景 雯,张 杰,陈 富

(1.山西大同大学 计算机与网络工程学院,山西 大同 037009;2.山西大同大学 数学与统计学院,山西 大同 037009)

物联网(IoT)[1]目前已成为人类生活密不可分的重要组成部分.作为结合无线局域网络和卫星通信网络等一体化的异构融合网络,物联网不仅能通过特殊的链路沟通方式传递时频、幅值不同的近距离信号和远距离信号,还能通过无线收发装置向位置向量不固定的节点发送路由协议,达到数据分组转发、自组织网络通信的作用.由于路由器的普及,因此物联网常被视为移动通信技术的最高适配网络,广泛应用于航空航天、医疗卫生、机械制造和射频通信等领域.传统物联网传输流主要遵循按需多径距离矢量路由协议,即以节点-节点、链路-链路或节点-链路等单路径形式为主要信号传递路径,这种单一的路径选择导致物联网在传送信号的过程中,由于传输范围的局限性或邻居节点的不连贯性,偶尔出现通信覆盖面积不足等问题.因此,为提高物联网传输流节点的连通性,物联网传输流多路复用方法备受关注.姚廉等[2]利用蕴含逻辑和非蕴含逻辑自带“或”和“与”运算的特性,等价变换多路复用器的逻辑表达式,用迭代运算实现多路复用器,但该方法存在复用效果较差的问题;苏旭东等[3]通过反向传播神经网络的构建,综合评估子流拥塞状况及网络状态,调度数据,实现物联网传输流多路复用,但该方法的复用效果也较差;李宁等[4]通过深入分析物联网传输路径等,基于灰色预测模型与Markov优化的前向传输时间预测模型,构建了自适应多路传输数据调度算法,通过自适应多路传输数据调度算法优化灰色区域,实现物联网传输流多路复用,但该方法存在路由开销较高的问题.针对上述问题,本文提出一种基于信息素算法的物联网传输流多路复用方法.

1 背景知识

图1 物联网结构Fig.1 IoT structure

目前,物联网平台仍处于多路传输发展阶段[5].以数字化技术为开发背景演化而成的物联网平台为将单路径连贯起来,从而增加物联网信息传输渠道,提高物联网整体服务能力,已开展多项优化性研究.在尝试解决网络结构落后与受端需求提升之间矛盾的过程中,研究者们发现物联网平台的自身效果主要取决于节点和链路的复用能力,即想要全面优化物联网技术,需从物联网传输流多路复用开始.物联网结构如图1所示.

1.1 物联网传输流多路复用的基本思路

物联网传输流多路复用的主要目的是重新定义无线信号的传输半径,解决单路输送情况下存在的潜在威胁,为物联网用户提供信号输送错误率和应用安全风险更低的物联网环境.因此,物联网传输流多路复用的基本思路可总结为将单路径通过快速、可靠且不存在时隙内突发信号丢失风险的复用方式整合在一起,达到一次网络通信任务,多条路径共同协商的高效能、无缓冲的传输流控制效果.根据单路径传输流在物联网实际应用过程中携带的内容可知,单路径无论在节点调度的灵活性和自由性方面,还是在中断信号的及时捕捉与恢复方面,均具有明显的独立优势.因此,以物联网传输流多路复用的基本思路为核心,通过构建多路复用模型,实现物联网技术创新,需要优先克服多路复用导致的节点调度问题和中断信号识别问题.

单一链路的节点调度公式为

(1)

其中υ2表示备份信号,f1表示信号频帧持续周期,In表示链路码率,O表示一个传输流数据包的传输时间,a表示信号预定解码时间,c′表示缓冲式节点,∂表示节点填充项长度,f2表示节点-链路协议类型,Im表示节点IP头的源地址,b表示数据包索引间隔.单一链路的中断信号识别公式为

(2)

其中ho表示中断信号波动幅值,α表示中断信号变异度,Δs表示Internet通信保护协议,w2表示信源信道,n表示中断信号的丢包率.

1.2 解决传输流多路复用存在的单路径问题

1.2.1 节点调度问题

由于不同节点的来源、载荷不统一,单路径在调度节点时主要根据永久散射体差分干涉测量(persistent scatterer interferometry,PSI)树状图谱.因此,重构PSI树状图谱并理顺节点逻辑关系,即可消除由多路复用导致的节点调度问题.PSI树状图谱是以MPEG-2规范为基础设计的一种树状节点映射图谱,能通过分支信道调度邻域范围内的单路径节点.更改该图谱的终端时序,并替换分支信道为收发同步的重构信道,即可映射一次通信任务涉及的所有节点至PSI树状图谱派生出的传输流框架,实现多路复用途中物联网节点的灵活调度.

分支信道的表达式为

(3)

(4)

N=arg2max[ε2(i)φ(j)],

(5)

其中ε2表示传输半径,i表示初始信道的数据包含量,φ表示信道分布,j表示节点调度的最优解.

节点映射公式为

(6)

其中x表示能量守恒与转换定量,yij表示映射增益,u表示节点映射误差,ρij表示映射路线单位长度,Δr表示映射路线的局部信息.

1.2.2 中断信号识别问题

物联网环境中节点发送窗口与节点接收窗口的传输流冲击,导致物联网通信信号传播中断.通常情况下,单路径通过时间参考基准和频域时延[6]识别中断信号并及时修复.一旦信号中断超过物联网极限,则该信号所携带的全部信息将丢失,导致物联网主站无法接收该信号传递的有效信息,此次信号传递工作失败.相比于单路径,多路复用需要的稳定链路数量更多,因此在识别中断信号方面存在滞留性.通过设置链路传输流密钥,提高链路稳定因子,并在各数据包拟合端添加Channel写入程序,可提升信号传输的安全性,并接收程序反馈的中断回应,实现多路复用途中中断信号的快速识别.传输流密钥的表达式为

(7)

其中cREF表示链路稳定性因子,Y表示明文加密程序,Yg表示密钥信息.Channel写入程序的表达式为

(8)

其中 ϑ表示程序响应时间,y1表示程序滑动窗口,y2表示睡眠程序激活条件.

2 信息素算法的多路复用模型设计

完成上述步骤后,引入信息素算法,构建物联网传输流多路复用模型.遗传算法[7]和蚁群算法[8]无论在算法构造方面,还是在择优能力方面,均存在较明显的优势与不足.考虑到物联网整体评分高低与传输流多路复用性能存在密不可分的关系,可舍弃单纯遗传算法或单纯蚁群算法,再结合两者,提出信息素算法.信息素算法又称为信息素遗传算法,是根据遗传算法和蚁群算法提出的一种通过随机改变脱氧核糖核酸(DNA)数组序列,以达到传输路径择优选择目的的模态算法.在实际应用中,信息素算法摒弃传统路径寻优方式,利用信息素规划线路全局,这种独特的执行方式不仅提升了后续链路的航线规划能力,还缩短了完成任务所需时间.信息素算法的表达式为

(9)

基于信息素算法的多路复用模型构建过程如下: 首先结合信息素算法与多条物联网传输路径,然后根据信息素浓度差确定链路势场;高势场链路的节点和数据包占比较重,路径转折点数量多,低势场链路的节点和数据包占比较轻,路径转折点数量少;按势场强度诱导数据包聚合,即可实现多路复用模型的构建;根据模型的输出结果,实现物联网传输流多路复用.链路势场的公式为

E=-grad(Ratt·l)+qβ(Sa-Sb),

(10)

其中Ratt表示链路转移概率,l表示链路节点占比,qβ表示链路数据包占比,Sa表示单路径上的信息素,Sb表示链路敏感度.多路复用模型如图2所示.

图2 多路复用模型Fig.2 Multiplexing model

3 实 验

3.1 实验方案

为验证本文方法的有效性,需要对其进行测试.实验方案如下:

1) 给出实验过程研究对象,以两路信号为研究对象,设置实验参数,完成实验准备;

2) 实验采用对比分析的形式,对比方法分别为本文方法、文献[2]方法和文献[3]方法;

3) 考察方法的性能,以功率谱密度的复用性能、路由开销和平均时延为实验性能指标,其中功率谱密度的复用性能主要是复用结果是否包含实验信号的功率谱密度,且复用途中是否存在信号缺失现象,如果包含并且不缺失,则说明复用性能较好,路由开销和平均时延的数值越低,则表明方法的实际应用性能越好,并且工作效率越高.

3.2 实验参数设置

实验采用的带宽为1 000 Mb/s,比特率为384 Kb/s,路数为333,随机选择两路信号作为验证算法传输流多路复用性能的实验对象,如图3所示.确定研究对象后,设置实验参数为: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 功率谱密度的复用性能

分别采用本文方法、文献[2]方法和文献[3]方法对物联网传输流两路信号复用,通过对比不同方法的复用结果判断不同方法的复用性能.不同方法的复用结果如图4所示.

图3 实验对象Fig.3 Test objects

图4 不同方法的复用结果Fig.4 Reuse results of different methods

由图4可见,采用本文方法对物联网传输流两路信号复用的结果包含了实验信号的功率谱密度,且复用途中不存在信号缺失现象,表明该方法下物联网传输流多路复用性能较好,因为本文方法在对物联网传输流多路复用前,优先解决子多路复用存在的单路径问题;采用文献[2]方法和文献[3]方法对物联网传输流两路信号复用的结果不包含实验信号的功率谱密度,且复用途中存在信号缺失现象,说明文献[2]方法和文献[3]方法下物联网传输流多路复用性能较差.实验结果表明,本文方法下物联网传输流多路复用性能明显优于对比方法.

3.3.2 路由开销和平均时延

为进一步验证本文方法的实用性,分别采用本文方法、文献[3]方法和文献[4]方法对物联网传输流两路信号复用,并计算不同方法的路由开销和平均时延.路由开销和平均时延的计算公式为

(11)

其中z表示物联网传送速率,xi表示传输链路的可用长度,xj表示通行信息,β表示多路复用起始时间,g表示多路复用终止时间,θj表示有效传输链路的个数,t表示时延方差.

不同方法的路由开销和平均时延列于表1.

表1 不同方法的路由开销和平均时延

由表1可见,采用本文方法对物联网传输流两路信号复用,其路由开销和平均时延均较低,两个指标值仅为3×104Mb和15 ms,而采用文献[3]方法和文献[4]方法对物联网传输流两路信号复用,二者路由开销和平均时延均较高,其中路由开销高于6×104Mb,平均时延高于50 ms.实验结果表明,本文方法有效降低了路由开销和平均时延,该方法的能耗更低、效率更高,进一步验证了本文方法的实用性.

综上所述,针对目前物联网传输流多路复用方法存在路由开销大、平均时延高和复用效果不佳的问题,本文提出了一种基于信息素算法的物联网传输流多路复用方法.该方法通过引入信息素算法,构建了物联网传输流的多路复用模型,实现子多路复用.实验结果表明,该方法的复用结果包含了多路信号,未发生信号缺失现象,且路由开销降低了2×105Mb以上,平均时延降低了35 ms以上,验证了本文方法的性能较好.