CN108900416A - 一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，提供一物联***，所述物联***包括若干物联终端，每一物联终端至少与另一物联终端建立有通讯路径，所述物联终端配置有一路由反馈单元，当任一物联终端接收数据包时，生成对应的数据传输信息；当任一物联终端接收数据包时，所述物联终端将所述数据传输信息发送至与其建立通讯路径的其他物联终端对应的路由反馈单元中，所述数据传输信息包括传输时间以及占用带宽值；当每个数据包需要发送时，都可以根据实际情况确定一个最优的通讯路径，而使得整个***在数据量较大的情况下，得以高效传输，更加可靠。

Description

一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法

技术领域

本发明涉及网络通讯方法，更具体地说，涉及一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法。

背景技术

通信是人与人之间通过某种媒体进行的信息交流与传递。网络是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成的数据链路。通信网络是指将各个孤立的设备进行物理连接，实现人与人，人与计算机，计算机与计算机之间进行信息交换的链路，从而达到资源共享和通信的目的。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internet of things(IoT)”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。

而随着物联网络技术的发展，智能家居技术越来越被广泛进行应用，而目前通过物联技术实现智能家居设备之间的通讯，每一智能家居设备均可以理解为一个单一的物联终端(在设备上提供数据收发功能)，都是通过有线或无线连接的方式进行通讯，较为简单便利，但是通过这种通讯方式，由于数据量较大的情况下，如果对通讯路径的选择出现争用的情况，就会出现数据传输缓慢，导致设备响应速度造成影响，直接影响人机交互的效果。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是提供一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，提供一物联***，所述物联***包括若干物联终端，每一物联终端至少与另一物联终端建立有通讯路径，所述物联终端配置有一路由反馈单元，当任一物联终端接收数据包时，生成对应的数据传输信息；当任一物联终端接收数据包时，所述物联终端将所述数据传输信息发送至与其建立通讯路径的其他物联终端对应的路由反馈单元中，所述数据传输信息包括传输时间以及占用带宽值；具体包括以下步骤：

模型建立步骤，根据物联终端的连接关系建立通讯网络模型，所述通讯网络模型包括有与所述物联终端一一对应的通讯节点，所述通讯节点之间通过所述通讯路径连接，每一所述通讯路径配置有通讯成本值，每一所述通讯路径的通讯成本值根据该通讯路径对应的数据传输信息通过第一数学模型计算获得，所述第一数学模型为Sn＝an*Tn+bn*Xn+(Cn+Xn)/Vn，其中Sn为第n个通讯路径对应的通讯成本值，an第n个通讯路径对应的时间权重参数，bn为第n个通讯路径对应的带宽权重参数，Cn为第n个通讯路径对应的速度权重值，Tn为第n个通讯路径对应的传输时间，Xn为第n个通讯路径对应的占用带宽值，Vn为第n个通讯路径对应的传输速率；

路由地址建立步骤，根据通讯网络模型建立路由关系表，所述路由关系表中包括有若干路由信息，所述路由信息包括发送数据的物联终端以及接收数据的物联终端；

路径筛选步骤，设置每一通讯路径中的占用带宽值以及传输时间均为0，分别根据每一路由信息从所述通讯网络模型中获取对应的路线，并通过第一数学模型计算每一路线的通讯成本总值，所述通讯成本总值为每一路线中所有通讯路径的通讯成本值之和，通过普里姆算法根据所述通讯成本总值从路线中得到理论最优路线，且分别计算同一路由信息对应的其他路线与理论最优路线的通讯成本差值，将通讯成本差值记为D_x，y，表示第X个路由信息所对应的第Y条路线与理论最优路线的通讯成本总值之差；

模型训练步骤，对应每一通讯路径模拟发送若干数据包，并获取数据包通过对应通讯路径的实际时间T，根据换算公式计算该数据包对应的通讯成本值，所述换算公式为Tm＝x*Sm，其中Tm为第m个数据包通过该通讯路径的实际时间，Sm为第m个数据包对应的通讯路径的单次通讯成本值，并根据该数据包发送时反馈的占用带宽值、传输时间以及传输数据包时的传输速率训练第一数学模型以得到第一处理模型，所述第一处理模型为Sn＝An*Tn+Bn*Xn+(Cn+Xn)/Vn，其中An为训练后的第n个通讯路径对应的时间权重参数的值，Bn为训练后的第n个通讯路径对应的带宽权重参数的值；

路线选择步骤，当有数据包需要从一物联终端被发送时，根据路由信息获取理论最优路线以及与该理论最优路线通讯成本差值最小的数量为第一预设值的其他路线，根据第一处理模型分别计算理论最优路线以及其他路线的选择比较值，所述理论最优路线的选择比较值为理论最优路线对应的通讯路径的通讯成本值，其他路线的选择比较值为其他路线所对应的通讯路径的通讯成本值加上理论最优路线的通讯成本差值；筛选最小的选择比较值对应的路线所对应的通讯路径作为该数据包被发送的路径。

进一步地：路径筛选步骤中，还包括设置每一通讯路径中的传输速率为该通讯路径的最大传输速率。

进一步地：通过无线连接的通讯路径，占用带宽值为对应的传输速率乘以传输时间。

进一步地：所述路线选择步骤中，所述的第一预设值小于该路由信息所对应的路线的总数量的一半。

进一步地：所述路径筛选步骤中，将获得的路线以及对应的通讯成本差值存入路由关系表。

进一步地：所述模型训练步骤还包括将所述的第一处理模型分别发送至对应的路由反馈单元中。

进一步地：所述路线选择步骤通过所述路由反馈单元执行。

进一步地：所述路径筛选步骤中，将获得的路线以及对应的通讯成本差值发送至对应的路由反馈单元。

本发明技术效果主要体现在以下方面：通过这样设置，当每个数据包需要发送时，都可以根据实际情况确定一个最优的通讯路径，而使得整个***在数据量较大的情况下，得以高效传输，更加可靠。

附图说明

图1：本发明的基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法的***拓扑结构原理图；

图2：本发明的基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法的最优路线选择原理图。

附图标记：1、物联终端；11、路由反馈单元；2、通讯路径。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。

参照图1所示，一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，提供一物联***，所述物联***包括若干物联终端1，每一物联终端1至少与另一物联终端1建立有通讯路径2，所述物联终端1配置有一路由反馈单元11，当任一物联终端1接收数据包时，生成对应的数据传输信息；当任一物联终端1接收数据包时，所述物联终端1将所述数据传输信息发送至与其建立通讯路径2的其他物联终端1对应的路由反馈单元11中，所述数据传输信息包括传输时间以及占用带宽值；首先一般的智能家居***都会包括多个物联终端1，物联终端1之间形成的连接结构是网状分布的，由于距离的家中位置的限制，例如两个距离较远的居室中，物联终端1是不能直接建立通讯路径2的，所以需要通过中间的物联终端1进行对数据的传递，所以就会涉及到最优路径规划的问题，而上述配置方式是在每个物联终端1处，增设一个路由反馈单元11，路由反馈单元11的作用是监控每一通讯路径2目的物联终端1的通讯情况，以给出及时的反馈，由于物联终端1可以是冰箱、空调、插座、开关等等任意的家用设备，所以路由反馈单元11体积不能过大，所以导致路由反馈单元11能够处理的数据量非常有限，如果是通过实时交互的遍历的方式，在每次发送数据包时都传输一次数据，那么就会造成较大的数据处理成本，所以对数据的发送造成影响，所以预先需要为整个***建立模型以解决上述问题，需要说明的是，通讯路径2为虚拟概念，实质是两个电子***通过无线或有线通讯连接。具体包括以下步骤：

模型建立步骤，根据物联终端1的连接关系建立通讯网络模型，所述通讯网络模型包括有与所述物联终端1一一对应的通讯节点，所述通讯节点之间通过所述通讯路径2连接，这个通讯网络模型根据实际情况绘制获得，但是需要说明的是通讯网络模型记录一个家庭的所有物联终端1的连接情况，也就是说，通过通讯网络模型，就可以将整个***理解为最“短”路线选择的问题，而每条通讯路径2的长度是和该数据通过该通讯路径2的时间等效的，所以根据通讯路径2被占用情况、通讯等待时间以及传输速率，都会影响传输的总时间，所以每一条通讯路径2的长度在***的运行过程中是变化的，所以需要重新建立一个数学模型，每一所述通讯路径2配置有通讯成本值，每一所述通讯路径2的通讯成本值根据该通讯路径2对应的数据传输信息通过第一数学模型计算获得，所述第一数学模型为Sn＝an*Tn+bn*Xn+(Cn+Xn)/Vn，其中Sn为第n个通讯路径对应的通讯成本值，an第n个通讯路径对应的时间权重参数，bn为第n个通讯路径对应的带宽权重参数，Cn为第n个通讯路径对应的速度权重值，Tn为第n个通讯路径对应的传输时间，Xn为第n个通讯路径对应的占用带宽值，Vn为第n个通讯路径对应的传输速率；该数学模型中，Cn为已知量，Sn，Tn，Xn，Vn可以根据***的实际运行情况直接反馈，数据量较小，为环境变量，而an和bn为未知量，所以这个数学模型中，每个通讯路径对应的时间、占用情况的权重都不相同。

路由地址建立步骤，根据通讯网络模型建立路由关系表，所述路由关系表中包括有若干路由信息，所述路由信息包括发送数据的物联终端1以及接收数据的物联终端1；这样根据通讯网络模型建立路由关系表，将有可能作为起始地址和目的地址的物联终端1，例如通过遥控器控制冰箱，而反之，一般不需要通过冰箱控制遥控器，根据预先配置时，用户输入的编码，就可以完成输入，而路由关系表仅仅反映起始和目的的两个物联终端1，其他物联终端1都可以作为中间传输数据用物联终端1使用。

路径筛选步骤，设置每一通讯路径2中的占用带宽值以及传输时间均为0，分别根据每一路由信息从所述通讯网络模型中获取对应的路线，并通过第一数学模型计算每一路线的通讯成本总值，所述通讯成本总值为每一路线中所有通讯路径2的通讯成本值之和，通过普里姆算法根据所述通讯成本总值从路线中得到理论最优路线，且分别计算同一路由信息对应的其他路线与理论最优路线的通讯成本差值，将通讯成本差值记为D_x，y，表示第X个路由信息所对应的第Y条路线与理论最优路线的通讯成本总值之差；路径的筛选也是在***后台完成，这样首先根据路由信息筛选所有路线，根据通过邻接矩阵图表示的简易实现中，找到所有最小权边共需0(V)的运行时间。使用简单的二叉堆与邻接表来表示的话，普里姆算法的运行时间则可缩减为0(ElogV)，其中E为连通图的边数，V为顶点数。如果使用较为复杂的斐波那契堆，则可将运行时间进一步缩短为0(E+VlogV)，这在连通图足够密集时(当E满足Ω(VlogV)条件时)，可较显著地提高运行速度。而这样就可以计算得到每一路由信息对应的最优路径，而完成最优路线的生成后，计算其他路线与最优路线的理论差值，而需要说明的是，此时计算时路径“长度”仅仅通过传输速率一个变量确定，也就是假设全部的物联终端1处于空闲状态，计算最优路线，此时的最优路线，称之为理论最优路线。路径筛选步骤中，还包括设置每一通讯路径2中的传输速率为该通讯路径2的最大传输速率。所述路径筛选步骤中，将获得的路线以及对应的通讯成本差值存入路由关系表。

模型训练步骤，对应每一通讯路径模拟发送若干数据包，并获取数据包通过对应通讯路径的实际时间T，根据换算公式计算该数据包对应的通讯成本值，所述换算公式为Tm＝x*Sm，其中Tm为第m个数据包通过该通讯路径的实际时间，Sm为第m个数据包对应的通讯路径的单次通讯成本值，并根据该数据包发送时反馈的占用带宽值、传输时间以及传输数据包时的传输速率训练第一数学模型以得到第一处理模型，所述第一处理模型为Sn＝An*Tn+Bn*Xn+(Cn+Xn)/Vn，其中An为训练后的第n个通讯路径对应的时间权重参数的值，Bn为训练后的第n个通讯路径对应的带宽权重参数的值；而此时需要对数学模型进行训练，就可以在***使用的过程中(存在数据发送和交互的过程中)，生成数据包，首先可以计算这个数据包通过该通讯路径的时间，这个值可以等效为该路径实际测试的长度，而再通过一个换算公式进行换算，得到对应的通讯成本值，而再根据通讯时物联终端反馈的等待时间、占用带宽，就可以得到若干二元方程，通过训练an和bn以得到最优解An和Bn使总误差最小，这样就完成了对模型的训练，此时Cn、An和Bn为已知量，Tn，Xn，Vn可以根据***的实际运行情况直接反馈，这样就可以根据实际情况计算理论的每一通讯路径的通讯成本值，但是这个值不是被控制***直接处理的，如果通过控制***直接处理，需要把所有的数据汇总到控制***，增加通讯成本。而为了在每个物联终端需要发送数据包时，都可以直接进行判断，所以需要将每一训练好的第一处理模型发送至对应的物联终端对应的路由反馈单元中，由路由反馈单元判断对路由进行选择，例如此时B1物联终端有A、B、C三条通讯路径可选，分别连接V1\V2\V3三个物联终端，而此时B为理论最优路线对应的通讯路径，而A和C对应B的通讯成本差值也是已知量，而此时仅仅需要计算获得A\B\C此时的通讯成本值，就可以判断选择的通讯路径，而无需对后续的通讯路径进行判断，首先V1\V2\V3的数据均被传输到了B1的路由反馈单元，路由反馈单元分别根据A、B、C通讯路径的第一处理模型计算获得三个通讯成本值，这样就可以进行下一步骤的判断。优选的，通过无线连接的通讯路径，占用带宽值为对应的传输速率乘以传输时间。所以所述模型训练步骤还包括将所述的第一处理模型分别发送至对应的路由反馈单元中。所述路线选择步骤通过所述路由反馈单元执行。所述路径筛选步骤中，将获得的路线以及对应的通讯成本差值发送至对应的路由反馈单元。通过路由反馈单元处理数据，简单可靠，当V1\V2\V3的运行状态发生变化时，会及时反馈变化情况，例如数据发送完成，数据重新发送等情况，生成新的数据内容发送到对应的路由反馈单元中。

路线选择步骤，当有数据包需要从一物联终端1被发送时，根据路由信息获取理论最优路线以及与该理论最优路线通讯成本差值最小的数量为第一预设值的其他路线，根据第一处理模型分别计算理论最优路线以及其他路线的选择比较值，所述理论最优路线的选择比较值为理论最优路线对应的通讯路径2的通讯成本值，其他路线的选择比较值为其他路线所对应的通讯路径2的通讯成本值加上理论最优路线的通讯成本差值；筛选最小的选择比较值对应的路线所对应的通讯路径2作为该数据包被发送的路径。优选的，所述路线选择步骤中，所述的第一预设值小于该路由信息所对应的路线的总数量的一半。通过这样设置，筛选多条路线，进行比较，从而选择最优的通讯路径2，需要说明的是，本文中“路线”的概念是，由通讯路径2组成以数据包对应的发送物联终端1为起点，目的物联终端1为终点，进行数据传输。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，其特征在于：提供一物联***，所述物联***包括若干物联终端，每一物联终端至少与另一物联终端建立有通讯路径，所述物联终端配置有一路由反馈单元，当任一物联终端接收数据包时，生成对应的数据传输信息；当任一物联终端接收数据包时，所述物联终端将所述数据传输信息发送至与其建立通讯路径的其他物联终端对应的路由反馈单元中，所述数据传输信息包括传输时间以及占用带宽值；具体包括以下步骤：

模型建立步骤，根据物联终端的连接关系建立通讯网络模型，所述通讯网络模型包括有与所述物联终端一一对应的通讯节点，所述通讯节点之间通过所述通讯路径连接，每一所述通讯路径配置有通讯成本值，每一所述通讯路径的通讯成本值根据该通讯路径对应的数据传输信息通过第一数学模型计算获得，所述第一数学模型为Sn＝an*Tn+bn*Xn+(Cn+Xn)/Vn，其中Sn为第n个通讯路径对应的通讯成本值，an第n个通讯路径对应的时间权重参数，bn为第n个通讯路径对应的带宽权重参数，Cn为第n个通讯路径对应的速度权重值，Tn为第n个通讯路径对应的传输时间，Xn为第n个通讯路径对应的占用带宽值，Vn为第n个通讯路径对应的传输速率；

路由地址建立步骤，根据通讯网络模型建立路由关系表，所述路由关系表中包括有若干路由信息，所述路由信息包括发送数据的物联终端以及接收数据的物联终端；

路径筛选步骤，设置每一通讯路径中的占用带宽值以及传输时间均为0，分别根据每一路由信息从所述通讯网络模型中获取对应的路线，并通过第一数学模型计算每一路线的通讯成本总值，所述通讯成本总值为每一路线中所有通讯路径的通讯成本值之和，通过普里姆算法根据所述通讯成本总值从路线中得到理论最优路线，且分别计算同一路由信息对应的其他路线与理论最优路线的通讯成本差值，将通讯成本差值记为D_x，y，表示第X个路由信息所对应的第Y条路线与理论最优路线的通讯成本总值之差；

模型训练步骤，对应每一通讯路径模拟发送若干数据包，并获取数据包通过对应通讯路径的实际时间T，根据换算公式计算该数据包对应的通讯成本值，所述换算公式为Tm＝x*Sm，其中Tm为第m个数据包通过该通讯路径的实际时间，Sm为第m个数据包对应的通讯路径的单次通讯成本值，并根据该数据包发送时反馈的占用带宽值、传输时间以及传输数据包时的传输速率训练第一数学模型以得到第一处理模型，所述第一处理模型为Sn＝An*Tn+Bn*Xn+(Cn+Xn)/Vn，其中An为训练后的第n个通讯路径对应的时间权重参数的值，Bn为训练后的第n个通讯路径对应的带宽权重参数的值；

路线选择步骤，当有数据包需要从一物联终端被发送时，根据路由信息获取理论最优路线以及与该理论最优路线通讯成本差值最小的数量为第一预设值的其他路线，根据第一处理模型分别计算理论最优路线以及其他路线的选择比较值，所述理论最优路线的选择比较值为理论最优路线对应的通讯路径的通讯成本值，其他路线的选择比较值为其他路线所对应的通讯路径的通讯成本值加上理论最优路线的通讯成本差值；筛选最小的选择比较值对应的路线所对应的通讯路径作为该数据包被发送的路径。

2.如权利要求1所述的一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，其特征在于：路径筛选步骤中，还包括设置每一通讯路径中的传输速率为该通讯路径的最大传输速率。

3.如权利要求1所述的一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，其特征在于：通过无线连接的通讯路径，占用带宽值为对应的传输速率乘以传输时间。

4.如权利要求1所述的一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，其特征在于：所述路线选择步骤中，所述的第一预设值小于该路由信息所对应的路线的总数量的一半。

5.如权利要求1所述的一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，其特征在于：所述路径筛选步骤中，将获得的路线以及对应的通讯成本差值存入路由关系表。

6.如权利要求1所述的一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，其特征在于：所述模型训练步骤还包括将所述的第一处理模型分别发送至对应的路由反馈单元中。

7.如权利要求6所述的一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，其特征在于：所述路线选择步骤通过所述路由反馈单元执行。

8.如权利要求7所述的一种基于数学模型的网络通讯最优路径获取方法，其特征在于：所述路径筛选步骤中，将获得的路线以及对应的通讯成本差值发送至对应的路由反馈单元。