基于能源總線的區域能源復雜互聯網絡建模分析*

程 杰， 李正民

(1. 鄭州升達經貿管理學院 信息工程學院， 鄭州 451191； 2. 鄭州大學 信息工程學院， 鄭州 450001)

隨著網絡建設規模的不斷擴大，需要對網絡進行區域能源管控，降低網絡的能耗開銷.構建區域能源復雜互聯網絡的優化組網模型可以提高能源網絡的輸出均衡性和用戶的能源使用公平性.研究區域能源復雜互聯網絡的建模方法，對能源總線的管理和調度具有重要意義[1-2].

區域能源復雜互聯網絡作為未來網絡拓撲結構的主要構架形式，通過傳感器節點實現動態分簇組網設計，結合能源總線進行數據轉發和能源分配.在區域能源復雜互聯網絡進行數據轉發過程中，需要對網絡的能源總線進行優化監測和調度，結合自適應數據轉發協議實現區域能源復雜互聯網絡的信道均衡控制.傳統對區域能源復雜互聯網絡的建模方法采用主動定位法，構建網絡的傳感器探測協議，結合網格區域塊匹配方法進行區域能源復雜互聯網絡的能源輸出節點定位優化[3-6].有學者提出基于混合蒙特卡羅算法的網絡能源總線監測方法，利用IEE802.15.4 MAC傳感器協議進行能源輸出節點的分布式調度，采用交叉總線混合調制方法實現能源網絡建模優化，但該方法計算復雜度較高，網絡能源輸出節點的自組網性不好.針對上述問題，本文提出基于能源總線的區域能源復雜互聯網絡建模方法.采用能源總線自適應轉發控制方法建立協議狀態轉移模型，提取能源總線輸出信息的關聯特征量；采用混合蒙特卡羅算法進行區域能源復雜互聯網絡的輸出能源均衡配置，結合傳感器探測協議實現能源網絡的自適應能源輸出節點輪換調度，提高區域能源復雜互聯網絡的穩定性.

1 組網結構及能源輸出節點定位

1.1 能源輸出節點解析分布模型

為了實現對區域能源復雜互聯網絡建模優化，需要首先構建能源輸出節點解析分布模型進行能源輸出節點最優分布密度模型分析[7]，使用一個二元有向圖G=(V，E)表示能源總線分布的有向圖模型結構，其中，V為部署在空間探測區域的能量轉發能源輸出節點頂點集；E為能量轉發能源輸出節點覆蓋區域G中所有邊的集合.典型的能源輸出節點分布結構如圖1所示，M1，M2，…，MN為能源輸出節點的有限數據集，I、J、K、L、O分別為不同的能源輸出節點.

區域能源復雜互聯網絡的應用層通過實時傳輸協議(RTP)實現傳感器分發控制[8].結合傳感器探測協議進行區域能源復雜互聯網絡的輸出能量總線傳輸控制，得到轉發能源輸出節點的能源輸出容量為

s(t)=∑bj∑p(s-iGs-jTf-cTc)

(1)

式中：bj為輸出節點的能量開銷；p為節點能耗損失系數；s為網絡能量轉發參數；i為網絡狀態動作集合權重；Gs為網絡狀態動作集合；j為節點輸出能源在網絡總線能源中所占比重；Tf為能源輸出節點所輸出的能源；c為額定輸出容量；Tc為網絡能量轉發量.

結合網絡融合模型，得到區域能源復雜互聯網絡相鄰能源輸出節點的最小跳數為

圖1 能源輸出節點分布結構Fig.1 Distribution structure of energy output nodes

PAOMDV=(1-Pd)2{1-[1-(1-Pe)n·(1-Pd)n-1]m}

(2)

式中：Pd為第一跳的傳感器重復數；Pe為待測能源輸出節點距離基準點的最小跳數值.

根據上述分析，在異構無線網絡中進行傳感器探測協議設計，構建區域能源復雜互聯網絡的能源總線傳感器均衡控制模型，并采用CSMA/CA約束控制模型[9]，能源總線傳感器均衡控制輸出為

(3)

式中：dACK為能源輸出節點i發送確認字符(ACK)的傳輸距離；C(i)為能源輸出節點i接收信號的強度值；vslot為數據傳輸速率；tDATA為能源輸出節點i發送能源狀態數據的時間；tT-start為初始階段能源輸出節點的處理時延.

區域能源復雜互聯網絡的能源輸出節點解析分布模型為

(4)

式中：BT-elec、BR-elec分別為數據消息及ACK消息的傳輸因子；R為能源傳輸負載；Ht為能源輸出節點t時刻傳輸單位比特數據的能量消耗；LDATA為數據消息的長度；LACK為ACK消息的長度.

采用能源總線自適應轉發控制方法建立協議狀態轉移模型，在終端進行網絡選擇與切換.

1.2 網絡能源輸出節點的定位部署優化

在構建區域能源復雜互聯網絡的能源輸出節點解析分布模型的基礎上，采用能源總線自適應轉發控制方法建立協議狀態轉移模型[10-11]，得到區域能源復雜互聯網絡圖拓撲因子矩陣.

在關聯規則約束下，根據多種網絡和終端因素進行選網決策，得到區域能源復雜互聯網絡中能源總線的負載開銷為

SL(x)=SL(x-1)γ+(1-γ)SQi

(5)

式中：SL(x)為能源輸出節點自身負載；SL(x-1)為上一時刻能源輸出節點自身負載；SQi為其相鄰能源輸出節點負載；γ為平滑因子.當區域能源復雜互聯網絡中能源總線向能源輸出節點發送數據包時，區域能源復雜互聯網絡的能源輸出節點輸出最大跳數為

Pcomm=DTX+FRX

(6)

式中：DTX為輸出節點與網關之間的輸出跳數；FRX為節點輸出的跳數.在當前網絡狀態下得到網絡相鄰能源輸出節點的能量損失概率，并在此基礎上根據網絡參數屬性權重進行網絡能源輸出節點的定位部署優化[9]，得到定位部署優化模型.

2 區域能源復雜互聯網絡建模優化

2.1 互聯網絡的輸出能源均衡配置

在構建區域能源復雜互聯網絡模型的基礎上，提取能源總線輸出信息的關聯特征量.設區域能源復雜互聯網絡中能源總線向能源輸出節點發送數據的幀頭長度為h，終端業務獲得的網絡服務數據的到達率為xiri(x).決策時刻選擇切換的網絡能源總線輸出為

k1(LDATA+LACK)+2k2

(7)

式中，k1、k2分別為調整系數.

在全網功耗均衡控制下進行區域能源復雜互聯網絡能源總線監測，選擇切換網絡后所獲得的收益占空比為

(8)

式中：l為能源輸出節點接收的比特數據；pdrop為每秒鐘信號中高低電平變化的次數.

提取能源總線輸出信息的關聯特征量，得到互聯網絡的輸出能源均衡配置函數，并根據定義對加入無線網絡的多個狀態參數進行區域能源復雜互聯網絡的信道均衡配置[12].

2.2 網絡自適應能源輸出節點輪換調度

采用混合蒙特卡羅算法進行區域能源復雜互聯網絡的輸出能源均衡配置，結合傳感器探測協議實現能源網絡的自適應能源輸出節點輪換調度[13]，得到混合蒙特卡羅函數.采用動態均衡控制方法進行區域能源復雜互聯網絡路徑相鄰能源輸出節點置換，得到能源總線的鄰居變化率定義為

(9)

式中：Ni(t)為新能源輸出信道的輸出總能量；Ni(told)為原能源輸出信道的輸出總能量.

把網絡的能源總線連接到蜂窩網絡和WLAN網絡[14]，得到業務終端到達率W(p)，并對W(p)在隨機采樣區間p∈[0，1]上進行能源輸出節點監測.根據W(p)實現能源網絡能源總線信息監測和建模優化，結合傳感器探測協議實現能源網絡的自適應能源輸出節點輪換調度，提高區域能源復雜互聯網絡的穩定性.

3 仿真實驗與結果分析

為了驗證本文方法在區域能源復雜互聯網絡建模優化中的性能，本文進行了仿真實驗分析.實驗采用MATLAB 7設計，以200 m×200 m二維平面作為區域能源復雜互聯網絡的建模分布區域，網絡的預期分簇數目為24，區域能源復雜互聯網絡信息采樣的能源輸出信號為50 dB，載波頻段為20 kHz，其他網絡模型參數設定如表1所示.

表1 區域能源復雜互聯網絡模型參數設定Tab.1 Parameter settings of regional energy complex Internet model

根據上述仿真環境和參量設定進行區域能源復雜互聯網絡建模，并測試對比文獻[4]方法與本文研究方法的網絡傳輸功率，得到對比結果如圖2所示.

由圖2可知，采用本文方法進行區域能源復雜互聯網絡的優化建模后，輸出的傳輸功率較穩定，波動較小，信道均衡性較強，從而提高了網絡的吞吐容量及用戶公平性.

4 結 論

在區域能源復雜互聯網絡進行數據轉發過程中，需要對網絡的能源總線進行優化監測和調度，結合自適應數據轉發協議實現區域能源復雜互聯網絡的信道均衡控制.本文提出了基于能源總線的區域能源復雜互聯網絡建模方法.在異構無線網絡中進行傳感器探測協議設計，構建區域能源復雜互聯網絡的能源總線傳感器均衡控制模型.在不同業務類型終端進行能源總線的監測，在狀態轉移模型基礎上建立區域能源復雜互聯網絡能源總線分簇調度模型，實現傳感器探測協議的自適應能源輸出節點輪換調度，提高區域能源復雜互聯網絡的穩定性.該方法進行區域能源復雜互聯網絡建模的輸出穩定性較好，提高了能源控制能力.

圖2 網絡傳輸功率對比測試Fig.2 Comparison test of network transmission power