跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法研究

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1跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信原理

跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化通信對(duì)于機(jī)載在跨區(qū)域的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能和安全性能起著重要作用。當(dāng)前的優(yōu)化模型一般采用路徑節(jié)點(diǎn)選擇的方法完成，其原理如下所述:限定信息搜尋路徑的行為遵循下述規(guī)律:

1)信息搜尋路徑的過(guò)程依據(jù)前個(gè)通信節(jié)點(diǎn)留下的信息素濃度決定，并依據(jù)比率決定路徑;

2)在一次循環(huán)中所有路徑只經(jīng)過(guò)一次，用數(shù)據(jù)列表控制;

3)完成單次循環(huán)后，依據(jù)路徑長(zhǎng)度釋放不同濃度的信息素，并對(duì)走過(guò)的路徑信息素加以更新。假定在搜尋路徑的初始階段，所有路徑上具有數(shù)量相等的信息量，即:τij(0)=C(C為常數(shù))。數(shù)據(jù)k(k=1，2，3，…，m)在搜尋路徑的過(guò)程中，信息轉(zhuǎn)移的方向依據(jù)路徑信息量決定。信息在t時(shí)刻一次只能選擇一個(gè)城市作為搜索終點(diǎn)，搜索n次后返回原點(diǎn)，即為一次循環(huán)。由上可知，在某時(shí)刻t城市i中的信息搜尋城市j為終點(diǎn)的概率可以用下述公式描述式中，pkij(t)用來(lái)描述在時(shí)刻t信息位置轉(zhuǎn)移的概率，τij(t)用來(lái)描述時(shí)刻t信息在路徑ij所留信息量，ηij用來(lái)描述城市i轉(zhuǎn)移至j的啟發(fā)信息，allowedk={1，2，…，}n－tabuk用來(lái)描述信息k可以選擇的待選路徑，集合tabuk用來(lái)記錄信息k已走過(guò)的路徑，并隨著搜尋進(jìn)程而變動(dòng)。搜尋路徑上的信息量經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)消失，n個(gè)時(shí)刻完成一個(gè)循環(huán)，網(wǎng)絡(luò)通信信息量則依據(jù)以下規(guī)則做出相應(yīng)變動(dòng)τij(t+n)=ρ×τij(t)+Δτij，ρ∈(0，1)(3)Δτij=∑mk－1Δτkij(4)其中，Δτkij用來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)路徑ij的信息量，Δτij表示路徑信息量增量，ρ(ρ≤0＜1)表示信息停留的持久度。由上可知，如果信息k在本次循環(huán)中經(jīng)過(guò)路徑ij，則Δτkij=QLk，否則，Δτkij=0，其中，Q用來(lái)描述信息k進(jìn)行一次循環(huán)所釋放的信息總量，Lk用來(lái)描述信息k當(dāng)前所經(jīng)過(guò)路徑長(zhǎng)度。當(dāng)前的優(yōu)化模型設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮飛機(jī)高空快速、跨區(qū)域移動(dòng)的特點(diǎn)，出現(xiàn)了越來(lái)越多的跨區(qū)域節(jié)點(diǎn)選擇通信的現(xiàn)象，造成傳統(tǒng)的跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸模型在頻繁的跨區(qū)域節(jié)點(diǎn)選擇中不穩(wěn)定。

2基于自適應(yīng)蟻群算法的跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

利用傳統(tǒng)算法進(jìn)行跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)，無(wú)法避免由于高空干擾過(guò)大造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣冗^(guò)低且傳輸不穩(wěn)定的缺陷，為此，提出基于自適應(yīng)蟻群算法的跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。

2．1移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的構(gòu)建

假定跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用G=(V，E)表示，V是節(jié)點(diǎn)集合，其中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)v代表一個(gè)通信器，E是邊的集合，其中的任意一條邊e代表一條通信鏈路，且任意邊有多種QoS(QualityofService)度量參數(shù)值，其權(quán)值用w(e)=w1(e)，w2(e)，…wk(e)描述，若用wl(e)(1≤l≤k)描述第l種的QoS參數(shù)，且已知路徑pj=(v0j，v1j，…，vLj)，若度量參數(shù)wl(e)表現(xiàn)加性，則wl(pj)=∑'i=1wl(eij)(5)若wl(e)表現(xiàn)乘性，則wl(pj)=Π'i=1wl(eij)(6)若wl(e)表現(xiàn)凹性，則w1(pj)=min'i=1wl(eij)(7)對(duì)pj進(jìn)行運(yùn)算獲取該路徑權(quán)值w(pj)=(w1(pj)，w2(pj)，…，wk(pj))(8)在鏈路狀態(tài)信息不確定的條件下，跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題可以看作在以下描述的條件下搜索G中路徑ps的過(guò)程:PRO(wh(ps)≤c0h(s，t))≥PROhPRO(wl(ps)≥c0l(s，t))≥PRO{t(9)式中，0≤h，l≤k，PRO(A)描述事件A發(fā)生的概率，proh，l(0≤h，l≤k)一般取值為0，表示最小取值。由上可知，優(yōu)化計(jì)算的成功率可以用下式計(jì)算獲取:通過(guò)上面闡述的方法，可以構(gòu)建跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。

2．2跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程

跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程中采用自適應(yīng)蟻群算法的原理，自適應(yīng)蟻群算法在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，按照一定規(guī)則劃分求解區(qū)域?yàn)槿舾尚^(qū)域，然后對(duì)小區(qū)域進(jìn)行分別求解獲取最優(yōu)值，并形成初步的較優(yōu)解集合，并以此為依據(jù)對(duì)初始信息素進(jìn)行分配，依據(jù)相關(guān)原理決定新區(qū)域選擇的概率。依據(jù)信息素分布進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合自適應(yīng)調(diào)整相關(guān)系數(shù)、信息素?cái)?shù)量等，實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)解的獲取，具體實(shí)現(xiàn)步驟描述如下:Step1:初始化，初始化設(shè)置如下:Set，t=0，NC=0，給定任意邊上的τij(0)=C，Δτij=0，假設(shè)區(qū)域數(shù)量為n個(gè)，隨機(jī)給定的螞蟻數(shù)量為m個(gè)，依據(jù)相關(guān)原理對(duì)Q，ρ值進(jìn)行設(shè)置;Step2:依據(jù)相關(guān)規(guī)則對(duì)待搜索區(qū)域進(jìn)行劃分，分別對(duì)劃分后的小區(qū)域進(jìn)行搜索，對(duì)于搜索到的各個(gè)小區(qū)域的最優(yōu)值進(jìn)行組合，收集初始信息素分布狀況，劃分區(qū)域示

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)算法的優(yōu)越性，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)Waxman理論，隨機(jī)生成與實(shí)際跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)特性較為相似的圖，依據(jù)一定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，隨機(jī)分配節(jié)點(diǎn)間的距離，則給定節(jié)點(diǎn)vi與vj的邊生成的概率由下述公式?jīng)Q定P(vi，vj)=βexp－Dist(vi，vj)αL(13)其中，L表示隨機(jī)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離最大值，參數(shù)α與β的取值范圍在0到1之間，當(dāng)β的取值增大，則移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)弧的密度隨之增大，相反，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)弧密度隨之減小。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別給定參數(shù)值為α=0．5，β=0．8，節(jié)點(diǎn)vi與vj之間的距離取區(qū)間(0，500)的隨機(jī)整數(shù)值，給定移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在20～80之間。分別采用傳統(tǒng)算法和改進(jìn)算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)算法的CPU耗時(shí)、平均路徑長(zhǎng)度、平均通信跳數(shù)及平均通信等級(jí)四個(gè)性能進(jìn)行評(píng)析。機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其網(wǎng)絡(luò)CPU耗時(shí)與平均路徑長(zhǎng)度均低于傳統(tǒng)算法，其通信跳數(shù)大致相當(dāng)，而利用改進(jìn)算法的鏈路狀態(tài)等級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)算法，因此，具有顯著的優(yōu)越性。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，無(wú)法避免的由于高空節(jié)點(diǎn)區(qū)域切換造成跨區(qū)域移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度過(guò)慢、傳輸不穩(wěn)定的缺陷，提出基于自適應(yīng)蟻群算法的跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。依據(jù)相關(guān)理論建立跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建計(jì)算成功率公式，采用自適應(yīng)蟻群算法理論，劃分待搜索區(qū)域?yàn)槿舾尚^(qū)域，然后分別對(duì)小區(qū)域進(jìn)行求解獲取最優(yōu)值，形成較優(yōu)解集合，結(jié)合自適應(yīng)調(diào)整相關(guān)系數(shù)、信息素?cái)?shù)量等，獲取全局最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用改進(jìn)算法進(jìn)行跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，能夠保證機(jī)載跨區(qū)域移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，提高跨區(qū)域機(jī)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度，具有極大的優(yōu)越性。

作者：王紅霞 劉寧 單位：鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用系