基于能源總線的區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡建模分析*

程 杰， 李正民

(1. 鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學院 信息工程學院， 鄭州 451191； 2. 鄭州大學 信息工程學院， 鄭州 450001)

隨著網(wǎng)絡建設規(guī)模的不斷擴大，需要對網(wǎng)絡進行區(qū)域能源管控，降低網(wǎng)絡的能耗開銷.構(gòu)建區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的優(yōu)化組網(wǎng)模型可以提高能源網(wǎng)絡的輸出均衡性和用戶的能源使用公平性.研究區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的建模方法，對能源總線的管理和調(diào)度具有重要意義[1-2].

區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡作為未來網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)架形式，通過傳感器節(jié)點實現(xiàn)動態(tài)分簇組網(wǎng)設計，結(jié)合能源總線進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和能源分配.在區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，需要對網(wǎng)絡的能源總線進行優(yōu)化監(jiān)測和調(diào)度，結(jié)合自適應數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議實現(xiàn)區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的信道均衡控制.傳統(tǒng)對區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的建模方法采用主動定位法，構(gòu)建網(wǎng)絡的傳感器探測協(xié)議，結(jié)合網(wǎng)格區(qū)域塊匹配方法進行區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的能源輸出節(jié)點定位優(yōu)化[3-6].有學者提出基于混合蒙特卡羅算法的網(wǎng)絡能源總線監(jiān)測方法，利用IEE802.15.4 MAC傳感器協(xié)議進行能源輸出節(jié)點的分布式調(diào)度，采用交叉總線混合調(diào)制方法實現(xiàn)能源網(wǎng)絡建模優(yōu)化，但該方法計算復雜度較高，網(wǎng)絡能源輸出節(jié)點的自組網(wǎng)性不好.針對上述問題，本文提出基于能源總線的區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡建模方法.采用能源總線自適應轉(zhuǎn)發(fā)控制方法建立協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，提取能源總線輸出信息的關聯(lián)特征量；采用混合蒙特卡羅算法進行區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的輸出能源均衡配置，結(jié)合傳感器探測協(xié)議實現(xiàn)能源網(wǎng)絡的自適應能源輸出節(jié)點輪換調(diào)度，提高區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性.

1 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及能源輸出節(jié)點定位

1.1 能源輸出節(jié)點解析分布模型

為了實現(xiàn)對區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡建模優(yōu)化，需要首先構(gòu)建能源輸出節(jié)點解析分布模型進行能源輸出節(jié)點最優(yōu)分布密度模型分析[7]，使用一個二元有向圖G=(V，E)表示能源總線分布的有向圖模型結(jié)構(gòu)，其中，V為部署在空間探測區(qū)域的能量轉(zhuǎn)發(fā)能源輸出節(jié)點頂點集；E為能量轉(zhuǎn)發(fā)能源輸出節(jié)點覆蓋區(qū)域G中所有邊的集合.典型的能源輸出節(jié)點分布結(jié)構(gòu)如圖1所示，M1，M2，…，MN為能源輸出節(jié)點的有限數(shù)據(jù)集，I、J、K、L、O分別為不同的能源輸出節(jié)點.

區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的應用層通過實時傳輸協(xié)議(RTP)實現(xiàn)傳感器分發(fā)控制[8].結(jié)合傳感器探測協(xié)議進行區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的輸出能量總線傳輸控制，得到轉(zhuǎn)發(fā)能源輸出節(jié)點的能源輸出容量為

s(t)=∑bj∑p(s-iGs-jTf-cTc)

(1)

式中：bj為輸出節(jié)點的能量開銷；p為節(jié)點能耗損失系數(shù)；s為網(wǎng)絡能量轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)；i為網(wǎng)絡狀態(tài)動作集合權重；Gs為網(wǎng)絡狀態(tài)動作集合；j為節(jié)點輸出能源在網(wǎng)絡總線能源中所占比重；Tf為能源輸出節(jié)點所輸出的能源；c為額定輸出容量；Tc為網(wǎng)絡能量轉(zhuǎn)發(fā)量.

結(jié)合網(wǎng)絡融合模型，得到區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡相鄰能源輸出節(jié)點的最小跳數(shù)為

圖1 能源輸出節(jié)點分布結(jié)構(gòu)Fig.1 Distribution structure of energy output nodes

PAOMDV=(1-Pd)2{1-[1-(1-Pe)n·(1-Pd)n-1]m}

(2)

式中：Pd為第一跳的傳感器重復數(shù)；Pe為待測能源輸出節(jié)點距離基準點的最小跳數(shù)值.

根據(jù)上述分析，在異構(gòu)無線網(wǎng)絡中進行傳感器探測協(xié)議設計，構(gòu)建區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的能源總線傳感器均衡控制模型，并采用CSMA/CA約束控制模型[9]，能源總線傳感器均衡控制輸出為

(3)

式中：dACK為能源輸出節(jié)點i發(fā)送確認字符(ACK)的傳輸距離；C(i)為能源輸出節(jié)點i接收信號的強度值；vslot為數(shù)據(jù)傳輸速率；tDATA為能源輸出節(jié)點i發(fā)送能源狀態(tài)數(shù)據(jù)的時間；tT-start為初始階段能源輸出節(jié)點的處理時延.

區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的能源輸出節(jié)點解析分布模型為

(4)

式中：BT-elec、BR-elec分別為數(shù)據(jù)消息及ACK消息的傳輸因子；R為能源傳輸負載；Ht為能源輸出節(jié)點t時刻傳輸單位比特數(shù)據(jù)的能量消耗；LDATA為數(shù)據(jù)消息的長度；LACK為ACK消息的長度.

采用能源總線自適應轉(zhuǎn)發(fā)控制方法建立協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，在終端進行網(wǎng)絡選擇與切換.

1.2 網(wǎng)絡能源輸出節(jié)點的定位部署優(yōu)化

在構(gòu)建區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的能源輸出節(jié)點解析分布模型的基礎上，采用能源總線自適應轉(zhuǎn)發(fā)控制方法建立協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型[10-11]，得到區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡圖拓撲因子矩陣.

在關聯(lián)規(guī)則約束下，根據(jù)多種網(wǎng)絡和終端因素進行選網(wǎng)決策，得到區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡中能源總線的負載開銷為

SL(x)=SL(x-1)γ+(1-γ)SQi

(5)

式中：SL(x)為能源輸出節(jié)點自身負載；SL(x-1)為上一時刻能源輸出節(jié)點自身負載；SQi為其相鄰能源輸出節(jié)點負載；γ為平滑因子.當區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡中能源總線向能源輸出節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時，區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的能源輸出節(jié)點輸出最大跳數(shù)為

Pcomm=DTX+FRX

(6)

式中：DTX為輸出節(jié)點與網(wǎng)關之間的輸出跳數(shù)；FRX為節(jié)點輸出的跳數(shù).在當前網(wǎng)絡狀態(tài)下得到網(wǎng)絡相鄰能源輸出節(jié)點的能量損失概率，并在此基礎上根據(jù)網(wǎng)絡參數(shù)屬性權重進行網(wǎng)絡能源輸出節(jié)點的定位部署優(yōu)化[9]，得到定位部署優(yōu)化模型.

2 區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡建模優(yōu)化

2.1 互聯(lián)網(wǎng)絡的輸出能源均衡配置

在構(gòu)建區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡模型的基礎上，提取能源總線輸出信息的關聯(lián)特征量.設區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡中能源總線向能源輸出節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的幀頭長度為h，終端業(yè)務獲得的網(wǎng)絡服務數(shù)據(jù)的到達率為xiri(x).決策時刻選擇切換的網(wǎng)絡能源總線輸出為

k1(LDATA+LACK)+2k2

(7)

式中，k1、k2分別為調(diào)整系數(shù).

在全網(wǎng)功耗均衡控制下進行區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡能源總線監(jiān)測，選擇切換網(wǎng)絡后所獲得的收益占空比為

(8)

式中：l為能源輸出節(jié)點接收的比特數(shù)據(jù)；pdrop為每秒鐘信號中高低電平變化的次數(shù).

提取能源總線輸出信息的關聯(lián)特征量，得到互聯(lián)網(wǎng)絡的輸出能源均衡配置函數(shù)，并根據(jù)定義對加入無線網(wǎng)絡的多個狀態(tài)參數(shù)進行區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的信道均衡配置[12].

2.2 網(wǎng)絡自適應能源輸出節(jié)點輪換調(diào)度

采用混合蒙特卡羅算法進行區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的輸出能源均衡配置，結(jié)合傳感器探測協(xié)議實現(xiàn)能源網(wǎng)絡的自適應能源輸出節(jié)點輪換調(diào)度[13]，得到混合蒙特卡羅函數(shù).采用動態(tài)均衡控制方法進行區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡路徑相鄰能源輸出節(jié)點置換，得到能源總線的鄰居變化率定義為

(9)

式中：Ni(t)為新能源輸出信道的輸出總能量；Ni(told)為原能源輸出信道的輸出總能量.

把網(wǎng)絡的能源總線連接到蜂窩網(wǎng)絡和WLAN網(wǎng)絡[14]，得到業(yè)務終端到達率W(p)，并對W(p)在隨機采樣區(qū)間p∈[0，1]上進行能源輸出節(jié)點監(jiān)測.根據(jù)W(p)實現(xiàn)能源網(wǎng)絡能源總線信息監(jiān)測和建模優(yōu)化，結(jié)合傳感器探測協(xié)議實現(xiàn)能源網(wǎng)絡的自適應能源輸出節(jié)點輪換調(diào)度，提高區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性.

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了驗證本文方法在區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡建模優(yōu)化中的性能，本文進行了仿真實驗分析.實驗采用MATLAB 7設計，以200 m×200 m二維平面作為區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的建模分布區(qū)域，網(wǎng)絡的預期分簇數(shù)目為24，區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡信息采樣的能源輸出信號為50 dB，載波頻段為20 kHz，其他網(wǎng)絡模型參數(shù)設定如表1所示.

表1 區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡模型參數(shù)設定Tab.1 Parameter settings of regional energy complex Internet model

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參量設定進行區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡建模，并測試對比文獻[4]方法與本文研究方法的網(wǎng)絡傳輸功率，得到對比結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知，采用本文方法進行區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的優(yōu)化建模后，輸出的傳輸功率較穩(wěn)定，波動較小，信道均衡性較強，從而提高了網(wǎng)絡的吞吐容量及用戶公平性.

4 結(jié) 論

在區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，需要對網(wǎng)絡的能源總線進行優(yōu)化監(jiān)測和調(diào)度，結(jié)合自適應數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議實現(xiàn)區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的信道均衡控制.本文提出了基于能源總線的區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡建模方法.在異構(gòu)無線網(wǎng)絡中進行傳感器探測協(xié)議設計，構(gòu)建區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的能源總線傳感器均衡控制模型.在不同業(yè)務類型終端進行能源總線的監(jiān)測，在狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型基礎上建立區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡能源總線分簇調(diào)度模型，實現(xiàn)傳感器探測協(xié)議的自適應能源輸出節(jié)點輪換調(diào)度，提高區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性.該方法進行區(qū)域能源復雜互聯(lián)網(wǎng)絡建模的輸出穩(wěn)定性較好，提高了能源控制能力.

圖2 網(wǎng)絡傳輸功率對比測試Fig.2 Comparison test of network transmission power