在線開放通信網絡信道分配算法優化*

馬 靜， 沈來信， 盛文婷

(1.廈門大學 軟件學院， 福建 廈門 361005；2.新疆天山職業技術學院 電子通信學院， 烏魯木齊 830017；3.同濟大學 電子與信息工程學院， 上海 201804；4.新疆農業大學 科學技術學院， 烏魯木齊 830091)

在線開放通信網絡信道分配算法優化*

馬 靜1，2， 沈來信3， 盛文婷4

(1.廈門大學 軟件學院， 福建 廈門 361005；2.新疆天山職業技術學院 電子通信學院， 烏魯木齊 830017；3.同濟大學 電子與信息工程學院， 上海 201804；4.新疆農業大學 科學技術學院， 烏魯木齊 830091)

針對傳統的通信網絡信道分配方法進行信道分配時存在信道分配不準確及效率低的問題，提出一種基于干擾度與鏈路優先級劃分的通信網絡信道分配方法.由Posisson分布模型建立通信網絡節點流量模型，對鏈路流量及干擾進行評估，建立干擾模型計算出對應干擾程度等級，結合流量模型及干擾模型對分配的信道設計權重值，根據計算出的權值作為選取信道的依據，并根據優先級對網絡信道進行分配.實驗結果表明，相比傳統的信道分配算法，采用改進算法進行信道分配吞吐量較高，信道分配精確度好，具有一定的優勢.

在線開放；通信網絡；信道；分配算法；優化；優先級；鏈路流量；干擾模型

近年來隨著網絡技術及通信系統的飛速發展，越來越多的人們享受到了通信網絡帶來的便利.大量的個人、企業及公司的信息都需要在在線開放通信網絡中傳輸，這就使得在線開放通信網絡的傳輸效率成為了該領域研究的重點.而對通信網絡信道進行合理的分配是解決該領域傳輸效率問題的主要方法[1-2]，因此，如何對在線開放通信網絡信道進行分配成為了該領域亟待解決的問題，受到了廣大學者的關注[3-4].

其中，文獻[5]提出基于物理干涉模型的在線開放通信網絡信道分配方法，該方法通過建立任意幾點的信道分配樹對通信網絡中的每個節點進行信道分配，然后采用物理干涉模型對各個區域進行劃分，最后根據劃分結果進行信道分配，該方法主要針對的是少量信道分配，若分配信道量增加，將產生信道分配精度不高的問題；文獻[6]提出基于I-IOWG的通信網絡信道分配算法，該方法主要針對通信網絡信道的傳輸特點及干擾因素，采用I-IOWG矩陣對通信網絡信道進行分配，充分考慮了空間角度對通信網絡信道分配的影響，但是需要進行大量的迭代計算，不適合大范圍使用；文獻[7]提出基于距離優先概念的通信網絡信道分配方法，該方法使用混沌神經網絡求解信道距離最小化約束下的分配問題，給出信道分配的能量函數表達式及混沌神經網絡模型，但是該方法存在信道分配耗時過長的問題.

針對上述問題，本文提出一種干擾度與鏈路優先級劃分的通信網絡信道分配方法.由Posisson分布模型建立通信網絡節點流量模型，對鏈路流量和干擾度進行評估，之后建立干擾模型，并根據干擾源求出干擾度，在流量模型及干擾模型的基礎上設置鏈路權重，并根據此權值確定鏈路信道優先級，依據優先級精確分配網絡信道.相比傳統算法，改進算法在進行信道分配時吞吐量較高，分配精確度也有所提高，具有一定的優勢.

1 網絡節點流量及干擾模型的建立

由于在線開放通信網絡具有不可預知性且傳輸鏈路易受干擾的影響，使得網絡通信具有一定的挑戰性，在線開放通信網絡信道分配中傳輸鏈路干擾問題是必須要解決的難題[8-10].傳統網絡信道分配方法主要通過計算各鏈路的流量負載，為不一樣的鏈路分配不同的信道，以達到用戶對帶寬的需要[11].而不一樣的流量負載對信道分配形成的干擾也不一樣，為了能準確地分配信道，需要建立節點流量模型.另外，不同鏈路間、不同節點間都會產生干擾，需要建立鏈路的干擾模型，為獲取干擾程度提供依據.

1.1 節點流量負載模型的建立

在線開放通信網絡里各個節點除了傳輸本身的數據外，有時還要傳輸來自旁邊節點的數據，則設置數據流量均為從最外節點向網關節點實行傳送的.把節點的流量負載劃分成兩部分：一部分是自身通信需要發出的數據；另一部分則是鄰居節點發送過來的需要轉發到下一節點的數據.假設網關節點是第1層，依次往外擴展，最外層是第N層，那么第n層流量負載T(n)的表達式為

(1)

1.2 干擾模型的建立

在建立節點流量模型之后，需要對干擾進行設置，建立干擾模型，為計算干擾度提供依據.首先定義節點m的干擾為

(2)

式中：B、L分別為信道帶寬及數據包長度；μ(m)為節點m對數據平均治理的速率.針對在線開放通信實際網絡，使用節點干擾當作度量參數很難實現，所以要把節點的影響映射至鏈路的干擾上.通過對鏈路流量和干擾進行評估，并以評估結果為依據設定優先級并進行信道分配.綜合考慮信道分配的簡單性及可操縱性后，設定鏈路i的干擾度是鏈路i干擾領域里節點干擾之和，其干擾模型可表示為

(3)

式中，f(j)為第j層節點的干擾流量.

2 改進信道分配方法的實現

2.1 干擾度及負載度的獲取

因為互相影響的兩條通信鏈路進行傳送時，干擾源主要來自相同信道的干擾，因此，在建立干擾和負載模型的基礎上，需要對干擾度和負載度的綜合參數進行計算.當通信網絡傳輸鏈路在信道l上受到來自信道c鏈路的影響時，負載綜合參數可以描述為

(4)

式中：l0為鏈路l影響領域里的一個鏈路；E0為鏈路l的影響鏈路集；f(l0)為鏈路l0數據流負載大小；dc為判別l0是否運用信道c的參數.若l0采用信道c時，dc的值為1；若l0未采用信道c時，則dc取值為∞.

(5)

式中，η為兩鏈路間的相關聯系數.

2.2 信道分配算法的改進

在確定干擾度和負載度綜合參數基礎上，設置節點優先級時應重點關注以下3個方面：

1) 網絡節點至網關節點的最小間隔，它主要決定了收斂的速度.

2) 通信網絡接口量，它決定了網絡容量大小，接口數量越少，優先級越高；反之越低.

3) 目前鏈路流量的負載，負載越高，則優先級越高.

在流量模型及干擾模型的基礎上，結合流量負載及干擾設置鏈路權重，并把權值作為依據選取信道優先級，權值高的鏈路可以優先選擇信道.當鏈路i的流量負載是T(i)，總鏈路條數是M時，鏈路i的干擾度是I(i)，那么鏈路的優先級獲取方式可表示為

(6)

對在線開放通信網絡信道進行分配的目的是為了給鏈路分配干擾較小的信道，減少本身和外界的影響，具體的信道分配步驟如下：

1) 對源節點與結束節點間相連的鏈路進行分配，假若有多個鏈路和源節點鏈接，則依據信道的編號按序進行分配.

2) 對每層的節點進行逐個遍歷，每層的節點只負責對本層和下層節點間的鏈路信號進行分配.如果在設定節點對應的信道之外，還存在其它信道，那么選取一條鏈路分配次數最多的信道進行分配；假如不存在，則選取干擾值最小的信道進行分配.

3) 假如完成本層節點的遍歷，那么繼續對下一層節點進行遍歷，直到完成最后一層節點位置的遍歷.

3 實驗仿真

3.1 實驗場景及驗證參數

本文將改進算法與基于距離相關的信道分配算法、基于I-IOWG的信道分配算法進行比較.實驗在網絡模擬軟件NS3平臺上進行，設置網絡參數為：所有節點隨機分布在500 m×500 m的正方形范圍中，有1 000個網絡節點，全部節點的傳送領域為250 m，干擾范圍為550 m.設置全部通信數據包大小是512 bit，權重因子設定為0.5.在鏈路分配時，參照式(6)選取干擾值小且較長的鏈路進行優先分配.實驗以吞吐量、丟包率、信道分配精確度和網絡帶寬利用率為指標進行驗證.其中吞吐量計算公式為

F=MR/t

(7)

式中：M為通信網絡用戶個數；R為用戶請求傳輸個數；t為時間.

丟包率計算公式為

(8)

式中：G為信道正確接收網絡數據包量；Gtotal為網絡中全部發送端發送的總包數.

信道分配精確度計算公式為

(9)

式中：Qi和Q分別為準確分配的信道數量和總體信道數量.

在線開放通信網絡帶寬利用率就是每秒接收字符數與發送字符數之和與帶寬的比值，帶寬利用率計算式為

(10)

式中：Es和Ee分別為每秒接收字符數與發送字符數；B為信號帶寬.

3.2 實驗結果及分析

3.2.1 信道數量對吞吐量及丟包率的影響

信道數量由0個逐漸增加至60個時，吞吐量的變化情況如圖1所示.

圖1 信道數量對吞吐量的影響Fig.1 Influence of channel number on throughput

由圖1可見，網絡吞吐量會隨著信道數量的增加而增加.采用基于距離相關的信道分配算法時，其吞吐量在信道數量為30～50時出現很大波動，穩定性較差，不適合大范圍使用；采用基于I-IOWG的信道分配算法雖然在信道數量10～30使出現了一定程度的分配，但之后一直處于穩定上升的趨勢，穩定性較好，但相比其余兩種方法吞吐量一直很低；采用改進算法時，其穩定性較好，無太大波動，且吞吐量要優于其他兩種信道分配算法.

信道數量由0個逐漸增加至60個時，丟包率的變化情況如圖2所示.

圖2 信道數量對丟包率的影響Fig.2 Influence of channel number on packet loss rate

由圖2可知，采用基于距離相關的信道分配算法時，在信道數量為10～40時其丟包率出現波動的情況，但在信道數量增加至40～60時，其丟包率區域穩定；采用基于I-IOWG的信道分配算法時，其丟包率會隨著信道數量的增加而增加，其間在信道數量為30～60時，丟包率非常明顯，不適合長時間使用；改進算法吞丟包率雖然一直處于波動的狀態，但整體的丟包率相比其余兩種方法一直處于較低的狀態.

3.2.2 信道分配精確度對比

采用改進的分配算法與基于距離相關的信道分配算法和基于I-IOWG的信道分配算法進行精確度對比分析，結果如圖3所示.

圖3 不同算法下信道分配精確度對比Fig.3 Contrast in channel allocation accuracy under different algorithms

由圖3可知，采用基于距離相關的信道分配算法時，其信道分配精確度約為55.3%，且不會隨著信道數量的增加而降低；基于I-IOWG的信道分配算法的分配精確度約為34.3%，且不會隨著信道數量的增加而降低，穩定性較好，但相比其余兩種方法的精確度要低，不適合大范圍使用；改進算法的精確度約為72.4%，相比基于距離相關的信道分配算法提高了約17.1%，相比基于I-IOWG的信道分配算法提高了約38.1%，且不會隨著信道數量的增加使分配精確度降低，反而一直處于上升的趨勢.

3.2.3 在線開放通信網絡帶寬利用率對比

在線開放通信網絡帶寬利用率越高，說明信道分配越成功.圖4描述的是分別采用改進算法、基于距離相關的信道分配算法和基于I-IOWG的信道分配算法完成信道分配后，三種算法網絡帶寬利用率的比較結果.

圖4 不同算法下網絡帶寬利用率對比Fig.4 Contrast in network bandwidth utilization under different algorithms

由圖4可以看出，改進算法的帶寬利用率明顯高于基于距離相關的信道分配算法和基于I-IOWG的信道分配算法，說明采用改進算法對信道進行分配后，在線開放通信網絡的帶寬利用率明顯增強，進一步驗證了本文算法的有效性.

4 結 論

本文提出一種基于干擾度與鏈路優先級劃分的通信網絡信道分配方法.由Posisson分布模型建立通信網絡節點流量模型，并對鏈路流量和干擾進行評估，建立干擾模型，再依據干擾源獲取干擾度，設置鏈路的權重，并以權重值作為鏈路選擇信道的依據.通過實驗仿真證明，相比傳統的信道分配算法，當使用改進算法進行信道分配時，吞吐量、信道分配精確度及帶寬利用率均較高，具有一定的分配優勢.

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(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Optimization for online open communication network channel allocation algorithm

MA Jing1,2,SHEN Lai-xin3,SHENG Wen-ting4

(1.Software School,Xiamen University,Xiamen 361005,China;2.School of Electronic and Communication,Xinjiang Tianshan Vocational and Technical College,Urumqi 830017,China;3.College of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;4.College of Science and Technology,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830091,China)

In order to solve the problem that the inaccuracy channel allocation and low efficiency problem exist when the traditional communication network channel allocation method is used for channel allocation,a communication network channel allocation method based on the interference degree and link priority was proposed.The communication network node flow model was established with the Posisson distribution model to assess the link traffic and interference.In addition,the interference model was established,and the corresponding disturbance degree level was calculated.In combination with both flow model and interference model,the weight for the allocated channel was designed.The calculated weight was taken as the basis of selected channel,and the network channel was allocated according to the priority.The results show that compared with the traditional channel allocation algorithm,the improved algorithm for channel allocation has higher throughput and better channel allocation accuracy,and has a certain advantage.

online open;communication network;channel;allocation algorithm;optimization;priority;link traffic;interference model

2016-05-27.

安徽省高校自然科學研究資助項目(KJHS2016B02)；安徽省教育廳質量工程資助項目(2015ckjh089).

馬 靜(1979-)，女，新疆烏魯木齊人，講師，碩士，主要從事計算機科學技術與大數據復雜計算等方面的研究.

22 17∶39在中國知網優先數字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1739.002.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.02.14

TN 929.5

A

1000-1646(2017)02-0193-05