面向空间信息光网络的宽带无线微波接入控制

2021-12-10王梦晓李香菊谢修娟

计算机仿真 2021年11期

王梦晓，李香菊，谢修娟

(东南大学成贤学院电子与计算机工程学院，江苏南京210088)

1 引言

宽带无线微波接入控制技术是现阶段较为热门的一项无线城域网技术[3]。该技术是关于微波和毫米波频段提出的一种新型空中接口标准。拥有数据传输速度快、传输距离远、维护升级简便等诸多优势。由于宽带无线微波管理及数据安全等限制条件，空间信息多数是面向行业的、依附于固定的运行环境，用户对空间信息光网络的地理信息共享需求越发强烈，在数据级、信息级与服务级等层次均表现出不同程度的异构特性[1]，不能进行相互沟通与协作，很难满足网络中空间信息的决策请求。针对应用的深层次挖掘，更加体现出互操作不当所引发的种种问题，由此，共享空间信息资源问题也成为研究人员共同攻克的主要难题[2]。

由此，本文设计一种面向空间信息光网络的宽带无线微波接入控制。描述空间信息光网络相关原理及特征，针对网络突发性失效，提出基于自然连通系数的空间信息光网络结构优化模型，增强网络体系坚固性，确保空间地理信息精度；以宽带无线微波接入控制技术为基础添加IAVB(节能调度)方法，通过时隙操作得到最短调度周期，加入空闲状况阈值，改善虚拟突发终止条件；利用协议测试手段建立宽带无线微波接入控制，该系统能够实现空间地理位置数据的动态匹配与交互，且能耗较低，具备相当的实用性。面向空间信息光网络的宽带无线微波接入控制交互精度与效率均较高，可在真实场景下进行广泛运用。

2 空间信息光网络分析

空间信息光网络是将空间平台当作载体，利用多种模式的链路一体化网络，是空间信息体系化应用的基础设备。因为空间信息光网络具有一定的脆弱性，容易受到宇宙空间辐射干扰源干扰，可能导致节点与链路产生突发性失效[4]。所以，构建一个拥有强壮性的空间信息光网络拓扑结构是十分必要的。特征谱就像空间信息光网络中的指纹，不同类别的网络具备各不相同的特征谱，特征谱内基本涵盖了网络结构的全部信息。

假设E(G)=(aij)N×N是空间信息光网络G的邻域矩阵，aij为网络节点i、j之间的连接状态，如果i、j之间拥有链路，那么aij=1，反之等于0。考虑双向通信链路，可将G当作一个无向图，所以E(G)是对称矩阵，因此E(G)的拉普拉斯矩阵为

(1)

空间信息在网络内传输路径为信息经过链路及节点的集合[5]，将传输路径记作

w={s1l1s2l2…lksk|li∈L，si∈S}

(2)

式中，S表示网络内节点集合，L表示网络内链路集合，k表示信息传输的路径长度。

(3)

(4)

W1的值越大，证明网络内的闭环个数越多，即网络冗余路径越多。提升网络的冗余性，可以极大增强网络的强健度。从式(4)可知，因为存在反复计算边及节点的可能性，所以W→∞。研究表明，较长的路径反复计算概率较大，对网络的抗毁性贡献就较少。为了解决这一难题，同时保证收敛度，将改进后的W′表示为

(5)

根据式(5)可以看出，闭路径个数W′能够直接使用空间信息光网络的特征谱进行求解，同时也映射了网络特征谱和网络抗毁性的潜在关联，进一步求解W′的自然对数，得到

(6)

将空间信息光网络模型定义为

G={D，H，L，E}

(7)

本文通过将自然连通系数当作空间信息光网络的抗毁性衡量标准，融合空间信息光网络模型，最后构建网络的抗毁性优化模型

(8)

通过上述过程，可以有效增强空间信息光网络性能的稳固性，为空间地理位置的精准交互提供充分条件。

3 宽带无线微波接入控制

宽带无线微波接入控制是一种基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入局域网技术，可以在局域网内一对多的复杂环境下，提供有效的互操作宽带无线接入方法[6]。宽带无线微波接入控制技术转换底层流程和传统蜂窝网络具有一定的相似度，其中包含转换前的检测与触发、转换发生及处理、转换后的数据转发等流程。该技术具备搭建成本低、易拓展等优势，是未来最有潜力的宽带无线微波接入控制技术之一。因此，本文面向空间信息光网络构建一个宽带无线微波接入控制方法，以此完成网络与业务请求的动态匹配，实现空间地理位置信息的实时共享和数据网络化传输应用。

因为宽带无线微波接入控制的移动节点关键依靠电池供电，在接入控制前，对能量损耗问题的研究至关重要。由此提出一种基于IAVB的节能调度方法，方法的具体实现步骤如下：

若MS节点原始宽带请求Q={q1，q2，…，qn}，可获得MS节点vi的请求带宽

(9)

因为带宽请求和正交频分复用码元具备相对关联，每个链路在各帧内的时隙请求为

(10)

根据上述分析可以看出，vi的能耗是通过其在清醒状况的时间、从休眠到清醒状况的改变次数以及可用带宽决定的，所以，vi在一定时间T′中的全局能耗Pi为

(11)

式中，Di表示vi在时间T中保持清醒状况的时隙总数，Li表示vi从休眠状况改变到清醒状况次数。减少系统能耗的目的是保证服务质量的同时，让系统的平均能耗为最低。

网络链路E和时隙N的映射关联可以采用矩阵I进行表达，且满足链路在时序内的传输条件

(12)

因为移动节点在空闲时也在耗费能量，所以假设节点能够在清醒状况时持续收发数据，在没有数据传输时进入休眠状况，这样能够降低能量损耗情况[7]。将移动节点进入休眠状态的收敛条件定义为

(13)

(14)

(15)

通过式(15)可以计算出

(16)

把式(16)引入式(18)，获得移动终端vi在一次时隙分配后处在空闲状况的预期时间是

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

式中，E′表示任意突发开始时处在清醒状况的移动节点集合，j(j∈E′)表示处于清醒状况的移动节点索引。式(21)可以显示移动节点目前的信道质量状态，更加精准挑选出最短时间内实现休眠最低速度请求的终端作为主移动终端。

空闲率就是一个虚拟突发中主移动终端的空闲时隙个数和总时隙个数的此例，表示为ξ。空闲率ξ为主移动终端占据带宽资源的水平，ξ越小证明主移动终端在虚拟突发中得到的资源越多，反之越少。ξ伴随次移动终端个数的增长而增多。由于必须对各个次移动终端进行时隙分配，保障服务质量的稳定性，所以ξ也是虚拟突发中次移动终端的递增函数，将其表示成

(22)

式中，Ea表示次移动终端集合，C表示信道总容量。突发虚拟终止标志为

ξ≥ε

(23)

式中，ε为系统参变量。

关于真实系统内极易出现的两种特殊状况制定了附加虚拟突发终止条件：若ξ小于系统参变量，在主移动终端请求休眠时，则终止虚拟突发；在系统内移动节点较多的情况下，导致主移动终端得到的数据速度不符合休眠条件时，会出现ξ≥ε的状况。这时不可立即终止虚拟突发，而是等待主移动终端实现休眠数据速度后再终止当前突发，否则会形成能量损耗。所以，虚拟突发终止的关键条件是主移动终端目前速度大于可休眠的最低速度请求，记作

(24)

通过上述方法描述，可以最大限度减少终端系统能耗，提升系统的资源利用率。

4 仿真研究

为了证明本文方法的有效性，进行仿真。实验硬件配置设置为PC机Pentium(R)4CPU2.50GHz，windows10操作系统，CPU为3.5GHz，运行内存为4GB，软件开发环境为Matlab、C/C++为实验编写程序和方法流程。

图1为理想的宽带无线微波接入控制模型示意图。

图1 理想的宽带无线微波接入控制模型

在该控制模型中，各个被测对象均通过用户接口进行检测活动，所以在图1中，检测器1与检测器2分别为被测网络实现1及被测网络实现2的用户。本文方法主要是为了控制对空间信息光网络的交互能力，且尽量完成与空间信息光网络的信息交换。

理想状态的宽带无线微波接入控制的构建有以下几个难点：首先，因为宽带无线微波接入控制与被检测网络独立存在于不同系统之内，要了解被检测网络的通信业务，就必须可以对其进行监听；其次，因为检测器布置在每个被测网络中，协调同步的及时性得不到保证。为了有效解决上述问题，构建一个改进的宽带无线微波接入控制模型，具体如图2所示。

图2 改进的宽带无线微波接入控制模型

从图2可知，宽带无线微波接入控制模型与两个被测网络分别处于独立系统中，检测系统利用测试协调过程来管理与控制三个检测器。UT1使用于IUT1的检测，UT2作用于IUT2的检测，LT用于采集底层数据。两个被测的空间信息光网络中的辅助检测器用于配合宽带无线微波接入控制的上测器完成检测，最终实现信息实时交互。

为了进一步验证面向空间信息光网络的宽带无线微波接入控制的效果及可行性，分别进行宽带无线微波接入控制内存需求对比，具体结果如图3所示。