基于信息素算法的物聯網傳輸流多路復用方法

景 雯,張 杰,陳 富

(1.山西大同大學 計算機與網絡工程學院,山西 大同 037009;2.山西大同大學 數學與統計學院,山西 大同 037009)

物聯網(IoT)[1]目前已成為人類生活密不可分的重要組成部分.作為結合無線局域網絡和衛星通信網絡等一體化的異構融合網絡,物聯網不僅能通過特殊的鏈路溝通方式傳遞時頻、幅值不同的近距離信號和遠距離信號,還能通過無線收發裝置向位置向量不固定的節點發送路由協議,達到數據分組轉發、自組織網絡通信的作用.由于路由器的普及,因此物聯網常被視為移動通信技術的最高適配網絡,廣泛應用于航空航天、醫療衛生、機械制造和射頻通信等領域.傳統物聯網傳輸流主要遵循按需多徑距離矢量路由協議,即以節點-節點、鏈路-鏈路或節點-鏈路等單路徑形式為主要信號傳遞路徑,這種單一的路徑選擇導致物聯網在傳送信號的過程中,由于傳輸范圍的局限性或鄰居節點的不連貫性,偶爾出現通信覆蓋面積不足等問題.因此,為提高物聯網傳輸流節點的連通性,物聯網傳輸流多路復用方法備受關注.姚廉等[2]利用蘊含邏輯和非蘊含邏輯自帶“或”和“與”運算的特性,等價變換多路復用器的邏輯表達式,用迭代運算實現多路復用器,但該方法存在復用效果較差的問題;蘇旭東等[3]通過反向傳播神經網絡的構建,綜合評估子流擁塞狀況及網絡狀態,調度數據,實現物聯網傳輸流多路復用,但該方法的復用效果也較差;李寧等[4]通過深入分析物聯網傳輸路徑等,基于灰色預測模型與Markov優化的前向傳輸時間預測模型,構建了自適應多路傳輸數據調度算法,通過自適應多路傳輸數據調度算法優化灰色區域,實現物聯網傳輸流多路復用,但該方法存在路由開銷較高的問題.針對上述問題,本文提出一種基于信息素算法的物聯網傳輸流多路復用方法.

1 背景知識

圖1 物聯網結構Fig.1 IoT structure

目前,物聯網平臺仍處于多路傳輸發展階段[5].以數字化技術為開發背景演化而成的物聯網平臺為將單路徑連貫起來,從而增加物聯網信息傳輸渠道,提高物聯網整體服務能力,已開展多項優化性研究.在嘗試解決網絡結構落后與受端需求提升之間矛盾的過程中,研究者們發現物聯網平臺的自身效果主要取決于節點和鏈路的復用能力,即想要全面優化物聯網技術,需從物聯網傳輸流多路復用開始.物聯網結構如圖1所示.

1.1 物聯網傳輸流多路復用的基本思路

物聯網傳輸流多路復用的主要目的是重新定義無線信號的傳輸半徑,解決單路輸送情況下存在的潛在威脅,為物聯網用戶提供信號輸送錯誤率和應用安全風險更低的物聯網環境.因此,物聯網傳輸流多路復用的基本思路可總結為將單路徑通過快速、可靠且不存在時隙內突發信號丟失風險的復用方式整合在一起,達到一次網絡通信任務,多條路徑共同協商的高效能、無緩沖的傳輸流控制效果.根據單路徑傳輸流在物聯網實際應用過程中攜帶的內容可知,單路徑無論在節點調度的靈活性和自由性方面,還是在中斷信號的及時捕捉與恢復方面,均具有明顯的獨立優勢.因此,以物聯網傳輸流多路復用的基本思路為核心,通過構建多路復用模型,實現物聯網技術創新,需要優先克服多路復用導致的節點調度問題和中斷信號識別問題.

單一鏈路的節點調度公式為

(1)

其中υ2表示備份信號,f1表示信號頻幀持續周期,In表示鏈路碼率,O表示一個傳輸流數據包的傳輸時間,a表示信號預定解碼時間,c′表示緩沖式節點,?表示節點填充項長度,f2表示節點-鏈路協議類型,Im表示節點IP頭的源地址,b表示數據包索引間隔.單一鏈路的中斷信號識別公式為

(2)

其中ho表示中斷信號波動幅值,α表示中斷信號變異度,Δs表示Internet通信保護協議,w2表示信源信道,n表示中斷信號的丟包率.

1.2 解決傳輸流多路復用存在的單路徑問題

1.2.1 節點調度問題

由于不同節點的來源、載荷不統一,單路徑在調度節點時主要根據永久散射體差分干涉測量(persistent scatterer interferometry,PSI)樹狀圖譜.因此,重構PSI樹狀圖譜并理順節點邏輯關系,即可消除由多路復用導致的節點調度問題.PSI樹狀圖譜是以MPEG-2規范為基礎設計的一種樹狀節點映射圖譜,能通過分支信道調度鄰域范圍內的單路徑節點.更改該圖譜的終端時序,并替換分支信道為收發同步的重構信道,即可映射一次通信任務涉及的所有節點至PSI樹狀圖譜派生出的傳輸流框架,實現多路復用途中物聯網節點的靈活調度.

分支信道的表達式為

(3)

(4)

N=arg2max[ε2(i)φ(j)],

(5)

其中ε2表示傳輸半徑,i表示初始信道的數據包含量,φ表示信道分布,j表示節點調度的最優解.

節點映射公式為

(6)

其中x表示能量守恒與轉換定量,yij表示映射增益,u表示節點映射誤差,ρij表示映射路線單位長度,Δr表示映射路線的局部信息.

1.2.2 中斷信號識別問題

物聯網環境中節點發送窗口與節點接收窗口的傳輸流沖擊,導致物聯網通信信號傳播中斷.通常情況下,單路徑通過時間參考基準和頻域時延[6]識別中斷信號并及時修復.一旦信號中斷超過物聯網極限,則該信號所攜帶的全部信息將丟失,導致物聯網主站無法接收該信號傳遞的有效信息,此次信號傳遞工作失敗.相比于單路徑,多路復用需要的穩定鏈路數量更多,因此在識別中斷信號方面存在滯留性.通過設置鏈路傳輸流密鑰,提高鏈路穩定因子,并在各數據包擬合端添加Channel寫入程序,可提升信號傳輸的安全性,并接收程序反饋的中斷回應,實現多路復用途中中斷信號的快速識別.傳輸流密鑰的表達式為

(7)

其中cREF表示鏈路穩定性因子,Y表示明文加密程序,Yg表示密鑰信息.Channel寫入程序的表達式為

(8)

其中 ?表示程序響應時間,y1表示程序滑動窗口,y2表示睡眠程序激活條件.

2 信息素算法的多路復用模型設計

完成上述步驟后,引入信息素算法,構建物聯網傳輸流多路復用模型.遺傳算法[7]和蟻群算法[8]無論在算法構造方面,還是在擇優能力方面,均存在較明顯的優勢與不足.考慮到物聯網整體評分高低與傳輸流多路復用性能存在密不可分的關系,可舍棄單純遺傳算法或單純蟻群算法,再結合兩者,提出信息素算法.信息素算法又稱為信息素遺傳算法,是根據遺傳算法和蟻群算法提出的一種通過隨機改變脫氧核糖核酸(DNA)數組序列,以達到傳輸路徑擇優選擇目的的模態算法.在實際應用中,信息素算法摒棄傳統路徑尋優方式,利用信息素規劃線路全局,這種獨特的執行方式不僅提升了后續鏈路的航線規劃能力,還縮短了完成任務所需時間.信息素算法的表達式為

(9)

基于信息素算法的多路復用模型構建過程如下: 首先結合信息素算法與多條物聯網傳輸路徑,然后根據信息素濃度差確定鏈路勢場;高勢場鏈路的節點和數據包占比較重,路徑轉折點數量多,低勢場鏈路的節點和數據包占比較輕,路徑轉折點數量少;按勢場強度誘導數據包聚合,即可實現多路復用模型的構建;根據模型的輸出結果,實現物聯網傳輸流多路復用.鏈路勢場的公式為

E=-grad(Ratt·l)+qβ(Sa-Sb),

(10)

其中Ratt表示鏈路轉移概率,l表示鏈路節點占比,qβ表示鏈路數據包占比,Sa表示單路徑上的信息素,Sb表示鏈路敏感度.多路復用模型如圖2所示.

圖2 多路復用模型Fig.2 Multiplexing model

3 實 驗

3.1 實驗方案

為驗證本文方法的有效性,需要對其進行測試.實驗方案如下:

1) 給出實驗過程研究對象,以兩路信號為研究對象,設置實驗參數,完成實驗準備;

2) 實驗采用對比分析的形式,對比方法分別為本文方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法;

3) 考察方法的性能,以功率譜密度的復用性能、路由開銷和平均時延為實驗性能指標,其中功率譜密度的復用性能主要是復用結果是否包含實驗信號的功率譜密度,且復用途中是否存在信號缺失現象,如果包含并且不缺失,則說明復用性能較好,路由開銷和平均時延的數值越低,則表明方法的實際應用性能越好,并且工作效率越高.

3.2 實驗參數設置

實驗采用的帶寬為1 000 Mb/s,比特率為384 Kb/s,路數為333,隨機選擇兩路信號作為驗證算法傳輸流多路復用性能的實驗對象,如圖3所示.確定研究對象后,設置實驗參數為:In=3 072 Kb/s,O=3 s,cREF=4,y1=3,di=0.1,θ=1.

3.3 性能分析

3.3.1 功率譜密度的復用性能

分別采用本文方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法對物聯網傳輸流兩路信號復用,通過對比不同方法的復用結果判斷不同方法的復用性能.不同方法的復用結果如圖4所示.

圖3 實驗對象Fig.3 Test objects

圖4 不同方法的復用結果Fig.4 Reuse results of different methods

由圖4可見,采用本文方法對物聯網傳輸流兩路信號復用的結果包含了實驗信號的功率譜密度,且復用途中不存在信號缺失現象,表明該方法下物聯網傳輸流多路復用性能較好,因為本文方法在對物聯網傳輸流多路復用前,優先解決子多路復用存在的單路徑問題;采用文獻[2]方法和文獻[3]方法對物聯網傳輸流兩路信號復用的結果不包含實驗信號的功率譜密度,且復用途中存在信號缺失現象,說明文獻[2]方法和文獻[3]方法下物聯網傳輸流多路復用性能較差.實驗結果表明,本文方法下物聯網傳輸流多路復用性能明顯優于對比方法.

3.3.2 路由開銷和平均時延

為進一步驗證本文方法的實用性,分別采用本文方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法對物聯網傳輸流兩路信號復用,并計算不同方法的路由開銷和平均時延.路由開銷和平均時延的計算公式為

(11)

其中z表示物聯網傳送速率,xi表示傳輸鏈路的可用長度,xj表示通行信息,β表示多路復用起始時間,g表示多路復用終止時間,θj表示有效傳輸鏈路的個數,t表示時延方差.

不同方法的路由開銷和平均時延列于表1.

表1 不同方法的路由開銷和平均時延

由表1可見,采用本文方法對物聯網傳輸流兩路信號復用,其路由開銷和平均時延均較低,兩個指標值僅為3×104Mb和15 ms,而采用文獻[3]方法和文獻[4]方法對物聯網傳輸流兩路信號復用,二者路由開銷和平均時延均較高,其中路由開銷高于6×104Mb,平均時延高于50 ms.實驗結果表明,本文方法有效降低了路由開銷和平均時延,該方法的能耗更低、效率更高,進一步驗證了本文方法的實用性.

綜上所述,針對目前物聯網傳輸流多路復用方法存在路由開銷大、平均時延高和復用效果不佳的問題,本文提出了一種基于信息素算法的物聯網傳輸流多路復用方法.該方法通過引入信息素算法,構建了物聯網傳輸流的多路復用模型,實現子多路復用.實驗結果表明,該方法的復用結果包含了多路信號,未發生信號缺失現象,且路由開銷降低了2×105Mb以上,平均時延降低了35 ms以上,驗證了本文方法的性能較好.