1、无线激光通信网络任务均衡分配系统设计 朱居正 郑州工商学院 摘 要： 为了提升网络任务分配均衡度, 延长网络生存周期, 提出一种基于负载分割理论的无线激光通信网络任务均衡分配系统设计方法, 首先设计无线激光通信网络任务均衡分配系统框图;然后根据无线激光通信网络任务总完成时间、能量消耗以及网络负载情况计算网络任务分配目标函数;以无线激光通信网络任务分配目标函数计算结果为依据, 利用负载分割理论实现无线激光通信网络任务的均衡分配。实验结果分析证明, 所提方法避免了网络节点剩余能量的浪费, 延长了网络寿命, 从而缓解了网络拥堵状况, 且系统稳定性好, 具有良好的应用价值。关键词： 无线激光通信网络;
2、 网络任务分配; 目标函数; 均衡; 作者简介：朱居正 (1975-) , 男, 河南郑州人, 硕士研究生, 馆员, 工程师, 研究方向:校园信息化、移动图书馆、信息资源的建设、管理和研究。收稿日期：2017-01-17Wireless Laser Communication Network Task Equilibrium Distribution System DesignZhu Juzheng Zhengzhou Technology and Business University; Abstract： Task allocation in order to improve networ
3、k equilibrium degree and prolong the network life cycle, put forward a kind of wireless laser communication network based on the theory of the division of load task equilibrium system design method, the first task design wireless laser communication network equilibrium diagram of the system; Then ba
4、sed on the wireless laser communication network task total completion time, energy consumption and network load calculation task allocation objective function;Task allocation in wireless laser communication network on the basis of objective function calculated results using the theory of division of
5、 load to achieve the task of wireless laser communication network equilibrium. Analysis of experimental results show that the proposed method avoids the network node residual energy waste, prolong the network life, so as to alleviate the network congestion, and the system stability is good, has the
6、good application value.Keyword： wireless laser communication network; net task allocation; the objective function; equilibrium; Received： 2017-01-17无线激光通信网络能感知临近空间相干激光与无源光网络系统通信链路并采集到各种环境下的目标信息或检测到目标网络任务。无线激光传感器的体型轻小, 具有网络任务传输、网络数据处理和无线激光通信器件, 使其相互协作, 共同完成水下与空中平台特定的网络应用任务, 此过程称之为无线激光传感网络通信。为了减小无线激光通
7、信网络继天线伺服系统节点处理网络任务的总体能量消耗1、均衡无线激光感器通信网络节点的自适应定位的剩余能量2, 同时减少密集波网络运行过程中网络任务分配的时间3, 需要对无线激光通信网络任务均衡分配系统设计方法进行研究, 传统的基于遗传模拟退火的无线激光通信网络优化光组播网络编码而使任务均衡分配的设计方法4,5, 存在网络生存周期较短, 网络任务分配均衡度较差的问题。文献6提出基于 0-1 规划的反馈电压偏置型无线激光通信网络任务均衡分配系统设计方法, 该方法存在网络节点能量消耗大, 任务完成时间较长的问题。文献7提出了基于多目标优化的无线激光通信网络任务均衡分配系统设计方法, 该方法在无线激光
8、通信网络任务众多且发生竞争的情况下, 由于多条网络路径的任务分配不均衡, 容易出现网络任务传输速度较慢的问题。文献8提出了基于光学器件透反射率测量的声光调制的无线激光通信网络任务均衡分配系统设计方法, 该方法存在网络服务质量较差, 安全性较低的问题。针对上述方法产生的问题, 提出一种基于负载分割理论的无线激光通信网络任务分配均衡系统设计方法。实验结果分析证明, 所提方法避免了传统方法的大量计算造成的低效问题, 大大提高了无线激光通信网络任务分配的均衡度, 具有重要的现实意义。1 无线激光通信网络任务均衡分配系统设计1.1 无线激光通信网络任务均衡分配系统以无线激光通信网络任务分配目标函数计算结
9、果与负载分割理论相结合9, 设计出一种无线激光通信网络任务均衡分配系统, 具体流程如图 1 所示。1.2 无线激光通信网络任务分配目标函数计算根据无线激光通信网络任务总完成时间、能量消耗以及网络负载情况计算网络任务分配目标函数。具体操作过程为:只考虑网络通信能耗, 忽略其他的网络能耗, 采用无线激光网络通信模型, 则无线激光网络通信能耗计算表达式如下:式中, c代表无线激光通信网络节点组成的动态簇; amp代表无线激光通信网络中功率放大器每比特消耗的能量值; ele代表无线激光通信网络中滤波器等电子元件每比特消耗的能量值;l n代表从无线激光通信网络节点 n 处传输的数据总量;d nk代表无线
10、激光通信网络节点 n 与所选择的无线激光通信网络节点 k 之间的距离。无线激光通信网络任务分配关系的矩阵表达式为:图 1 无线激光通信网络任务均衡分配系统框图 Fig.1 System diagram of task balanced allocation for wireless laser communication networks 下载原图式中, 行数代表无线激光通信网络目标任务个数;列数代表无线激光通信网络节点个数; a MN 为 0-1 变量代表无线激光通信网络中第 n (n=1, 2, 3, , N) 个网络节点被分配到第 m (n=1, 2, 3, , M) 个网络节点的任务,
11、 即无线激光通信网络中第 n 个网络节点被分配加入第 m 个动态簇中, 反之, 当 a mm =0 时, 无线激光通信网络能耗数学模型计算公式如下:计算网络分配目标函数表达式如下:式中, 1代表网络任务分配均衡度权值; 2代表无线激光通信网络节点能量消耗的权值;网络任务分配目标函数中的 1与 2为常数。1.3 基于负载分割的无线激光通信网络任务均衡分配利用负载分割匹配特性理论10计算无线激光通信网络总任务的测量时间、分配时间和分配能耗, 完成无线激光通信网络任务的均衡分配, 详细过程描述如下:假设有 L 个无线激光通信网络, 无线激光通信网络中的一个簇头为 Ci;簇内有 j个网络节点;W j代
12、表在簇内分配给网络节点 aj的任务负载数量;则 Ci簇头内网络任务分配给网络节点的计算表达式为:式中, T E代表无线激光通信网络采用簇内节点 aj感测整个网络任务负载时间; j代表与簇内网络节点 aj的感测速度成反比的一个常量;T F代表无线激光通信网络强度不变的情况下, 且当 j=1 时, 发送处理的负荷; j代表与簇头 Ci和簇头内网络节点 j之间的链路速度成反比的一个常量。报告无线激光通信网络汇聚节点任务 Wi的最小测量时间, 其表达式为:在无线激光通信网络簇头 Ci中融合了簇内网络节点的任务数据后, 簇头 Ci可以通过一个单独的信道传输网络任务数据给网络汇聚节点。为了提高大型测控网络
13、中无线激光通信网络任务分配效率, 运用超大尺寸激光测距减小由于网络节点闲置带来的性能下降问题11, 则可以得到网络任务分配时序表达式为:其中, i代表簇头 Ci的网络任务融合速度成反比的一个常量; j代表簇头 Ci的网络任务分配时间成反比的一个常量。对上述公式 (14) 进行化简, 可得:式中, i代表在簇头 Ci融合网络任务所有负载所需的时间。将 i带入上述公式 (15) 中, 可得:设定网络负载量为 1, 则无线激光通信网络中的任意一簇 Gi分配的网络任务负载量表达式为:则无线激光通信网络中的任意一簇 Gi完成总任务分配花费的最少时间计算公式为:由于无线激光通信网络中, 簇头不需要花费能量
14、在网络任务测量上, 但是需要花费能量在网络任务融合上, 而无线激光网络通信所产生的能量消耗两者兼备, 设定无线激光通信网络中发送感知数据为 ET。则无线激光通信网络汇聚节点 p 需要消耗的能量计算表达式如下:至此完成无线激光通信网络任务的均衡分配。2 实验结果与分析采用 8 GB 内存, 64bit Windows7 操作系统, Intel Core i6 CPU 的惠普台式电脑, 在 Matlab8.3 环境下进行实验操作。实验设置的参数如下:无线激光通信网络中有 30 个节点, 每个节点可以通过多跳方式进行网络通信, 每个无线激光通信网络节点配有型号为 Sun Blade2000 的微型处
15、理器, 主频率为 820 MHz。无线激光通信网络中待分配的任务数量为 10 个。对本文方法与文献6和文献8方法的无线激光通信网络总时延 (106 s) 分析结果如图 2 所示。根据图 2 可知, 3 种方法中, 无线激光通信网络总时延最大的是文献6方法;其次是文献8方法;而本文所提方法的总时延是最小的, 三种方法的效率 (%) 对比分析结果如表 1。设无线激光通信网络任务分配均衡度为常数, 单位是 h。图 2 3 种方法的无线激光通信网络总时延分析 Fig.2 Total delay analysis of 3 methods for wireless lase ccoommmmuunnii
16、ccaattiioonn nneettwwoorrkkss 下载原图表 1 3 种方法效率对比分析结果 Table 1 Efficiency comparison analysis results of 3 methods 下载原表 由表 1 可知, 本文所提方法相对于文献8方法的无线激光通信网络总时延降低了 28.1%, 文献6方法与文献8方法的无线激光通信网络总时延比本文所提方法的总时延大, 是由于文献6 方法利用能量方差表征节点对网络任务后的剩余能量进行分配处理;文献8方法利用了预定网络任务的适应度函数, 从而导致无线激光通信网络任务没有得到很好的分配。3 种方法的网络任务均衡度 (1)
17、 分析结果如图 3 所示。根据图 3 可以看出, 三种方法中本文方法的无线激光通信网络任务分配均衡度最高;文献8 方法次之;而文献6方法的无线激光通信网络任务分配均衡度最低。根据表 1 中的分析结果可以看出, 本文所提方法相对于文献6方法的无线激光通信网络任务分配均衡度提高了 26%。由于文献6方法通过与粒子群算法相结合, 计算无线激光通信网络的最优代价函数, 计算复杂程度高, 导致网络任务分配结果不理想, 降低了网络任务分配的灵活性, 使得网络任务分配均衡度大大降低;而本文所提方法考虑了网络总任务的测量时间、分配时间以及分配能耗, 保证了网络任务分配的灵活性, 从而提升了网络任务分配的均衡度
18、。图 3 3 种方法的网络任务分配均衡度分析结果 Fig.3 Equilibrium analysis results of network assignment with 3methods 下载原图参考文献1于笑楠, 佟首峰, 姜会林, 等.多点激光通信光学中继天线伺服系统J.光学学报, 2015, 35 (9) :168-175. 2蒋清健, 张文超.无线传感器网络的节点自适应定位算法研究J.应用激光, 2015, 6:729-732. 3苏煜炜, 毕明喆, 刘鹏, 等.基于密集波分复用的 20 Gbit/s 大气激光通信J.应用光学, 2017, 38 (1) :136-139. 4刘焕
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