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基于分層思想的基本通信系統CPN建模論文
摘要：針對通信系統建模復雜度高、可靠性差、模型缺乏形式化驗證方法以及可重用性差的問(wèn)題，提出一種基于分層思想，并結合面向對象的概念，利用著(zhù)色Petri網(wǎng)(CPN)對基本通信系統進(jìn)行建模的方法。該方法融合CPN和面向對象技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，從形式化、可視化的角度描述基本通信系統的運行過(guò)程。以一個(gè)簡(jiǎn)單的基本通信系統為例進(jìn)行建模，證明該模型與實(shí)際系統中的對象可以相互對應，易于理解和實(shí)現。
關(guān)鍵詞：基本通信系統;分層思想;對象子網(wǎng);著(zhù)色Petri網(wǎng);建模
1概述
隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，通信系統越來(lái)越復雜，體現出空間分布性、并發(fā)性、異步性、不穩定性、多樣性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，不能僅靠工程直覺(jué)方法設計出高質(zhì)量的系統[1]。
基本通信系統由發(fā)端設備、收端設備、傳輸媒介以及三者之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò )構成，是一種較為普遍的通信系統結構。
基于計算機技術(shù)對基本通信系統進(jìn)行分析、建模和驗證，從而提高系統的可靠性和可維護性，已經(jīng)成為十分重要和普遍的研究課題。
目前，普遍采用面向對象的建模設計方法對基本通信系統進(jìn)行建模，用UML標準建模語(yǔ)言對模型進(jìn)行描述。系統的結構模型用類(lèi)圖描述，而系統的動(dòng)態(tài)模型用交互圖和順序圖描述。使用UML構建的模型清晰易懂，模型中類(lèi)的概念可以直接與系統的代碼實(shí)現相對應。但是，面向對象的分析和設計方法缺乏形式化基礎，對建立的模型缺乏嚴謹的分析和驗證手段[2]。
作為一種形式化建模方法的Petri網(wǎng)[3]，能夠方便有效地描述帶有并發(fā)性、異步性、分布性、非確定性、并行性的系統，被廣泛地應用于基本通信系統的建模。該方法具備強大的數學(xué)理論基礎和嚴格的形式化描述。但是，由于模型元素的單義性，容易產(chǎn)生“狀態(tài)空間爆炸”的問(wèn)題，并且建立的模型對系統的依賴(lài)性很高，也容易導致模型可重用性差。
為了解決上述問(wèn)題，結合著(zhù)色Petri網(wǎng)[4](Colored Petri Net,CPN)和面向對象的技術(shù)，本文針對基本通信系統，提出了一種基于分層思想[5]的CPN建模方法。利用分層思想對基本通信系統進(jìn)行劃分，降低系統結構的復雜性，減少“狀態(tài)空間爆炸”的問(wèn)題;將面向對象的概念引入CPN，并利用CPN中的顏色集描述系統的工作狀況，以提高模型的正確性、可維護性和可重用性。
2基本通信系統的分層
一般來(lái)講，基本通信系統由發(fā)送端、接收端以及兩者之間的通信關(guān)系構成，這也可以視為基本通信系統的第1層。
發(fā)送端和接收端內部各對象之間，以及對象與外界之間的通信關(guān)系定義為第2層。通信關(guān)系一般包括建立連接、即時(shí)通信與斷開(kāi)連接3種。根據通信關(guān)系的不同，確定了對象之間不同的通信內容，從而形成不同的網(wǎng)絡(luò )結構。同時(shí)，不同的通信關(guān)系也形成了各個(gè)對象內部不同相關(guān)的操作與狀態(tài)。所以，對象內部的操作與狀態(tài)定義為第3層。其形式定義為：定義1一個(gè)基本通信系統為一個(gè)三元組：SYS=(O,Net,I)。其中，O表示發(fā)送端對象;I表示接收端對象;Net表示根據兩者之間的通信關(guān)系而確定的網(wǎng)絡(luò )結構。
通信關(guān)系一般包括建立連接、即時(shí)通信和斷開(kāi)連接3種類(lèi)型。根據通信關(guān)系的不同，可以定義基本通信系統的不同的網(wǎng)絡(luò )結構。
定義2基本通信系統的網(wǎng)絡(luò )結構為一個(gè)四元組：Net=(OBJ,R,ST,G)。其中，OBJ表示非空有限對象子網(wǎng)集合，是由發(fā)送對象子網(wǎng)和接收對象子網(wǎng)構成的，即OBJ{OBJ|1,2,,}i=i =n;R表示對象子網(wǎng)間的通信關(guān)系集合，即R={建立連接，即時(shí)通信，斷開(kāi)連接};ST是替代變遷;G是一種特殊的變遷，稱(chēng)為“門(mén)”變遷，起到對象子網(wǎng)間消息傳遞作用。
定義3對象OBJi表示為CPN(既可以是發(fā)送對象子網(wǎng)中的對象，也可以是接收對象子網(wǎng)中的對象)，定義為一個(gè)九元組：OBJ(,P,T,F,N,C,G,E,I)i=Σ。其中：(1)Σ是非空托肯顏色集合(Color Set)，決定了在網(wǎng)描述中所使用的token類(lèi)型、運算和函數;
(2)P是有限庫所集，P={PP,MP}，PP是基本狀態(tài)庫所，MP={OMP,IMP}是用于對象間消息傳遞的輸入輸出消息庫所;
(3)T是有限變遷集;
(4)F是有限弧集，P ∩T=P ∩F=T ∩F=Φ;
(5)N是節點(diǎn)函數，定義為N:F→(P ×T)U(T ×P)，映射每一個(gè)弧到一個(gè)節點(diǎn)對，且前一個(gè)節點(diǎn)為源節點(diǎn)，后一個(gè)節點(diǎn)為目標節點(diǎn)，這2個(gè)節點(diǎn)類(lèi)型不同，一個(gè)是變遷，另一個(gè)是庫所;
(6)C:P→Σ是顏色函數，把每一個(gè)庫所p∈P映射到顏色集C(p)，p中每一個(gè)token顏色必須屬于C(p);
(7)G是保護函數，映射T到布爾型;
(8)E是一個(gè)弧表達式函數，定義為從F到表達式的函數E(f)，使得MS?f ∈F:(Type(E(f))=C(p))∧(Type(Var(E(f)))?Σ)，即弧表達式函數映射每個(gè)弧f∈F到一個(gè)表達式，且這個(gè)表達式的類(lèi)型是C(p)MS，E(f)的每一個(gè)求值都生成一個(gè)依賴(lài)于相鄰庫所顏色集的多重集;
(9)I是初始化函數，映射每一個(gè)p∈P到一個(gè)閉表達式，且這個(gè)表達式是C(p)上的多重集，即?p ∈P:Type(I(p))=MSC(p)。
其中，用類(lèi)型Type()映射表達式或變量的類(lèi)型值，分別為T(mén)ype(expr)或Type(v);函數Var(expr)表示表達式expr中的變量的集合;B表示布爾類(lèi)型值，即true或false;C(p)MS表示顏色集C(p)上的多重集;不含任何變量的表達式稱(chēng)為閉表達式[6]。
圖1是根據以上定義建立的一個(gè)簡(jiǎn)單通信系統模型的例子，采用CPN Tools輔助繪制。
圖1表示的是一個(gè)只包含一個(gè)發(fā)送端設備和一個(gè)接收端設備的通信系統，通信關(guān)系為建立連接的系統模型。建立連接的過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為：(1)發(fā)送端發(fā)送hello數據包給接收端;(2)接收端接收后反饋發(fā)送端一個(gè)hello數據;(3)通信連接建立。
在圖1中，由發(fā)送端對象S_O和接收端對象R_I構成第1層模型，用矩形框與雙向箭頭表示;發(fā)送對象send和接收對象receive之間的通信關(guān)系是第2層模型，用圓角矩形表示;2個(gè)對象內部的狀態(tài)和操作是第3層模型。
在圖1中，用圓角矩形來(lái)表示對象，對象所屬的變遷和庫所被封裝在對象內部，對象的外部接口由消息接口、門(mén)以及它們之間的流關(guān)系給出。庫所上的小圓內的數字表示庫所當前所含的token數目。各對象內部的庫所顏色集分別可以有若干token，各token所處的庫所表示各對象的當前狀態(tài)，隨著(zhù)變遷的引發(fā)，顏色token從一個(gè)庫所移動(dòng)到另一個(gè)庫所，相應地，對象也從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)。
上述基本通信系統的形式描述為：第1層SYS=(S_O,NET,R_I);第2層Net=({send,receive},{建立連接},Φ,{T1,T2});第3層是對2個(gè)對象子網(wǎng)send和receive的描述，這2個(gè)對象子網(wǎng)都只包含一個(gè)對象，以send為例，send={Σ,P,T,F,N,C,G,E,I}，其中，Σ={STRING,BOOL|colsetSTRING=string,colset BOOL=boolean};P={P0,P1,P2,P3,P21,P24};T={T21,T22};C(P)={STRING,BOOL}，弧表達式見(jiàn)圖1，I(P24)=“hello”;對象receive與send類(lèi)似，圖1中未使用保衛函數。
3建模方法及模型驗證
3.1建模方法利用上述定義建模一個(gè)基本通信系統，首先要了解該通信系統在不同階段對象之間的通信關(guān)系;然后對每個(gè)階段的執行過(guò)程進(jìn)行詳細描述。對通信系統及其執行過(guò)程進(jìn)行整體把握后，分以下3步創(chuàng )建系統的各層CPN模型：(1)從基本通信系統中抽象出發(fā)送端對象和接收端對象，從整體上把握系統的網(wǎng)絡(luò )結構，形成第1層系統模型。
(2)根據整個(gè)通信系統所處的運行階段，抽象出發(fā)送對象子網(wǎng)與接收對象子網(wǎng)，并確定兩者之間的通信關(guān)系，同時(shí)，將其中相關(guān)的對象提取出來(lái)，給出對象子網(wǎng)內部的各個(gè)對象之間、以及它們與外界的交互關(guān)系，形成第2層模型。該模型清晰地描述出在通信系統所處的運行階段各個(gè)對象子網(wǎng)之間的通信關(guān)系，并顯示了對象子網(wǎng)內部的相關(guān)信息。
(3)對于對象子網(wǎng)中的每個(gè)對象進(jìn)行更進(jìn)一步的細化，給出對象子網(wǎng)內部的各個(gè)對象的詳細描述，建立第3層模型，該模型描述了每個(gè)對象內部的操作和狀態(tài)。
3.2模型驗證
在定義1中描述了一個(gè)基本通信系統的發(fā)送對象與接收對象之間一般存在的3種關(guān)系：建立連接關(guān)系，即時(shí)通信關(guān)系以及斷開(kāi)連接關(guān)系。通信系統建模期間是基于這3種關(guān)系分別建立CPN模型的。
對于每一種關(guān)系所建立起來(lái)的模型，應用普通CPN的公式化驗證方法(如狀態(tài)空間分析和不變量的分析方法等)就可得出所建Petri網(wǎng)模型的各種性質(zhì)，從而使通信系統在這種關(guān)系上得到驗證。
在此基礎上，將建立連接模型的輸出作為即時(shí)通信模型的輸入，將即時(shí)通信模型的輸出作為斷開(kāi)連接模型的輸入，把整個(gè)通信系統的各個(gè)階段的模型連接起來(lái)，從而使得通信系統在整個(gè)通信過(guò)程中得到嚴格的分析和驗證。
4系統建模實(shí)例
本文以一個(gè)簡(jiǎn)單的基本通信系統為例說(shuō)明如何進(jìn)行分析并建立模型，因為主要解決系統建模的問(wèn)題，所以忽略與本文討論無(wú)關(guān)的問(wèn)題，例如數據幀格式等。
4.1基本通信系統及通信過(guò)程描述該基本通信系統采取“一去一回”的簡(jiǎn)單數據傳送方式，通信仍然分為3個(gè)階段：建立通信連接階段，進(jìn)行即時(shí)通信階段和斷開(kāi)通信連接階段。本文以建立通信連接為例來(lái)說(shuō)明整個(gè)建模過(guò)程，其他2個(gè)階段與其情況相似，先不予討論。
建立通信連接階段所采用的通信過(guò)程如下：
(1)由發(fā)送端發(fā)起進(jìn)行連接，發(fā)送攜帶協(xié)商參數的初始化信息給對方接收端;
(2)接收端檢查從發(fā)送端發(fā)來(lái)的信息，如果信息中攜帶的參數能夠被接受，則自己也發(fā)一個(gè)初始化信息給發(fā)送端，并攜帶參數;
(3)發(fā)送端檢查接收端發(fā)送來(lái)的參數，如果認同，對接收端發(fā)送keep alive消息，接收端收到后也發(fā)送keep alive消息，連接建立。
4.2通信系統的CPN模型
該通信系統僅存在一個(gè)發(fā)送端設備和一個(gè)接收端設備，針對這種情況，確定5個(gè)對象子網(wǎng)中各存在一個(gè)對象。該通信系統可以用一個(gè)三層的模型結構來(lái)描述。
基于通信過(guò)程中提出的“一去一回”的交互方式，以建立通信連接為例，通信系統模型如圖2所示。
在圖2所顯示的模型中，在第1層模型中，如圖2矩形框與雙向箭頭顯示，從整體上確定了系統結構;在第2層模型中，如圖2圓角矩形顯示，描述了2個(gè)對象子網(wǎng)之間的通信關(guān)系;在第3層模型中，對于每個(gè)對象進(jìn)行了詳細建模，描述了在建立連接過(guò)程中對象內部所有的操作以及經(jīng)歷的狀態(tài)，并且顯示了與接口的數據傳遞關(guān)系。
4.3模型的驗證
本文采用可達圖的方法對圖2的模型進(jìn)行驗證。P={P1,P2,P3,P4,P5,P6,P21,P22,P23,P24,P25,P26,P27,P28}，初始標識為[10000000101111]T，如圖3所示。
從圖4中可以看到，隨著(zhù)時(shí)間輪數的延長(cháng)，節點(diǎn)存活數量都隨之下降，與LEACH協(xié)議和文獻[11]中節點(diǎn)存活數量相比，本文算法的存活節點(diǎn)大于上述協(xié)議和算法。從而說(shuō)明了本文算法中節點(diǎn)剩余能量高于LEACH協(xié)議和文獻[11]中節點(diǎn)的剩余能量，進(jìn)而延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )生存周期，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò )資源。
第3種情況是選擇不同覆蓋區域100 m×100 m、200 m×200 m、400 m×400 m，比較不同區域覆蓋率變化情況，如圖5所示。從圖5中可以看到，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模的擴大，要滿(mǎn)足一定的網(wǎng)絡(luò )覆蓋率需求時(shí)，所須部署節點(diǎn)的數量也會(huì )隨之增加，并且網(wǎng)絡(luò )的覆蓋率越高，需要部署節點(diǎn)的數量增加得越快，要實(shí)現不同區域完全覆蓋的前提是在覆蓋區域內完成對不同目標節點(diǎn)的完全覆蓋�？梢钥闯�，在不同的覆蓋區域內，完成對目標節點(diǎn)覆蓋也需要不節點(diǎn)數量，在對某一區域內進(jìn)行時(shí)，不同的區域所覆蓋的范圍也是不同的。在滿(mǎn)足一定覆蓋要求下，以相同的節點(diǎn)數作為基數，對100 m×100 m區域進(jìn)行覆蓋所需節點(diǎn)最少，而400 m×400 m需要的節點(diǎn)最多。
6結束語(yǔ)
通過(guò)對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )理論分析，本文提出一種基于事件驅動(dòng)的覆蓋算法。該算法利用傳感器節點(diǎn)與目標節點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)和喚醒機制完成了對監測目標區域的覆蓋，通過(guò)節點(diǎn)與目標節點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)屬性確定最多目標集和最小節點(diǎn)集，而后對其優(yōu)化，降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )能量的消耗，延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )生命周期。通過(guò)對LEACH算法和不同覆蓋區域進(jìn)行仿真實(shí)驗后，驗證了該算法的有效性和適應性。下一步研究的重點(diǎn)是如何布置最少節點(diǎn)實(shí)現對邊界區域K度覆蓋以及如何設計和完善節點(diǎn)移動(dòng)控制機制，從而進(jìn)一步提高事件監測概率。
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