在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)信道分配算法優(yōu)化*

馬 靜， 沈來(lái)信， 盛文婷

(1.廈門(mén)大學(xué) 軟件學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361005；2.新疆天山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子通信學(xué)院， 烏魯木齊 830017；3.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 上海 201804；4.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 烏魯木齊 830091)

在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)信道分配算法優(yōu)化*

馬 靜1，2， 沈來(lái)信3， 盛文婷4

(1.廈門(mén)大學(xué) 軟件學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361005；2.新疆天山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子通信學(xué)院， 烏魯木齊 830017；3.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 上海 201804；4.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 烏魯木齊 830091)

針對(duì)傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)信道分配方法進(jìn)行信道分配時(shí)存在信道分配不準(zhǔn)確及效率低的問(wèn)題，提出一種基于干擾度與鏈路優(yōu)先級(jí)劃分的通信網(wǎng)絡(luò)信道分配方法.由Posisson分布模型建立通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量模型，對(duì)鏈路流量及干擾進(jìn)行評(píng)估，建立干擾模型計(jì)算出對(duì)應(yīng)干擾程度等級(jí)，結(jié)合流量模型及干擾模型對(duì)分配的信道設(shè)計(jì)權(quán)重值，根據(jù)計(jì)算出的權(quán)值作為選取信道的依據(jù)，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道進(jìn)行分配.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的信道分配算法，采用改進(jìn)算法進(jìn)行信道分配吞吐量較高，信道分配精確度好，具有一定的優(yōu)勢(shì).

在線開(kāi)放；通信網(wǎng)絡(luò)；信道；分配算法；優(yōu)化；優(yōu)先級(jí)；鏈路流量；干擾模型

近年來(lái)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的人們享受到了通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的便利.大量的個(gè)人、企業(yè)及公司的信息都需要在在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸，這就使得在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率成為了該領(lǐng)域研究的重點(diǎn).而對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)信道進(jìn)行合理的分配是解決該領(lǐng)域傳輸效率問(wèn)題的主要方法[1-2]，因此，如何對(duì)在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)信道進(jìn)行分配成為了該領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題，受到了廣大學(xué)者的關(guān)注[3-4].

其中，文獻(xiàn)[5]提出基于物理干涉模型的在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)信道分配方法，該方法通過(guò)建立任意幾點(diǎn)的信道分配樹(shù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道分配，然后采用物理干涉模型對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行劃分，最后根據(jù)劃分結(jié)果進(jìn)行信道分配，該方法主要針對(duì)的是少量信道分配，若分配信道量增加，將產(chǎn)生信道分配精度不高的問(wèn)題；文獻(xiàn)[6]提出基于I-IOWG的通信網(wǎng)絡(luò)信道分配算法，該方法主要針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)信道的傳輸特點(diǎn)及干擾因素，采用I-IOWG矩陣對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)信道進(jìn)行分配，充分考慮了空間角度對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)信道分配的影響，但是需要進(jìn)行大量的迭代計(jì)算，不適合大范圍使用；文獻(xiàn)[7]提出基于距離優(yōu)先概念的通信網(wǎng)絡(luò)信道分配方法，該方法使用混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解信道距離最小化約束下的分配問(wèn)題，給出信道分配的能量函數(shù)表達(dá)式及混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，但是該方法存在信道分配耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種干擾度與鏈路優(yōu)先級(jí)劃分的通信網(wǎng)絡(luò)信道分配方法.由Posisson分布模型建立通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量模型，對(duì)鏈路流量和干擾度進(jìn)行評(píng)估，之后建立干擾模型，并根據(jù)干擾源求出干擾度，在流量模型及干擾模型的基礎(chǔ)上設(shè)置鏈路權(quán)重，并根據(jù)此權(quán)值確定鏈路信道優(yōu)先級(jí)，依據(jù)優(yōu)先級(jí)精確分配網(wǎng)絡(luò)信道.相比傳統(tǒng)算法，改進(jìn)算法在進(jìn)行信道分配時(shí)吞吐量較高，分配精確度也有所提高，具有一定的優(yōu)勢(shì).

1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量及干擾模型的建立

由于在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)具有不可預(yù)知性且傳輸鏈路易受干擾的影響，使得網(wǎng)絡(luò)通信具有一定的挑戰(zhàn)性，在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)信道分配中傳輸鏈路干擾問(wèn)題是必須要解決的難題[8-10].傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信道分配方法主要通過(guò)計(jì)算各鏈路的流量負(fù)載，為不一樣的鏈路分配不同的信道，以達(dá)到用戶對(duì)帶寬的需要[11].而不一樣的流量負(fù)載對(duì)信道分配形成的干擾也不一樣，為了能準(zhǔn)確地分配信道，需要建立節(jié)點(diǎn)流量模型.另外，不同鏈路間、不同節(jié)點(diǎn)間都會(huì)產(chǎn)生干擾，需要建立鏈路的干擾模型，為獲取干擾程度提供依據(jù).

1.1 節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載模型的建立

在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)里各個(gè)節(jié)點(diǎn)除了傳輸本身的數(shù)據(jù)外，有時(shí)還要傳輸來(lái)自旁邊節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則設(shè)置數(shù)據(jù)流量均為從最外節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)行傳送的.把節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載劃分成兩部分：一部分是自身通信需要發(fā)出的數(shù)據(jù)；另一部分則是鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的需要轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù).假設(shè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是第1層，依次往外擴(kuò)展，最外層是第N層，那么第n層流量負(fù)載T(n)的表達(dá)式為

(1)

1.2 干擾模型的建立

在建立節(jié)點(diǎn)流量模型之后，需要對(duì)干擾進(jìn)行設(shè)置，建立干擾模型，為計(jì)算干擾度提供依據(jù).首先定義節(jié)點(diǎn)m的干擾為

(2)

式中：B、L分別為信道帶寬及數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度；μ(m)為節(jié)點(diǎn)m對(duì)數(shù)據(jù)平均治理的速率.針對(duì)在線開(kāi)放通信實(shí)際網(wǎng)絡(luò)，使用節(jié)點(diǎn)干擾當(dāng)作度量參數(shù)很難實(shí)現(xiàn)，所以要把節(jié)點(diǎn)的影響映射至鏈路的干擾上.通過(guò)對(duì)鏈路流量和干擾進(jìn)行評(píng)估，并以評(píng)估結(jié)果為依據(jù)設(shè)定優(yōu)先級(jí)并進(jìn)行信道分配.綜合考慮信道分配的簡(jiǎn)單性及可操縱性后，設(shè)定鏈路i的干擾度是鏈路i干擾領(lǐng)域里節(jié)點(diǎn)干擾之和，其干擾模型可表示為

(3)

式中，f(j)為第j層節(jié)點(diǎn)的干擾流量.

2 改進(jìn)信道分配方法的實(shí)現(xiàn)

2.1 干擾度及負(fù)載度的獲取

因?yàn)榛ハ嘤绊懙膬蓷l通信鏈路進(jìn)行傳送時(shí)，干擾源主要來(lái)自相同信道的干擾，因此，在建立干擾和負(fù)載模型的基礎(chǔ)上，需要對(duì)干擾度和負(fù)載度的綜合參數(shù)進(jìn)行計(jì)算.當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路在信道l上受到來(lái)自信道c鏈路的影響時(shí)，負(fù)載綜合參數(shù)可以描述為

(4)

式中：l0為鏈路l影響領(lǐng)域里的一個(gè)鏈路；E0為鏈路l的影響鏈路集；f(l0)為鏈路l0數(shù)據(jù)流負(fù)載大?。籨c為判別l0是否運(yùn)用信道c的參數(shù).若l0采用信道c時(shí)，dc的值為1；若l0未采用信道c時(shí)，則dc取值為∞.

(5)

式中，η為兩鏈路間的相關(guān)聯(lián)系數(shù).

2.2 信道分配算法的改進(jìn)

在確定干擾度和負(fù)載度綜合參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)置節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下3個(gè)方面：

1) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的最小間隔，它主要決定了收斂的速度.

2) 通信網(wǎng)絡(luò)接口量，它決定了網(wǎng)絡(luò)容量大小，接口數(shù)量越少，優(yōu)先級(jí)越高；反之越低.

3) 目前鏈路流量的負(fù)載，負(fù)載越高，則優(yōu)先級(jí)越高.

在流量模型及干擾模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合流量負(fù)載及干擾設(shè)置鏈路權(quán)重，并把權(quán)值作為依據(jù)選取信道優(yōu)先級(jí)，權(quán)值高的鏈路可以優(yōu)先選擇信道.當(dāng)鏈路i的流量負(fù)載是T(i)，總鏈路條數(shù)是M時(shí)，鏈路i的干擾度是I(i)，那么鏈路的優(yōu)先級(jí)獲取方式可表示為

(6)

對(duì)在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)信道進(jìn)行分配的目的是為了給鏈路分配干擾較小的信道，減少本身和外界的影響，具體的信道分配步驟如下：

1) 對(duì)源節(jié)點(diǎn)與結(jié)束節(jié)點(diǎn)間相連的鏈路進(jìn)行分配，假若有多個(gè)鏈路和源節(jié)點(diǎn)鏈接，則依據(jù)信道的編號(hào)按序進(jìn)行分配.

2) 對(duì)每層的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)遍歷，每層的節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)對(duì)本層和下層節(jié)點(diǎn)間的鏈路信號(hào)進(jìn)行分配.如果在設(shè)定節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信道之外，還存在其它信道，那么選取一條鏈路分配次數(shù)最多的信道進(jìn)行分配；假如不存在，則選取干擾值最小的信道進(jìn)行分配.

3) 假如完成本層節(jié)點(diǎn)的遍歷，那么繼續(xù)對(duì)下一層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，直到完成最后一層節(jié)點(diǎn)位置的遍歷.

3 實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及驗(yàn)證參數(shù)

本文將改進(jìn)算法與基于距離相關(guān)的信道分配算法、基于I-IOWG的信道分配算法進(jìn)行比較.實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)絡(luò)模擬軟件NS3平臺(tái)上進(jìn)行，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在500 m×500 m的正方形范圍中，有1 000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，全部節(jié)點(diǎn)的傳送領(lǐng)域?yàn)?50 m，干擾范圍為550 m.設(shè)置全部通信數(shù)據(jù)包大小是512 bit，權(quán)重因子設(shè)定為0.5.在鏈路分配時(shí)，參照式(6)選取干擾值小且較長(zhǎng)的鏈路進(jìn)行優(yōu)先分配.實(shí)驗(yàn)以吞吐量、丟包率、信道分配精確度和網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率為指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證.其中吞吐量計(jì)算公式為

F=MR/t

(7)

式中：M為通信網(wǎng)絡(luò)用戶個(gè)數(shù)；R為用戶請(qǐng)求傳輸個(gè)數(shù)；t為時(shí)間.

丟包率計(jì)算公式為

(8)

式中：G為信道正確接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包量；Gtotal為網(wǎng)絡(luò)中全部發(fā)送端發(fā)送的總包數(shù).

信道分配精確度計(jì)算公式為

(9)

式中：Qi和Q分別為準(zhǔn)確分配的信道數(shù)量和總體信道數(shù)量.

在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率就是每秒接收字符數(shù)與發(fā)送字符數(shù)之和與帶寬的比值，帶寬利用率計(jì)算式為

(10)

式中：Es和Ee分別為每秒接收字符數(shù)與發(fā)送字符數(shù)；B為信號(hào)帶寬.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 信道數(shù)量對(duì)吞吐量及丟包率的影響

信道數(shù)量由0個(gè)逐漸增加至60個(gè)時(shí)，吞吐量的變化情況如圖1所示.

圖1 信道數(shù)量對(duì)吞吐量的影響Fig.1 Influence of channel number on throughput

由圖1可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量會(huì)隨著信道數(shù)量的增加而增加.采用基于距離相關(guān)的信道分配算法時(shí)，其吞吐量在信道數(shù)量為30～50時(shí)出現(xiàn)很大波動(dòng)，穩(wěn)定性較差，不適合大范圍使用；采用基于I-IOWG的信道分配算法雖然在信道數(shù)量10～30使出現(xiàn)了一定程度的分配，但之后一直處于穩(wěn)定上升的趨勢(shì)，穩(wěn)定性較好，但相比其余兩種方法吞吐量一直很低；采用改進(jìn)算法時(shí)，其穩(wěn)定性較好，無(wú)太大波動(dòng)，且吞吐量要優(yōu)于其他兩種信道分配算法.

信道數(shù)量由0個(gè)逐漸增加至60個(gè)時(shí)，丟包率的變化情況如圖2所示.

圖2 信道數(shù)量對(duì)丟包率的影響Fig.2 Influence of channel number on packet loss rate

由圖2可知，采用基于距離相關(guān)的信道分配算法時(shí)，在信道數(shù)量為10～40時(shí)其丟包率出現(xiàn)波動(dòng)的情況，但在信道數(shù)量增加至40～60時(shí)，其丟包率區(qū)域穩(wěn)定；采用基于I-IOWG的信道分配算法時(shí)，其丟包率會(huì)隨著信道數(shù)量的增加而增加，其間在信道數(shù)量為30～60時(shí)，丟包率非常明顯，不適合長(zhǎng)時(shí)間使用；改進(jìn)算法吞丟包率雖然一直處于波動(dòng)的狀態(tài)，但整體的丟包率相比其余兩種方法一直處于較低的狀態(tài).

3.2.2 信道分配精確度對(duì)比

采用改進(jìn)的分配算法與基于距離相關(guān)的信道分配算法和基于I-IOWG的信道分配算法進(jìn)行精確度對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同算法下信道分配精確度對(duì)比Fig.3 Contrast in channel allocation accuracy under different algorithms

由圖3可知，采用基于距離相關(guān)的信道分配算法時(shí)，其信道分配精確度約為55.3%，且不會(huì)隨著信道數(shù)量的增加而降低；基于I-IOWG的信道分配算法的分配精確度約為34.3%，且不會(huì)隨著信道數(shù)量的增加而降低，穩(wěn)定性較好，但相比其余兩種方法的精確度要低，不適合大范圍使用；改進(jìn)算法的精確度約為72.4%，相比基于距離相關(guān)的信道分配算法提高了約17.1%，相比基于I-IOWG的信道分配算法提高了約38.1%，且不會(huì)隨著信道數(shù)量的增加使分配精確度降低，反而一直處于上升的趨勢(shì).

3.2.3 在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率對(duì)比

在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率越高，說(shuō)明信道分配越成功.圖4描述的是分別采用改進(jìn)算法、基于距離相關(guān)的信道分配算法和基于I-IOWG的信道分配算法完成信道分配后，三種算法網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的比較結(jié)果.

圖4 不同算法下網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率對(duì)比Fig.4 Contrast in network bandwidth utilization under different algorithms

由圖4可以看出，改進(jìn)算法的帶寬利用率明顯高于基于距離相關(guān)的信道分配算法和基于I-IOWG的信道分配算法，說(shuō)明采用改進(jìn)算法對(duì)信道進(jìn)行分配后，在線開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率明顯增強(qiáng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文算法的有效性.

4 結(jié) 論

本文提出一種基于干擾度與鏈路優(yōu)先級(jí)劃分的通信網(wǎng)絡(luò)信道分配方法.由Posisson分布模型建立通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量模型，并對(duì)鏈路流量和干擾進(jìn)行評(píng)估，建立干擾模型，再依據(jù)干擾源獲取干擾度，設(shè)置鏈路的權(quán)重，并以權(quán)重值作為鏈路選擇信道的依據(jù).通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真證明，相比傳統(tǒng)的信道分配算法，當(dāng)使用改進(jìn)算法進(jìn)行信道分配時(shí)，吞吐量、信道分配精確度及帶寬利用率均較高，具有一定的分配優(yōu)勢(shì).

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(責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Optimization for online open communication network channel allocation algorithm

MA Jing1,2,SHEN Lai-xin3,SHENG Wen-ting4

(1.Software School,Xiamen University,Xiamen 361005,China;2.School of Electronic and Communication,Xinjiang Tianshan Vocational and Technical College,Urumqi 830017,China;3.College of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;4.College of Science and Technology,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830091,China)

In order to solve the problem that the inaccuracy channel allocation and low efficiency problem exist when the traditional communication network channel allocation method is used for channel allocation,a communication network channel allocation method based on the interference degree and link priority was proposed.The communication network node flow model was established with the Posisson distribution model to assess the link traffic and interference.In addition,the interference model was established,and the corresponding disturbance degree level was calculated.In combination with both flow model and interference model,the weight for the allocated channel was designed.The calculated weight was taken as the basis of selected channel,and the network channel was allocated according to the priority.The results show that compared with the traditional channel allocation algorithm,the improved algorithm for channel allocation has higher throughput and better channel allocation accuracy,and has a certain advantage.

online open;communication network;channel;allocation algorithm;optimization;priority;link traffic;interference model

2016-05-27.

安徽省高校自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目(KJHS2016B02)；安徽省教育廳質(zhì)量工程資助項(xiàng)目(2015ckjh089).

馬 靜(1979-)，女，新疆烏魯木齊人，講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與大數(shù)據(jù)復(fù)雜計(jì)算等方面的研究.

22 17∶39在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1739.002.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.02.14

TN 929.5

A

1000-1646(2017)02-0193-05