朱彥華，劉冬寧

(1.廣東藥科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，廣東 廣州 510090;2. 廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510643)

0 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，使網(wǎng)絡(luò)信息共享成為可能[1-2]。在實(shí)際目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息共享的過(guò)程中，往往需要面對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源不足的現(xiàn)狀，在此背景下隨機(jī)選取一條通信鏈路，易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，信息共享時(shí)延等問(wèn)題。這與信息戰(zhàn)環(huán)境下強(qiáng)實(shí)時(shí)、高精度的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息需求極不適配[3-4]。針對(duì)上述問(wèn)題，研究一種高效、可靠、具有實(shí)時(shí)性的通信鏈路，能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)信息快速共享給所有節(jié)點(diǎn)，因此獲取強(qiáng)實(shí)時(shí)、高精度的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息成為了當(dāng)前階段亟待解決的研究課題[5]。

目前已有一些研究者對(duì)其進(jìn)行了研究和分析。如文獻(xiàn)[6]提出一種信息共享模式下的路徑優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了信息傳輸成本為最小目標(biāo)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，并利用遺傳算法對(duì)此優(yōu)化模型進(jìn)行了求解。該方法僅以信息傳輸成本為最小目標(biāo)，當(dāng)選取的共享路徑帶寬受限時(shí)，信息投遞成功率較低、共享延遲較大。文獻(xiàn)[7]提出基于鏈路優(yōu)先級(jí)劃分的信息共享路徑。采用Possisson分布模型構(gòu)建信息傳輸流量模型，對(duì)信息共享路徑干擾進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果計(jì)算出相應(yīng)的干擾程度等級(jí)，結(jié)合流量模型對(duì)信息分發(fā)共享路徑設(shè)計(jì)權(quán)重值，依據(jù)計(jì)算出的權(quán)重值選取信息的共享路徑。該方法能夠有效減少信息通信干擾，提高信息通信的可靠性，但當(dāng)信息量較大時(shí)，信息共享延遲明顯。

針對(duì)上述不足，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展，對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息共享路徑進(jìn)行研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：

(1)根據(jù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸特性設(shè)計(jì)了信息通信鏈路，對(duì)其實(shí)時(shí)性約束條件下可靠性進(jìn)行建模；

(2)引入遺傳算法對(duì)鏈路優(yōu)化模型進(jìn)行求解，解決了優(yōu)化模型鏈路選取和時(shí)隙分配的相互干擾；

(3)結(jié)合MATLAB軟件搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提方法的綜合有效性。

1 資源受限約束下信息共享路徑優(yōu)化方法

1.1 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息共享路徑建模

根據(jù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸特性設(shè)計(jì)了信息通信鏈路，通過(guò)優(yōu)化鏈路時(shí)隙及信道資源，提高目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息通信可靠性，同時(shí)構(gòu)建了通信鏈路模型，針對(duì)資源受限約束下信息分發(fā)共享可靠性最大化問(wèn)題，給出了鏈路優(yōu)化模型，具體過(guò)程如下所述：

假設(shè)，由N+1個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)N={n0,…,nN}構(gòu)成N′跳目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息通信鏈路，n0表示源節(jié)點(diǎn)，nN表示目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息分發(fā)共享目的節(jié)點(diǎn)。設(shè)定目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中共有M條可用的鏈路，則信息通信鏈路可以表示為圖1形式。

圖1 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息通信鏈路示意圖

N=[n0,…,nN]

(1)

(2)

(3)

在目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采用TDMA調(diào)度[8]時(shí)，信息共享路徑實(shí)時(shí)性表現(xiàn)在不同子鏈路通信時(shí)隙的數(shù)量。設(shè)定i跳通信時(shí)間為di個(gè)間隙，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)通信鏈路時(shí)間資源為D={d1,…,dN}，綜合考慮資源受限約束下，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息分發(fā)共享所需等待的鏈路時(shí)隙分配時(shí)間和通信信道資源，將信息通信鏈路表示成如圖2所示形式，將其描述為L(zhǎng)=[N,D,C,P]。

圖2 信息通信鏈路模型

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)資源受限約束下，實(shí)現(xiàn)信息共享更關(guān)注在給定時(shí)間內(nèi)信息通信的可靠性。

(4)

其中，Ri用于描述在通信鏈路li上分發(fā)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息的可靠程度。根據(jù)通信鏈路li上全部通信信道的單次傳輸成功率Pi及信道分配結(jié)果Ai，Ri可利用下式描述為：

(5)

(6)

綜合上述分析，在網(wǎng)絡(luò)資源受限約束下，將信息通信鏈路實(shí)時(shí)性約束可靠性問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題：

給定目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息分發(fā)共享最大允許時(shí)間延遲D和鏈路上某個(gè)信道的單次傳輸概率P，獲取最佳時(shí)隙分配D′及信道分配φ，使得信息分發(fā)共享鏈路的可靠性最大，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(7)

1.2 基于遺傳算法的鏈路優(yōu)化模型求解

采用遺傳算法解決優(yōu)化模型鏈路選取和時(shí)隙分配的相互干擾，并優(yōu)化信息共享路徑。具體過(guò)程如下所述：

(1)在遺傳算法中的個(gè)體變異過(guò)程中，假設(shè)變異后的個(gè)體不符合要求，則繼續(xù)執(zhí)行交叉變異操作，直至符合要求的個(gè)體數(shù)量達(dá)到種群規(guī)模截止。

(2)計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離，集成超過(guò)通信距離的節(jié)點(diǎn)，并依據(jù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息，分發(fā)共享節(jié)點(diǎn)間的距離及節(jié)點(diǎn)分布特點(diǎn)，選取中間節(jié)點(diǎn)，對(duì)信息分發(fā)共享節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

(3)將所有信息分發(fā)共享節(jié)點(diǎn)進(jìn)行兩兩匹配，構(gòu)建的通信鏈路用“1”描述，未構(gòu)建通信鏈路用“0”描述，這樣可用一個(gè)二進(jìn)制字符串表征全部信息分發(fā)共享節(jié)點(diǎn)的匹配結(jié)果。

(4)種群中個(gè)體通過(guò)染色體編碼構(gòu)成初始群體后，對(duì)個(gè)體進(jìn)行遺傳操作就是依據(jù)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)程度，對(duì)染色體執(zhí)行選擇、交叉、變異操作，以實(shí)現(xiàn)個(gè)體優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化[9]。

種群中個(gè)體選擇操作通常采用輪盤(pán)賭算法[10]，此算法中，種群中的每個(gè)個(gè)體被選擇的幾率與其適應(yīng)值的大小成正比。設(shè)定種群規(guī)模為M′，fσ表示種群中個(gè)體σ的適應(yīng)度，個(gè)體σ被選擇的幾率為：

(8)

隨機(jī)生成種群中個(gè)體的交叉位置，生成子代個(gè)體，對(duì)子代個(gè)體的基因進(jìn)行隨機(jī)變異[11]。通過(guò)適當(dāng)權(quán)重，綜合考慮鏈路優(yōu)化模型的優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)造種群適應(yīng)度函數(shù)，考慮到量綱對(duì)種群適應(yīng)度的影響，將種群適應(yīng)度函數(shù)設(shè)置在區(qū)間[0,1]內(nèi)，執(zhí)行以下處理：

(9)

其中，Pt表示目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息總量，構(gòu)造目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息共享路徑可靠性的最大優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)：

(10)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境在CPU為Intel(R)Celeron(R)，2.6 GHz，內(nèi)存為2.0 GB，操作系統(tǒng)為Windows XP上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于某網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)集[12]。在實(shí)驗(yàn)中，將此數(shù)據(jù)集中40%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，60%的數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)中與文獻(xiàn)[6]中提出的資源共享模式下的路徑優(yōu)化方法以及文獻(xiàn)[7]中提出的網(wǎng)絡(luò)信道優(yōu)化方法進(jìn)行對(duì)比分析。不同方法采用的環(huán)境參數(shù)一致。

圖3給出了隨著目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息的不斷增加，不同方法的信息共享時(shí)延(ms)。

圖3 不同方法信息共享時(shí)延對(duì)比圖

分析圖3可知，隨著測(cè)試樣本數(shù)量的不斷增加，3種方法相應(yīng)的共享延遲均有所增加，當(dāng)閉環(huán)信息數(shù)量增加到700個(gè)時(shí)，所提方法信息共享延遲約為12 ms左右，文獻(xiàn)[6]方法信息共享延遲約為22 ms左右，文獻(xiàn)[7]方法信息共享延遲約為30 ms左右；從整體來(lái)看，采用所提方法信息共享延遲為最小，提高了信息共享效率。

圖4為所提方法與文獻(xiàn)[6]方法以及文獻(xiàn)[7]方法的信息傳輸可靠性(%)的對(duì)比。

圖4 不同方法傳輸可靠性對(duì)比圖

分析圖4可知，在目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)量為小于450個(gè)時(shí)，文獻(xiàn)[7]方法的信息傳輸可靠性明顯高些。但隨著信息量的不斷增加，所提方法信息傳輸可靠性明顯提高，主要原因在于在較小規(guī)模的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信息量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，信息通信信道競(jìng)爭(zhēng)沖突現(xiàn)象較少，本文方法的信息共享節(jié)點(diǎn)接入通信鏈路的成功率較高，相應(yīng)的信息傳輸可靠性自然較高。

圖5給出了隨著目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息量變化下，不同方法的數(shù)據(jù)投遞成功率(%)，測(cè)試樣本數(shù)量越大，節(jié)點(diǎn)處理測(cè)試樣本的負(fù)擔(dān)越大，會(huì)直接影響信息投遞成功率。

圖5 不同方法數(shù)據(jù)投遞成功率對(duì)比圖

分析圖5可知，3種方法隨著測(cè)試樣本數(shù)量的增大，數(shù)據(jù)投遞成功率逐漸降低，最終趨于平穩(wěn)，這主要是因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)資源受限約束下，信息的不斷增大使得單位時(shí)間內(nèi)通信鏈路的數(shù)據(jù)負(fù)載增大，而網(wǎng)絡(luò)帶寬有限使得數(shù)據(jù)投遞成功率有所降低。文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[7]的數(shù)據(jù)投遞率始終保持在65%以上，而所提方法更高，數(shù)據(jù)投遞率處于80%以上，可以看出，所提方法具有較高的信息投遞成功率。

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)方法選取的共享路徑，易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞、信息共享時(shí)延過(guò)大、信息投遞成功率低等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，研究了資源受限約束下網(wǎng)絡(luò)信息的共享路徑。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法在通信可靠性能方面具有魯棒性，但仍存在以下問(wèn)題值得進(jìn)一步深入研究：(1)任務(wù)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)不同的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信息共享路徑擁塞情況；(2)考慮目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的抗毀性、連通性等影響因素時(shí)的信息共享路徑延時(shí)情況；(3)網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下的信息共享路徑質(zhì)量；(4)針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境信息，需重點(diǎn)突破信息可處理、可融合等關(guān)鍵技術(shù)，并提高信息共享的強(qiáng)實(shí)時(shí)性，以滿足未來(lái)不同網(wǎng)絡(luò)信息共享和處理需求。