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

程 杰， 李正民

(1. 鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院 信息工程學(xué)院， 鄭州 451191； 2. 鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院， 鄭州 450001)

隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域能源管控，降低網(wǎng)絡(luò)的能耗開(kāi)銷.構(gòu)建區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化組網(wǎng)模型可以提高能源網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的建模方法，對(duì)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(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要構(gòu)架形式，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分簇組網(wǎng)設(shè)計(jì)，結(jié)合能源總線進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和能源分配.在區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的能源總線進(jìn)行優(yōu)化監(jiān)測(cè)和調(diào)度，結(jié)合自適應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的信道均衡控制.傳統(tǒng)對(duì)區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的建模方法采用主動(dòng)定位法，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的傳感器探測(cè)協(xié)議，結(jié)合網(wǎng)格區(qū)域塊匹配方法進(jìn)行區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的能源輸出節(jié)點(diǎn)定位優(yōu)化[3-6].有學(xué)者提出基于混合蒙特卡羅算法的網(wǎng)絡(luò)能源總線監(jiān)測(cè)方法，利用IEE802.15.4 MAC傳感器協(xié)議進(jìn)行能源輸出節(jié)點(diǎn)的分布式調(diào)度，采用交叉總線混合調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)建模優(yōu)化，但該方法計(jì)算復(fù)雜度較高，網(wǎng)絡(luò)能源輸出節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)性不好.針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于能源總線的區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)建模方法.采用能源總線自適應(yīng)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(guān)聯(lián)特征量；采用混合蒙特卡羅算法進(jìn)行區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出能源均衡配置，結(jié)合傳感器探測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能源輸出節(jié)點(diǎn)輪換調(diào)度，提高區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性.

1 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及能源輸出節(jié)點(diǎn)定位

1.1 能源輸出節(jié)點(diǎn)解析分布模型

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)建模優(yōu)化，需要首先構(gòu)建能源輸出節(jié)點(diǎn)解析分布模型進(jìn)行能源輸出節(jié)點(diǎn)最優(yōu)分布密度模型分析[7]，使用一個(gè)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(cè)區(qū)域的能量轉(zhuǎn)發(fā)能源輸出節(jié)點(diǎn)頂點(diǎn)集；E為能量轉(zhuǎn)發(fā)能源輸出節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域G中所有邊的集合.典型的能源輸出節(jié)點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)如圖1所示，M1，M2，…，MN為能源輸出節(jié)點(diǎn)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(diǎn).

區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)實(shí)現(xiàn)傳感器分發(fā)控制[8].結(jié)合傳感器探測(cè)協(xié)議進(jìn)行區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出能量總線傳輸控制，得到轉(zhuǎn)發(fā)能源輸出節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的能量開(kāi)銷；p為節(jié)點(diǎn)能耗損失系數(shù)；s為網(wǎng)絡(luò)能量轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)；i為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動(dòng)作集合權(quán)重；Gs為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動(dòng)作集合；j為節(jié)點(diǎn)輸出能源在網(wǎng)絡(luò)總線能源中所占比重；Tf為能源輸出節(jié)點(diǎn)所輸出的能源；c為額定輸出容量；Tc為網(wǎng)絡(luò)能量轉(zhuǎn)發(fā)量.

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)融合模型，得到區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相鄰能源輸出節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)為

圖1 能源輸出節(jié)點(diǎn)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(fù)數(shù)；Pe為待測(cè)能源輸出節(jié)點(diǎn)距離基準(zhǔn)點(diǎn)的最小跳數(shù)值.

根據(jù)上述分析，在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳感器探測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)，構(gòu)建區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)i發(fā)送確認(rèn)字符(ACK)的傳輸距離；C(i)為能源輸出節(jié)點(diǎn)i接收信號(hào)的強(qiáng)度值；vslot為數(shù)據(jù)傳輸速率；tDATA為能源輸出節(jié)點(diǎn)i發(fā)送能源狀態(tài)數(shù)據(jù)的時(shí)間；tT-start為初始階段能源輸出節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延.

區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的能源輸出節(jié)點(diǎn)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(fù)載；Ht為能源輸出節(jié)點(diǎn)t時(shí)刻傳輸單位比特?cái)?shù)據(jù)的能量消耗；LDATA為數(shù)據(jù)消息的長(zhǎng)度；LACK為ACK消息的長(zhǎng)度.

采用能源總線自適應(yīng)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇與切換.

1.2 網(wǎng)絡(luò)能源輸出節(jié)點(diǎn)的定位部署優(yōu)化

在構(gòu)建區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的能源輸出節(jié)點(diǎn)解析分布模型的基礎(chǔ)上，采用能源總線自適應(yīng)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(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖拓?fù)湟蜃泳仃?

在關(guān)聯(lián)規(guī)則約束下，根據(jù)多種網(wǎng)絡(luò)和終端因素進(jìn)行選網(wǎng)決策，得到區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中能源總線的負(fù)載開(kāi)銷為

SL(x)=SL(x-1)γ+(1-γ)SQi

(5)

式中：SL(x)為能源輸出節(jié)點(diǎn)自身負(fù)載；SL(x-1)為上一時(shí)刻能源輸出節(jié)點(diǎn)自身負(fù)載；SQi為其相鄰能源輸出節(jié)點(diǎn)負(fù)載；γ為平滑因子.當(dāng)區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中能源總線向能源輸出節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的能源輸出節(jié)點(diǎn)輸出最大跳數(shù)為

Pcomm=DTX+FRX

(6)

式中：DTX為輸出節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的輸出跳數(shù)；FRX為節(jié)點(diǎn)輸出的跳數(shù).在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下得到網(wǎng)絡(luò)相鄰能源輸出節(jié)點(diǎn)的能量損失概率，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)屬性權(quán)重進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)能源輸出節(jié)點(diǎn)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(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)建模優(yōu)化

2.1 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出能源均衡配置

在構(gòu)建區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，提取能源總線輸出信息的關(guān)聯(lián)特征量.設(shè)區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中能源總線向能源輸出節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的幀頭長(zhǎng)度為h，終端業(yè)務(wù)獲得的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)數(shù)據(jù)的到達(dá)率為xiri(x).決策時(shí)刻選擇切換的網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)能源總線監(jiān)測(cè)，選擇切換網(wǎng)絡(luò)后所獲得的收益占空比為

(8)

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

提取能源總線輸出信息的關(guān)聯(lián)特征量，得到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出能源均衡配置函數(shù)，并根據(jù)定義對(duì)加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的信道均衡配置[12].

2.2 網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能源輸出節(jié)點(diǎn)輪換調(diào)度

采用混合蒙特卡羅算法進(jìn)行區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出能源均衡配置，結(jié)合傳感器探測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能源輸出節(jié)點(diǎn)輪換調(diào)度[13]，得到混合蒙特卡羅函數(shù).采用動(dòng)態(tài)均衡控制方法進(jìn)行區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)路徑相鄰能源輸出節(jié)點(diǎn)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(luò)的能源總線連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)[14]，得到業(yè)務(wù)終端到達(dá)率W(p)，并對(duì)W(p)在隨機(jī)采樣區(qū)間p∈[0，1]上進(jìn)行能源輸出節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè).根據(jù)W(p)實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)能源總線信息監(jiān)測(cè)和建模優(yōu)化，結(jié)合傳感器探測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能源輸出節(jié)點(diǎn)輪換調(diào)度，提高區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性.

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法在區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)建模優(yōu)化中的性能，本文進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)分析.實(shí)驗(yàn)采用MATLAB 7設(shè)計(jì)，以200 m×200 m二維平面作為區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的建模分布區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)的預(yù)期分簇?cái)?shù)目為24，區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息采樣的能源輸出信號(hào)為50 dB，載波頻段為20 kHz，其他網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)設(shè)定如表1所示.

表1 區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)設(shè)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(shè)定進(jìn)行區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)建模，并測(cè)試對(duì)比文獻(xiàn)[4]方法與本文研究方法的網(wǎng)絡(luò)傳輸功率，得到對(duì)比結(jié)果如圖2所示.

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

4 結(jié) 論

在區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的能源總線進(jìn)行優(yōu)化監(jiān)測(cè)和調(diào)度，結(jié)合自適應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)建模方法.在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳感器探測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)，構(gòu)建區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的能源總線傳感器均衡控制模型.在不同業(yè)務(wù)類型終端進(jìn)行能源總線的監(jiān)測(cè)，在狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型基礎(chǔ)上建立區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)能源總線分簇調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)傳感器探測(cè)協(xié)議的自適應(yīng)能源輸出節(jié)點(diǎn)輪換調(diào)度，提高區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性.該方法進(jìn)行區(qū)域能源復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(luò)傳輸功率對(duì)比測(cè)試Fig.2 Comparison test of network transmission power