低功耗無線網絡體系動態負載均衡構架模型?

黃林偉

（廣東工業大學華立學院 廣州 511325）

1 引言

隨著網絡信息技術和無線傳感技術的發展，采用分布式組網方法進行網絡構架，提高網絡的組網性能，低功耗無線網絡采用無線傳感節點進行無線組網設計，該型網絡體系具有功耗低和組網結構簡單的特點，在進行低功耗無線網絡體系構架設計中，需要進行節點的優化部署設計，提高網絡的優化組網性能。無線傳感網絡具有傳輸速度快和帶寬高等優點，低功耗無線網絡體系由網絡層、感知層和應用層構成，采用低功耗無線網絡體系進行大數據信息處理，實現遠程數據傳輸和信息調度，完成網絡數據的收發和并行轉換，提高信息傳輸的并行調度能力［1］。為了提高低功耗無線網絡的體系構架能力，降低網絡的存儲開銷和計算開銷，需要進行網絡的動態負載均衡構架設計。研究低功耗無線網絡體系動態負載均衡算法，在實現分布式網絡系統的進程管理和內存優化管理中具有重要意義。

對低功耗無線網絡體系動態負載均衡研究是建立在對網絡傳輸鏈路層的路由均衡設計和信道優化部署基礎上的，具有路由優化部署和無線自組網設計，提高網絡的負載均衡調度能力。傳統方法中，低功耗無線網絡體系的動態負載調度算法設計主要采用分簇能耗調度算法和最短路徑尋優方法［2～3］，將分布式網絡體系的節點部署分解為多任務的并行調度方法，結合多線程調度協議進行優先級節點部署列表設計，取得了較好的節點部署均衡效能。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絡體系雙閾值動態負載調度算法，在低功耗無線網絡體系的全局動態負載調度，提高低功耗無線網絡動態負載調度的均衡性，但該方法計算開銷較大，組網構架負載增大；文獻［5］中提出一種LEACH分簇算法的網絡動態負載調度算法，在Linux嵌入式系統中進行于自適應能量補給，提高負載均衡調度能力，結合網絡構架體系的優化設計，實現網絡點優化部署，提高調度過程中的能量聚集性，但該方法存在的缺點對動態抗干擾能力不強，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點部署的低功耗無線網絡體系動態負載均衡調度算法，采用自適應鏈路均衡方法進行低功耗無線網絡的傳輸信道均衡設計，進行動態負載均衡調度的優先級列表構建，設計高效時分多址協議進行的低功耗無線網絡體系負載調度的時隙分配，實現動態負載均衡調度。最后進行仿真測試，展示了本文方法在提高低功耗無線網絡體系動態負載均衡調度能力方面的優越性能。

2 低功耗無線網絡的節點部署模型及均衡設計

2.1 低功耗無線網絡的節點部署模型

低功耗無線網絡作為一種新型的大數據分布式并行網絡傳輸模型，主要分為進程管理、內存管理和大數據信息傳輸管理幾大模塊組成，低功耗無線網絡的節點部署的信息傳播模型設計中，低功耗無線網絡中動態負載的協議機制采用的主要是無線網絡傳輸協議比如TDMA協議進行傳輸［7］。在網絡層（Network Layer）利用時分多址協議組建In?ternet、GPRS、3G、Wi-Fi網絡模型，采用Mesh網絡架構方法進行低功耗無線網絡的路由節點優化分配［8］，構建低功耗無線網絡的節點部署模型如圖1所示。

圖1 低功耗無線網絡的節點部署模型

在圖1所示的低功耗無線網絡的節點部署的信息傳播模型中，采用自適應鏈路轉發協議進行路由協議模型構建，假設C是N×N維的無線網絡傳感鏈路分布集，N為在低功耗無線網絡體系中的節點個數，結合相關性決策部署方法，得到網絡的節點部署的有限數據集為

給出由M個時隙組成的動態負載均衡調度優先級列表，每個低功耗無線網絡體系中Sink節點組合為 x1，x2，…，xn，輸出功耗滿足：A1∪A2∪，…，∪Ak=A，且Ai∩Aj=Ω，由此構建節點部署的傳遞函數為

其中，在K個節點部署的鏈路空間中，網絡的Source節點的輸出負載量{x (n)}為零均值的k階平穩隨機過程，輸出功耗滿足C/n-x1，負載均衡調度的階數為(n -1) C/n，調度配置的權值wBLCMV為

2.2 自適應鏈路均衡

采用自分簇間隔均衡控制方法，構建網絡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絡的傳輸信道均衡設計，得到節點的加權均值

在無線組網構架體系下，信道傳遞模型描述為

其中，a0為數據傳輸的幅值，xn-i為待分配的動態負載傳輸量，bj為線性均衡的能量幅度。采用自適應分簇調度方法［10］，進行信道均衡控制，得到信道的輸出沖激響應為

其中，Eelect表示網絡拓撲結鏈路通道l的負載。構建動態負載堆棧控制協議進行自適應鏈路轉發控制協議，得到自適應鏈路均衡輸出的帶寬為

網絡信道的時間寬度為

結合分集均衡模型，得到網絡的優化路由協議設計如圖2所示。

圖2 網絡的優化路由協議設計

3 低功耗無線網絡體系動態負載均衡構架模型優化

3.1 動態負載均衡調度的優先級列表構建

在構建低功耗無線網絡的節點部署的信息傳播模型的基礎上，進行低功耗無線網絡體系動態負載均衡構架模型優化設計，本文提出一種基于最短路由節點部署的低功耗無線網絡體系動態負載均衡調度算法，采用多重節點反復組合方法進行無線網絡節點優化部署［11］，得到節點的負載均衡控制的時隙寬度和優先級系數分別為

網絡節點i進行數據轉發的成功概率為

結合自適應插值方法進行動態負載均衡調度的優先級列表構建，得到優先級列表的函數表達式為

3.2 網絡體系負載均衡調度

設計高效時分多址協議進行的低功耗無線網絡體系負載調度的時隙分配，得到時隙分配函數為

結合信息融合方法進行調度任務集的多線程融合處理，根據自適應鏈路均衡輸出結果，低功耗無線網絡的信道占用率表達為

采用副本相關匹配方法，進行多重節點反復組合設計，得到時分多址協議為

其中，x＜p＜M ，x為低功耗無線網絡體系網絡中的節點個數，x個節點需要發送p時隙的數據包，得到網絡的動態時滯描述為

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

綜上分析，得到低功耗無線網絡體系動態負載均衡構架模型轉化為求如下函數的最小值問題：

負載調度的閾值為

在高效時分多址協議控制下，實現低功耗無線網絡體系動態負載均衡調度和網絡構架模型的優化設計。

4 仿真試驗與結果分析

為了測試本文算法在對低功耗無線網絡體系動態負載調度和網絡構架優化設計中的性能，進行仿真試驗，試驗的軟件采用Matlab設計，采用隨機序列生成方法生成低功耗無線網絡的200個節點，結合本文設計的節點優化部署模型進行無線組網設計，構建JDK1.6，a1Gbps交換網進行低功耗無線網絡體系的總線調度和數據傳輸控制，網絡的信道傳輸帶寬為14dB，對網絡傳輸的信息采樣時間間隔為0.24s，對網絡負載的初始采樣頻率為f0=10kHz，數據包轉發的頻率為 fs=5f0=50kHz，時分多址協議的時隙寬度為T=50ms，根據上述仿真環境和參數設定，進行低功耗無線網絡體系的動態負載均衡調度仿真實驗，得到低功耗無線網絡體系中的負載調度的信息流時域波形如圖3所示。

圖3 低功耗無線網絡體系中的負載時域波形

以圖3的數據采樣樣本為測試集，進行網絡優化組網體系架構下的負載均衡調度，得到低功耗無線網絡體系的動態負載的均衡狀態特征分布如圖4所示。

圖4 低功耗無線網絡體系的動態負載的均衡狀態特征分布

對比圖4結果得知，采用本文方法進行低功耗無線網絡體系的動態負載調度的均衡性較好，抗干擾能力較強，旁瓣干擾得到有效抑制，提高了負載數據的動態轉發性能和鏈路均衡能力。測試不同方法進行動態負載調度的數據包轉發準確性，得到測試結果如圖5所示，分析得知，本文提高了數據包轉發的準確概率，性能較好。

圖5 網絡的數據包轉發性能測試

5 結語

為了提高低功耗無線網絡的體系構架能力，降低網絡的存儲開銷和計算開銷，需要進行網絡的動態負載均衡構架設計。本文提出一種基于最短路由節點部署的低功耗無線網絡體系動態負載均衡調度算法，構建低功耗無線網絡的節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絡的傳輸信道均衡設計，結合自適應插值方法進行動態負載均衡調度的優先級列表構建，采用多重節點反復組合方法進行無線網絡節點優化部署，設計高效時分多址協議進行的低功耗無線網絡體系負載調度的時隙分配，實現動態負載均衡調度。研究得知，本文方法能提高低功耗無線網絡體系的動態負載均衡調度能力，提高數據包轉發準確性，優化了網絡的組網構架體系。