基于機(jī)器視覺(jué)的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度計(jì)算方法

張戰(zhàn)勝，馬亮

（華中師范大學(xué)，湖北 武漢 430079）

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，推動(dòng)著網(wǎng)絡(luò)信息的不斷發(fā)展。在通信網(wǎng)絡(luò)中，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全審核、網(wǎng)絡(luò)攻擊防御等通信技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的位置、通信信息泄露及通信數(shù)據(jù)容易遭到攻擊等技術(shù)問(wèn)題，卻沒(méi)有被及時(shí)解決，導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠度較低，成為制約通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1-2]。為了使通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可以在通信網(wǎng)絡(luò)中安全、可靠傳輸，需要對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠度進(jìn)行計(jì)算[3-4]。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度計(jì)算方法在計(jì)算可靠度時(shí)，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程進(jìn)行了描述，并建立了通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度模型，根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸方式設(shè)定可靠度節(jié)點(diǎn)，最后對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度模型進(jìn)行單向化分解，在傳統(tǒng)計(jì)算方法中，雖在一定程度提升了通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，但存在?shù)據(jù)傳輸延遲，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的封包投遞率、分組丟失率與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相差較大，無(wú)法保證通信數(shù)據(jù)的可靠度[5-6]。

基于傳統(tǒng)方法出現(xiàn)的問(wèn)題，該文提出了基于機(jī)器視覺(jué)的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度計(jì)算方法。該方法首先基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)建立了通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)建立的可靠度數(shù)學(xué)模型對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠度進(jìn)行評(píng)估，最后通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該文所提方法的有效性。

1 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度數(shù)學(xué)模型

為了確保計(jì)算機(jī)器視覺(jué)的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠度，需要構(gòu)建一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度數(shù)學(xué)模型。通過(guò)該可靠度數(shù)學(xué)模型可以評(píng)估通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，建立的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸信道模型[7-8]如式（1）所示：

式中，γ表示數(shù)據(jù)傳輸能力系數(shù)；d表示機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中操作端與通信終端間的距離；s表示傳輸路徑緩沖區(qū)大??；A表示數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分組丟包率；Xf表示數(shù)據(jù)傳輸路徑的時(shí)間間隔，γ、A、Xf分別利用式（2）中各式進(jìn)行表示：

其中，a、b、c、hb表示0～10 之間的自然數(shù)。

通常情況下通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑的損耗與機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中通信終端的通信時(shí)間密切相關(guān)，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑的損耗影響著通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸信道的穩(wěn)定性。通過(guò)選擇一條合適的數(shù)據(jù)傳輸路徑來(lái)計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送至通信終端的速率，檢測(cè)其他通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑的傳輸狀態(tài)，評(píng)估不同通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑處理數(shù)據(jù)的能力。根據(jù)能力的高低動(dòng)態(tài)配置通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，接收數(shù)據(jù)傳輸路徑中的離散成分，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸路徑函數(shù)如式（3）所示：

式中，rd表示通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑損耗；σ表示通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)封包投遞率；r表示沒(méi)有出現(xiàn)丟失情況的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；I0表示數(shù)據(jù)傳輸信道衰減系數(shù)；K表示傳輸部分通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的瞬時(shí)功率[9-11]。通信終端檢測(cè)過(guò)程如圖1 所示。

圖1 通信終端檢測(cè)過(guò)程

觀察圖1 可知，根據(jù)建立的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑函數(shù)評(píng)估該條路徑的數(shù)據(jù)傳輸能力，為通信終端分配容量不同的緩沖區(qū)空間，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中不同的數(shù)據(jù)塊離開(kāi)同一條數(shù)據(jù)傳輸路徑的時(shí)間不同，為了避免在通信終端存儲(chǔ)過(guò)量的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸信道中的上下鏈路設(shè)定成互相獨(dú)立，降低由于傳輸路徑受衰減影響而產(chǎn)生的路徑損耗率，使通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂教卣鞣蟁ice 分布，確定出當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸路徑的時(shí)間間隔，結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑函數(shù)獲得可靠度數(shù)學(xué)模型：

其中，Q表示通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠度系數(shù)，通過(guò)可靠度數(shù)學(xué)模型可以直觀地表示出通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸路徑與數(shù)據(jù)分組丟失率之間的關(guān)系[12-13]。

2 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度計(jì)算

根據(jù)構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度數(shù)學(xué)模型，對(duì)基于機(jī)器視覺(jué)的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度進(jìn)行計(jì)算。采用蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)技術(shù)獲得通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸信道分布和數(shù)據(jù)傳輸路徑分布，利用分布解析方法計(jì)算出通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在傳輸路徑中傳輸?shù)某晒Ω怕?，利用Rice 分布對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間進(jìn)行描述，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)單次傳輸數(shù)據(jù)量遵循N(μ，σ2)分布，確定通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率。在通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，如果通信鏈路不中斷保持連續(xù)狀態(tài)，則說(shuō)明通信鏈路傳輸通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的能力較好，能夠保證通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、安全地在通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，在通信鏈路保持正常連通的條件下，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)酵ㄐ沤K端的概率為：

利用式（7）表示通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)所在的通信信道傳輸成功概率：

其中，tR表示通信鏈路堵塞概率，在計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)所在的通信信道的傳輸能力時(shí)，需要獲得通信鏈路的繁忙概率，并將其與通信信道傳輸成功概率進(jìn)行結(jié)合，得出通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中某一數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸效率。根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸信道的傳輸性能，獲得通信鏈路與數(shù)據(jù)傳輸路徑的傳輸性能指標(biāo)。該指標(biāo)可以計(jì)算通信鏈路在傳輸通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，路徑屬于連通還是繁忙，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)酵ㄐ沤K端的概率，可通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸信道中的主信道計(jì)算求得。

可靠度計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 可靠度計(jì)算模型

通過(guò)該計(jì)算模型可計(jì)算通信信道傳輸通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的能力和效果，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在通信過(guò)程中，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在單位傳輸信道上傳輸?shù)臅r(shí)間間隔樣本為x1，…，xn，利用式（8）計(jì)算此條傳輸信道上成功傳輸概率的平均值：

其中，i為傳輸信道，N表示時(shí)間間隔樣本總數(shù)，xi表示通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在通信鏈路中進(jìn)行傳輸時(shí)所用的時(shí)間表示通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在傳輸信道中成功傳輸概率的平均值。

為了計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠度，需要將通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在通信鏈路與傳輸信道中成功傳輸?shù)母怕蔬M(jìn)行融合，融合后的成功傳輸概率迭代平均值為：

在融合過(guò)程中，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑符合正態(tài)分布，傳輸信道符合Rice 分布，融合后獲得不同路徑、不同傳輸信道中通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠度為：

式中，SN表示通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠度。完成通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠度計(jì)算后，選擇傳輸成功率最高的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑和傳輸信道，作為最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸鏈路[14-16]。

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證該文提出的基于機(jī)器視覺(jué)的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度計(jì)算方法的有效性，通過(guò)與傳統(tǒng)可靠度計(jì)算方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證該文方法的有效性。

以一組通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包從通信鏈路開(kāi)始，到選擇最優(yōu)的傳輸路徑，再到成功傳輸至通信終端的整個(gè)過(guò)程，利用以上構(gòu)建的基于機(jī)器視覺(jué)的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度模型以及提出的可靠度評(píng)估方法，計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分組丟失率和封包投遞率，采用該文計(jì)算方法計(jì)算完畢后，利用傳統(tǒng)計(jì)算方法計(jì)算傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分組丟失率和封包投遞率。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)定為2 216 Mbit/s，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸成功率為85%，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為140 284 bit，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)為150 個(gè)，通過(guò)式（11）計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組丟失率：

采用該文提出的基于機(jī)器視覺(jué)的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度計(jì)算方法與傳統(tǒng)計(jì)算方法計(jì)算出的分組丟失率結(jié)果如圖3 所示。分析圖3 可知，采用該文提出的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度計(jì)算方法后，隨著通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的增加，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的分組丟失率逐漸增大，增大到標(biāo)準(zhǔn)丟失率附近開(kāi)始趨于穩(wěn)定，與標(biāo)準(zhǔn)丟失率吻合度較高。而采用傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度計(jì)算方法后，隨著通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的增加，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的分組丟失率一直增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)丟失率，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)一直處于失衡狀態(tài)，由此可驗(yàn)證該文通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的分組丟失率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法，分組丟失率更真實(shí)、穩(wěn)定[17]。

圖3 該文方法和實(shí)際計(jì)算分組丟失率對(duì)比

在沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的情況下，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在不同時(shí)間內(nèi)傳輸產(chǎn)生的傳輸延遲以及封包投遞率如圖4 和圖5 所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸延遲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 封包傳輸率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)圖4 和圖5 進(jìn)行分析可知，在該文方法中，隨著通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的不斷增加，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，產(chǎn)生的延遲較小，在單次傳輸時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的封包投遞率逐漸降低，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與真實(shí)結(jié)果相差較小，吻合度較高。這是由于該文在分析通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)挠绊懸蛩貢r(shí)，引入了傳輸路徑損耗、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)空間等變量，將變量代入通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度模型中，計(jì)算出了通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信鏈路成功傳輸概率，對(duì)傳輸路徑進(jìn)行了有效的多徑衰減操作，根據(jù)蒙特卡羅技術(shù)獲得了通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑分布和通信鏈路分布，采用機(jī)器視覺(jué)方法構(gòu)建了通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度模型，并對(duì)其進(jìn)行了有效的評(píng)估和計(jì)算，全面分析了影響通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度的因素，使最后的計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果吻合度較高。而在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度計(jì)算方法中，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延遲較高，封包投遞率隨著通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的增加而增加，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果相差較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出的基于機(jī)器視覺(jué)的通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠度計(jì)算方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的分組丟失率和封包投遞率與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)更接近，吻合度更高。