低功耗无线网络体系动态负载均衡构架模型∗

黄林伟

（广东工业大学华立学院 广州 511325）

1 引言

随着网络信息技术和无线传感技术的发展，采用分布式组网方法进行网络构架，提高网络的组网性能，低功耗无线网络采用无线传感节点进行无线组网设计，该型网络体系具有功耗低和组网结构简单的特点，在进行低功耗无线网络体系构架设计中，需要进行节点的优化部署设计，提高网络的优化组网性能。无线传感网络具有传输速度快和带宽高等优点，低功耗无线网络体系由网络层、感知层和应用层构成，采用低功耗无线网络体系进行大数据信息处理，实现远程数据传输和信息调度，完成网络数据的收发和并行转换，提高信息传输的并行调度能力［1］。为了提高低功耗无线网络的体系构架能力，降低网络的存储开销和计算开销，需要进行网络的动态负载均衡构架设计。研究低功耗无线网络体系动态负载均衡算法，在实现分布式网络系统的进程管理和内存优化管理中具有重要意义。

对低功耗无线网络体系动态负载均衡研究是建立在对网络传输链路层的路由均衡设计和信道优化部署基础上的，具有路由优化部署和无线自组网设计，提高网络的负载均衡调度能力。传统方法中，低功耗无线网络体系的动态负载调度算法设计主要采用分簇能耗调度算法和最短路径寻优方法［2～3］，将分布式网络体系的节点部署分解为多任务的并行调度方法，结合多线程调度协议进行优先级节点部署列表设计，取得了较好的节点部署均衡效能。其中，文献［4］中提出一种基于混合粒子聚类算法的低功耗无线网络体系双阈值动态负载调度算法，在低功耗无线网络体系的全局动态负载调度，提高低功耗无线网络动态负载调度的均衡性，但该方法计算开销较大，组网构架负载增大；文献［5］中提出一种LEACH分簇算法的网络动态负载调度算法，在Linux嵌入式系统中进行于自适应能量补给，提高负载均衡调度能力，结合网络构架体系的优化设计，实现网络点优化部署，提高调度过程中的能量聚集性，但该方法存在的缺点对动态抗干扰能力不强，导致负载均衡性不好［6］。

针对上述问题，本文提出一种基于最短路由节点部署的低功耗无线网络体系动态负载均衡调度算法，采用自适应链路均衡方法进行低功耗无线网络的传输信道均衡设计，进行动态负载均衡调度的优先级列表构建，设计高效时分多址协议进行的低功耗无线网络体系负载调度的时隙分配，实现动态负载均衡调度。最后进行仿真测试，展示了本文方法在提高低功耗无线网络体系动态负载均衡调度能力方面的优越性能。

2 低功耗无线网络的节点部署模型及均衡设计

2.1 低功耗无线网络的节点部署模型

低功耗无线网络作为一种新型的大数据分布式并行网络传输模型，主要分为进程管理、内存管理和大数据信息传输管理几大模块组成，低功耗无线网络的节点部署的信息传播模型设计中，低功耗无线网络中动态负载的协议机制采用的主要是无线网络传输协议比如TDMA协议进行传输［7］。在网络层（Network Layer）利用时分多址协议组建In⁃ternet、GPRS、3G、Wi-Fi网络模型，采用Mesh网络架构方法进行低功耗无线网络的路由节点优化分配［8］，构建低功耗无线网络的节点部署模型如图1所示。

图1 低功耗无线网络的节点部署模型

在图1所示的低功耗无线网络的节点部署的信息传播模型中，采用自适应链路转发协议进行路由协议模型构建，假设C是N×N维的无线网络传感链路分布集，N为在低功耗无线网络体系中的节点个数，结合相关性决策部署方法，得到网络的节点部署的有限数据集为

给出由M个时隙组成的动态负载均衡调度优先级列表，每个低功耗无线网络体系中Sink节点组合为 x1，x2，…，xn，输出功耗满足：A1∪A2∪，…，∪Ak=A，且Ai∩Aj=Ω，由此构建节点部署的传递函数为

其中，在K个节点部署的链路空间中，网络的Source节点的输出负载量{x (n)}为零均值的k阶平稳随机过程，输出功耗满足C/n-x1，负载均衡调度的阶数为(n -1) C/n，调度配置的权值wBLCMV为

2.2 自适应链路均衡

采用自分簇间隔均衡控制方法，构建网络的传输链路均衡模型［9］，采用自适应链路均衡方法进行低功耗无线网络的传输信道均衡设计，得到节点的加权均值

在无线组网构架体系下，信道传递模型描述为

其中，a0为数据传输的幅值，xn-i为待分配的动态负载传输量，bj为线性均衡的能量幅度。采用自适应分簇调度方法［10］，进行信道均衡控制，得到信道的输出冲激响应为

其中，Eelect表示网络拓扑结链路通道l的负载。构建动态负载堆栈控制协议进行自适应链路转发控制协议，得到自适应链路均衡输出的带宽为

网络信道的时间宽度为

结合分集均衡模型，得到网络的优化路由协议设计如图2所示。

图2 网络的优化路由协议设计

3 低功耗无线网络体系动态负载均衡构架模型优化

3.1 动态负载均衡调度的优先级列表构建

在构建低功耗无线网络的节点部署的信息传播模型的基础上，进行低功耗无线网络体系动态负载均衡构架模型优化设计，本文提出一种基于最短路由节点部署的低功耗无线网络体系动态负载均衡调度算法，采用多重节点反复组合方法进行无线网络节点优化部署［11］，得到节点的负载均衡控制的时隙宽度和优先级系数分别为

网络节点i进行数据转发的成功概率为

结合自适应插值方法进行动态负载均衡调度的优先级列表构建，得到优先级列表的函数表达式为

3.2 网络体系负载均衡调度

设计高效时分多址协议进行的低功耗无线网络体系负载调度的时隙分配，得到时隙分配函数为

结合信息融合方法进行调度任务集的多线程融合处理，根据自适应链路均衡输出结果，低功耗无线网络的信道占用率表达为

采用副本相关匹配方法，进行多重节点反复组合设计，得到时分多址协议为

其中，x＜p＜M ，x为低功耗无线网络体系网络中的节点个数，x个节点需要发送p时隙的数据包，得到网络的动态时滞描述为

其中，每个动态负载输出节点特征量C⊂S，采用自适应链路均衡控制方法［12］，得到分簇调度的时间消耗为

综上分析，得到低功耗无线网络体系动态负载均衡构架模型转化为求如下函数的最小值问题：

负载调度的阈值为

在高效时分多址协议控制下，实现低功耗无线网络体系动态负载均衡调度和网络构架模型的优化设计。

4 仿真试验与结果分析

为了测试本文算法在对低功耗无线网络体系动态负载调度和网络构架优化设计中的性能，进行仿真试验，试验的软件采用Matlab设计，采用随机序列生成方法生成低功耗无线网络的200个节点，结合本文设计的节点优化部署模型进行无线组网设计，构建JDK1.6，a1Gbps交换网进行低功耗无线网络体系的总线调度和数据传输控制，网络的信道传输带宽为14dB，对网络传输的信息采样时间间隔为0.24s，对网络负载的初始采样频率为f0=10kHz，数据包转发的频率为 fs=5f0=50kHz，时分多址协议的时隙宽度为T=50ms，根据上述仿真环境和参数设定，进行低功耗无线网络体系的动态负载均衡调度仿真实验，得到低功耗无线网络体系中的负载调度的信息流时域波形如图3所示。

图3 低功耗无线网络体系中的负载时域波形

以图3的数据采样样本为测试集，进行网络优化组网体系架构下的负载均衡调度，得到低功耗无线网络体系的动态负载的均衡状态特征分布如图4所示。

图4 低功耗无线网络体系的动态负载的均衡状态特征分布

对比图4结果得知，采用本文方法进行低功耗无线网络体系的动态负载调度的均衡性较好，抗干扰能力较强，旁瓣干扰得到有效抑制，提高了负载数据的动态转发性能和链路均衡能力。测试不同方法进行动态负载调度的数据包转发准确性，得到测试结果如图5所示，分析得知，本文提高了数据包转发的准确概率，性能较好。

图5 网络的数据包转发性能测试

5 结语

为了提高低功耗无线网络的体系构架能力，降低网络的存储开销和计算开销，需要进行网络的动态负载均衡构架设计。本文提出一种基于最短路由节点部署的低功耗无线网络体系动态负载均衡调度算法，构建低功耗无线网络的节点部署的信息传播模型，采用自适应链路均衡方法进行低功耗无线网络的传输信道均衡设计，结合自适应插值方法进行动态负载均衡调度的优先级列表构建，采用多重节点反复组合方法进行无线网络节点优化部署，设计高效时分多址协议进行的低功耗无线网络体系负载调度的时隙分配，实现动态负载均衡调度。研究得知，本文方法能提高低功耗无线网络体系的动态负载均衡调度能力，提高数据包转发准确性，优化了网络的组网构架体系。