基于人工智能技术的网络多节点通信系统设计

基于人工智能技术的网络多节点通信系统设计

唐仲芳胡家晖章征云

杭州友华通信工程设计有限公司  浙江杭州  310000

摘要：多节点通信属于一种新型的通信技术，具有较强的抗干扰性能，还可以从根本上降低路径损耗，提高通信效率，达到绿色节能目的，因其具备诸多优秀的特征，使得多节点通信系统设计成为国内外相关学者备受瞩目的课题。本文主要分析基于人工智能技术的网络多节点通信系统设计。

关键词：人工智能；神经网络；多节点通信；目标函数

引言

人工智能是计算机发展的产物，利用机器代替人脑的部分工作是现阶段科技发展的重要标志。其中神经网络是人工智能的前沿交叉学科，模拟了生物神经结构，将神经元和神经网络当作模型，具备较强的自适应性和自学习能力，通过对节点通信任务的合理分配，使得系统能耗、通信质量和通信效率达到最优。

1、基于多节点的无线通信系统

基于无线通信网络功能需求，该系统主要包括上位机、主站、多功能终端，以及各类无线传感器等，整个系统其本身有着较高的复杂性，因此相应通信节点也相对较多，以煤矿产业液压支架支护质量在线监测系统为例，若一个综采工作面包括200组液压支架的话，那么其所需要的无线传感器、上位机、协调器、终端等将多达近5000个，通信节点高达2000多个，因此整个系统的运行对于通信网络有着极高的要求，为确保整个系统的正常运行，保障无线通信网络的稳定性就是整个系统设计的关键。因此，为确保通信系统的稳定性以及信息传输效率，采用两级组网方式，分频段进行通信设计。其中，一级网络主要包括一个主站协调器以及多个分站协调器，并拥有独立频段；二级网络则包括多个频段，每个分站协调器和其下属的多个传感器使用同一频段，进而组成二级网络。这种两级多节点的组网方式，不仅能够进一步保障整个通信网络系统信息传输的稳定性以及可靠性，还能够有效保障信息传输的时效，在质量监测系统当中能够有效起到良好的作用效果。其主要优势特点主要包括以下几个方面：（1）稳定性较好，两级多节点无线通信网络系统基于其本身逐级传输、多频段传输的特点，因此整个网络系统有着极强的稳定性；（2）安全性强，该两级多节点组网方式，有着较强的安全性，能够有效保障数据信息传输过程中的完整性和准确性，一旦在数据传输过程中，出现缺漏情况，能够重新指定数据包进行重新发送；（3）维护便捷，相较于以往有线通信网络，无线通信网络受到外界环境影响较小，而且相应系统维护升级较为便利，给网络的维护保养提供了极大便利，也有效降低了维护成本；（4）简化施工，无线通信网络形式由于不需要进行线缆布设，因此有效简化了实际建网施工难度，提高了通信网络建设的速度。

2、多节点的组网形式

根据两级多节点的无线通信网络的总体设计框架，其组网形式主要包括上电自组网、上位机自动建网以及人工路由表建网三种形式。（1）上电自组网。顾名思义，就是在整个系统初次通电的过程中，进行自动组网。基于两级多节点的通信网络系统，这种组网方式，能够使得系统初次上电时，一级网络当中的主站协调器和分站协调器会自动寻找网络，并组成通信网络，然后将通信路径保存在路由表当中。在一级网络组网完成之后，才会进行二级网络的自动组网。在二级网络自动组网的过程中，其节点主协调器和节点协调器也会自动寻找并组网，然后节点主协调器会自动保存节点协调器的通信路径，进而完成上电自组网，形成通信网络。（2）上位机自动建网。上位机与主站协调器之间的网络通信，需要由上位机自动建网实现，上位机能够自主给分站协调器或者节点主协调器发送组网指令，要求指定协调器进行重新组网，以此实现对于原有通信路径的更新调整，形成新的通信路径，该指令能够指定具体节点，有针对性地进行通信路径的调整。（3）人工路由表建网。路由表也叫做路由择域信息库，就是通信网络设备上存储的表，该表中保存了能够到达指定网络终端的路径，其中也包含网络周边的拓扑信息，建立路由表的主要目的在于能够进行静态路由选择。但实际上进行数据包传输的过程中，路由表并不是直接参与到传输过程中，而是通过生成小型指向表，该指向表的主要目的就是提供数据包传输的有限路径。人工路由表建网主要是针对静态路由进行手动配置和调整，以此明确指定数据包传输过程中所需要经过的路径。人工路由表建网的主要特点在于，能够实现对于路由的精准控制，配置相对较为简单，可以有效减少网络流量。

3、基于人工智能的网络多节点通信系统

3.1通信系统硬件结构设计

结合通信节点任务分配模型设计需求，对通信系统进行设计。首先需确定该系统整体架构，其包含控制器、数据采集设备、电源、通信终端等硬件模块。其中通信终端是关键组成部分，关系到数据的完整性与真实性，而主控制器需确保通信系统功能模块的协调运作。(1)主控制器主控芯片选用C8051F020高速八位单片机，其具有八个外部输入，可保证通信质量。数字I/O的端口共计64个，满足节点传输最优化要求。接口线的电压为5V，利用可控装置使定时设备与串行总线最优化。(2)数据采集数据采集利用单电源四路放大器组成的运放电路，可任意调节采集模量。选用的电路包含四组运算放大器，具备通用电源，使用六个引脚，将节点信号出入段作为信息传输通道。利用HCNR200光电耦合器运放电路滤波同时达到电路调节目的，此耦合器包括三个光电元件。从技术角度来讲，其存在的最高线性误差为±0.03%，传输增益最高偏差是±10%，拥有绝缘电阻。其输入和输出回路之间分布0.3pF电容，耦合器具备良好的稳定性，能够符合信号传输要求。(3)电源该系统选取电源的宗旨是确保不同功能模块和通信的正常运转。在通信过程中所需电压是5V，针对不同模块进行供电时，可利用线性稳压器实现电源电压转换。但是稳压器在运行时会产生一定噪声，所以还需分析噪声和电流输出问题，同时考虑电压幅度。低压差稳压器能够实现输入电压的任意变换，在电压输入和输出差值较小时，具有稳定的直流输出电压，且噪声和电源的抑制比较高。此种类型稳压器结构简单，还拥有电压基准源、启动电路等设备。

3.2通信系统软件模块设置

(1)通信协议定义软件中最为关键的就是通信协议与中间服务器的设计。协议的信息传输主要依靠的是Marvell公司生产的芯片，同时采用状态机对收到的帧做解析处理。接收帧单元是否能正常工作对系统的功能产生直接影响，所以将其当作整个协议的关键内容。当接收帧可以准确解析出令牌帧时说明此节点能够进行信息传输，应立即启动发送帧，相反不会启动。(2)中间服务器数据交换流程由于受到运营商提供的接入环境限制，收发两端均应该设置为传输控制协议(TransmissionControlProtocol，TCP)类型的客户端，但是此协议无法支持客户端之间的直接通信，因此需构建一个TCP服务器数据交换平台。接收与发送端均属于TCP的客户端，向服务器发出链接请求，在收发端相对的客户端和服务器构建连接后，服务器充当中间方角色接收多个信息，并马上通过接收端链接再次发送，间接完成接收与发送两端的通信。

结束语

为提高网络多节点通信性能，利用人工智能方法中的神经网络算法对网络多节点通信系统进行设计。通过目标函数的设置，完成节点通信任务的合理分配，在此基础上确定系统整体架构与通信协议，降低通信能耗，提高接收灵敏度与传输效率，为整个系统的运行奠定坚实基础。

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