考慮節(jié)點負載的光纖通道多路數(shù)據(jù)混合傳輸方法

屈金嬌，吳欣華，陳雅萍

（第904 醫(yī)院，江蘇 無錫 214044）

為了滿足器件中采用光纖作為通信媒介的現(xiàn)實需求，需要采用光纖實現(xiàn)多通道低速率數(shù)據(jù)和高速數(shù)字影像信息的混合傳輸。為了實現(xiàn)對目標(biāo)的捕捉，各個子系統(tǒng)都要進行協(xié)同工作，因而要進行海量的數(shù)據(jù)傳輸，在這些數(shù)據(jù)的傳輸過程中，包含了多路低速數(shù)據(jù)和攝像機所提供的高速度的數(shù)字圖像。在采用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸媒介的情況下，其數(shù)據(jù)傳輸能力得到了極大提高，但是網(wǎng)絡(luò)中存在隨機性，使得數(shù)據(jù)傳輸時延高。

文獻[1]提出了基于異構(gòu)云計算的調(diào)度算法，該算法采用線性化的方式對各層次的節(jié)點進行劃分，并利用其所剩的能量來選取各層次的節(jié)點，從而達到減少能耗和延長網(wǎng)路壽命的目的。但是，由于其要對全網(wǎng)的所有數(shù)據(jù)進行采集，因此在大容量的情況下，會產(chǎn)生較大的通信費用；文獻[2]提出了能量多路徑路由機制，該方法可以很好地平衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命，但是這種方法并沒有考慮到網(wǎng)絡(luò)中的遠程跳躍次數(shù)，并且必須定期地從目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)向源節(jié)點進行查詢，以保持其活躍度，并提高網(wǎng)絡(luò)資源消耗。為此，提出了考慮節(jié)點負載的光纖通道多路數(shù)據(jù)混合傳輸方法。

1 考慮節(jié)點負載的多路傳輸節(jié)點選擇

為了改善光纖通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活時間，使其達到負荷均衡，采用多路徑路由算法，將負荷調(diào)節(jié)為多條路由，使各節(jié)點之間的能耗達到平衡[3]。在此基礎(chǔ)上，充分利用了節(jié)點的剩余能量，使得所要傳輸?shù)男畔⒈M可能地避免剩余能量較少的節(jié)點，以提高光纖通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活周期。

在源節(jié)點要將數(shù)據(jù)包傳送給目標(biāo)節(jié)點時，將泛洪報文傳遞至全網(wǎng)，在泛洪報文被中間節(jié)點接收時，中間節(jié)點會充分地使用隨后接收到的同一泛洪報文[4-6]。當(dāng)下次泛洪報文在距上一次泛洪報文到來之前，已經(jīng)超過預(yù)定的限制值時，丟棄該泛洪報文，或?qū)⒎鲜剑?）的泛洪報文記錄下來。

式中，RX、RJ、ΔR分別表示節(jié)點可以接受的新跳數(shù)、舊跳數(shù)和跳數(shù)差。跳躍差異的數(shù)值較大，可以發(fā)現(xiàn)較多路徑，但是要傳送較多消息，需要增大路由負荷。如果選擇數(shù)值越低，那么所傳輸消息就越少，所發(fā)現(xiàn)路徑也就越少，因此依據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)條件，選擇適當(dāng)?shù)奶S值[7]。

假定目標(biāo)節(jié)點在一定時期內(nèi)收到來自源節(jié)點泛洪過來的多條路由請求報文，根據(jù)基于請求報文所給出的數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而在源端與目標(biāo)端之間形成一條最短跳躍次數(shù)和最大延遲的主要通路[8-10]。然后，將與主要通路節(jié)點無關(guān)的備用通路作為第一條替換通路，再將與主要通路及備份路徑均數(shù)無關(guān)的備用通路作為第二條替換通路，依此類推[11]。采用臨界能耗均值的方法，在t時刻內(nèi)計算所有路由路徑關(guān)鍵能量值，公式為：

式中，n表示路由路徑數(shù)量。通過該值可確定整個光纖通道能量消耗情況，該值越大，說明節(jié)點剩余能量也就越大，通道可用路由越多[12]。根據(jù)光纖通道整體能耗情況選擇傳輸路徑，關(guān)鍵能量滿足式（3）：

式中，α表示預(yù)先設(shè)定的閾值，在傳輸路徑能量資源充足情況下，選擇跳數(shù)小的路徑減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

2 光纖通道多路數(shù)據(jù)混合傳輸

2.1 傳輸路徑建立

在光纖通道中時間軸被分為許多幀，每幀都是由一定數(shù)據(jù)固定時長組成的，每幀固定時間用于能量消耗大的數(shù)據(jù)傳輸，其余用于能量消耗小的數(shù)據(jù)傳輸[13]。基于可變邊界的時間軸多路復(fù)用幀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于可變邊界時間軸多路復(fù)用幀結(jié)構(gòu)

圖1 中，md表示能耗數(shù)據(jù)包所用的時段數(shù)；xk表示第k個能耗數(shù)據(jù)可用時段數(shù)；s表示數(shù)據(jù)時段間距[14]。對于能耗大數(shù)據(jù)段和能耗數(shù)據(jù)段的間距，計算公式為：

根據(jù)分段隨機存取協(xié)議，間距上沒有沖突，在該基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個起始傳輸通道，在接收到來自該節(jié)點的請求信息后，將該路徑創(chuàng)建信息通知給鄰近節(jié)點，啟動路徑建立過程[15]。

在進行路徑過濾時，要防止選擇的路徑中的一個節(jié)點因能源不足而無法承受所指定的負荷，所以要將路徑上所有節(jié)點能量均計算在內(nèi)。估計每次詢問所消耗的能源總量和傳輸單元的能源消耗，得出一個請求的總能源消耗，如下：

式中，E表示總負載，Qn表示傳輸單位數(shù)據(jù)所耗費的能量[16]。當(dāng)使用多條通道進行數(shù)據(jù)傳送時，為了均衡能量，必須保證每個通道的最小能量在經(jīng)過一次查詢后都盡量保持一致，由此可以估計出每條路徑的最小能量為：

為了達到負載均衡，應(yīng)該使每個路徑的網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)過一次查詢之后，均保持最小的功率，從而利用能源均衡方法為每個通道分配工作量，并估計每個通道所承載的數(shù)據(jù)傳輸量：

根據(jù)上述計算結(jié)果，先檢驗具有最小能量交叉處的路線，以便迅速地找到合適的路線數(shù)目，其基本方法：將不適宜的路線按照其最低能量值進行降序排列，將不適宜的路線交錯點按照能量值進行升序排列，進而確定每個相交的最大可容許的路徑數(shù)目。若以上所示的不存在交叉或無通路，則該方法終止；如果沒有，重復(fù)執(zhí)行以下步驟，直至完成全部交錯點的檢測。

2.2 多路數(shù)據(jù)混合傳輸方案設(shè)計

充分考慮節(jié)點負載，將傳輸路徑上節(jié)點剩余能量作為多路選擇依據(jù)，盡量避開低能量節(jié)點，選取最優(yōu)路徑。對于節(jié)點i能量消耗，計算公式為：

如果多個路線的開銷值都是一樣的，那么就可以選擇最小的路線，因為它是以最大的剩余能源為最優(yōu)路線，因此可以避免節(jié)點被過度使用。

當(dāng)設(shè)備各個子系統(tǒng)之間傳送的多路低速率信息和其他設(shè)備所傳送的信息進行混合傳輸時，其方案是利用時分多路和WDM 的混合形式，將裝置內(nèi)的訊息混成一條信息，經(jīng)由光傳送模組將信息轉(zhuǎn)變成信號，再經(jīng)由光導(dǎo)通信模組傳送信息，而信息則先由受光模組將信息轉(zhuǎn)變成信號形式，再采用時分復(fù)用和波分復(fù)用相混合的方法，將信息恢復(fù)成原始的多路信息。因此，低速率數(shù)據(jù)信息采用時分多工/多路傳輸，多路高速信息的傳送是由高速串行/并行變換裝置完成的，采用WDM/DMA 模式，可以將低速和高速信息進行混合傳輸。混合傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多路數(shù)據(jù)混合傳輸方案設(shè)計

圖2 中多路低速率數(shù)據(jù)信息通過時分復(fù)用裝置被復(fù)接成一條連續(xù)線路，通過串行/并行變換裝置將高速信息整合成一條線路，其兩路的信息通過發(fā)光模組進行電光變換，然后通過WDM 變換成一條線的光學(xué)信號，通過該光路復(fù)用器將其轉(zhuǎn)化成一條光路，在接收機上進行相應(yīng)光電變換和分離，從而完成信息的混合傳輸。

3 實驗

3.1 通信模擬

為驗證考慮節(jié)點負載的光纖通道多路數(shù)據(jù)混合傳輸方法的有效性，在GPRS 中，利用Ater+GAter 的BSC 與MFS 進行了實驗。GAter 通道與Ater 接口可以共享一個PCM 連接。實驗在相同的BSC-MFS 接口上傳送數(shù)據(jù)信號的同時，還要求傳輸話音信號。

3.2 傳輸時延

式中，z表示多路徑條數(shù)。對于傳輸時延，分別使用文獻[1]方法、文獻[2]方法和所研究方法進行對比分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同方法傳輸時延對比分析

由圖3 可知，使用文獻[1]方法最高時延達到7.3 s，使用文獻[2]方法最高時延達到4.7 s，使用所研究方法最高時延達到0.5 s。通過該分析結(jié)果可知，使用所研究方法傳輸時延較低，說明傳輸通道順暢。

3.3 節(jié)點存活率

在光纖通道多路數(shù)據(jù)混合傳輸過程中，每隔一段時間就會將數(shù)據(jù)傳輸給目標(biāo)服務(wù)器，以標(biāo)識節(jié)點處于存活狀態(tài)。如果超過傳輸間隔目標(biāo)服務(wù)器依然沒有接收到數(shù)據(jù)，那么可認為該節(jié)點已經(jīng)處于死亡狀態(tài)。如果光纖通道中存在大量死亡節(jié)點，那么無法有效進行多路數(shù)據(jù)混合傳輸。為了驗證所研究方法能夠有效傳輸數(shù)據(jù)，以14 條傳輸路徑為例，將其與文獻[1]方法和文獻[2]方法節(jié)點存活率進行對比分析，對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法節(jié)點存活率對比分析

由圖4 可知，使用文獻[1]方法、文獻[2]方法時，死亡節(jié)點明顯比所研究方法多，其中，所研究方法的節(jié)點存活率為0.96。

4 結(jié)束語

為了使節(jié)點能量均衡，采用關(guān)鍵路徑優(yōu)先原則，研究了一種考慮節(jié)點負載的光纖通道多路數(shù)據(jù)混合傳輸方法，該方法首先檢測出能量最小的臨界點，然后對其進行快速選擇，利用能量平衡法對各個傳輸路徑進行了劃分。通過對多路數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)仿真，證明了該方法的正確性和可靠性。