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2019-2021数学中国网络挑战赛优秀论文-2019-2021数学中国网络挑战赛优秀论文汇总-特等奖32738B.pdf
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数学中国网络挑战赛(认证杯),论文,历届,内容丰富,大学生数学,数学竞赛,参考资料
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参赛队号 # 32738
2020 年第十三届“认证杯”数学中国
数学建模网络挑战赛第一阶段论文
题 目
关 键 词
摘 要:
针对问题一,为了模拟分布式无线广播网络的通信行为,首先确定了与环境
有关的模型基本输入参数。再根据通信节点是否处于低速连续运动状态,通过
MATLAB 建立了静态分布式无线广播网络(SDN)模型与移动分布式无线广播
网络(MDN)模型,以及派生输入参数的计算算法。检验了模型。
其次,尽可能多地构造了基于模型输出参数的描述参数,逐一讨论了其现实
意义。给定输入参数的合适生成范围,通过对 MDN 模型求解,生成了 5000 个
样本。利用这些样本,使用 SPSS 对这些参数进行因子分析。经过参数检验、基
于主成分分析法估计因子载荷矩阵以及方差最大法因子旋转,得到 4 个不同层面
描述网络整体通信效率的评价指标,分别为“冲突数量或冲突占比”“ 冲突平均
频率或冲突频率变化范围”“ 高质量网络下的少量错误是否不存在”与“信号因
距离传输失败”,并给出因子得分计算公式,详细说明了其意义与应用场景。
针对问题二,为了从本质上揭示最优重新发送时间,考察了信号冲突时刻随
时间的概率密度函数,选择合适数据,利用 12 次多项式拟合对其平滑化,获得
各个样本全部的信号冲突时刻的概率密度极小点,联合输入参数,共记录了
13762 个样本。
其次,利用 MATLAB 构造了基于 Levenberg-Marquardt 滤波的径向基函数神
经网络模型,总结了 R 值偏低的原因。对样本进行片面化,再次构造径向基函数
神经网络模型,得到了更好的结果。分析并检验了模型,最后输出为 MATLAB
函数,以便于实时计算。
另外,调整了一些基本输入参数,对 MDN 模型进行了稳定性分析。
参赛队号: 32738
所选题目: B 题
参赛密码
(由组委会填写)
移动分布式无线广播网络模型的建立与分析
MATLAB,因子分析,多项式拟合,径向基函数神经网络
Team # 32738
Abstract
For problem 1, in order to simulate the communication behavior of the distributed
wireless broadcast networks, the basic input parameters of the model related to the
environment are first determined. According to whether the communication node is in
a low-speed continuous motion state, we established Static Distributed Network (SDN)
model and a Mobile Distributed Network (MDN) model through MATLAB, and
established a calculation algorithm for derived input parameters. We tested the models.
Secondly, we constructed as many description parameters as possible based on
model output parameters. We discussed their practical significance. We set an
appropriate range of the input parameters and generated 5000 samples by the MDN
model. We use SPSS to perform Factor Analysis basing on these samples. After
parameter testing, estimating the factor load matrix based on the Principal Component
Analysis (PCA) method, and rotating factor based on the maximum variance method,
we obtained four different levels of evaluation indicators describing the overall
communication efficiency of the network, which are "number of conflicts or proportion
of conflicts", "average frequency of conflicts or their range of change", "is or not there
are small amount of errors in a high-quality network", and "signal transmission failure
due to distance". We also give the formula for calculating these factor score and
specified their meanings and which situation they should be considered detaily.
For problem 2, in order to reveal the optimal retransmission time in essence, we
observed the probability density function of the time of signal conflicts over time.We
selected suitable data, and smoothed them by using 12-degree Polynomial Curve
Fitting in order to obtain the conflict time in samples. By using it, we get the probability
density’s local minimum points. We combined them with input parameters, and
recorded 13762 samples in total.
Then,we constructed a Radial Basis Function Neural Network (RBFNN) model
based on Levenberg-Marquardt filtering using MATLAB. We summarized the reasons
for the low R-value. We one-sided samples, and construct a RBF model again. Then we
get a better result. We analyzed and tested our model. And we output the result of
RBFNN in a MATLAB function, in order to facilitate real-time calculations.
Additionly, we adjusted some basic input parameters, and analysed the stability of
the MDN model.
Key Words: MATLAB; factor analysis; polynomial curve fitting; RBFNN
参赛队号 # 32738
目录
1 问题的背景与重述 .........................................................................................................................................1
1.1 问题的背景 ...........................................................................................................................................1
1.2 问题的重述 ...........................................................................................................................................1
1.2.1 如何建立分布式无线广播模型 .........................................................................................1
1.2.2 如何构造描述网络整体通信效率的合理指标..............................................................1
1.2.3 如何在信号冲突发生后实时选择重发时间段..............................................................1
2 模型的基本假设 ..............................................................................................................................................2
3 符号的含义与说明 .........................................................................................................................................2
4 问题的分析 .......................................................................................................................................................3
5 模型的建立与求解 .........................................................................................................................................3
5.1 网络整体通信效率指标的确定 ......................................................................................................3
5.1.1 SDN 模型的建立 .....................................................................................................................5
5.1.2 MDN 模型的建立 ...................................................................................................................6
5.1.3 基于 MDN 模型的网络整体通信效率的分析...............................................................9
5.2 信息重发对网络整体通信效率的实时提高 ............................................................................ 16
6 模型的稳定性分析 ...................................................................................................................................... 23
6.1 大空间规模 MDN 模型的稳定性分析 ...................................................................................... 23
6.2 短时间规模 MDN 模型的稳定性分析 ...................................................................................... 24
7 模型的评价与改进 ...................................................................................................................................... 24
7.1 模型的优点 ........................................................................................................................................ 24
7.2 模型的缺点 ........................................................................................................................................ 25
7.3 模型的几点改进方向 ..................................................................................................................... 25
8 参考文献 ......................................................................................................................................................... 26
9 附 录.................................................................................................................................................................1
9.1 径向基神经网络输出代码 ...............................................................................................................1
9.2 部分过程代码 ......................................................................................................................................3
9.3 部分过程数据 ................................................................................................................................... 14
参赛队号 # 32738
1
1 问题的背景与重述
1.1 问题的背景
分布式网络也叫网状网络,它是由分布在不同地点的计算机系统互连而成,
网中无中心节点。通信子网是封闭式结构,通信控制功能分布在各节点上。
分布式网络的特点是:可靠性高;网内节点共享资源容易;可改善线路的信
息流量分配;可选择最佳路径,传输延时小;控制复杂;软件复杂;线路费用高,
不易扩充。
[1]
分布式无线网络则是分布式网络的一种。其特点在于广播一定频段的电磁波
信号,无线技术正逐渐成为网络技术在大量应用中的首选方案。当电缆走线不易
实现时,无线技术通常都能够非常有效地解决问题。无线技术能够大大降低网络
安装和维护费用。由于 802.15.4 无线技术能够穿透墙壁和地板而在整个环境中传
输数据,所以它没有布线成本,也不存在布线问题,同时对设备定位和放置的限
制也更小。
[2]
但是,由于使用量日益增大,分布式无线网络互相冲突的问题逐渐增大,许
多基础通信协议使用令牌解决该问题。因此有必要考虑不通过令牌等方式处理冲
突进行通信时,分布式无线网络的通信效率与环境中哪些因素有关。
为了区别是否分布式无线网络基于令牌实现,在此约定,本文称不基于令牌
实现的分布式无线网络为“分布式无线广播网络”或“分布式无线广播”。
1.2 问题的重述
1.2.1 如何建立分布式无线广播模型
分布式无线广播的特点是,每个通信节点都是低功率的发射器,在空间中进
行低速连续运动,且信号传播距离有限。在该通信网络中,完全没有特别的网络
基础设施,每个节点只有广播与收听功能。所有信号的频率相同。对于一个通信
节点,若在一个信号处理时间内同时接收到另外一个或多个信号,该情况即冲突,
该节点可以实别之。
因此,需要建立一个分布式无线广播模型,输入多个不同的参数,仿真并输
出能够描述该通信网络的参数。
1.2.2 如何构造描述网络整体通信效率的合理指标
在建立了分布式无线广播模型后,为了描述在一定的输入参数下通信网络的
整体通信效率,需要对输入参数与输出参数进行分析,找到合适的指标,并总结
其中的关系。
1.2.3 如何在信号冲突发生后实时选择重发时间段
对于强实时的网络通信现实情况,在冲突发生后,如何根据当前环境,选择
下一个或几个能够以最小概率发生冲突的时间段。可以通过对模型求解结果进行
参赛队号 # 32738
2
分析,得到仅有输入参数或部分输入参数的显式计算公式。
2 模型的基本假设
⚫ 假设每个信号均为“一到一”信号,无“一到多”信号,即每个通信节点
在同一时间只发送一条信号,且该信号只由一个通信节点接收。
⚫ 假设两个或多个电磁波在空间中的叠加不影响他们的正常传播,从而仅需
考虑在通信节点处信号的行为与特性。
⚫ 假设所有信号不会被包括但不限于干涉、衍射现象的作用所中断或衰减。
⚫ 假设所有通信节点均在同一平面内。
⚫ 假设信号传播速度为米每秒,不受包括但不限于折射率及
其变化的影响。
⚫ 假设所有通信节点发射的信号服从均匀分布。
⚫ 假设所有通信节点在一个圆内按面积均匀分布。
3 符号的含义与说明
表1 文中约定的符号的含义与说明
符号
含义
第 i 个通信节点在第 k 个时间段的平面直角坐标系中
的坐标
信号发送序列
信号接收序列
信号接收处理时长
通信节点总数
信号总数
通信行为时域划分总数
最大传输距离
最大通信节点生成半径
最大信号传输时刻
最大通信节点运动速度
通信节点的约化平均局部线密度
通信节点的约化平均局部面密度
信号冲突次数
第 t 个信号冲突频率
信号传输失败次数
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