無線多跳通信網絡數據傳輸延時補償算法

楊 峰，馬 銘

(北華大學大數據與智慧校園管理中心，吉林 吉林 132013)

1 引言

目前，無線多跳通信網絡已憑借較好的應用性能與較強的信息感知力取得了飛速發展。無線多跳通信網絡的構成基礎為分散在多維空間中的多個傳感器節點[1]。現如今，無線多跳通信網絡因具有較強的適應性與較高的數據處理容錯性而被廣泛應用于國防軍事安全以及主要干道交通等通訊形式中，應用前景較為廣闊。但是，在特定網絡的整個通信過程中，無線網絡傳感器技術的通信節點能量相對有限，極易造成數據傳輸延遲，從而影響無線多跳通信網絡的應用系統總體性能[2]。因此，合理地補償無線多跳通信網絡中的數據傳輸延遲時間具有重要的現實意義。

文獻[3]針對傳感器采樣延時問題，基于傳統GPS/INS(Global Positioning System-Inertia Navigation System，全球定位系統+慣性導航系統的組合導航系統)松耦合組合導航模型，提出了一種延時估計與補償算法。通過建立延時估計模型計算時間同步偏差，在設計殘差傳播方程后，采用殘差重構方法補償同步軟件時間延時；文獻[4]中，重聯動車組通過UIC(International Union of Railways，國際鐵路聯盟)網關的過程數據編組傳輸監控數據，導致重聯通信網絡的傳輸延時降低重聯控制性能。因此，設計了網絡控制時延預測及補償算法，利用網絡時延的自回歸AR(Autoregressive model，自回歸模型)模型與Yule-walker參數自辨識算法，依據歷史數據實時預測網絡時延，并采用快速隱式廣義預測控制補償預測出的時延。

為避免因數據傳輸延時問題造成網絡穩定性遭到破壞，本文設計了無線多跳通信網絡數據傳輸延時補償算法。優化設計內容如下：通過建立無線多跳通信網絡的延時下限累積分布函數與數據傳輸延時違約概率下限的計算公式，提升補償算法的有效性；調節網絡節點通信半徑，精準控制多跳網絡的分簇規格；通過調整分簇大小合理均衡簇負載；搜索各簇頭至匯聚節點代價最小的多跳路徑，增強通信網絡中的數據傳輸延時補償效果。

2 無線多跳通信網絡延時違約概率計算

無線多跳通信網絡的各條路徑均中含有多個節點，各節點均能夠生成新包，還能夠轉發接收的周圍節點包。單跳包傳輸的隊列模型主要用于描述各無線單跳通信鏈路包的傳輸形式，如圖1所示。

圖1 單跳包傳輸的隊列模型示意圖

無線多跳通信網絡路徑中，節點所接收的各個新包均具有一定的獨立性，假設該網絡內的包負載呈統一分布，新抵達包與轉發包的整合速率為μ，基于數據鏈路層，單隊列內往往混合著新的抵達包與轉發包，且按照FIFO(First Input First Output，先進先出)準則被公平轉發，第n個采樣時刻的瞬時隊列長度為Qn。在此基礎上，假設第i跳穩定狀態隊列的延時為Di，針對無線單跳網絡鏈路，采用等效帶寬描述Di大于延時限制Dmax的概率，如下所示

(1)

其中，等效帶寬恒定信道服務速率r的函數分別為θ(r)、γ(r)。根據等效帶寬定義可知，恒定信道吞吐量下限同時也是ε=γ(r)e-θ(r)Dmax的解。

由于γ(r)近似于邊緣卷積分布函數[5]，θ(r)與多普勒頻移相關聯[6]，故通過式(1)可推導出等效帶寬模型的累積分布函數FD(x)與概率密度函數fD(x)[7-8]，過程所示

FD(x)=1-γ(r)e-θ(r)x

(2)

fD(x)=γ(r)θ(r)e-θ(r)x+(1-γ(r))δ(x)

(3)

其中，δ(x)表示單位沖擊函數。

針對無線多跳通信網絡中的普通路徑，在路由中間節點處混合兩種流量，一種是源節點與目的節點間的流量，另一種是新生成與其它轉發的流量，從而建立一個無線多跳通信網絡的延時下限累積分布函數Fh(x)，如下所示

=(1-γ(r))h-i×γ(r)i-1×(1-e-θ(r)x)

(4)

其中，h表示通信網絡跳數。

由式(4)可以得到無線多跳通信網絡下數據傳輸延時違約概率下限的計算公式，如下所示

J=Fh(x)×(1-(1-γ(r))h-i×γ(r)i-1)

(5)

3 數據傳輸延時補償算法構建

3.1 均衡無線多跳通信網絡簇負載

有關無線多跳通信網絡節點數據傳輸的每k比特監控信息，在數據傳輸階段內，假設ER(k)與ET(k)分別表示接收節點與發送節點所消耗的能量，則式(6)所示為與之相對應的表達式

(6)

其中，在傳輸單位比特的數據過程中，Eamp表示網絡發送節點功率放大器消耗能量。若s是通信階段內發送節點與接收節點的間距，利用下列計算公式求解消耗能量Eamp值

(7)

其中，εtr表示通信信號衰減因子[9]，s0表示網絡接收與發送節點的間距門限。

針對通信網絡簇中節點采集到的k比特數據，采用下列公式計算數據融合階段中簇頭節點消耗的能量Ef(k)

Ef(k)=EDAk

(8)

其中，EDA表示在網絡通信階段內，簇頭節點數據融合單位比特數據時的能量消耗。

(9)

(10)

(11)

(12)

根據無線多跳網絡模型解得網絡分簇最佳個數，調節網絡節點通信半徑，控制多跳網絡的分簇規格，求取簇中任意監控數據采集階段里，通信節點所消耗的能量，基于網絡節點密度設置節點實際通信半徑，通過調整分簇大小均衡簇負載[11]。

3.2 通信發包率與增強信息素揮發因子關系建立

在選取無線多跳通信網絡簇頭時，通過非均勻分布式競爭形式，設定評價標準為網絡通信余下能量與距離，明確簇頭后進行各簇頭至匯聚節點代價最小的多跳路徑搜索，補償通信網絡中的數據傳輸延時。

(13)

其中，c表示簇頭節點競爭半徑取值范圍的控制參數，其取值范圍為c∈(0，1)，pc與si分別表示匯聚點與節點，兩點之間的距離用d(si，pc)表示。

假設數據傳輸階段里，解得的每個節點半徑廣播競爭信息為M1，則該競爭信息M1由節點信息si、匯聚點pc與節點si間距d(si，pc)以及余下能量Er構成。利用下列公式計算每個簇頭Er到各鄰居簇頭sj(j∈Ri)的初始信息素濃度

(14)

(15)

其中，簇頭sk的初始信息素濃度為uik，局部啟發值取值范圍的控制參數為σ，取值范圍為σ∈(0，1)。

簇頭si選擇具有最大概率pij值的節點sj當做下一跳節點，并通過下列公式增強與節點sj對應路由的信息素

u′ij=uij+Δuij

(16)

其中，增強的信息素濃度為u′ij，信息素濃度變化量為Δuij，計算過程如下

(17)

其中，無線多跳通信網絡數據傳輸次數與實時性權重的調節參數為ω，取值范圍為ω∈(0，1)，增強信息與初始信息素間的比例調整系數為α，網絡通信時數據傳輸的最大延時為Tmax，數據包轉發的最大延時為τmax，數據傳輸的平均延時為Tij，數據包轉發的平均延時為τij。路徑的增強速率隨著通信階段發包率的提升而加快，與此同時，也會增加通信路徑負擔，因此，通過下列信息揮發機制表達式，令通信發包率與增強信息素揮發因子[12]之間呈正比例關系

(18)

其中，參考信息素揮發因子為λ，吞吐量影響因子用β表示，無線多跳通信網絡的發包率極值分別是Fmin與Fmax，在t時段中的通信路徑發包率為ft。當完成網絡通信數據傳輸后，更新信息素，實現傳輸延時補償。

4 模擬數據分析

為驗證為研究設計的無線多跳通信網絡數據傳輸延時補償算法的實際應用性能，設計如下仿真加以驗證。

4.1 仿真環境

首先構建一個如圖2所示的無線多跳通信網絡，網絡節點數量為6個，業務流為兩條，采用雙向鏈路，圖中N1到N6為業務流1，N2到N5為業務流2。仿真通過MATLAB軟件實現，隨機函數決定其初始信噪比變化范圍，將最小值SNRMIN設定為臨界值。

網絡參數設定如表1所示。

表1 無線多跳通信網絡參數設定

圖2 無線多跳通信網絡拓撲示意圖

分別采用文獻[3]中的基于GPS/INS和殘差重構的延時補償算法、文獻[4]中的網絡控制時延預測及補償算法以及本文算法進行仿真。分別以網絡吞吐量和傳輸延時為檢驗指標，驗證不同算法的應用性能。

4.2 吞吐量對比

圖3所示為各方法的節點平均吞吐量曲線。

圖3 節點吞吐量均值曲線圖

根據圖3的曲線走勢發現，除鏈路速率為20Mbps時，本文算法吞吐量較其它方法略低，多數情況下，本文算法下的節點平均吞吐量始終保持較高狀態。這是由于本文算法均衡了無線多跳通信網絡簇負載，可獲得較大的節點平均吞吐量。

4.3 延時補償效果對比

從網絡通信節點中選取10個節點作為數據傳輸延時補償效果的研究對象，分別應用文獻[3]、[4]算法以及本文算法，得到如圖4所示的對應節點數據傳輸延時曲線。

圖4 各節點傳輸延時曲線圖

根據圖4的曲線走勢發現，相比于文獻[3]、[4]算法，本文算法因聯立了通信發包率與增強信息素揮發因子之間的正相關關系，因此節點數據傳輸延時更少，從而證明證明本文算法的有效性。

5 結語

無線多跳通信網絡具有廣泛的應用場景，且兼具自配置、拓展性好、成本低以及動態自組織等優勢。為避免網絡數據傳輸延時對服務體驗的影響，本文設計了一種新的數據傳輸延時補償算法，并取得了較好的應用效果。因為時間與水平的限制，在今后的研究中需要進一步改善以下方面：①無線多跳通信網絡的研究側重點一直是延時、丟包等問題，而無線網絡的連接高度不可靠性、帶寬較小、誤碼率較高均會直接引起傳輸延時，因此，應創建網絡與被控對象統一模型，結合不確定性處理策略與網絡動態屬性；②無線多跳通信網絡具有低速、低帶寬特征，網絡節點通常為資源有限的小型計算單元，且網絡內包含許多不確定性，應有效結合計算機網絡、實時調度以及信息處理，推動相關領域的交叉、融合，為其它領域研究注入新思路。