光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度研究

　　傳統(tǒng)光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度方法只注重傳輸時延、節(jié)點能耗均衡性和優(yōu)先性中的一方面，調(diào)度性能不佳。為此，提出一種新的光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度方法。構(gòu)建融合樹，在此基礎(chǔ)上，通過GRDAT方法實現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)融合。為了降低沖突現(xiàn)象的發(fā)生，通過節(jié)點剩余能量對光纖網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點的廣播進(jìn)行調(diào)度，給出光纖網(wǎng)絡(luò)融合的詳細(xì)過程。把含有差異性云數(shù)據(jù)的激活鏈路集看作調(diào)度對象，通過設(shè)置閾值把優(yōu)先級高的鏈路歸至調(diào)度對象，通過修正閾值保證加權(quán)時延與能量消耗間的平衡。利用融合樹結(jié)構(gòu)中鏈路間的沖突關(guān)系，建立鏈路沖突矩陣。依據(jù)沖突矩陣，通過構(gòu)建近似最大加權(quán)獨立集獲取時隙中的通信鏈路集合，實現(xiàn)鏈路中云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度。實驗結(jié)果表明，所提方法能夠降低光纖網(wǎng)絡(luò)資源占用率和擁塞率，提高平均吞吐率，調(diào)度性能優(yōu)。

　　《無線電通信技術(shù)》本刊堅持為社會主義服務(wù)的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導(dǎo)，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅持實事求是、理論與實際相結(jié)合的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)，傳播先進(jìn)的科學(xué)文化知識，弘揚(yáng)民族優(yōu)秀科學(xué)文化，促進(jìn)國際科學(xué)文化交流，探索防災(zāi)科技教育、教學(xué)及管理諸方面的規(guī)律，活躍教學(xué)與科研的學(xué)術(shù)風(fēng)氣，為教學(xué)與科研服務(wù)。

　　1 引言

　　在光纖網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量、處理能力和通信帶寬等資源有限，而光纖網(wǎng)絡(luò)融合為解決上述資源限制的有效方式，通過融合不同光纖網(wǎng)絡(luò)信息，可降低傳輸數(shù)據(jù)量，達(dá)到節(jié)省資源的目的[1，2]。但光纖網(wǎng)絡(luò)融合后數(shù)據(jù)存在差異化，且實際應(yīng)用時，希望把采集信息以最快的速度傳輸至決策者。因此，研究光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度方法具有重要意義[3]。

　　通常通過以下幾個方面衡量光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度方法的有效性：通過調(diào)度減少因沖突導(dǎo)致的光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸時延升高;使節(jié)點間能耗平衡，從而增加光纖網(wǎng)絡(luò)使用壽命;針對存在差異的云數(shù)據(jù)需區(qū)別處理，使高優(yōu)先級云數(shù)據(jù)被優(yōu)先調(diào)度[3，4]。但當(dāng)前常用方法大多只針對其中一個方面進(jìn)行研究，如優(yōu)先級方法只考慮優(yōu)先處理方面，忽略了另兩方面;遺傳方法將調(diào)度時延最低作為約束條件，沒有考慮優(yōu)先性，調(diào)度結(jié)果均不佳[5]。

　　針對上述方法的弊端，提出一種新的光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度方法。實驗結(jié)果表明，所提方法調(diào)度性能優(yōu)。

　　2 光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度

　　2.1構(gòu)建融合樹

　　在光纖網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)時利用反向組播樹的形式從分散的節(jié)點逐步匯集數(shù)據(jù)并傳輸。如圖 1所示，C、D、E、F四個節(jié)點檢測到某事件，若傳輸數(shù)據(jù)的路徑形成一顆反向組播樹，則將該樹稱作數(shù)據(jù)融合樹，樹中所有節(jié)點都可對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合 [6]。

　　在構(gòu)建數(shù)據(jù)融合樹時，引入Steiner樹，下面給出其定義[7]。給出圖[B=U，S]，其中[U]用于描述圖[B]的節(jié)點集，[S]用于描述圖[B]的邊集。用[m=U]描述圖[B]的節(jié)點數(shù)，用[S]描述圖[B]的[S]鏈路數(shù)，則邊的費用函數(shù)可描述成[c：S→V]。組播節(jié)點集[E]為[U]的子集，[n=E]，則Steiner樹可定義成從圖[B]中找出覆蓋[E]中每個節(jié)點的最小生成樹，也就是令樹的費用達(dá)到最小。最小生成樹即為Steiner樹，用[RsUR，Sv]進(jìn)行描述，[E]代表[U]的子集，[Sv]代表[S]的子集。

　　在Steiner樹中，將歸屬于[E]的節(jié)點稱作組播節(jié)點，將屬于[UR]但不屬于[E]的節(jié)點稱作非組播節(jié)點或非Steiner節(jié)點。

　　在對光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合時，所有數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)均最低的DC路由可變成最小Steiner樹。

　　2.2光纖網(wǎng)絡(luò)融合

　　本節(jié)在構(gòu)建融合樹的基礎(chǔ)上，通過GRDAT方法實現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)融合。該方法要求所有節(jié)點均以某種特定格式交換配置消息[Pk]，主要包括節(jié)點標(biāo)識[Ak]、節(jié)點在融合樹的父節(jié)點[Qk]、節(jié)點剩余能量[Wk]、與匯聚節(jié)點間的路徑長度[Lk]、節(jié)點分組標(biāo)識[Ik]、節(jié)點[k]傳輸至匯聚節(jié)點的傳輸時延[Tk]和信息[Pk]傳輸時間戳[TPk]。配置消息[Pk]可描述成[Pk=Ak，Qk，Wk，Lk，Ik，Tk，TPk]。

　　為了降低沖突現(xiàn)象的發(fā)生，通過節(jié)點剩余能量對光纖網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點的廣播進(jìn)行調(diào)度，GRDAT為所有光纖網(wǎng)絡(luò)[m]關(guān)聯(lián)了一個定時器[tm]，[tm]的初始值用[t0m]進(jìn)行描述，其為剩余能量[Wm]的單調(diào)遞增函數(shù)，定義[t0m= 1Wm]。

　　為了給源節(jié)點構(gòu)建至匯聚節(jié)點的兩條路徑CD和EF，所有節(jié)點均需選擇兩個父節(jié)點，依次用[Qcd]和[Qef]進(jìn)行描述[8]。

　　(6)如果節(jié)點[v]一段時間內(nèi)未接收新的配置消息，則向其當(dāng)前父節(jié)點發(fā)送選擇通知;

　　(7)父節(jié)點接收通知消息后，按照時間戳求出傳輸延遲，對和最小延遲選擇通知相應(yīng)的子節(jié)點進(jìn)行標(biāo)識，并記錄子節(jié)點量[10];

　　(8)重復(fù)上述過程，直至所有節(jié)點都將其配置消息廣播了一次，通過Steiner樹實現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)融合。

　　2.3云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度

　　光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度最終目的是為光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配傳輸時隙，使傳輸時延盡可能少，節(jié)點能耗盡可能均衡。本節(jié)云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度主要包括兩個階段：利用融合樹結(jié)構(gòu)中鏈路間的沖突關(guān)系，建立鏈路沖突矩陣;依據(jù)沖突矩陣，通過構(gòu)建近似最大加權(quán)獨立集獲取時隙中的通信鏈路集合，實現(xiàn)鏈路中云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度[11]。在此之前，給出以下定義。

　　上述輸出結(jié)果即為光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)差異化調(diào)度結(jié)果。

　　3 實驗及結(jié)果分析

　　實驗從資源占用率、平均吞吐率和光纖網(wǎng)絡(luò)擁塞率三個方面，將優(yōu)先級方法和遺傳方法作為對比，對本文方法調(diào)度性能進(jìn)行測試。

　　3.1 資源占用率測試

　　實驗時間選擇2017年9月1日～2017年9月30日，此期間在光纖網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行本文方法、優(yōu)先級方法和遺傳方法，對30天光纖網(wǎng)絡(luò)的資源占用情況進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖3和表1所示。

　　分析圖3和表1可知，2017年9月1日，光纖網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行本文方法后，資源占用率從74.43%降低至52.68%，降低了21.75%，且資源占用率整體呈下降趨勢;而光纖網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行優(yōu)先級方法后，資源占用率從74.43%變成71.69%，雖然有所下降，但下降幅度小，且變化趨勢無規(guī)律，波動較大;運(yùn)行遺傳方法后，資源占用率從74.43%降低至62.75%，降低幅度高于優(yōu)先級方法，但低于本文方法，且波動較大。說明采用本文方法后，光纖網(wǎng)絡(luò)資源占用率明顯降低，且變化平穩(wěn)。

　　3.2 平均吞吐率測試

　　2017年9月1日開始運(yùn)行本文方法、優(yōu)先級方法和遺傳方法后，光纖網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率變化情況用圖4和表2進(jìn)行描述。

　　分析圖4和表2可知，實驗期間，運(yùn)行本文方法的光纖網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率從3.826%升高至4.931%，提升比例高達(dá)28.88%;而運(yùn)行優(yōu)先級方法的光纖網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率從3.826%變化至3.911%，提升比例僅為2.22%;按照同樣的方式可知遺傳方法的提升比例為3.5%，明顯低于本文方法，說明本文方法能夠提高光纖網(wǎng)絡(luò)的吞吐率，調(diào)度性能高。

　　3.3 擁塞率

　　運(yùn)行本文方法、優(yōu)先級方法和遺傳方法后，光纖網(wǎng)絡(luò)擁塞率變化情況用圖5和表3進(jìn)行描述。

　　分析圖5和表3可知，2017年9月1日開始運(yùn)行本文方法、優(yōu)先級方法和遺傳方法后，本文方法擁塞率下降了0.025%，優(yōu)先級方法擁塞率下降了0.012%，遺傳方法擁塞率下降程度最低，只下降了0.009%，本文方法擁塞率降低程度最高，說明本文方法調(diào)度性能佳，可提高光纖網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

　　4 結(jié)論

　　本文提出一種新的光纖網(wǎng)絡(luò)融合后云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度方法。構(gòu)建融合樹，通過GRDAT方法實現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)融合。依據(jù)沖突矩陣，通過構(gòu)建近似最大加權(quán)獨立集獲取時隙中的通信鏈路集合，實現(xiàn)鏈路中云數(shù)據(jù)的差異化調(diào)度。經(jīng)實驗驗證，所提方法調(diào)度性能優(yōu)。

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