移动通信网络最优通信节点拓扑定位方法研究
黄继文 黄旭方
摘 要： 为了提高移动通信网络的覆盖能力，提出一种基于自适应分层路由探测的移动通信网络通信节点拓扑定位方法。采用Sink节点分组协调机制进行通信网络负载均衡控制设计，同时采用最短收发路径寻优方法进行通信节点的自适应组网设计，计算网络链路节点的正确传递概率密度函数，求解其最优值，以此为优化目标进行分层路由探测，实现通信节点拓扑定位。仿真结果表明，采用该方法进行通信节点拓扑定位，提高了移动通信网络的覆盖度，以最少的节点实现最大范围的通信覆盖。
关键词： 移动通信网络； 通信节点； 拓扑定位； 均衡控制
中圖分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0047?03
Abstract： A topological positioning method of communication node in the mobile communication network is proposed to improve the coverage capacity of the mobile communication network， which is based on adaptive hierarchical routing detection. The Sink node grouping coordination mechanism is adopted to achieve balance control design of communication network load. The adaptive networking design of communication nodes is conducted by means of the shortest transceiving path optimizing method. The probability density function for correct transmission of the network link node is calculated to solve the optimal value， so as to optimize the hierarchical routing detection to realize the topological positioning of communication node. The simulation results show that the proposed method can improve the coverage capacity of mobile communication network and achieve the maximum communication coverage with the least nodes.
Keywords： mobile communication network； communication node； topological location； balance control
随着无线通信技术的发展以及移动网络覆盖范围的不断拓展，移动通信已经成为当前网络通信的主要方式。人们通过移动通信网络进行移动电话通信、手机上网和数据传输，移动通信成为人们生活的重要方式，移动通信网络的覆盖范围和信号传输的好坏成为影响人们生产工作和生活质量的重要因素[1]。研究移动通信组网优化在提高通信质量方面具有重要意义。为了提高移动通信网络的覆盖能力，提出一种基于自适应分层路由探测的移动通信网络通信节点拓扑定位方法，进行移动通信组网优化设计，提高移动通信组网中的节点覆盖范围。
1 移动通信网络的网络拓扑结构
1.1 移动通信网络的节点分布状态模型
为了实现移动通信网络最优通信节点拓扑定位，需要构建移动通信网络的网络拓扑结构，进行网络节点传输和拓扑结构分析[2]。首先给出移动通信网络的初始网络拓扑结构模型如图1所示。图1中，移动通信网络的节点分为Sink节点和转发节点等，分别表示网络传输的父节点和子节点。在移动通信网络中的每一个节点，有其自身的辐射半径，通过节点的优化定位部署，能使用最少的节点实现最大的网络信号覆盖。为了实现网络优化拓扑，首先给出3个假设，如下：
假设1：在移动通信网络的信息覆盖区域W中，每个节点覆盖的面积为一个圆形区域，网络节点的个数为n个，用集合S表示信道带宽，如下：
信息待覆盖区域中最优子节点位置相关的数据为[xηn]，节点覆盖点集的MSE估计值为[σ2η=E]，信息传输的偏差为[xη，?η∈Ωη]。根据上述假设，构建移动通信网络的网络拓扑的覆盖区域半径模型如图2所示。
1.2 通信网络负载均衡控制设计
移动通信网络簇头节点分布半径为[R=2r]，相对应的每个通信网络节点坐标[（xi，yi）]的圆心可表示为[Wi=xi，yi，r]。其中路由节点的传输半径为[r]，表示检测半径。在信息发散区域内根据欧氏距离的定义，Sink节点与移动网络基站间的距离为[5]：
通过上述步骤进行分层路由探测，实现通信节点拓扑定位，算法实现流程如图3所示。
3 仿真实验与结果分析
仿真实验采用Matlab进行数学仿真，首先建立移动通信网络的网络结构模型，通信的覆盖半径为R=1 000 m，移动通信网络Sink节点的初始覆盖半径[Rs=100]m，移动基站的位置为（0，0）。根据上述仿真设计，采用移动通信节点优化拓扑设计，以移动通信网络的覆盖度为测试参量，采用本文方法和文献[3]中的模糊C均值聚类节点定位拓扑算法进行对比分析，得到结果如图4所示。分析得知，采用本文方法进行移动通信网络的最优通信节点拓扑设计，提高了网络的覆盖度。本文方法采用40个节点就使得覆盖度收敛到100%，实现以最少的通信节点达到最大的通信覆盖，降低了通信组网的成本，提高了通信质量。
4 结 语
本文提出一种基于自适应分层路由探测的移动通信网络通信节点拓扑定位方法。采用Sink节点分组协调机制进行通信网络负载均衡控制设计，采用最短收发路径寻优方法进行通信节点的自适应组网设计，计算网络链路节点的正确传递概率密度函数，求解其最优值，以此为优化目标进行分层路由探测，实现通信节点拓扑定位。采用该方法进行通信节点拓扑定位，提高了移动通信网络的覆盖度，以最少的节点实现最大范围的通信覆盖，具有较好的实用价值。
参考文献
[1] 周晶.移动网络通信节点抗干扰方法的研究与仿真[J].计算机仿真，2014，31（8）：330?333.
[2] 张骏，田泽，梅魁志，等.基于节点预测的直接Cache一致性协议[J].计算机学报，2014，37（3）：700?720.
[3] THOMAS Y， XYLOMENOS G， TSILOPOULOS C， et al. Object?oriented packet caching for ICN [C]// Proceedings of ACM SIGCOMM Workshop on ICN. San Francisco， CA， USA： ACM， 2015： 89?97.
[4] YKARIM B， DJAMAL B， ALLEL H. On the use of fuzzy dominance for computing service skyline based on QoS [C]// IEEE International Conference on Web Services （ICWS）. Washington： IEEE， 2011： 540?547.
[5] 王洁，卢建朱，曾小飞.可及时确定受攻击节点的无线傳感器网络数据聚合方案[J].计算机应用，2016，36（9）：2432?2437.
[6] KIRCHNER G， KOIDL F， FRIEDERICH F， et al. Laser measurements to space debris from Graz SLR station [J]. Advances in space research， 2013， 51（1）： 21?24.
[7] 孙磊，张和伟，冯铁军，等.一种贪婪地理路由协议的改进算法[J].现代电子技术，2016，39（11）：16?20.
摘 要： 为了提高移动通信网络的覆盖能力，提出一种基于自适应分层路由探测的移动通信网络通信节点拓扑定位方法。采用Sink节点分组协调机制进行通信网络负载均衡控制设计，同时采用最短收发路径寻优方法进行通信节点的自适应组网设计，计算网络链路节点的正确传递概率密度函数，求解其最优值，以此为优化目标进行分层路由探测，实现通信节点拓扑定位。仿真结果表明，采用该方法进行通信节点拓扑定位，提高了移动通信网络的覆盖度，以最少的节点实现最大范围的通信覆盖。
关键词： 移动通信网络； 通信节点； 拓扑定位； 均衡控制
中圖分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0047?03
Abstract： A topological positioning method of communication node in the mobile communication network is proposed to improve the coverage capacity of the mobile communication network， which is based on adaptive hierarchical routing detection. The Sink node grouping coordination mechanism is adopted to achieve balance control design of communication network load. The adaptive networking design of communication nodes is conducted by means of the shortest transceiving path optimizing method. The probability density function for correct transmission of the network link node is calculated to solve the optimal value， so as to optimize the hierarchical routing detection to realize the topological positioning of communication node. The simulation results show that the proposed method can improve the coverage capacity of mobile communication network and achieve the maximum communication coverage with the least nodes.
Keywords： mobile communication network； communication node； topological location； balance control
随着无线通信技术的发展以及移动网络覆盖范围的不断拓展，移动通信已经成为当前网络通信的主要方式。人们通过移动通信网络进行移动电话通信、手机上网和数据传输，移动通信成为人们生活的重要方式，移动通信网络的覆盖范围和信号传输的好坏成为影响人们生产工作和生活质量的重要因素[1]。研究移动通信组网优化在提高通信质量方面具有重要意义。为了提高移动通信网络的覆盖能力，提出一种基于自适应分层路由探测的移动通信网络通信节点拓扑定位方法，进行移动通信组网优化设计，提高移动通信组网中的节点覆盖范围。
1 移动通信网络的网络拓扑结构
1.1 移动通信网络的节点分布状态模型
为了实现移动通信网络最优通信节点拓扑定位，需要构建移动通信网络的网络拓扑结构，进行网络节点传输和拓扑结构分析[2]。首先给出移动通信网络的初始网络拓扑结构模型如图1所示。图1中，移动通信网络的节点分为Sink节点和转发节点等，分别表示网络传输的父节点和子节点。在移动通信网络中的每一个节点，有其自身的辐射半径，通过节点的优化定位部署，能使用最少的节点实现最大的网络信号覆盖。为了实现网络优化拓扑，首先给出3个假设，如下：
假设1：在移动通信网络的信息覆盖区域W中，每个节点覆盖的面积为一个圆形区域，网络节点的个数为n个，用集合S表示信道带宽，如下：
信息待覆盖区域中最优子节点位置相关的数据为[xηn]，节点覆盖点集的MSE估计值为[σ2η=E]，信息传输的偏差为[xη，?η∈Ωη]。根据上述假设，构建移动通信网络的网络拓扑的覆盖区域半径模型如图2所示。
1.2 通信网络负载均衡控制设计
移动通信网络簇头节点分布半径为[R=2r]，相对应的每个通信网络节点坐标[（xi，yi）]的圆心可表示为[Wi=xi，yi，r]。其中路由节点的传输半径为[r]，表示检测半径。在信息发散区域内根据欧氏距离的定义，Sink节点与移动网络基站间的距离为[5]：
通过上述步骤进行分层路由探测，实现通信节点拓扑定位，算法实现流程如图3所示。
3 仿真实验与结果分析
仿真实验采用Matlab进行数学仿真，首先建立移动通信网络的网络结构模型，通信的覆盖半径为R=1 000 m，移动通信网络Sink节点的初始覆盖半径[Rs=100]m，移动基站的位置为（0，0）。根据上述仿真设计，采用移动通信节点优化拓扑设计，以移动通信网络的覆盖度为测试参量，采用本文方法和文献[3]中的模糊C均值聚类节点定位拓扑算法进行对比分析，得到结果如图4所示。分析得知，采用本文方法进行移动通信网络的最优通信节点拓扑设计，提高了网络的覆盖度。本文方法采用40个节点就使得覆盖度收敛到100%，实现以最少的通信节点达到最大的通信覆盖，降低了通信组网的成本，提高了通信质量。
4 结 语
本文提出一种基于自适应分层路由探测的移动通信网络通信节点拓扑定位方法。采用Sink节点分组协调机制进行通信网络负载均衡控制设计，采用最短收发路径寻优方法进行通信节点的自适应组网设计，计算网络链路节点的正确传递概率密度函数，求解其最优值，以此为优化目标进行分层路由探测，实现通信节点拓扑定位。采用该方法进行通信节点拓扑定位，提高了移动通信网络的覆盖度，以最少的节点实现最大范围的通信覆盖，具有较好的实用价值。
参考文献
[1] 周晶.移动网络通信节点抗干扰方法的研究与仿真[J].计算机仿真，2014，31（8）：330?333.
[2] 张骏，田泽，梅魁志，等.基于节点预测的直接Cache一致性协议[J].计算机学报，2014，37（3）：700?720.
[3] THOMAS Y， XYLOMENOS G， TSILOPOULOS C， et al. Object?oriented packet caching for ICN [C]// Proceedings of ACM SIGCOMM Workshop on ICN. San Francisco， CA， USA： ACM， 2015： 89?97.
[4] YKARIM B， DJAMAL B， ALLEL H. On the use of fuzzy dominance for computing service skyline based on QoS [C]// IEEE International Conference on Web Services （ICWS）. Washington： IEEE， 2011： 540?547.
[5] 王洁，卢建朱，曾小飞.可及时确定受攻击节点的无线傳感器网络数据聚合方案[J].计算机应用，2016，36（9）：2432?2437.
[6] KIRCHNER G， KOIDL F， FRIEDERICH F， et al. Laser measurements to space debris from Graz SLR station [J]. Advances in space research， 2013， 51（1）： 21?24.
[7] 孙磊，张和伟，冯铁军，等.一种贪婪地理路由协议的改进算法[J].现代电子技术，2016，39（11）：16?20.
