跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法研究
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1跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)通信原理
跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化通信對于機載在跨區(qū)域的移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能和安全性能起著重要作用。當前的優(yōu)化模型一般采用路徑節(jié)點選擇的方法完成，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)信息搜尋路徑的過程依據(jù)前個通信節(jié)點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)路徑長度釋放不同濃度的信息素，并對走過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時刻一次只能選擇一個城市作為搜索終點，搜索n次后返回原點，即為一次循環(huán)。由上可知，在某時刻t城市i中的信息搜尋城市j為終點的概率可以用下述公式描述式中，pkij(t)用來描述在時刻t信息位置轉(zhuǎn)移的概率，τij(t)用來描述時刻t信息在路徑ij所留信息量，ηij用來描述城市i轉(zhuǎn)移至j的啟發(fā)信息，allowedk={1，2，…，}n－tabuk用來描述信息k可以選擇的待選路徑，集合tabuk用來記錄信息k已走過的路徑，并隨著搜尋進程而變動。搜尋路徑上的信息量經(jīng)過一段時間后會消失，n個時刻完成一個循環(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τij(t+n)=ρ×τij(t)+Δτij，ρ∈(0，1)(3)Δτij=∑mk－1Δτkij(4)其中，Δτkij用來描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點路徑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)過路徑ij，則Δτkij=QLk，否則，Δτkij=0，其中，Q用來描述信息k進行一次循環(huán)所釋放的信息總量，Lk用來描述信息k當前所經(jīng)過路徑長度。當前的優(yōu)化模型設(shè)計沒有考慮飛機高空快速、跨區(qū)域移動的特點，出現(xiàn)了越來越多的跨區(qū)域節(jié)點選擇通信的現(xiàn)象，造成傳統(tǒng)的跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)傳輸模型在頻繁的跨區(qū)域節(jié)點選擇中不穩(wěn)定。
2基于自適應(yīng)蟻群算法的跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型
利用傳統(tǒng)算法進行跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型設(shè)計，無法避免由于高空干擾過大造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣冗^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)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。
2．1移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的構(gòu)建
假定跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)用G=(V，E)表示，V是節(jié)點集合，其中的任意一個節(jié)點v代表一個通信器，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pj進行運算獲取該路徑權(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)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題可以看作在以下描述的條件下搜索G中路徑ps的過程: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)化計算的成功率可以用下式計算獲取:通過上面闡述的方法，可以構(gòu)建跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。
2．2跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程
跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中采用自適應(yīng)蟻群算法的原理，自適應(yīng)蟻群算法在實現(xiàn)過程中，按照一定規(guī)則劃分求解區(qū)域為若干小區(qū)域，然后對小區(qū)域進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)對初始信息素進行分配，依據(jù)相關(guān)原理決定新區(qū)域選擇的概率。依據(jù)信息素分布進行調(diào)整，結(jié)合自適應(yīng)調(diào)整相關(guān)系數(shù)、信息素數(shù)量等，實現(xiàn)全局最優(yōu)解的獲取，具體實現(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，隨機給定的螞蟻數(shù)量為m個，依據(jù)相關(guān)原理對Q，ρ值進行設(shè)置;Step2:依據(jù)相關(guān)規(guī)則對待搜索區(qū)域進行劃分，分別對劃分后的小區(qū)域進行搜索，對于搜索到的各個小區(qū)域的最優(yōu)值進行組合，收集初始信息素分布狀況，劃分區(qū)域示
3實驗結(jié)果與分析
為了驗證改進算法的優(yōu)越性，需要進行一次實驗。在實驗過程中，根據(jù)Waxman理論，隨機生成與實際跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)特性較為相似的圖，依據(jù)一定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)，隨機分配節(jié)點間的距離，則給定節(jié)點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表示隨機兩個節(jié)點間的距離最大值，參數(shù)α與β的取值范圍在0到1之間，當β的取值增大，則移動網(wǎng)絡(luò)弧的密度隨之增大，相反，移動網(wǎng)絡(luò)弧密度隨之減小。在實驗過程中，分別給定參數(shù)值為α=0．5，β=0．8，節(jié)點vi與vj之間的距離取區(qū)間(0，500)的隨機整數(shù)值，給定移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在20～80之間。分別采用傳統(tǒng)算法和改進算法進行實驗，對算法的CPU耗時、平均路徑長度、平均通信跳數(shù)及平均通信等級四個性能進行評析。機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計，其網(wǎng)絡(luò)CPU耗時與平均路徑長度均低于傳統(tǒng)算法，其通信跳數(shù)大致相當，而利用改進算法的鏈路狀態(tài)等級遠遠高于傳統(tǒng)算法，因此，具有顯著的優(yōu)越性。
4結(jié)語
針對跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中，無法避免的由于高空節(jié)點區(qū)域切換造成跨區(qū)域移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度過慢、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)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。依據(jù)相關(guān)理論建立跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建計算成功率公式，采用自適應(yīng)蟻群算法理論，劃分待搜索區(qū)域為若干小區(qū)域，然后分別對小區(qū)域進行求解獲取最優(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)、信息素數(shù)量等，獲取全局最優(yōu)解，實現(xiàn)跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，利用改進算法進行跨區(qū)域機載移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，能夠保證機載跨區(qū)域移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，提高跨區(qū)域機載移動網(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)院計算機科學(xué)與應(yīng)用系
