無線網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)負載的協(xié)議機制采用的主要是無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議比如TDMA協(xié)議進行傳輸［7］。在網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）利用時分多址協(xié)議組建In?ternet、GPRS、3G、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)模型，采用Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法進行低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點優(yōu)化分配［8］，構(gòu)建低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署模型如圖1所示。

圖1 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署模型

在圖1所示的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署的信息傳播模型中，采用自適應鏈路轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議進行路由協(xié)議模型構(gòu)建，假設(shè)C是N×N維的無線網(wǎng)絡(luò)傳感鏈路分布集，N為在低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系中的節(jié)點個數(shù)，結(jié)合相關(guān)性決策部署方法，得到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署的有限數(shù)據(jù)集為

給出由M個時隙組成的動態(tài)負載均衡調(diào)度優(yōu)先級列表，每個低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系中Sink節(jié)點組合為 x1，x2，…，xn，輸出功耗滿足：A1∪A2∪，…，∪Ak=A，且Ai∩Aj=Ω，由此構(gòu)建節(jié)點部署的傳遞函數(shù)為

其中，在K個節(jié)點部署的鏈路空間中，網(wǎng)絡(luò)的Source節(jié)點的輸出負載量{x (n)}為零均值的k階平穩(wěn)隨機過程，輸出功耗滿足C/n-x1，負載均衡調(diào)度的階數(shù)為(n -1) C/n，調(diào)度配置的權(quán)值wBLCMV為

2.2 自適應鏈路均衡

采用自分簇間隔均衡控制方法，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的傳輸鏈路均衡模型［9］，采用自適應鏈路均衡方法進行低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道均衡設(shè)計，得到節(jié)點的加權(quán)均值

在無線組網(wǎng)構(gòu)架體系下，信道傳遞模型描述為

其中，a0為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?，xn-i為待分配的動態(tài)負載傳輸量，bj為線性均衡的能量幅度。采用自適應分簇調(diào)度方法［10］，進行信道均衡控制，得到信道的輸出沖激響應為

其中，Eelect表示網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)鏈路通道l的負載。構(gòu)建動態(tài)負載堆?？刂茀f(xié)議進行自適應鏈路轉(zhuǎn)發(fā)控制協(xié)議，得到自適應鏈路均衡輸出的帶寬為

網(wǎng)絡(luò)信道的時間寬度為

結(jié)合分集均衡模型，得到網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化路由協(xié)議設(shè)計如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化路由協(xié)議設(shè)計

3 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡構(gòu)架模型優(yōu)化

3.1 動態(tài)負載均衡調(diào)度的優(yōu)先級列表構(gòu)建

在構(gòu)建低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署的信息傳播模型的基礎(chǔ)上，進行低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡構(gòu)架模型優(yōu)化設(shè)計，本文提出一種基于最短路由節(jié)點部署的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡調(diào)度算法，采用多重節(jié)點反復組合方法進行無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點優(yōu)化部署［11］，得到節(jié)點的負載均衡控制的時隙寬度和優(yōu)先級系數(shù)分別為

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的成功概率為

結(jié)合自適應插值方法進行動態(tài)負載均衡調(diào)度的優(yōu)先級列表構(gòu)建，得到優(yōu)先級列表的函數(shù)表達式為

3.2 網(wǎng)絡(luò)體系負載均衡調(diào)度

設(shè)計高效時分多址協(xié)議進行的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系負載調(diào)度的時隙分配，得到時隙分配函數(shù)為

結(jié)合信息融合方法進行調(diào)度任務(wù)集的多線程融合處理，根據(jù)自適應鏈路均衡輸出結(jié)果，低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的信道占用率表達為

采用副本相關(guān)匹配方法，進行多重節(jié)點反復組合設(shè)計，得到時分多址協(xié)議為

其中，x＜p＜M ，x為低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)，x個節(jié)點需要發(fā)送p時隙的數(shù)據(jù)包，得到網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)時滯描述為

其中，每個動態(tài)負載輸出節(jié)點特征量C?S，采用自適應鏈路均衡控制方法［12］，得到分簇調(diào)度的時間消耗為

綜上分析，得到低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡構(gòu)架模型轉(zhuǎn)化為求如下函數(shù)的最小值問題：

負載調(diào)度的閾值為

在高效時分多址協(xié)議控制下，實現(xiàn)低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架模型的優(yōu)化設(shè)計。

4 仿真試驗與結(jié)果分析

為了測試本文算法在對低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架優(yōu)化設(shè)計中的性能，進行仿真試驗，試驗的軟件采用Matlab設(shè)計，采用隨機序列生成方法生成低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的200個節(jié)點，結(jié)合本文設(shè)計的節(jié)點優(yōu)化部署模型進行無線組網(wǎng)設(shè)計，構(gòu)建JDK1.6，a1Gbps交換網(wǎng)進行低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系的總線調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸控制，網(wǎng)絡(luò)的信道傳輸帶寬為14dB，對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒉蓸訒r間間隔為0.24s，對網(wǎng)絡(luò)負載的初始采樣頻率為f0=10kHz，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的頻率為 fs=5f0=50kHz，時分多址協(xié)議的時隙寬度為T=50ms，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進行低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系的動態(tài)負載均衡調(diào)度仿真實驗，得到低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系中的負載調(diào)度的信息流時域波形如圖3所示。

圖3 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系中的負載時域波形

以圖3的數(shù)據(jù)采樣樣本為測試集，進行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化組網(wǎng)體系架構(gòu)下的負載均衡調(diào)度，得到低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系的動態(tài)負載的均衡狀態(tài)特征分布如圖4所示。

圖4 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系的動態(tài)負載的均衡狀態(tài)特征分布

對比圖4結(jié)果得知，采用本文方法進行低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系的動態(tài)負載調(diào)度的均衡性較好，抗干擾能力較強，旁瓣干擾得到有效抑制，提高了負載數(shù)據(jù)的動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)性能和鏈路均衡能力。測試不同方法進行動態(tài)負載調(diào)度的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)準確性，得到測試結(jié)果如圖5所示，分析得知，本文提高了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的準確概率，性能較好。

圖5 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能測試

5 結(jié)語

為了提高低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的體系構(gòu)架能力，降低網(wǎng)絡(luò)的存儲開銷和計算開銷，需要進行網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)負載均衡構(gòu)架設(shè)計。本文提出一種基于最短路由節(jié)點部署的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系動態(tài)負載均衡調(diào)度算法，構(gòu)建低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署的信息傳播模型，采用自適應鏈路均衡方法進行低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道均衡設(shè)計，結(jié)合自適應插值方法進行動態(tài)負載均衡調(diào)度的優(yōu)先級列表構(gòu)建，采用多重節(jié)點反復組合方法進行無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點優(yōu)化部署，設(shè)計高效時分多址協(xié)議進行的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系負載調(diào)度的時隙分配，實現(xiàn)動態(tài)負載均衡調(diào)度。研究得知，本文方法能提高低功耗無線網(wǎng)絡(luò)體系的動態(tài)負載均衡調(diào)度能力，提高數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)準確性，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)構(gòu)架體系。