面向空間信息光網絡的寬帶無線微波接入控制

王夢曉，李香菊，謝修娟

(東南大學成賢學院電子與計算機工程學院，江蘇 南京210088)

1 引言

寬帶無線微波接入控制技術是現階段較為熱門的一項無線城域網技術[3]。該技術是關于微波和毫米波頻段提出的一種新型空中接口標準。擁有數據傳輸速度快、傳輸距離遠、維護升級簡便等諸多優勢。由于寬帶無線微波管理及數據安全等限制條件，空間信息多數是面向行業的、依附于固定的運行環境，用戶對空間信息光網絡的地理信息共享需求越發強烈，在數據級、信息級與服務級等層次均表現出不同程度的異構特性[1]，不能進行相互溝通與協作，很難滿足網絡中空間信息的決策請求。針對應用的深層次挖掘，更加體現出互操作不當所引發的種種問題，由此，共享空間信息資源問題也成為研究人員共同攻克的主要難題[2]。

由此，本文設計一種面向空間信息光網絡的寬帶無線微波接入控制。描述空間信息光網絡相關原理及特征，針對網絡突發性失效，提出基于自然連通系數的空間信息光網絡結構優化模型，增強網絡體系堅固性，確保空間地理信息精度；以寬帶無線微波接入控制技術為基礎添加IAVB(節能調度)方法，通過時隙操作得到最短調度周期，加入空閑狀況閾值，改善虛擬突發終止條件；利用協議測試手段建立寬帶無線微波接入控制，該系統能夠實現空間地理位置數據的動態匹配與交互，且能耗較低，具備相當的實用性。面向空間信息光網絡的寬帶無線微波接入控制交互精度與效率均較高，可在真實場景下進行廣泛運用。

2 空間信息光網絡分析

空間信息光網絡是將空間平臺當作載體，利用多種模式的鏈路一體化網絡，是空間信息體系化應用的基礎設備。因為空間信息光網絡具有一定的脆弱性，容易受到宇宙空間輻射干擾源干擾，可能導致節點與鏈路產生突發性失效[4]。所以，構建一個擁有強壯性的空間信息光網絡拓撲結構是十分必要的。特征譜就像空間信息光網絡中的指紋，不同類別的網絡具備各不相同的特征譜，特征譜內基本涵蓋了網絡結構的全部信息。

假設E(G)=(aij)N×N是空間信息光網絡G的鄰域矩陣，aij為網絡節點i、j之間的連接狀態，如果i、j之間擁有鏈路，那么aij=1，反之等于0。考慮雙向通信鏈路，可將G當作一個無向圖，所以E(G)是對稱矩陣，因此E(G)的拉普拉斯矩陣為

(1)

空間信息在網絡內傳輸路徑為信息經過鏈路及節點的集合[5]，將傳輸路徑記作

w={s1l1s2l2…lksk|li∈L，si∈S}

(2)

式中，S表示網絡內節點集合，L表示網絡內鏈路集合，k表示信息傳輸的路徑長度。

(3)

(4)

W1的值越大，證明網絡內的閉環個數越多，即網絡冗余路徑越多。提升網絡的冗余性，可以極大增強網絡的強健度。從式(4)可知，因為存在反復計算邊及節點的可能性，所以W→∞。研究表明，較長的路徑反復計算概率較大，對網絡的抗毀性貢獻就較少。為了解決這一難題，同時保證收斂度，將改進后的W′表示為

(5)

根據式(5)可以看出，閉路徑個數W′能夠直接使用空間信息光網絡的特征譜進行求解，同時也映射了網絡特征譜和網絡抗毀性的潛在關聯，進一步求解W′的自然對數，得到

(6)

將空間信息光網絡模型定義為

G={D，H，L，E}

(7)

本文通過將自然連通系數當作空間信息光網絡的抗毀性衡量標準，融合空間信息光網絡模型，最后構建網絡的抗毀性優化模型

(8)

通過上述過程，可以有效增強空間信息光網絡性能的穩固性，為空間地理位置的精準交互提供充分條件。

3 寬帶無線微波接入控制

寬帶無線微波接入控制是一種基于IEEE 802.16標準的寬帶無線接入局域網技術，可以在局域網內一對多的復雜環境下，提供有效的互操作寬帶無線接入方法[6]。寬帶無線微波接入控制技術轉換底層流程和傳統蜂窩網絡具有一定的相似度，其中包含轉換前的檢測與觸發、轉換發生及處理、轉換后的數據轉發等流程。該技術具備搭建成本低、易拓展等優勢，是未來最有潛力的寬帶無線微波接入控制技術之一。因此，本文面向空間信息光網絡構建一個寬帶無線微波接入控制方法，以此完成網絡與業務請求的動態匹配，實現空間地理位置信息的實時共享和數據網絡化傳輸應用。

因為寬帶無線微波接入控制的移動節點關鍵依靠電池供電，在接入控制前，對能量損耗問題的研究至關重要。由此提出一種基于IAVB的節能調度方法，方法的具體實現步驟如下：

若MS節點原始寬帶請求Q={q1，q2，…，qn}，可獲得MS節點vi的請求帶寬

(9)

因為帶寬請求和正交頻分復用碼元具備相對關聯，每個鏈路在各幀內的時隙請求為

(10)

根據上述分析可以看出，vi的能耗是通過其在清醒狀況的時間、從休眠到清醒狀況的改變次數以及可用帶寬決定的，所以，vi在一定時間T′中的全局能耗Pi為

(11)

式中，Di表示vi在時間T中保持清醒狀況的時隙總數，Li表示vi從休眠狀況改變到清醒狀況次數。減少系統能耗的目的是保證服務質量的同時，讓系統的平均能耗為最低。

網絡鏈路E和時隙N的映射關聯可以采用矩陣I進行表達，且滿足鏈路在時序內的傳輸條件

(12)

因為移動節點在空閑時也在耗費能量，所以假設節點能夠在清醒狀況時持續收發數據，在沒有數據傳輸時進入休眠狀況，這樣能夠降低能量損耗情況[7]。將移動節點進入休眠狀態的收斂條件定義為

(13)

(14)

(15)

通過式(15)可以計算出

(16)

把式(16)引入式(18)，獲得移動終端vi在一次時隙分配后處在空閑狀況的預期時間是

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

式中，E′表示任意突發開始時處在清醒狀況的移動節點集合，j(j∈E′)表示處于清醒狀況的移動節點索引。式(21)可以顯示移動節點目前的信道質量狀態，更加精準挑選出最短時間內實現休眠最低速度請求的終端作為主移動終端。

空閑率就是一個虛擬突發中主移動終端的空閑時隙個數和總時隙個數的此例，表示為ξ。空閑率ξ為主移動終端占據帶寬資源的水平，ξ越小證明主移動終端在虛擬突發中得到的資源越多，反之越少。ξ伴隨次移動終端個數的增長而增多。由于必須對各個次移動終端進行時隙分配，保障服務質量的穩定性，所以ξ也是虛擬突發中次移動終端的遞增函數，將其表示成

(22)

式中，Ea表示次移動終端集合，C表示信道總容量。突發虛擬終止標志為

ξ≥ε

(23)

式中，ε為系統參變量。

關于真實系統內極易出現的兩種特殊狀況制定了附加虛擬突發終止條件：若ξ小于系統參變量，在主移動終端請求休眠時，則終止虛擬突發；在系統內移動節點較多的情況下，導致主移動終端得到的數據速度不符合休眠條件時，會出現ξ≥ε的狀況。這時不可立即終止虛擬突發，而是等待主移動終端實現休眠數據速度后再終止當前突發，否則會形成能量損耗。所以，虛擬突發終止的關鍵條件是主移動終端目前速度大于可休眠的最低速度請求，記作

(24)

通過上述方法描述，可以最大限度減少終端系統能耗，提升系統的資源利用率。

4 仿真研究

為了證明本文方法的有效性，進行仿真。實驗硬件配置設置為PC機Pentium(R)4CPU2.50GHz，windows10操作系統，CPU為3.5GHz，運行內存為4GB，軟件開發環境為Matlab、C/C++為實驗編寫程序和方法流程。

圖1為理想的寬帶無線微波接入控制模型示意圖。

圖1 理想的寬帶無線微波接入控制模型

在該控制模型中，各個被測對象均通過用戶接口進行檢測活動，所以在圖1中，檢測器1與檢測器2分別為被測網絡實現1及被測網絡實現2的用戶。本文方法主要是為了控制對空間信息光網絡的交互能力，且盡量完成與空間信息光網絡的信息交換。

理想狀態的寬帶無線微波接入控制的構建有以下幾個難點：首先，因為寬帶無線微波接入控制與被檢測網絡獨立存在于不同系統之內，要了解被檢測網絡的通信業務，就必須可以對其進行監聽；其次，因為檢測器布置在每個被測網絡中，協調同步的及時性得不到保證。為了有效解決上述問題，構建一個改進的寬帶無線微波接入控制模型，具體如圖2所示。

圖2 改進的寬帶無線微波接入控制模型

從圖2可知，寬帶無線微波接入控制模型與兩個被測網絡分別處于獨立系統中，檢測系統利用測試協調過程來管理與控制三個檢測器。UT1使用于IUT1的檢測，UT2作用于IUT2的檢測，LT用于采集底層數據。兩個被測的空間信息光網絡中的輔助檢測器用于配合寬帶無線微波接入控制的上測器完成檢測，最終實現信息實時交互。

為了進一步驗證面向空間信息光網絡的寬帶無線微波接入控制的效果及可行性，分別進行寬帶無線微波接入控制內存需求對比，具體結果如圖3所示。

圖3 不同方法內存需求對比結果圖

從圖3中可知，本文方法的內存需求量較少，且接近實際需求值，證明該方法信道條件優良，可以降低數據的重復傳輸次數，原因在于本文系統采用IAVB節能調度，有效降低系統能耗，從而降低了寬帶無線微波接入控制的內存需求，而Agent方法由于交互性能略差，重傳次數較多，所需內存也隨之增加。

5 結論

為了進一步提高空間地理位置信息的交互時效性，本文構建一個面向空間信息光網絡的寬帶無線微波接入控制。利用自然連通系數建立空間信息光網絡結構優化模型，保障地理信息傳輸的有效進行；利用微波接入互操技術與協議測試方法實現寬帶無線微波接入控制，改善系統能量損耗問題，實現空間地理位置的實時共享。