基于自适应遗传算法的无线激光通信网络负载均衡成簇算法_沈小渝.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 3 月激光杂志LASE JOUNALVol.44，No.3March，2023http /www laserjournal cn收稿日期:20220817基金项目:中央引导地方科技发展专项资金(No 2020JH6/10500067)、辽宁省博士科研启动基金计划项目(No 2019BS121)作者简介:沈小渝(1980)，男，硕士，副教授，主要研究方向:通信抗干扰，通信网络。基于自适应遗传算法的无线激光通信网络负载均衡成簇算法沈小渝1，李晗2，李红映31电子科技大学成都学院，成都611731;2宁工业大学电子与信息工程学院，辽宁 锦州121000;3浙江农林大学信息与教育技术中心，杭州311300摘要:由于无线激光通信网络吞吐量低、节点传输延时高和存在分组丢失率多等问题，提出基于自适应遗传算法的无线激光通信网络负载均衡成簇算法。利用 AGCH 算法对无线激光通信网络节点进行分组和成簇，从中取得簇头节点，构建资源调度模型，利用该模型对簇头节点中的资源进行分配调度，采用自适应遗传算法对建立的模型进行求解，以此提升无线激光通信网络负载均衡效果，实现无线激光通信网络负载均衡。实验结果表明，通过对该算法进行网络吞吐量测试、节点传输延时测试和分组丢失率测试，验证了该算法的有效性强、实用性高。关键词:自适应遗传算法;无线激光通信网络;网络负载均衡;成簇算法中图分类号:TN911.5文献标识码:Adoi:10.14016/j cnki jgzz.2023.03.205Load balancing clustering algorithm for wireless laser communicationnetwork based on adaptive genetic algorithmSHEN Xiaoyu1，LI Han2，LI Hongying31Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China;2Liaoning University of Technology，School of Electronic and Information Engineering，Jinzhou 121000，China;3Zhejiang AF University，Information and Education Technology Center，Hangzhou 311300，ChinaAbstract:Due to the problems of low throughput，high node transmission delay and high packet loss rate in wire-less laser communication network，a load balancing clustering algorithm based on adaptive genetic algorithm is pro-posed for wireless laser communication network The AGCH algorithm is used to group and cluster the wireless lasercommunication network nodes，and the cluster head nodes are obtained from them，and a resource scheduling model isconstructed The model is used to allocate and schedule the resources in the cluster head nodes In order to improvethe load balancing effect of the wireless laser communication network and realize the load balancing of the wireless lasercommunication network The experimental results show that the algorithm has strong effectiveness and high practicabili-ty through the network throughput test，node transmission delay test and packet loss rate testKey words:adaptive genetic algorithm;wireless laser communication network;network load balancing;clusteringalgorithm1引言我国发展至今，除了经济水平愈加提升外，无线通信技术1 也在飞速发展，早在多年前我国就已经步入了真正的无线通信时代，这无疑给人们的生活带来巨大的便利。通常情况下无线通信网络的主要控制方式分成两种，第一种为集中控制方式，将依赖网络设备的无线网络归类，利用设备基础设施控制无线网络通信;另一种为非集中控制方式，通过临时快速组网实现该控制。在过去这种无线网络通信控制方式应用广泛，而且人类使用效率较高，但随着时间的飞逝，我国科技发展水平愈加增强，人们对无线通信网络的传输速率2 要求也愈加增多，这时无线通信技术http /www laserjournal cn有了进一步的提升，设计出无线激光通信技术，该技术既满足人类需求，又有着自身独到的优势，在无线激光通信网络中占据着重要地位。无线激光通信技术对网络信息进行传输时，无法保证网络负载均衡。因此，对无线激光通信网络负载均衡成簇是现在的首要责任。蒋雯丽等人3 提出基于贝叶斯网络的 SDON 控制器自学习负载均衡算法，该算法为了防止控制器超出自身负载状况，对控制器中的负载拥塞进行预测，并将预测结果与学习算法相结合，从中获取到控制器的最优动作决策，再对控制器的权重调节，实现负载均衡，该算法的预测结果存有误差，存在负载均衡效果差的问题。陈伯文等人4 提出频谱灵活光网络的故障概率与光纤链路负载均衡联合优化算法，由于网络在使用期间容易发生故障，而网络的光纤链路极易超出自身负载，致使网络不能正常应用，所以该方法建立一个负载均衡评估模型，利用该模型对光网络优化，从而实现负载均衡算法，该方法构建的评估模型不够完善，存在网络吞吐量低的问题。刘云彪等人5 提出基于贪心策略的多节点并行光线跟踪负载均衡均匀算法，该方法根据 GPU 的优势，划分了空间内部图像，并构建出一个影响度图，以此建立出一个光线任务队列，依据光线负载均衡对光线结点渲染任务进行分配，从而实现光线负载均衡，该方法的分配效果存有欠缺，存在节点传输延时高的问题。为了解决上述方法中存在的问题，提出基于自适应遗传算法的无线激光通信网络负载均衡成簇算法。2基于 AGCH 算法的负载均衡成簇算法为了能够实现无线激光通信网络负载均衡，利用AGCH 算法将无线激光通信网络节点划分成两个阶段，分别是分组阶段和成簇阶段两种，从中取得簇头节点，实现无线激光通信网络负载均衡成簇。(1)无线激光通信网络负载均衡分组对无线激光通信网络阶段进行分组时，需要把网络节点6 划分成相同距离的若干组，经过一个周期后，就可以再次对网络进行分组。首先利用分布式距离竞争算法，把无线激光通信网络节点 ID 用作比较依据，再对其进行分组，具体的分组流程表示如下:在各个无线激光通信网络节点中生成一个 01的随机数，并设立一个概率阈值 T7，若随机数要低于 T，那么该节点就可以作为候选组首，参与到无线激光通信网络均衡节点竞争中。设置 N 代表无线激光通信网络的节点总数量，对网络均衡节点进行监测的区域面积由 A 进行描述8，而 k 则是网络节点中的最优分簇数。选取组首竞争区域半径由 u*标记，其中，u 标记为调节因子，标记为半径。则利用下式对 进行计算，表示为=Ak(1)假设竞争节点集合由 Scp 来描述，那么候选组首i 的 Scp 就可定义为i Scp=j|j 代表候选组首，(i，j)u*(2)当无线激光通信网络中的各个候选组首得到竞选消息后，就可以依据接收的消息构建邻近竞争节点集合 Scp。构建完成后可以根据下述规则竞选无线激光通信网络节点组首，该规则为:无线激光通信网络节点 i 需要确立在所有竞争集合中是否存在 ID 要高于它本身的节点，若存在才能做出决策，最后可以对自身是否能够用作组首进行确立。如果节点 i 本身的 ID 要高于其余节点9，那么节点 i 就赢得了竞争。如果节点 i 对候选节点 j 发出分组请求，那么 j 就需要退出整个竞争，成为一个普通的节点。所以当上述流程结束后，无线激光通信网络节点就会被划分成 k 个组，这样就完成了无线激光通信网络分组。(2)无线激光通信网络负载均衡成簇阶段依据上述网络节点的分组，在各个分组内选择一个簇首，并构建一个能量消耗模型，利用该模型将无线激光通信网络节点簇内能耗划分成两个部分，第一部分为:输送数据所耗费的能量;第二部分为:接收到数据后，簇首需要对数据进行融合1011，从而所消耗的能量。那么这时无线激光通信网络节点 i 的簇内通信代价就通过下述方程进行描述:cost(i)=j=G(i)，jid(i，j)2(3)式中，cost(i)描述的是通信代价，G(i)描述的是各个分组的节点集，d(i，j)描述的是节点 i 与节点 j 两者间的距离。为了降低无线激光通信网络负载均衡通信及其开销成本，利用节点与组内节点的最大距离与最小距离对无线激光通信网络负载均衡的通信代价进行估算。假设 2 为簇内节点的分组，而簇内圆心则是组首，其中网络成员节点 i 与组首之间的距离就表示为 h。当无线激光通信网络负载均衡节点分布的密度较为均匀时，2+h 就是节点最大距离，2h 就是节点最小距离。该节点的最终方程表达式定义为cost(i)=(2+h)2+(2h)2=2(42+h2)(4)设置无线激光通信网络负载均衡节点组中的簇602沈小渝，等:基于自适应遗传算法的无线激光通信网络负载均衡成簇算法http /www laserjournal cn首通过 EV 进行描述，并把 EV 用作主要选择依据，那么 EV 簇首的方程表达式定义为EV(i)=E(i)*cost(i)/cos?t(i)(5)式中，E 描述的是剩余能量。当无线激光1213 通信网络负载均衡节点组内的各个节点均向组首发出竞选消息时，其竞选消息内容中就包括 E。通过式(4)获取到 EV 的最大值，将最大 EV 值用作无线激光通信网络负载均衡簇首。而组内广播消息中，簇首 ID 与其余分组 ID 就是无线激光通信网络负载均衡中的簇成员，从而实现无线激光通信网络均衡成簇。基于 AGCH 算法对无线激光通信网络节点进行分组和成簇后，从中取得无线激光通信网络簇头节点，完成无线激光通信网络成簇。3基于自适应遗传算法的无线激光通信网络负载均衡3.1构建资源调度模型通过上述获取的簇头节点，构建一个资源调度模型，利用该模型对簇头节点中的资源进行分配调度，那么建立的资源调度模型流程如下所示:为了能够有效实现无线激光通信网络负载均衡，将簇头节点资源调度最短的调度时间用作主要因素。考虑到簇头节点资源总调度，需要对簇头节点的目标函数及约束条件1415 进行确立。由于簇头节点中的资源不同，所以资源调度分配的需求也大不相同，所以设置 aj标记为簇头节点 EV的调度时间及成本系数，i标记为 EV 的惩罚成本系数，将设置的系数加入到资源调度16 中，那么簇头节点资源调度的目标函数均表示为W1=mi=1nj=1ql=1aj+tij+xlijW2=mi=1nj=1ql=1aj+pl+xlijW3=mi=1nj=1ql=