超寬帶安全監控網絡跨層優化模型的設計

佟 芳

（河北省定州市應急管理局，河北 定州 073000）

目前，超寬帶（UitraWideBand，UWB）技術憑借著自身帶寬高、傳輸速率快、系統容量高、發射功率低等優勢，被廣泛地應用于民用通信領域中，并取得了顯著的應用效果[1]。為實現網絡數據的安全化、高效化傳輸，本文應用超寬帶技術，構建安全監控網絡跨層優化模型，運用該模型構建和運用，有效地解決網絡傳輸速率低下等問題。所以，在超寬帶技術的應用背景下，強化安全監控網絡跨層優化模型設計顯得尤為重要。

1 網絡模型

本文所研究的基于超寬帶安全監控網絡主要是由一個基站節點和多個無線傳感器節點組成。在安全監控網絡中，技術人員要重點分析和解決以下問題：當出現特定事件時，如何從傳感器節點中獲得所需要的傳感數據，并將該數據轉發到指定的基站中[2]。

1.1 相關定義

運用優化建模的方式，可以提高網絡數據傳輸速率，有效地解決網絡數據傳輸效率低下等問題，所以，技術人員需要從優化建模層面，定義速率向量r 概念及可行性。在定義速率向量r 概念時，頻率向量含有r1、r2、….rn 等n 個元素，rn 元素被稱為源節點農村生成的數據速率。在定義速率向量r 可行性時，優化模型存在多個可行解，可以將速率向量直接轉發到指定的基站中。在分析速率向量可行性問題時，所用到的安全監控網絡協議棧含有物理層、鏈路層等多個層次，此時，需要結合單個節點特點，選用合適的資源調度方案以及信號功率控制方案[3]。所以，在解決速率向量可行性問題時，需要分析和處理調度、數據路由等跨層問題。

1.2 MAC 層調度

MAC 層主要是指為各個網絡節點分配相應的頻帶資源。在超寬帶技術的應用背景下，為保證監控網絡數據傳輸的安全性和可靠性，要將超寬帶傳輸頻帶劃分為多個子頻帶[4]。同時，還要采用碼分復用方式，對所需數據進行轉發[5]。

1.3 物理層功率控制

物理層功率控制主要是指將物理層功率調整和控制為所設定的標準值，從而保證安全監控網絡跨層優化模型優化結果的精確性和真實性[6]。

1.4 網絡層路由

為最大化發揮多頻帶通信應用優勢，需要對節點流出的數據流進行劃分，使其劃分為若干個子數據流，并選用合適的路徑，將這些數據轉發到指定的基站。各個節點之間，所對應的實際數據速率必須符合系統所設置的信道容量約束條件。同時，還要保證流入節點所對應的數據速率與流出節點的數據速率保持一致。

2 跨層優化模型的構建

2.1 子頻帶信道容量

運用超寬帶技術，可以降低信噪比，并借助log函數計算出某一節點在進行數據發送時所獲得的信道容量。

2.2 跨層優化模型

在構建跨層優化模型時，為實現數據高速傳輸，需要應用跨層優化模型，結合所獲得的優化系數，設計所需要的目標函數，將復雜網絡跨層設計問題轉化為簡單的跨層優化模型優化問題。如果優化系數超過1，說明存在模型最優解促使基站成功轉發速率向量，說明速率向量具有一定的可行性和可靠性。反之，如果最大k 值低于1，說明在這些約束空間中不存在模型最優解促使基站成功轉發速率向量，說明速率向量不可行。

3 仿真實驗

3.1 實驗設置

為有效地驗證該模型可靠性，本文設計以下實驗方案：將UWB 頻帶寬度設置為7.6GHz；將最小子頻帶寬度設置為500MHz；將節點通信半徑設置為11m；將節點干擾半徑設置16m；將網絡分布區域半徑設置20m；將傳感器節點設置為16 個；將基站節點設置為1 個；將源節點設置為3.6860Mb/s；將JPEG 圖像生成數據速率設置為30Mb/s。所生成的網絡拓撲示意圖如圖1所示。

圖1 網絡拓撲示意圖

3.2 實驗數據分析

在進行實驗期間，結合子頻帶數量，對優化模型進行求解，獲得子頻帶數量MCU 與優化系數關系，當子頻帶數量為1 時，該模型沒有求解出可行解，這是由于圖1 中的三個源節點并非是基站節點，需要借助網絡其他節點，對網絡數據進行轉發。子頻帶數量為1表示網絡中僅有一條信道供各個節點使用，但是，各個節點無法借助同一信道進行數據收發處理，所以，當子頻帶數量為1 時，無法對數據進行轉發處理。當子頻帶數量值大于2，小于4 時，最大K 值出現明顯上升趨勢。但是，當子頻帶數量值超過4 時，最大K 呈現出緩慢上升趨勢。經過上述分析，獲得以下幾個結論：（1）當子頻帶數量不斷降低時，改變信噪比，子頻帶信道容量會產生明顯變化；但是，改變子頻帶帶寬，子頻帶信道容量并不會產生明顯變化。（2）當子頻帶數量超過4 時，改變子頻帶帶寬，子頻帶信道容量會產生明顯的變化，但是，改變信噪比，子頻帶信道容量并不會產生明顯變化。（3）子頻帶數量MCU 與優化系數K 關系曲線的變化規律，為優化模型的求解提供重要的依據和參考。即，將子頻帶數量設置為3 或者4，可以達到求解優化模型的目的。當子頻帶數量值為3時，對優化模型進行求解，所獲得的節點間實際數據速率如表1 所示。

表1 M=3 時節點間實際數據速率

從表1 中的數據可以看出，當基站節點為0 時，所接收的數據最大速率計算公式如下：

經過計算發現數據最大傳輸速率為314.97515Mb/s。源節點生成數據速率為3.6860×3=11.058Mb/s。當基站節點不存在時，數據最大速率與源節點生成數據速率之間比值為28.48392。這說明通過最優求解優化模型，可以實現對網絡數據高速率傳輸，因此，運用該優化求解方式，可保證安全監控網絡跨層設計質量。

3.3 調度、功率控制、路由影響作用分析

3.3.1 調度

在進行調度實驗時，將UWB 可用頻帶進行均勻分割，使其分割為若干個子頻帶，子頻帶數量用“M”表示，然后，對優化模型進行求解，獲得的實驗結果如下：平均頻帶分配曲線與優化帶寬分配曲線相重合，這表明在不改變可用帶寬，該變化帶寬分配方案情況下，并不會對最終優化結果產生明顯影響，其影響情況可以忽略不計。平均帶寬分配方案的運用，可以促使系統設計變得更加簡單化。現階段，整個工作組所制定的多子頻帶通信方案中，主要選用平均帶寬分配方案。

3.3.2 功率控制

以20%比例，放大和縮小距離信號增益，并科學調整和控制節點通信半徑等參數，所獲得實驗結果如圖2 所示。

圖2 物理層功率控制方案對優化結果的影響

從圖2 中可以看出，在節點數量較多的安全監控網絡中，提高節點信號功率，系統信道容量并沒有出現增加，仍然保持不變。這是由于提高節點信號功率，可以加大節點信號對臨近信道通信干擾程度。小信號功率的使用，雖然降低了單條鏈路的信道容量，但是也減弱了該鏈路對相鄰信道的干擾程度，從整體上分析，選用小信號功率，可以提高系統信道容量。

3.3.3 路由方案

為更好地驗證和分析不同路由方案對模型優化結果的影響程度，本文運用最小能耗路由方案和最小跳數路由方案。選用最小跳數路由方案，可以增加信號發射功率，促使長信號傳輸距離不斷上升。選用最小能耗路由方案時，為降低路由能耗量，所有轉發節點要確保所選用的信號功率相對較小。

4 結語

本文應用超寬帶技術所設計的安全監控網絡跨層優化模型經過仿真實驗，得到以下幾個結論：（1）結合該模型最優解，科學化配置安全監控網絡，可以促使網絡數據傳輸速率得以顯著提升。（2）在功率控制、路由約束期間，控制物理層功率，可以改變最終優化結果。

本次仿真實驗為后期安全監控網絡跨層優化模型構建提供了重要的依據和參考。在滿足最大K（系數）值的基礎上，可以從平均頻帶分配、預設路由等多種方案中選用最佳方案，促使模型求解過程變得簡單化，提高模型求解效率和效果。

總之，本文所提出的模型構建方式和優化模型求解方式具有較高的可靠性和可行性，可保證安全監控網絡跨層設計質量，提高網絡數據傳輸速率。