竇麗霞，周其龍

(河南師范大學新聯(lián)學院，河南 鄭州 450000)

1 引言

網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)傳輸[1]在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應用以及較為重要的地位，同時也面臨著許多技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，例如：在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在節(jié)點能量[2]不足、且缺少持續(xù)保持供給的問題，尤其是在資源數(shù)據(jù)量過多的情況下，數(shù)據(jù)在傳輸過程中容易造成數(shù)據(jù)丟失或損壞的后果，使理想環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸效率與現(xiàn)實情況不一致。怎樣有效的提高整體網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?、可利用率，并精準估算出其實際效率已經(jīng)是現(xiàn)階段網(wǎng)絡資源管理領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

宋佳等人[3]提出了根據(jù)流傳式機制傳輸，進而針對數(shù)據(jù)傳輸封包的方法。通過流傳式傳輸辦法來構(gòu)建一個符合網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)流傳式傳輸?shù)姆湛蚣?，對?jié)點內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分別處理，在此基礎上，可對單元元素進行獨立傳送，且在單獨傳輸?shù)幕A上設計了數(shù)據(jù)封包算法，使數(shù)據(jù)傳輸不受外界干擾，包保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，該方法可有效提高數(shù)據(jù)傳送效率，但網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量較差，仍存在數(shù)據(jù)損壞等現(xiàn)象。李才隆等人[4]提出基于定量遞歸調(diào)度的網(wǎng)絡資源傳遞效率評估方法。該方法首先需要構(gòu)建網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)流模型，將網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)分類的誤碼率映射成一組概率型密度函數(shù)，根據(jù)引用定量遞歸調(diào)度方法，組建網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)的任意時間序列，根據(jù)其序列獲得資源數(shù)據(jù)定量遞歸的特征點，計算特征點的評估結(jié)果。該評估方法準確率較高，但計算過程較為繁瑣，耗時較長。彭穎等人[5]提出基于數(shù)據(jù)到達速率的數(shù)據(jù)傳輸平均能耗最小化問題。利用無線信道質(zhì)量隨機變化的特征，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)到達速率的平均能耗最小化問題，然后將其轉(zhuǎn)化為最優(yōu)停止問題，證明最優(yōu)停止規(guī)則存在。最后通過求解最優(yōu)近視停止規(guī)則來獲得各偵測時刻的最優(yōu)傳輸速率閾值，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)到達速率的數(shù)據(jù)傳輸能耗優(yōu)化策略，但該方法丟包率較高。

針對上述方法存在的問題，構(gòu)建資源數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)化評估數(shù)學模型，通過資源數(shù)據(jù)傳輸效率整合、最佳停止規(guī)則獲得優(yōu)化策略，隨后通過節(jié)點瞬時行為和丟包率完成評估，使其具有較高數(shù)據(jù)傳輸效率和精準評估結(jié)果。

2 網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)傳輸效率整合

為了實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)傳輸效率的優(yōu)化，首先需要對網(wǎng)絡中傳輸效率進行整理合并，在這個整合的過程中先將網(wǎng)絡分為連續(xù)長度相同且節(jié)點互不相交的單元，計算出這兩個單元數(shù)據(jù)間的歐式距離[5]，根據(jù)計算出的結(jié)果來對數(shù)據(jù)單元格進行聚類，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸效率規(guī)則，對數(shù)據(jù)傳輸效率整合。詳細步驟如下所示：

假設用c1和c2表示兩個數(shù)據(jù)單元[6]，那么將會利用式(2)來算出兩個單元格中數(shù)據(jù)的歐式距離

(1)

式中，ηc2表示數(shù)據(jù)單元格c2相對數(shù)據(jù)單元格c1的簡單分布系數(shù)，near(c)代表整體距離數(shù)值，Densityεc1表示數(shù)據(jù)單元格c1的單元格半徑，Densityεc2表示了單元格c2單元格半徑。

假設用r(s)xcjj來表示數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點S的初始化配置消息，TSspp表示目前時間戳，p′fh表示根據(jù)時間戳而算出的數(shù)據(jù)傳輸延遲，g′dg表示了網(wǎng)絡節(jié)點剩余的能量，E′spp代表節(jié)點分組標識，綜上所述，式(4)來表示數(shù)據(jù)傳輸效率規(guī)則

(2)

式中，u′facj代表數(shù)據(jù)距離因子。

假設用η′fg來表示數(shù)據(jù)整體的子節(jié)點讀數(shù)，k″vn代表著匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)延遲約束，那么將會利用(5)來完成對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸效率整合

(3)

綜上所述，說明網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)傳輸效率計算原理，可根據(jù)上述概論原理，完成資源數(shù)據(jù)傳輸效率整合，為數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)化策略奠定基礎。

3 資源數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)化策略

3.1 平均能耗最小化

無線傳感終端的無線信道[7]質(zhì)量是根據(jù)網(wǎng)絡運行而隨機變換的，將τ描述為信道的維持時間。那么偵測信道就需要間隔一個周期，來維持偵測時間小于τ，偵測能耗為ED。發(fā)送終端偵測n(n=1，2，…)次信道后傳輸數(shù)據(jù)，傳輸時間為tn，待傳輸數(shù)據(jù)量為Cn，并且這個傳輸數(shù)據(jù)量不會超過信道保持時間τ，那么tn=min{Cn/tn，τ}，傳輸數(shù)據(jù)量為Qn=min{Cn，tnτ}。發(fā)送到終端的傳輸功率是p，傳輸能耗為p·tn，該數(shù)據(jù)值大于ED。當信道完成第n次偵測后，一輪數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎目捎胣ED+p·tn表示，根據(jù)能耗可得知傳輸單位數(shù)據(jù)的均能耗Zn=En/Qn。其中，最小平均能耗ZN，則N可表示為最佳停止時間，同時N≥1。那么，目標數(shù)據(jù)的最大傳輸延遲率可用Dm表示。定義M=?Dm/τ」，就會有1≤N≤M。

(4)

式中：N={N：1≤N≤M}。通過式(4)可將能耗最小化的框架結(jié)構(gòu)看做是成本函數(shù)

Yn(ζ)=e′sfEn-ζQn=e′sfnED+Ptn-ζQn

(5)

于是，與ζ的最小化E[Yn]問題便組成了下列算式

(6)

由上述可知，數(shù)據(jù)發(fā)送終端的最佳停止時間N*(ζ)可通過最小化預期成本E[Yn(ζ)]表示，并存在下列公式

(7)

根據(jù)上述公式，就可得到關(guān)于能耗效率ζ滿足于P/(λα)>ζ>ED/(λατ)的結(jié)果。在這其中λ代表在規(guī)定時間內(nèi)可以達到任意數(shù)據(jù)包的期望值。

Pτ/(λατ)是單位時間τ內(nèi)的傳輸能耗Pτ和待傳輸期望值λατ的對比值。假設ζ≥Pτ/(λατ)，那么發(fā)送終端會不再偵測信道，可獲得最小的平均能耗效率ζ。因此便有

minζ

(8)

通過獲得最小的平均能耗，可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。在次基礎上，可以通過最佳停止規(guī)則，進一步提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

3.2 最佳停止規(guī)則

最佳停止規(guī)則可以讓數(shù)據(jù)傳輸效率得以最大化，通過最佳停止規(guī)則以及條件判斷，選出符合條件的停止規(guī)則，具體過程如下所示

為將式(8)中存在的最佳停止規(guī)則N*(ζ)，將會導致E[YN*(ζ)(ζ)]=V(ζ)。

根據(jù)最佳停止規(guī)則，假設滿足下述兩個條件

1)E[infnYn]>-∞

2)lim infn→∞Yn≥Y∞a.s.

如果滿足，則證明最佳停止規(guī)則[8]存在的。

因為Qn=min{Cn，Rnτ}，所以QN<∞，且minζ

-∞。綜上所述Yn=nED+Ptn-ζQn>-∞條件成立。因此，條件1)滿足成立條件。

當n→∞時，存在于nED→∞和Cn→∞，Qn=min{Cn，Rnτ}，且Rn<∞，所以得出Qn<∞，根據(jù)該公式即可得出Y∞=∞。條件2)也成立。

設定最佳停止時間小于等于n+1的預期成本，則用戶就可以在n時停止并將采取特定行為，這將是k步預測的簡便形式。發(fā)送終端持續(xù)監(jiān)測時間n，發(fā)現(xiàn)成本Yn(ζ)并不高于預期中的E[Yn+1(ζ)]|Fn，那么將會停止監(jiān)測并且把數(shù)據(jù)發(fā)送，如果成本高于預期中的成本，那將會繼續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)信道質(zhì)量。通過最佳停止規(guī)則，可以最大化節(jié)約監(jiān)測能耗，提高資源數(shù)據(jù)傳輸效率，為構(gòu)建傳輸效率優(yōu)化評估數(shù)學模型奠定基礎。

4 評估數(shù)學模型構(gòu)建

在構(gòu)建資源數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)化評估數(shù)學模型的過程中，首先利用網(wǎng)絡傳輸效率最佳停止問題原理來分別來檢測多種優(yōu)化方法，獲取網(wǎng)絡威脅[9]和用戶行為的認證，以便構(gòu)建其檢測矩陣，評估傳輸資源優(yōu)化，步驟如下所示：

假設，用p={pA，PD}來表示網(wǎng)絡傳輸?shù)某跏夹?，其中，pA表示數(shù)據(jù)在傳輸中的運行速度，PD表示了運行策略集，根據(jù)下列公式將會檢測出效率優(yōu)化的不同效果

(9)

在式(11)中，uihk表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩?(k)表示效率在傳輸過程中的傳輸速度，f(k)表數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化后的檢測效率，e(k)表示在優(yōu)化階段的傳輸效率。

在構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)檢測優(yōu)化評估模型過程中，針對網(wǎng)絡節(jié)點的瞬間行為進行建模，并在模擬優(yōu)化后，對資源數(shù)據(jù)傳輸效率進行單獨優(yōu)化，求出目前網(wǎng)絡傳輸穩(wěn)定性以及優(yōu)化方案失誤概率，確定節(jié)點丟包率，并以丟包率當做衡量標準，確定是否成功優(yōu)化，詳細步驟如下所示：

對每個不同的節(jié)點瞬間進行建模準備，假設，在(I，xi)表示在失誤發(fā)生時，網(wǎng)絡整體狀態(tài)正常，(I″，xi)代表(I，xi)的變化走向，那么將以f(k)為依據(jù)，根據(jù)式(10)對網(wǎng)絡中節(jié)點瞬時狀態(tài)建模

(10)

式中，η(W)代表網(wǎng)絡傳輸容量的最大值，K(S)代表了節(jié)點失誤狀態(tài)，γ(e)表示數(shù)據(jù)包的處理速率。

假設，用πi(xi，y)來代表失誤恢復率狀態(tài)y下節(jié)點i在xi狀態(tài)時的穩(wěn)定概率，則根據(jù)公式(11)進行模擬，并根據(jù)傳輸狀態(tài)，計算出目前網(wǎng)絡失誤恢復率

(11)

在式(13)中，μj表示節(jié)點i在狀態(tài)y下的數(shù)據(jù)包處理速率，pi(t，y，fnj，xi)表示在不同狀態(tài)的網(wǎng)絡下節(jié)點瞬時穩(wěn)定概率[10]。

假設用Nj來表示節(jié)點i中的數(shù)據(jù)包數(shù)最大值[11]，E(lossn(t))表示總的節(jié)點丟包率時刻t的預期值，那么就有

(12)

那么將利用(13)來構(gòu)建資源數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)化評估數(shù)學模型

(13)

5 仿真研究

為了驗證本文資源數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)化的有效性和評估數(shù)學模型的準確率，進行以下仿真。仿真環(huán)境為Intel(R)Core(TM)i5-2520M處理器+4GB內(nèi)存+Linux操作系統(tǒng)，用MATLAB實現(xiàn)本課題的所有分析模型。具體仿真環(huán)境如圖1所示。

圖1 仿真環(huán)境與設備

根據(jù)仿真，從根本上對資源數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)化與其它數(shù)據(jù)傳輸方法進行對比，測試獲取到的優(yōu)化方案是否可以在對網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)傳輸進行優(yōu)化。

平均傳遞效率是根據(jù)接收終端的全部數(shù)據(jù)量(bit)和到達發(fā)送終端全部數(shù)據(jù)量二者之間的對比值，該數(shù)值的變化增大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就會隨之變大，進而導致因為數(shù)據(jù)延遲而無效的數(shù)據(jù)將會減少。針對數(shù)據(jù)傳輸效率進行仿真，結(jié)果如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳遞效率對比圖

如圖2所示，所提方法相比文獻[4]方法、文獻[5]方法的傳遞速率最大，并可獲得在不同時間段內(nèi)最高效傳輸數(shù)據(jù)的閾值，該結(jié)果可在一定程度上提升網(wǎng)絡整體平均傳遞率，使資源數(shù)據(jù)可以高效傳輸。同時，文獻[4]方法和文獻[5]方法的傳遞效率低于所提方法，這種狀況的產(chǎn)生是因為傳統(tǒng)方法信道分布不同，且依賴于傳輸速率分布。

在證明了資源傳輸效率優(yōu)化的基礎上，評估的資源數(shù)據(jù)丟包率和實際的資源數(shù)據(jù)丟包率進行比較。

在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生失誤的過程中，若數(shù)據(jù)丟包率小，那么即可判斷網(wǎng)絡穩(wěn)定性好，傳輸效率高，假設節(jié)點i在時間是t、失誤狀態(tài)fnj下的丟包率，根據(jù)下列公式可將其描述為

(14)

根據(jù)丟包率對比的結(jié)果來看數(shù)學模型優(yōu)化傳輸數(shù)據(jù)的整體有效性，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 丟包率對比圖

如圖3可知，傳統(tǒng)方法的丟包率較高，而所提模型的丟包率最高在25%左右，明顯低于傳統(tǒng)方法，傳輸效率明顯高于傳統(tǒng)方法，具有較高的實際應用性。

6 結(jié)論

網(wǎng)絡信道的質(zhì)量會隨時變換，因此在網(wǎng)絡節(jié)點傳輸能耗被限制時，信道質(zhì)量越高，資源數(shù)據(jù)的傳輸效率質(zhì)量效率就越高，這種情況就相當于在規(guī)定的同等時間內(nèi)，傳輸數(shù)據(jù)量就會越發(fā)增加。因此，在信道質(zhì)量好的時候進行傳輸，可以在一定程度上提高數(shù)據(jù)傳輸量以及有效性。本文根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴淹Ｖ挂?guī)則以及不同時間段偵測到的傳輸速率閾值，來實現(xiàn)了資源數(shù)據(jù)到達一定速率的優(yōu)化方法，在傳輸資源數(shù)據(jù)優(yōu)化后，將采用數(shù)學模型的方式對其進行評估。經(jīng)試驗表明，該方法在一定程度上達到了優(yōu)化的效果，且評估結(jié)果與效率優(yōu)化后結(jié)果基本相同，證明了該模型的評估結(jié)果準確。