模糊理論在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的應(yīng)用

模糊理論在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的應(yīng)用

　　【摘 要】隨著無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，合理高效的分布式算法體系的設(shè)計尤為重要。而模糊理論以模糊不確定復雜系統(tǒng)為研究對象并對其進行嚴格量化處理，為分布式算法體系的設(shè)計提供了有力保障。討論了模糊理論在無線信道估計、負載均衡及流量預測等方面的應(yīng)用，事實證明，模糊理論的應(yīng)用對Ad hoc網(wǎng)絡(luò)性能的提升具有積極的作用。

　　【關(guān)鍵詞】模糊理論;Ad hoc;負載均衡

　　前言

　　無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)起源于美國DARPA的分組無線網(wǎng)(PRNET， Packet Radio Network)項目，是由IEEE802.11標準委員會定義的一種對等式無線通信網(wǎng)絡(luò)。不同于以蜂窩移動通信系統(tǒng)為代表的中心輻射式架構(gòu)，Ad hoc不依賴于任何預設(shè)設(shè)施，適用于固定通信設(shè)施無法覆蓋及各類臨時通信場景，網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點處于平等的地位，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈合，具有良好的自治性及抗毀性能。Ad hoc的另一個特性在于各節(jié)點均支持數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可實現(xiàn)多跳通信，支持動態(tài)拓撲，方便網(wǎng)絡(luò)進行規(guī)模及空間的拓展。正是由于上述種種優(yōu)勢，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)已作為重要的通信領(lǐng)域重要的組成部分廣泛應(yīng)用于臨時會議、個人局域網(wǎng)、智能硬件、抗震救災、野外勘探、軍事打擊等方面。

　　由于Ad hoc采用分布式架構(gòu)，其算法設(shè)計相對于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)集中式的網(wǎng)絡(luò)更為復雜，設(shè)計高效可行的算法體系已成為該領(lǐng)域的研究熱點之一。

　　1 模糊理論介紹

　　隨著社會的進步，研究對象日趨復雜，其表現(xiàn)的非線性、時變性、不確定性使得精確數(shù)學模型的建立無法實現(xiàn)，動搖了傳統(tǒng)理論分析的基石。

　　模糊理論(Fuzzy Theory， FT)屬于運籌學范疇，打破了以二值邏輯為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)思維，接受模糊性現(xiàn)象存在的事實，并對其進行模糊綜合評價，最終得到精確量化的輸出，特別適用于非線性、時變、滯后、模型不完全系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　模糊決策的設(shè)計包含輸入維度的選擇、模糊語言取值、隸屬度函數(shù)的確定、模糊規(guī)則庫的建立、模糊推理及解模糊化等步驟。其中輸入維度應(yīng)選擇與輸出值具有明顯邏輯關(guān)系的元素;模糊語言取值通常選取3、5或者7個，如取{負大，負小，零，正小，正大};隸屬度函數(shù)描述了各維度及輸出取值到模糊語言集的映射;模糊規(guī)則庫又稱專家?guī)�，由若干條if-then結(jié)構(gòu)的模糊語句組成，是從實際經(jīng)驗值過渡到模糊決策的核心環(huán)節(jié)，屬于模糊理論設(shè)計的難點;模糊推理是利用規(guī)則庫對實際輸入值進行判決獲取輸出值的過程;解模糊化則對模糊的輸出值進行量化，完成模糊系統(tǒng)向精確系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。

　　2 模糊理論應(yīng)用

　　2.1 信道估計

　　無線信道由于多徑、衰落、多普勒頻移等因素影響具有明顯的時變性，因此Ad hoc協(xié)議設(shè)計需實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的感知，并自適應(yīng)的調(diào)整工作參數(shù)，以保證系統(tǒng)的自組織特性�，F(xiàn)有算法中前向信道狀態(tài)僅在收到反饋信息時進行更新，而為防止過多的開銷，反饋系統(tǒng)間隔設(shè)置往往較長，造成采納值相對于實時值存在較大的時間落后性。而合理運用模糊理論，則可以從數(shù)據(jù)接收反饋、反向信道感知等多個維度對信道狀態(tài)進行修正，保證前向信道狀態(tài)的采納值向?qū)崟r值的逼近，從而提升數(shù)據(jù)吞吐量及傳輸正確性。

　　2.2 負載均衡

　　Ad hoc屬于典型的多跳網(wǎng)絡(luò)，報文通常需要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)才能到達目的節(jié)點。受無線信道本身的物理特性限制，其提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對于有線信道要低得多，若網(wǎng)內(nèi)存在多個業(yè)務(wù)，則會增加因為個別節(jié)點負載較重而影響整個網(wǎng)絡(luò)性能的概率。為從根本解決這個問題，需要源節(jié)點及各中繼節(jié)點在進行路由優(yōu)選時運用模糊理論建立以Qos指標如時延、抖動為因素的綜合評價機制，從而保證業(yè)務(wù)的快速傳遞及并發(fā)傳輸，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級的負載均衡。

　　2.3 流量預測

　　無線流量預測對于網(wǎng)絡(luò)性能研究意義重大，通過合理有效的預測，可以相應(yīng)調(diào)整業(yè)務(wù)的接納控制，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的分配，保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，提升網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能。而模糊預測作為預測機制研究的重要分支，通過模型預測、滾動優(yōu)化、反饋校正等機理來完成預測分析，目前已在電力負荷、工業(yè)控制、經(jīng)濟分析等領(lǐng)域取得良好的效果。對于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，可以通過建立模糊多項式，利用對歷史數(shù)據(jù)對各階系數(shù)進行在線的因素篩選及擬合逼近，并從精度、模糊度、擬合度三方面進行考核評價，最終達到業(yè)務(wù)流量預測的目的。

　　3 結(jié)束語

　　本文討論了模糊理論在無線通信領(lǐng)域多方面的應(yīng)用，從中可以發(fā)現(xiàn)模糊理論的適當運用有助于改善網(wǎng)絡(luò)性能。

　　模糊理論不依賴于精確地數(shù)學建模，簡化系統(tǒng)設(shè)計的復雜性，符合現(xiàn)代通信理論的原則。但模糊控制仍存在設(shè)計缺乏系統(tǒng)性、隸屬度量化精度難以確定、模糊規(guī)則通常根據(jù)經(jīng)驗獲取等多方面問題亟待解決。隨著模糊理論的日益成熟，其在無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域及其他領(lǐng)域的應(yīng)用勢必會更加廣泛。

　　【參考文獻】

　　[1]劉合香.模糊數(shù)學理論及其應(yīng)用[M].北京：科學出版社，2012.

　　[2]方志明.自適應(yīng)模糊控制理論的研究[D].江蘇大學，2003.

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