程明陽，陳 京，張明川，鄭瑞娟，吳慶濤

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471000；2.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中跨層傳輸優(yōu)化策略

程明陽1，陳 京2，張明川2，鄭瑞娟2，吳慶濤2

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471000；2.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

針對當(dāng)前無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸效率不高的問題，提出了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化策略。該策略基于跨層訪問機(jī)制，利用網(wǎng)絡(luò)各層之間虛擬的信息交互管道，實(shí)現(xiàn)層間信息的直接交互。引入自律計(jì)算思想和反饋機(jī)制，利用跨層訪問獲取網(wǎng)絡(luò)各層狀況，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖赃m應(yīng)調(diào)節(jié)，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的目的。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化策略與傳統(tǒng)的分層訪問機(jī)制相比，在提高傳輸效率、均衡網(wǎng)絡(luò)能耗以及提升網(wǎng)絡(luò)整體性能等方面具有較好的效果。

傳輸優(yōu)化；跨層訪問；自適應(yīng)；自律反饋

0 引言

無線傳感器[1]主要應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測、軍事控制等重要領(lǐng)域，但其節(jié)點(diǎn)資源有限，不能無限地使用。為了延長網(wǎng)絡(luò)壽命，同時(shí)盡可能滿足應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量的一系列需求和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)特性，應(yīng)協(xié)調(diào)各層網(wǎng)絡(luò)的所有特征參數(shù)，提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)的整體性能。近年來，大多數(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用跨層設(shè)計(jì)思想提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能[2-3]，跨層優(yōu)化思想[4-5]使傳統(tǒng)的各個(gè)獨(dú)立層間的界限變得模糊，通過共享網(wǎng)絡(luò)各子層的信息和交互各子層的相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體性能。雖然跨層優(yōu)化減弱了各子層之間的耦合性，但網(wǎng)絡(luò)各子層的結(jié)構(gòu)化和規(guī)律性消失，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化的情況下，使網(wǎng)絡(luò)整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題復(fù)雜化。

跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是針對短期內(nèi)的應(yīng)用需求，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化改進(jìn)并非只對某一層進(jìn)行優(yōu)化，有時(shí)可能需要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，但重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)需要大量的時(shí)間和成本，是不現(xiàn)實(shí)的。此外，進(jìn)行跨層優(yōu)化時(shí)可能對系統(tǒng)造成不可預(yù)測的結(jié)果，降低了靈活性、維護(hù)性和互操作性。

為了解決以上問題，學(xué)者們進(jìn)行了很多相關(guān)研究。文獻(xiàn)[6]基于蟻群優(yōu)化的算法尋找最優(yōu)路徑，平衡網(wǎng)絡(luò)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。文獻(xiàn)[7]通過合作路由層、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層，采用靜態(tài)路由協(xié)議，在傳輸層引入相對信息熵理論，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。文獻(xiàn)[8]根據(jù)不同目標(biāo)建立了3個(gè)目標(biāo)成本函數(shù)，并設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延遲的上、下界，提高最優(yōu)解的求解速度，得到網(wǎng)絡(luò)生命期的最優(yōu)解，降低了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。

基于前期研究成果[9-12]，本文將跨層優(yōu)化和自律計(jì)算[13]結(jié)合起來，通過網(wǎng)絡(luò)各層之間虛擬的信息交互管道交互各層協(xié)議的參數(shù)信息，將有限的資源統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)度，應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息傳輸中，以提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性。

1 跨層優(yōu)化思想

傳統(tǒng)分層設(shè)計(jì)具有各層之間相互獨(dú)立、結(jié)構(gòu)上下分開、靈活和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但是分層會使某些相同功能在不同層中重復(fù)出現(xiàn)，或者對于某些只需經(jīng)過5層中的若干層就可以完成的操作，若經(jīng)過全部的5層，則浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源，產(chǎn)生額外的成本。為了解決上述問題，本文提出了一種新型的跨層訪問思想?？鐚釉L問機(jī)制與傳統(tǒng)的分層方法相比，優(yōu)點(diǎn)在于它不是著重追求某一層的優(yōu)化效果，而是站在全局的角度找出達(dá)到各類性能優(yōu)化的折衷點(diǎn)，以此提高整體網(wǎng)絡(luò)性能。跨層優(yōu)化并不是完全否定傳統(tǒng)的分層模式，而是將層間的獨(dú)立性模糊化，通過特定的管道交互各子層的相關(guān)參數(shù)信息，對有限資源進(jìn)行合理分配，達(dá)到物盡其用的效果，提高整體網(wǎng)絡(luò)性能。

圖1 跨層優(yōu)化的核心思想

跨層優(yōu)化的核心思想是通過層間信息的有效交互，達(dá)到系統(tǒng)性能的整體優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)能符合不同的業(yè)務(wù)需求[2]。有效地進(jìn)行相鄰層間的信息交互以及網(wǎng)絡(luò)各子層之間參數(shù)的設(shè)置是跨層優(yōu)化的關(guān)鍵。本文采用跨層優(yōu)化的核心思想，如圖1所示。

從圖1可以看出：跨層優(yōu)化技術(shù)打破了傳統(tǒng)分層的約束，用統(tǒng)籌的方法從系統(tǒng)整體考慮問題。在設(shè)計(jì)跨層技術(shù)時(shí)，對于只需經(jīng)過5層中的若干層就可以完成的操作，使用該管道進(jìn)行各層信息實(shí)時(shí)交互，確保系統(tǒng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀和具體的需求進(jìn)行全局自適應(yīng)調(diào)整，選擇性地設(shè)計(jì)所需要的層[14]，各子層對本層及其他層的變化選擇相應(yīng)的策略，并做出合理的響應(yīng)。

2 跨層優(yōu)化策略

跨層優(yōu)化方法主要包含數(shù)學(xué)建模、問題分析和問題求解。數(shù)學(xué)建模是使用數(shù)學(xué)工具對網(wǎng)絡(luò)各子網(wǎng)建模，問題分析和問題求解是通過優(yōu)化理論和算法確定最優(yōu)解。

物理層的主要功能是接收方以特定的方式成功地識別發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是采用前向糾錯(cuò)編碼機(jī)制、自動請求重傳機(jī)制以及適當(dāng)?shù)卣{(diào)整發(fā)送功率準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是盡最大努力交付數(shù)據(jù)報(bào)而不提供服務(wù)質(zhì)量的承諾，負(fù)責(zé)路由的選擇和尋址。傳輸層的主要功能是向其他層提供通信服務(wù)，屬于面向通信部分的最高層，也屬于用戶功能中的最低層。應(yīng)用層能夠向其他層傳遞服務(wù)質(zhì)量需求。各層間跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 各層間跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)

從圖2中可以看出各層對應(yīng)的接口及交互的信息。圖2a是物理層上的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)，物理層信息對數(shù)據(jù)鏈路層調(diào)整系統(tǒng)吞吐量等方面具有較大影響，同時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層也可作為網(wǎng)絡(luò)層路由選擇的依據(jù)，影響傳輸層和應(yīng)用層。圖2b是數(shù)據(jù)鏈路層上的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)，該層特有的自動請求重傳機(jī)制和前向糾錯(cuò)機(jī)制可以被其他層利用，并進(jìn)行信息交互。圖2c是網(wǎng)絡(luò)層上的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。在虛擬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行信息交互時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層利用虛擬鏈路的狀態(tài)確保數(shù)據(jù)在最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸層和應(yīng)用層利用路由信息提高吞吐量。圖2d是傳輸層上的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用從網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層傳遞過來的狀態(tài)信息改善傳輸層的吞吐量。圖2e是應(yīng)用層上的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用層向其他層傳遞服務(wù)質(zhì)量需求，從物理層或數(shù)據(jù)鏈路層獲得的信道或鏈路狀態(tài)信息幫助應(yīng)用層調(diào)整其工作方式?；诟鲗娱g跨層優(yōu)化可以提高網(wǎng)絡(luò)利用率和系統(tǒng)吞吐量等網(wǎng)絡(luò)整體性能。各層具體優(yōu)化目標(biāo)建模如下：

(Ⅰ)應(yīng)用層的優(yōu)化目標(biāo)建模

應(yīng)用層的優(yōu)化目標(biāo)是公平性、吞吐量和網(wǎng)絡(luò)壽命等效用函數(shù)的加權(quán)和，即所謂的多目標(biāo)優(yōu)化問題。應(yīng)用層的優(yōu)化建模已有很多種研究方法，其中一種較典型的優(yōu)化模型[15]為：

(1)

其中：Xs為源s的數(shù)據(jù)速率。α不同，公平性、吞吐量和網(wǎng)絡(luò)壽命等效用函數(shù)也不同，用戶效用同時(shí)取決于獲得的資源及其代價(jià)和已占用的資源對其他用戶的影響。

(Ⅱ)傳輸層的優(yōu)化目標(biāo)建模

傳輸層的優(yōu)化目標(biāo)是獲得網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量。網(wǎng)絡(luò)的主要問題是擁塞控制，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與通信子網(wǎng)負(fù)荷密切相關(guān)。擁塞控制問題的常用數(shù)學(xué)模型為：

(2)

(3)

(Ⅲ)網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化目標(biāo)建模

網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化目標(biāo)是路由的選擇和尋址。可以用矩陣R表示網(wǎng)絡(luò)中的路由問題，該矩陣定義為：

(4)

(Ⅳ)數(shù)據(jù)鏈路層的優(yōu)化目標(biāo)建模

數(shù)據(jù)鏈路層的優(yōu)化目標(biāo)是獲得最優(yōu)的調(diào)度策略，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度最優(yōu)化問題[16]一般為：

(5)

s.t.cl∈C(pmax),?l，

(6)

其中：鏈路l的權(quán)值用rl表示，在物理層鏈路容量c的限制條件用C(pmax)表示。一般只能使用次優(yōu)解而非最優(yōu)解的算法來解決這些問題，即所謂的NP-hard問題。

(Ⅴ)物理層的優(yōu)化目標(biāo)建模

物理層的優(yōu)化目標(biāo)是將提供的資源分配用于網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，物理層的一種典型的優(yōu)化建模目標(biāo)為：

maxU=U(S1(c1),…,Sn(cn))；

(7)

s.t.ci≤C,i=1,…,n，

(8)

其中：U為資源效用；Sj(cj)為服務(wù)提供者j獲取的網(wǎng)絡(luò)資源；C為網(wǎng)絡(luò)資源。

3 傳輸優(yōu)化策略

本文充分運(yùn)用了自律計(jì)算中的上下文感知和推理技術(shù)，通過該技術(shù)傳遞信道參數(shù)并根據(jù)在信道中傳遞的參數(shù)更改自己的參數(shù)，以達(dá)到更好的優(yōu)化目標(biāo)。具體的優(yōu)化方案如下：

實(shí)現(xiàn)自律反饋跨層訪問的關(guān)鍵是通過自律計(jì)算的“四自”屬性(即自配置、自恢復(fù)、自優(yōu)化和自保護(hù))、上下文感知和推理技術(shù)，使系統(tǒng)對未來態(tài)勢具有一定的預(yù)見性。通過以上方式過濾、融合、推斷和演化獲得的數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)魯棒性。由于該環(huán)境是動態(tài)、開放、異構(gòu)的復(fù)雜環(huán)境，首先，需要進(jìn)行語法和語義的一致性處理，避免出現(xiàn)二義性問題；其次，在進(jìn)行各層參數(shù)傳遞的同時(shí)，引入自適應(yīng)機(jī)制，根據(jù)本層參數(shù)的變化和網(wǎng)絡(luò)信道狀況變化的情況自動調(diào)整并做出相應(yīng)的有效動作，取得較好的處理效果。

跨層優(yōu)化模糊了網(wǎng)絡(luò)各子層的獨(dú)立性，利用網(wǎng)絡(luò)各層間虛擬的信息交互管道進(jìn)行信息交互，優(yōu)化了整體軟件協(xié)議棧。聯(lián)合設(shè)計(jì)使跨層優(yōu)化更實(shí)用精確?？鐚觾?yōu)化的決策取決于公平性、有效數(shù)據(jù)吞吐量、有效網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間和傳輸延時(shí)最小化等無線傳感網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息[6]。本文采用對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層聯(lián)合優(yōu)化，在數(shù)據(jù)鏈路層將信噪比和誤碼率考慮到數(shù)據(jù)吞吐量中。各層優(yōu)化目標(biāo)建模均是在上述建?；A(chǔ)之上的改進(jìn)，具體建模方法如下：

(Ⅰ)應(yīng)用層的優(yōu)化目標(biāo)建模

(9)

(Ⅱ)傳輸層的優(yōu)化目標(biāo)建模

(10)

(11)

(Ⅲ)網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化目標(biāo)建模

(Ⅳ)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)建模

一般傳輸數(shù)據(jù)時(shí)最常用到的是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，所以將這兩層進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，對外形成一個(gè)“超級層”。聯(lián)合優(yōu)化思想不用在層間增加任何新的接口，只需用原有的接口進(jìn)行信息交互。對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，不僅省去了設(shè)置兩層間的參數(shù)，同時(shí)保留了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的獨(dú)立性，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，該“超級層”的優(yōu)化目標(biāo)建模為：

(12)

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 仿真環(huán)境

采用MATLAB仿真對基于跨層設(shè)計(jì)的能效優(yōu)化算法進(jìn)行驗(yàn)證，仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真結(jié)果分析

將本文提出的跨層傳輸優(yōu)化策略與傳統(tǒng)的分層訪問機(jī)制進(jìn)行比較，當(dāng)跳數(shù)為1～5跳時(shí)，節(jié)能效率分別高出傳統(tǒng)分層訪問機(jī)制的19.53%、19.41%、19.78%、21.03%和21.12%。因此，在不同跳數(shù)情況下，使用自律反饋跨層訪問機(jī)制與傳統(tǒng)分層訪問機(jī)制中節(jié)點(diǎn)的剩余能量總和比較，前者高出后者20%左右，能量效率明顯提高。

表2 跨層傳輸優(yōu)化策略與傳統(tǒng)分層訪問機(jī)制的跳數(shù)與收包率比較

本文提出的跨層傳輸優(yōu)化策略和傳統(tǒng)的分層訪問機(jī)制的跳數(shù)與收包率的比較如表2所示。表2顯示若沒有任何同步措施的各節(jié)點(diǎn)，其收包率在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下經(jīng)過多跳后趨于0，引入自律跨層訪問充分利用“四自屬性”和自適應(yīng)機(jī)制后，收包率保持在99.5%左右，明顯提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

在不同網(wǎng)絡(luò)接入流數(shù)量的情況下，進(jìn)行系統(tǒng)吞吐量的比較，如圖3所示。從圖3中可以看到：系統(tǒng)吞吐量在開始階段比較相近，隨著發(fā)送數(shù)據(jù)的增加，跨層傳輸優(yōu)化策略由于動態(tài)切換信道性能較好，最大程度降低了新添加流量對外界的干擾，所以表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的分層訪問機(jī)制更好的優(yōu)勢。

在不同網(wǎng)絡(luò)接入流數(shù)量的情況下，進(jìn)行端到端時(shí)延的比較，如圖4所示。各路由的端到端延遲性能在開始階段由于網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流較少而基本相同，隨后，兩種機(jī)制的端到端時(shí)延隨著網(wǎng)絡(luò)接入流數(shù)量的增加而增加。整體上，傳統(tǒng)的分層訪問機(jī)制的端到端時(shí)延較大，而本文提出的跨層傳輸優(yōu)化策略由于能夠找到跳數(shù)更短的路由而有效縮短了端到端時(shí)延。

圖3 不同網(wǎng)絡(luò)接入流數(shù)量下系統(tǒng)吞吐量的比較圖4 不同網(wǎng)絡(luò)接入流數(shù)量下端到端時(shí)延的比較

本文隨機(jī)選取了30個(gè)數(shù)據(jù)源報(bào)道數(shù)據(jù)時(shí)，模擬從100 s到300 s的時(shí)間內(nèi)，比較跨層傳輸優(yōu)化策略和傳統(tǒng)的分層訪問機(jī)制的平均節(jié)點(diǎn)剩余能量，如圖5所示。從圖5可以看到：傳統(tǒng)的分層訪問機(jī)制的總體能量性能較差，這是由于功率增大導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中存在著較大的干擾，影響了數(shù)據(jù)的有效傳輸，造成信道干擾和碰撞，需要重傳。而采用基于自律計(jì)算的跨層運(yùn)輸優(yōu)化充分運(yùn)用了“四自屬性”和自適應(yīng)機(jī)制，能夠有效地跨越無用通道，找到最短路徑，節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

圖5 平均節(jié)點(diǎn)剩余能量

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)方法不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)各層狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)傳輸策略問題，本文提出了基于跨層訪問的傳輸優(yōu)化策略，通過在網(wǎng)絡(luò)各層間建立虛擬的交互管道，建立直接信息交互機(jī)制，并引入自律計(jì)算與反饋機(jī)制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)傳輸策略。在跨層訪問機(jī)制中引入自律計(jì)算，具有較好的自適應(yīng)性，能夠提升網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅?。但是，對網(wǎng)絡(luò)中即將發(fā)生的事情不能做出全面而系統(tǒng)的預(yù)測，這也是下一步需要研究和改進(jìn)的地方。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1204614);河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(14IRTSTHN021);河南省高?？萍紕?chuàng)新人才基金項(xiàng)目(14HASTIT045);河南科技大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培育基金項(xiàng)目(2015STD002)

程明陽(1978-),男,河南南陽人,高級工程師,碩士,主要從事自動化測試及光電技術(shù)方面的研究.

2016-07-01

1672-6871(2017)02-0035-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.007

TP393

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