陳麗琴，顧靜軍

(1.浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院應用工程學院，浙江 杭州310053；2.浙江大學 計算機科學與技術(shù)學院，浙江 杭州310000)

地鐵的無線通信與傳輸系統(tǒng)是地鐵運營過程中尤為重要的一個環(huán)節(jié)，通信系統(tǒng)作為地鐵交通的樞紐，能夠快速為地鐵提供可靠精準的信息，以此來滿足地鐵運營過程中對信息傳遞的需求，保證了地鐵的運營效率和行車安全。 但由于地鐵通常建于地面以下，由于信號、電路、傳感器等不同外界因素的影響，導致地鐵的通信傳輸延遲，影響列車的檢測、控制和記錄，因此對通信傳輸?shù)难舆t優(yōu)化極為重要。

地鐵通信傳輸主要依托于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸，而隨著網(wǎng)絡(luò)需求的擴大，網(wǎng)絡(luò)傳輸中的數(shù)據(jù)量也大大增加，這給網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來高額的工作量，同時容易造成傳輸數(shù)據(jù)的排隊現(xiàn)象，甚至造成傳輸擁堵，從而導致信息在傳輸過程中出現(xiàn)不同程度的延遲。 同時地鐵處于地面下，空間相對封閉狹窄，距離、信號強度、傳感器靈敏度、數(shù)據(jù)包丟失、網(wǎng)絡(luò)擁堵等因素都有可能造成其通信延遲，進而影響地鐵的行車指揮時效以及對列車運行實況的掌握，對地鐵是否能夠安全、可靠、高效地運行起著至關(guān)重要的作用。 為此，相關(guān)學者對通信傳輸延遲優(yōu)化方法作了研究。王俊雅等[1]利用分布式次梯度算法，通過對網(wǎng)絡(luò)擴維，將通信延遲的無約束凸優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)問題轉(zhuǎn)換為無延遲網(wǎng)絡(luò)問題并優(yōu)化解決之；董廣民[2]利用FIR 數(shù)字濾波器法對異常信號進行濾波，并通過動態(tài)樹構(gòu)建異常信號的延遲模型，對延遲信號標記消除；Han[3]等人為了減少通信數(shù)據(jù)傳輸延遲，提出了一種基于預測的減少通信數(shù)據(jù)傳輸延遲方法，使用KRR 結(jié)合集群成員節(jié)點來獲得相應的預測模型。通過遍歷較少的簇頭節(jié)點來獲取所有簇數(shù)據(jù)，解決通信數(shù)據(jù)傳輸延遲的問題。 以上三種方法在消除通信傳輸延遲時均有一定的效果，但未考慮到信號傳輸過程中數(shù)據(jù)包過大也會使通信時間延遲的問題，均有一定的局限性。

針對上述問題，在本文中提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地鐵通信傳輸延遲優(yōu)化方法，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由目標監(jiān)控區(qū)域中布置的大量微型傳感器節(jié)點連接組成，通過各節(jié)點傳感器對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)可感知目標體做出判斷、信息采集以及信息傳輸，是數(shù)據(jù)采集和信息處理的關(guān)鍵，但因為傳感器體積過小，傳輸節(jié)點能量受限、鏈路不穩(wěn)、或是較易受周圍環(huán)境的影響，在地鐵通信傳輸過程中同樣會產(chǎn)生不同程度的信息延遲，而對于地鐵的高速運行而言，往往要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠具有較快的反應速度和較低的信息傳輸時延，因此本文方法對時延做出預測分析，劃分延遲信息并加以判斷，通過矩陣分解得出地鐵通信傳輸任務(wù)最優(yōu)映射策略，分化傳輸信息的質(zhì)量，優(yōu)先調(diào)度傳輸高質(zhì)量信息，壓縮所需傳輸數(shù)據(jù)以避免數(shù)據(jù)信息的丟失，減少節(jié)點間能量消耗數(shù)值，從而對地鐵通信傳輸做出優(yōu)化并減少延遲。

1 地鐵通信傳輸延遲預測

通信延遲會影響操作臺及行車指揮對地鐵運行情況的實時判斷[4]，因此需要對通信狀態(tài)作出一個基本的預測，得出通信延遲情況的基本信息和向量，為優(yōu)化通信延遲提供可靠的信息。

基于時間序列分析傳輸信息，以受控自回歸積分滑動平均模型來對傳輸信息的通信狀態(tài)做出傳輸時間滯后性、傳輸結(jié)構(gòu)變化以及參數(shù)變化的廣義預測和分析，通過目標函數(shù)測算通信傳輸待優(yōu)化信息，并將目標函數(shù)與預測出的輸出值經(jīng)過約束處理，使傳輸信號遇到的延遲問題轉(zhuǎn)換為二次性規(guī)劃問題最終得到預測向量[5]。

用受控自回歸積分滑動平均模型y(t)對預測表達如下:

式中:e(t)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中輸出的通信信號，u(t-1)為輸入的通信信號，A(z-1)、B(z-1)、C(z-1)分別代表不同階級次序na、nb、nc的多項式。

在實際無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要約束所控制的通信信號輸出:

式中:ΔU表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制增量信號，ΔUmax和ΔUmin分別表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中增量信號可控范圍內(nèi)的上下限；Umax和Umin則表示網(wǎng)絡(luò)中控制信號的上下限。

通過式(3)將有約束的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制信號問題轉(zhuǎn)換為二次性規(guī)劃問題。

式中:f為預測變化量，G為二次規(guī)劃耗時。 通過式(3)可以得出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信控制增量信號ΔU，根據(jù)ΔU可以得出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第Nu個步驟的通信控制預測向量U，其表達式為:

式中:I表示的是Nu×1 的矩陣；R表示N×Nu維矩陣的倒三角單位矩陣。 此時對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信傳輸已作出基本的傳輸延遲預測。

2 地鐵通信傳輸延遲優(yōu)化方法

2.1 劃分延遲信息并調(diào)度

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信延遲預測控制的基礎(chǔ)上，對預測出的延遲信息進行判斷和劃分[6]，通過函數(shù)運算合理分配延遲的通信任務(wù)[7]，同時對網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)加以控制，為避免影響地鐵正常運行和保證其安全性能，對高質(zhì)量的通信任務(wù)做優(yōu)先調(diào)度處理。

將m個通信任務(wù)合理地分配到n個通信通道中，將m×n矩陣命名為MCT，用來表示每個傳輸任務(wù)在各個通信信道中完成傳輸?shù)臅r間最小值。 依據(jù)不同質(zhì)量(實時通信的要求)的通信任務(wù)劃分MCT矩陣，并分為兩個矩陣TH 和TL，將高質(zhì)量通信任務(wù)和低質(zhì)量通信任務(wù)分別劃分到TH 和TL 矩陣中，各有m1和m2行，且m1＋m2=m。

在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的通信延遲進行消除時，延遲信息過多，會造成處理擁堵，同時影響處理時效，從而出現(xiàn)不重要信息優(yōu)先于重要信息傳輸?shù)默F(xiàn)象，影響地鐵安全運行及指揮調(diào)令產(chǎn)生時延，為避免此問題，需要對高質(zhì)量的通信任務(wù)采取優(yōu)先調(diào)度原則，先對含有高質(zhì)量信息的TH 矩陣處理，并將其劃分為若干個子矩陣:

通信任務(wù)在不同通信信道中的傳輸預測執(zhí)行時間用ETC 來表示，為n′×n的矩陣，考慮通信的平衡負載，分配無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信任務(wù):

式中:DT(i，j)表示通信任務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中的存儲時長，TA(j)表示信道j可使用最早時間，DA(i)表示通信任務(wù)i傳輸運行時所需要的數(shù)據(jù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能夠取得的最早時間，F(xiàn)E(i)表示通信任務(wù)i傳輸運行時在網(wǎng)絡(luò)中存儲傳輸數(shù)據(jù)所需要的時間，TR(i，j)表示任務(wù)i從信道j中傳輸需花費的時間，ET(i，j)表示通信任務(wù)執(zhí)行所需時間。

對TH 這一矩陣中第kp子矩陣以前的所有子矩陣做分解，分別分解成待執(zhí)行子矩陣和數(shù)據(jù)子矩陣:

式中:TH＿DATAkj用來表示通信任務(wù)數(shù)據(jù)存儲所需的時間矩陣；TH＿EXCUTEkj代表的是執(zhí)行時間矩陣。 TH＿EXCUTEkj矩陣中各行、列參數(shù)之間均存在對應比例，將該矩陣中任意一行里的最小元素值設(shè)置為1，表示其對應的執(zhí)行通信任務(wù)所用最快速度，將HWkj定義為向量用以表示和反應網(wǎng)絡(luò)性能，TWkj用來表示能夠反應通信任務(wù)范圍的向量，通過上述兩個向量換算得出以下新矩陣:

利用函數(shù)算法對矩陣TH＿Bkj作出控制，得出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地鐵通信傳輸任務(wù)最優(yōu)映射策略，該映射策略能夠清晰分化傳輸任務(wù)的質(zhì)量，作出高質(zhì)量信息的基礎(chǔ)判斷和優(yōu)先調(diào)度傳輸，在保證地鐵安全運行方面做出先一步的通信延遲處理。

2.2 控制傳輸節(jié)點能耗

數(shù)據(jù)傳輸和分析通常對節(jié)點能量有一定程度的消耗，從而導致數(shù)據(jù)傳輸在節(jié)點跳轉(zhuǎn)上的丟失和延遲，因此對節(jié)點能量消耗值加以控制，優(yōu)化節(jié)點能耗，以確保壓縮傳輸過程中信息的完整性，選取最優(yōu)的節(jié)點參數(shù)控制傳輸能耗。 具體如下:

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)時，假設(shè)傳輸節(jié)點mc與其余傳輸節(jié)點在通信時，在一定時間內(nèi)的任意時間段都有可能發(fā)送探測信息，將這個時間設(shè)定為T，那么傳輸節(jié)點mc的取值范圍就在[0，T]時間段內(nèi)均勻分布，可以利用函數(shù)換算出傳輸節(jié)點mc的空間概率分布:

式中:a代表對空間概率分布的約束值。 當條件滿足a＜0 時，說明前后兩個傳輸節(jié)點間通信時間間隔大于通信時間，這時將網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點間發(fā)生通信鏈接的概率設(shè)置為1-P(Tx≤0)，則當傳輸節(jié)點捕捉到傳輸數(shù)據(jù)包時，這里用下式表示其概率分布情況:

式中:Tx用來表示節(jié)點x傳輸信息所需時間間隔的周期，t表示通信傳輸周期的約束臨界值。 利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)包，對空間概率分布求解，此時網(wǎng)絡(luò)通信鏈路能夠持續(xù)通信的時間Tf的表達式如下:

得出通信鏈路在各個節(jié)點持續(xù)通信時間，并利用其概率分布函數(shù)運算建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸模型:

式中:Rc為網(wǎng)絡(luò)傳輸最大吞吐量，L為傳輸信道長度，Pr為同時處理的任務(wù)個數(shù)，通過函數(shù)計算可以獲得各節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包單位傳輸時所需要耗費的能量值，即。 由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的通信時間與單位傳輸時所需要耗費的能量值并無關(guān)系，代入該參數(shù)并構(gòu)建出傳輸節(jié)點的能量消耗控制參數(shù)，如下:

式中:λ表示一定時間限度內(nèi)傳輸節(jié)點被選中的平均次數(shù)，β表示網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點的傳輸速度。

通過程序結(jié)構(gòu)建立傳輸節(jié)點能量消耗的控制參數(shù)，從而優(yōu)化和減少傳輸節(jié)點的能量消耗[8]，在傳輸路徑上減少通信延遲的可能性，避免傳輸節(jié)點能耗過大導致數(shù)據(jù)包信息丟失的現(xiàn)象[9-10]，確保在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，地鐵通信傳輸信息的完整性和及時性，并為數(shù)據(jù)包的壓縮傳輸做出基礎(chǔ)的輔助操作。

2.3 壓縮數(shù)據(jù)包

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量過大會導致數(shù)據(jù)傳輸延遲較大，完整性難以保障，從而造成通信信息在傳輸時產(chǎn)生丟失現(xiàn)象，為避免此現(xiàn)象，并減少傳輸過程中節(jié)點跳轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的能耗，使各個傳輸節(jié)點能夠高效作業(yè)，需要壓縮待傳輸信息，加快其傳輸速度并減少延遲。配置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并生成多個區(qū)群結(jié)構(gòu)，結(jié)合傳輸節(jié)點能量消耗控制參數(shù)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的壓縮率，從而減少節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸工作量和節(jié)點傳輸能耗[11]。

在不同區(qū)群實現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)的壓縮優(yōu)化[12]，假設(shè)有n′個標簽為s=1，2，…，n′的傳輸節(jié)點構(gòu)成的區(qū)群，xst用來表示網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點s在時間間隙t′內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)，同時各個節(jié)點對所采集數(shù)據(jù)壓縮，并將其傳送至區(qū)群首位節(jié)點，yst用來表示經(jīng)過壓縮后的數(shù)據(jù)，節(jié)點壓縮過程如下:

式中:φ代表傳輸數(shù)據(jù)的壓縮矩陣，p表示矩陣列數(shù)，Ys代表經(jīng)過壓縮的數(shù)據(jù)包，m′代表數(shù)據(jù)包經(jīng)過壓縮處理后的維度。 通過約束條件對優(yōu)化系數(shù)求解如下:

式中:υs表示無線傳感器檢測的原始數(shù)據(jù)值與優(yōu)化壓縮處理后的偏差，υi和υj表示對i、j兩個傳輸節(jié)點所傳輸數(shù)據(jù)包優(yōu)化的系數(shù)，λ表示壓縮區(qū)域內(nèi)壓縮包的優(yōu)化結(jié)果，這時對優(yōu)化系數(shù)ω′約束求解:

最后利用優(yōu)化系數(shù)ω′使壓縮后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包在不同區(qū)群首位實現(xiàn)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)優(yōu)化并得到最終的數(shù)據(jù)傳輸:

3 仿真實驗

為驗證本文方法的有效性，分別利用文獻[2]方法、文獻[3]方法以及本文算法測試對比通信數(shù)據(jù)發(fā)送、接收時間，再將三種方法在通信數(shù)據(jù)傳輸時對節(jié)點能耗與數(shù)據(jù)包丟包程度一一對比。

三種方法發(fā)送傳輸時間對比如圖1 所示。 可以看出分布式次梯度算法網(wǎng)絡(luò)傳輸并不穩(wěn)定，且發(fā)送耗時較長，而FIR 數(shù)字濾波器法發(fā)送時間雖然低于分布式次梯度算法，但仍然不能克服數(shù)據(jù)包增大對發(fā)送時長的影響，傳輸時間隨著數(shù)據(jù)包的增大波動也隨之變大；反觀本文算法，能夠更好地克服數(shù)據(jù)包增大對信息發(fā)送帶來的影響，且整體波動較小。

圖1 數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸時間測試曲線

三種方法接收信息時間對比如圖2 所示，從圖中可以看出文獻[2]方法、文獻[3]方法的接收時間都較長，和發(fā)送耗時一樣，隨著傳輸數(shù)據(jù)包的增大，所需接收時間也會波動式增長，且曲線并不穩(wěn)定；本文算法在數(shù)據(jù)接收傳輸時間上波形變化較小，整體趨于穩(wěn)定，接收數(shù)據(jù)傳輸延遲最短。

圖2 數(shù)據(jù)接收傳輸時間測試曲線

本文算法在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)延遲要優(yōu)于其他兩種方法，是因為通過對傳輸節(jié)點能耗的控制，使數(shù)據(jù)收發(fā)過程更加穩(wěn)定，波動變化更少，且受數(shù)據(jù)包大小變化的影響較小，提升數(shù)據(jù)整體傳輸效率，幫助用戶實現(xiàn)實時收發(fā)信息工作。 但地鐵通信傳輸不僅僅需要時延較小，更需要傳輸過程中保證數(shù)據(jù)的準確無誤及完整，這就需要對本文方法做進一步的仿真實驗。

圖3 為三種不同方法在傳輸時，根據(jù)數(shù)據(jù)量的變化傳輸節(jié)點剩余能量曲線圖，從圖中可以看出，分布式次梯度算法在傳輸開始階段，節(jié)點剩余能量下降較快，F(xiàn)IR 數(shù)字濾波器法隨著數(shù)據(jù)量的增加其節(jié)點剩余能量勻速下降；而本文方法通過傳輸數(shù)據(jù)的壓縮處理，在傳輸開始的一段時間內(nèi)能夠很好地節(jié)約節(jié)點能量，隨著數(shù)據(jù)量的增加，節(jié)點剩余能量會逐漸減少，但下降穩(wěn)定，很好地減少了傳輸節(jié)點的能耗。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點能耗

由于城市地鐵錯綜復雜、線路較多，會出現(xiàn)同一時間、同一地點地鐵相互交匯的情況，這時地鐵通信量較大，信息傳輸較為復雜，為驗證在通信數(shù)據(jù)較多、傳輸情況復雜時本文方法的可靠性，對比了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的丟失情況，如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)丟失程度

通過圖4 可以看出，三種方法在數(shù)據(jù)量較小的情況下數(shù)據(jù)傳輸丟失情況都不明顯，而當數(shù)據(jù)量較大，分布式次梯度算法和FIR 數(shù)字濾波器法均有一定程度的丟包情況，而本文方法通過對所傳輸數(shù)據(jù)的壓縮處理和節(jié)點能耗的控制，丟包情況很少，幾乎不存在丟包情況，在高質(zhì)量基礎(chǔ)上實現(xiàn)了有效的延遲優(yōu)化。

5 結(jié)論

由實驗對比測試可知，本文方法通過對數(shù)據(jù)在空間上進行壓縮和對節(jié)點能耗進行控制，降低了網(wǎng)絡(luò)擁堵的概率，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的吞吐量在時間和空間上均得到提高，降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地鐵通信傳輸延遲，且通過數(shù)據(jù)壓縮，使傳輸過程中數(shù)據(jù)丟失情況減少，提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率和數(shù)據(jù)傳輸精準度，使地鐵通信延遲得到優(yōu)化和消除。