基于动量自优机制的网络资源路径高速递归算法研究

田祎

（商洛学院　陕西商洛726000）



基于动量自优机制的网络资源路径高速递归算法研究

田祎

（商洛学院陕西商洛726000）

摘要：为解决无线移动自组织网络存在的资源路径递归困难，控制开销巨大等实际部署难题。基于动量自优机制，本文提出了一种资源路径高速递归算法。首先通过分布在网络中的节点动量的监测，综合计算路径高速递归过程中的动量，以改变因素对整个网络及输出能力的影响，根据这种改变因素实时对网络资源路径进行动态递归。仿真实验表明：本文提出的机制在带宽受限情况下在，可以较好的提高能量传输效率，降低资源递归损耗，实现网络资源的优化传输，对实际部署具有一定的借鉴意义。

关键词：无线移动自组网；资源递归；动量输出；分配

随着移动无线自组织网络技术的不断发展，各种基于无线自组织网的应用也日益突出，如广泛用到的网络电视、网络电话等。和有线网络特别是基于光纤的骨干网络相比，无线通信过程中存在频谱带宽窄、多径传输造成严重的资源竞争与浪费等问题［1］。因此提高整个网络通信之中的动量效率，就成为移动无线自组织网络中的一个重要方面［2］。

Nguyen D等［3］提出可以采用非被动式路由搜寻机制来对多径传输中的业务数据进行能量优化，在数据流量较大时能够有效的减少资源的浪费。但是由于主动路由在节点稀疏时的效率不高，因此只有在节点密度达到一定水平后才能使用该种机制。Xjao X等［4］提出了一种分布式资源优化机制，通过将传输资源所耗能量进行均匀化处理，不过由于这种资源优化机制对动态拓扑变化因素考虑的不够，在网络拓扑结构变化较大时将失去作用。Chj K K等［5］考虑到无线链路的自相关特性，通过自相关传输的方式降低能量消耗，有效的提高了资源路径的递归效果。但是由于链路的自相关特性并非十分强烈，因此不具有普适性的特性。

本文首先考虑了在不同差错水平上对无线链路的动量及相应的能量消耗进行了分析，提出了一种基于动量自优机制的分配算法，通过在静止状态构造最优解并同时采取动态调整的方式，引入资源多径调用和自优化，同时对资源、能量、路径等动量要素进行统筹调度，从而实现动量及速率的最优。

1　无线自组织网络的动量分配

无线信号在无线信道里运转时，信源和信道的能量及控制变量按照一定的规律进行变换。这种能量及变量可以用一种动量的形式加以表现，这种动量反映了无线信号在传播时候的一些必要的规律。其动量衰落PL（d）按照如下的解析式的规律变动：

其中，d为整个信道长度，x和y是相关常量，与环境和传播模型密切相关［6-8］。

在多路径耗散的背景下，无线信号按照多路径并发工作传输方式进行传输［9-10］，一般而言，为了减少信号的动量损失，人们都会采取多条信道并发传输资源，在并发传输时，信源信号的发射会按照多路径分割传输的模式进行传输，另外会采取专门的动量控制因素进行动量的控制工作。设L为整个信道中处于激活状态的路径数量。从第i个节点出发的通信链路为Ll，j，该节点发送数据的动量值为Ptli，第i个节点相邻的节点接收的动量值为Гtli由下列的解析表达式构成：

其中Kli为常数，一般取自然对数，进行相干调制之后，整个动量分配问题可以归结为如下的解析表达式问题：

其中Pnm为过往时刻网络动量总和的加权平均。

由于动量的调整属于对增量的动量进行一定程度的递归，一旦某条路径L因网络结构发生改变而导致开销发生变化时，设动量的改变水平为△Pl，根据式（2）、（3）可以得到整个网络的动量解析表达式如下：

其中△Pl为动量改变水平，△P（li）为单条链路上的动量改变水平。

2　本文资源路径高速递归算法设计

由上节可知动量的消耗与传递是一个基于连续过程的连续函数，只要寻找到一种动量分配方式，则通信中的总能量消耗即达到最小。不过在无线移动自组织网络中，集中机制难以发挥作用，当网络拓扑结构发生剧烈变动时，整个网络的开销及控制的难度将极大的恶化。因此本文算法设计将围绕动量的增量和改变两者同时进行，整个算法的步骤如下所示：

Step 1：首先求出某条具体路径L上的功率变化，得到数据后，转Step 2；

Step 2：动态监控路径上的速率变化，当速率变化超过一定值时，将该信息广播，转Step 3；

Step 3：均匀划分变动速度，分成n个部分，每部分取出特征点，将该特征点信息写入路由表；

Step 4：通过广播方式将特征对全网节点进行广播，并动态更新入路由表；

Step 6：更新路径并将路径加入路由表中，若成功，算法结束；反之，返回第2步继续进行。

Step 7：本次周期结束，转入下以周期并重新从Step 1开始。

详细算法流程图如图1所示。

从算法流程中可以看到，资源路径的高速递归过程也是一个自治的过程，网络资源会根据自身的情况动态的判断自身的状态，根据状态的不同激发不同的操作。另外，采取多径检测的方式对功率、资源等动量要素进行整合，采取数据提取、特征划分、数据时效性检测，并引入广播机制对资源进行综合判断，从而形成一条龙式的综合解决方案。

图1　算法流程图

3　仿真与结果分析

本节借助ONE仿真平台，在相同的仿真环境下，对该路由进行了模拟仿真［11］。仿真时间取21 600 s，采取随机路点模型作为仿真模型［12-13］。为了体现本文算法的优异网络性能，选取DSR的路由策略为对照组。每个路由在相同的参数下换取不同节点速度，仿真30次取平均值。仿真环境参数如表1所示。

表1　参数设置

图2显示了在节点最大速度在150 m/s的情况下，网络节点数量迅速增加时网络路由的归一化能量对比情况。从图中可以看到随着网络规模的不断增加，本文算法与传统的DSP算法相比，能耗水平明显下降，这是因为本文算法引入的动态递归能够有效的去除无效链路的能量消耗，避免了动量损失，从而降低了归一化能量水平。

图2　不同算法的归一化能量测试

图3显示了在节点数据量不断增加时，本文算法与传统的DSP算法在分组投递率上的对比［14-15］。从图中可以看到，当节点的数据发送量不断增大时，本文算法的分组投递水平明显高于DSP算法，这是因为本文在资源路径高速递归时，可以增加有效路径对数据包的吸纳，另外源节点发送的数据包在网络分组调度时，无效数据包会被及时清除，而且一个周期内未被投递出去的数据包也会被更新，在下一个发送周期到来之前将从路由表中被清除，从而降低了无效数据包在分组投递时候的作用，因此数据发送量迅速增加的情况下，网络拥塞水平也有一定的改，因此改善了分组投递率指标。

图3　不同算法的分组投递率测试

图4显示了在节点运动速度不断增加的情况下，本文算法与传统的DSP算法在网络传输时延指标上的对比。从图中可以看到，本文算法的时延水平明显低于DSP算法，这是因为随着节点速度不断增加，网络拓扑结构更迭频繁，本文机制可以有效避免无效链路对动量的负相关性影响；此外，在节点运动速度增加时，由于本文算法对多条路径上的数据进行实时监测和动态更新，可以有效的去除延时的信息包，改善整个网络的拥塞效益，整个网络的多径传输效益也得增强，因此改善了时延指标。

图4　不同算法的网络时延测试

4　结束语

随着无线自组织网络技术发展，网络中拥塞等现象的发生也日益频繁，传统的网络资源路径递归技术难以适应现有的技术发展需求［16］。文中为解决无线移动自组织网络存在的资源路径递归困难，控制开销巨大等实际部署难题，通过分析设计了一种基于动量自优机制的递归算法，采取动量递归和自优方式，动态对每条拓扑路由进行调整。仿真实验表明：本文提出的机制能够有效的减少网络能量消耗，提高网络性能指标，对现有的无线移动自组织网络的部署有一定的指导意义。

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The research on the hlgh sPeed recurslve algorlthm of network resource Path based on momentum self oPtlmlzatlon mechanlsm

TIAN Yj
（
Shangluo University，Shangluo 726000，China）

Abstract:jn order to so1ve the prob1em of resource path recursjon jn wjre1ess mobj1e ad hoc networks，the contro1 overhead js huge and other practjca1 dep1oyment prob1ems. In thjs paper，a hjgh speed recursjve a1gorjthm based on momentum js proposed. Fjrst of a11，through the djstrjbutjon of nodes jn the network，the momentum jn the process of ca1cu1atjng the comprehensjve path hjgh-speed recursjve change factors of the network and output capacjty accordjng to the change of rea1-tjme dynamjc recursjve path to a network resource. The sjmu1atjon resu1ts show that the proposed mechanjsm has obvjous advantages jn the transmjssjon rate and bjt error and energy consumptjon jn the bandwjdth constrajned condjtjons，whjch has certajn reference va1ue for the actua1 dep1oyment.

Key words:wjre1ess mobj1e ad hoc network；resource recursjon；momentum output；djstrjbutjon

中图分类号：TN711.1

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0076-03

收稿日期：2015-11-11稿件编号：201511111

基金项目：陕西省教育厅专项科研项目（14JK1221）；商洛学院服务地方专项（15SKY-FWDF003）；商洛学院教改项目（15jyjx135）

作者简介：田祎（1983—），男，陕西商南人，硕士，讲师。研究方向：计算机应用技术。