Based on the pseudocode in Fig. 11 for SOM training, the total training time can be approximated using the timing parameters defined in Table 6 by the asymptotic computational complexity given as
equation(7)
O(tc,init+K×(P×(tc,pattern+tp,neuron+tc,outputs+tp,compare+tc,BMU−Notify+tc,BMU−TN+tp,weights))+tc,update)
Turn MathJax on
Following observations can be made for the parameters in the time complexity estimate in Eq. (7):
•
The value of parameter tc,init is negligible and increases no worse than linear in the number of neurons N.
•
The value of parameter tp,neuron is small and does not increase as N increases due to parallel computation by the WSN.
•
The value of parameter tp,weights is negligible due to parallel computation and does not increase with the increase in the neuron count N.
•
For the parameter tp,compare, the SM needs to find the maximum value which can be implemented by simply retaining the best value so far and discarding the others until all GMs communicate their neuron outputs. This will translate into N-1 sequential comparison operations, which is the value of the associated timing parameter tp,compare.
All above timing parameter values at worst increase linearly as the value of N increases, which collectively contribute to the time complexity as O(N). Consequently, time complexity due to remaining timing parameters, which are all communication related, in Eq. ( 7) is as follows:
equation(8)
O(K×(P×(tc,pattern+tc,outputs+tc,BMU−Notify+tc,BMU−TN)+tc,update))
Turn MathJax on
The number of messages to be transmitted, and the number of hops (on the average) for a message affect the values of these timing parameters in Eq. (8). For instance, the total amount of time it takes to forward a packet over multiple hops for the longest path in the WSN will affect the (worst case) values for the timing parameters. Further delays might be caused by the medium access limitations as a result of limited wireless communication channel count or bandwidth. This latter point is also related to the fact that as the number of messages increases, there will be more congestion for a single supervisory mote (SM) configuration and hence introducing further delay in forwarding the messages to their destinations. Therefore, values of any of the communication-related timing parameters can be approximated by
equation(9)
tc,i≈f(hopi,tc,hop,g(Mi)),
Turn MathJax on
where hopi is the number of hops for a message transmission for the timing parameter i; tc,hop is the per hop average communication time; Mi is the total message count; and g(Mi) is a function of the total number of messages or total message count for the timing parameter i as affected by the value of N, namely number of neurons, or equivalently the number of motes, in the topology.
There are four scenarios to consider for further analysis: these are (1) the supervisory mote (SM) sends a message to all generic motes (GMs); (2) all GMs send a message to the SM; (3) the SM sends a message to the BMU GM; and finally (4) the BMU sends a message to those GMs in its topological neighborhood. All four cases are discussed next.
It is assumed that the WSN–SOM implementation has N motes (or equivalently neurons) which are uniformly distributed over a two-dimensional rectangular deployment topology. For the sake of computational simplicity but without losing generality, the rectangle will be assumed to have its all side lengths approximately equal (e.g. a square), then the sides will be of length √N. The diagonals will have a length of √(2N), which also defines the maximum number of hops along any straight line path across the WSN topology. In the case of GMs communicating with the SM, the average number of hops a message traveling over is half of this value or equal to 0.5×√(2N).
Case 1 (the SM sends a packet to all GMs): as the SM employs flooding to communicate a single training pattern to all the GMs, many retransmissions happen concurrently due to limited radio range of individual motes. In order to visualize the relevant communication scenario, one can imagine a wave propagation with the SM serving as the wave generator. In this case, first all one-hop neighbors of the SM receive the packet that carries the training pattern, next those that are two-hop neighbors receive it, and so on. If there are N motes or neurons then there will be at most √(2N) retransmissions for the furthest motes (in terms of hop count for the entire length of the diagonal which will be represented by hopmax,pattern) to receive the training pattern packet. It is also reasonable to incorporate certain amount of delay due to congestion which will be modeled by the g() term. Therefore, the estimate for an upper bound on the value of the relevant parameter yields
equation(10)
tc,pattern≈(hopmax,pattern×tc,hop)+g(Mpattern)≈√(2N)×tc,hop+g(Mpattern)
Turn MathJax on
Case 2 (all GMs sending a packet to the SM): all GMs are trying to relay their neuron output values back to the SM for the BMU identification step. For the furthest GM, it will take √(2N) retransmissions or hops to relay its message. Many such messages may be communicated in parallel since the motes have limited radio range (by design) for a typical WSN application. To visualize this communication scenario, one can image a honeycomb partitioning of the entire WSN topology as would be dictated by the radio transmission range of motes. Local communication can take place within each honeycomb cell in concurrence with the other cells, which promotes parallel communications. There are N unique messages and multiple retransmissions for each of such messages. There will be congestion or a bottleneck when all messages reach the one-hop neighbors of the SM for the final delivery. Effectively, all messages carrying neuron outputs end up being queued in time to be communicated to the single SM. It is reasonable to assume that those GMs, which are one-hop neighbors of the SM, transmit their neuron outputs first, and the two-hop neighbors next (through the one-hop neighbors) while the furthest motes start relaying their neuron outputs over multiple hops towards the SM. This leads to overlap in time or parallel communications since while communication with the SM is in progress by its one-hop neighbor GMs, the communications from the distant or many-hop neighbors of the SM will overlap with that ongoing communication between the SM and its few-hop neighbors. Accordingly, the formula for the upper bound on the value of the tc,outputs timing parameter can be defined as
equation(11)
tc,outputs≈√(2N)×N×tc,hop+g(Moutputs)
Turn MathJax on
Case 3 (the SM sends a packet to the BMU GM): the SM sends a single message to the BMU GM using the source-based routing which will be relayed over 0.5×√(2N) hops (corresponding to the half the length of a diagonal) on the average:
equation(12)
tc,BMU−Notify≈hopave,BMU−Notify×tc,hop+g(MBMU−Notify)≈0.5×√(2N)×tc,hop+g(MBMU−Notify)
Turn MathJax on
Case 4 (the BMU GM sends a packet to its topological neighbor GMs): the BMU GM will send a message to other GMs in its ever-shrinking topological neighborhood using the flooding routing protocol. Since topological neighbors of any GM are its several hop neighbors, the distance to the furthest topological neighbor (in terms of the hop count) will determine the amount of time required for this task to be completed. The hop count for the furthest topological neighbor is a monotonically decreasing function of training time starting from an initial value possibly in a range of 10 to 100 in most cases. Designating this parameter by H yields the following equation for approximation to the value of this timing parameter:
equation(13)
tc,BMU−TN≈H×tc,hop+g(MBMU−TN),
Turn MathJax on
where H is a positive integer whose value decreases towards zero from a typical initial value of no more than 100. This timing parameter value is negligible for most practical purposes.
The time complexity value for Eq. (8) can be approximated as by being worse than O(N3/2) given the derivations for the approximations for timing parameters appearing in the same equation and the presence of the g() terms whose values are context specific. Furthermore, more specific values for the parameters or variables appearing in the formulation of the time complexity estimate can be established through the message complexity analysis, which is presented next, as it will lead to estimates for the message count parameter M that represents the message cost.
4.3. Message complexity
The message complexity analysis must consider a specific topology and routing protocol to be able to assess the communication cost. Accordingly, the following analysis assumes the two-dimensional rectangular (or square in a special case) SOM topology, and the routing protocol mix, which consists of flooding and source-based as described in this paper earlier. Message count estimates for each of the steps described in Fig. 11 for training of the SOM neural network are presented in Table 7. A notification limit of 95% is considered for the message count assessments in this table.
Table 7.
Message count estimates (with 95% notification limit for SM) for WSN–SOM pseudocode in Fig. 10.
Step no. Explanation Message (packet) count
0.a/b/c The SM sends out a single message to all GMs instructing them to initialize their parameters and weights using the flooding routing protocol. The number of retransmission of this single message will be bounded from above by N×N=N2 (in the worst case) since every mote (or neuron) can send to every other mote (or neuron) although in practice this bound is much smaller since motes can simply refuse to retransmit the same message again.
1 The SM communicates an individual training pattern to all GMs using the flooding-based routing. There will be at most N×N=N2 message retransmissions for any given training pattern.
1.a All GMs relay their neuron outputs to the SM using source-bas
ตามรหัสเทียมใน Fig. 11 สำหรับอบรมส้ม เวลาฝึกอบรมทั้งหมดสามารถหาค่าประมาณโดยใช้พารามิเตอร์กำหนดเวลาที่กำหนดในตาราง 6 โดยซับซ้อนคำนวณ asymptotic ให้เป็นequation(7)O(tc,init+K×(P×(tc,pattern+tp,neuron+tc,outputs+tp,compare+tc,BMU−Notify+tc,BMU−TN+tp,weights))+tc,update)เปิด MathJaxขั้นสังเกตได้สำหรับพารามิเตอร์ในเวลาประเมินความซับซ้อนใน Eq. (7):•ค่าของพารามิเตอร์ tc เริ่มต้นเป็นระยะ และเพิ่มไม่เลวกว่าเชิงจำนวนของ neurons N.•ค่าของพารามิเตอร์ tp เซลล์ประสาทมีขนาดเล็ก และไม่ได้เพิ่มขึ้นเป็น N เพิ่มขึ้นเนื่องจากการคำนวณแบบขนานโดย WSN•ค่าของพารามิเตอร์ tp น้ำหนักเป็นระยะเนื่องจากการคำนวณแบบขนาน และไม่เพิ่มขึ้น ด้วยการเพิ่มขึ้นของจำนวนเซลล์ประสาท N.•สำหรับพารามิเตอร์ tp เปรียบ เทียบ ความ SM จะค้นหาค่าสูงสุดซึ่งสามารถดำเนินการ โดยเพียงแค่รักษาดีเพื่อให้ห่างไกล และละทิ้งคนจนทั้งหมด GMs การสื่อสารการแสดงผลของเซลล์ประสาท นี้จะแปลเป็น N-1 ลำดับเทียบ ซึ่งเป็นค่าของเวลาเกี่ยวข้องพารามิเตอร์ tp เปรียบเทียบหมดค่าพารามิเตอร์เวลาที่เลวร้ายที่สุดเพิ่มเชิงเส้นตามค่าของ N เพิ่มขึ้น ซึ่งโดยรวมนำไปสู่ความซับซ้อนเวลาเป็น O(N) ดังนั้น เวลาความซับซ้อนเนื่องจากเหลือเวลาพารามิเตอร์ ซึ่งเป็นการสื่อสารทั้งหมดที่เกี่ยวข้อง ใน Eq. (7) จะเป็นดังนี้:equation(8)O(K×(P×(tc,pattern+tc,outputs+tc,BMU−Notify+tc,BMU−TN)+tc,update))เปิด MathJaxจำนวนของข้อความจะถูกส่ง และหมายเลขข้าม (โดยเฉลี่ย) สำหรับข้อความส่งผลกระทบต่อค่าของพารามิเตอร์เหล่านี้เวลาใน Eq. (8) ตัวอย่าง จำนวนเวลาที่ใช้ในการส่งแพคเก็ตผ่านข้ามหลายสำหรับเส้นทางที่ยาวที่สุดใน WSN จะส่งผลกระทบต่อ (กรณีเลวร้ายที่สุด) ค่าสำหรับพารามิเตอร์เวลา ความล่าช้าต่อไปอาจเกิดจากข้อจำกัดเข้ากลางจากจำนวนช่องสัญญาณสื่อสารไร้สายที่จำกัดหรือแบนด์วิธ จุดนี้หลังยังเกี่ยวข้องกับข้อเท็จจริงว่า เป็นจำนวนที่เพิ่มข้อความ มีจะแออัดมากขึ้นสำหรับการกำหนดค่าเดียวประกาศมลทิน (SM) จึง แนะนำต่อความล่าช้าในการส่งต่อข้อความไปยังปลายทางของพวกเขา ดังนั้น ค่าของพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับการสื่อสารเวลาใด ๆ สามารถเลียนแบบโดยequation(9)tc,i≈f(hopi,tc,hop,g(Mi))เปิด MathJaxจำนวนข้ามสำหรับส่งข้อความสำหรับพารามิเตอร์เวลา hopi ฉัน tc, hop เป็นการต่อตู้สื่อสารเฉลี่ยเวลา Mi เป็นจำนวนข้อความทั้งหมด และ g(Mi) คือ ฟังก์ชันของจำนวนรวมของข้อความหรือจำนวนข้อความทั้งหมดในพารามิเตอร์เวลาฉันตามที่ได้รับผลกระทบ โดยค่าของ N ได้แก่หมายเลข neurons หรือ equivalently จำนวน motes ในโทโพโลยีมีสถานการณ์ 4 การพิจารณาสำหรับการวิเคราะห์เพิ่มเติม: ได้แก่ (1) มลทินประกาศ (SM) ส่งข้อความไปทั้งหมดทั่วไป motes (GMs); (2) GMs ทั้งหมดส่งข้อความไป SM (3) SM การส่งข้อความไป BMU กรัม และสุดท้าย (4) BMU จะส่งข้อความไปที่ GMs ในย่าน topological ของ กรณีทั้งหมดสี่จะกล่าวถึงต่อไปจึงสันนิษฐานว่า ใช้งาน WSN – ส้มมี N motes (หรือ equivalently neurons) ซึ่งสม่ำเสมอเมื่อเทียบเคียงกระจายผ่านโทโพโลยีใช้สี่เหลี่ยมสองมิติ เพื่อคำนวณความเรียบง่าย แต่ไม่ มีการสูญเสียการ generality เหลี่ยมจะถือว่ามีความยาวด้านของทั้งหมดประมาณเท่ากับ (เช่นสี่เหลี่ยม), นั้นด้านข้างจะยาว √N ทแยงจะมีความยาวของ √(2N) ซึ่งยัง กำหนดจำนวนสูงสุดของข้ามไปตามเส้นทางใดเส้นข้ามโครงสร้าง WSN ในกรณีของ GMs ที่สื่อสารกับ SM จำนวนเฉลี่ยของการข้ามข้อความเดินผ่านเป็นครึ่งหนึ่งของค่าหรือมีค่าเท่ากับ 0.5×√(2N) นี้กรณี 1 (SM ส่งแพคเก็ตการ GMs ทั้งหมด): เป็น SM มีน้ำท่วมในการสื่อสารแบบเดียวฝึกให้ GMs ในทั้งหมด ทำในเกิดขึ้นพร้อมเนื่องจากวิทยุจำกัดช่วงของแต่ละ motes การมองเห็นภาพสถานการณ์การสื่อสารที่เกี่ยวข้อง หนึ่งสามารถคิดแพร่กระจายคลื่นกับ SM ที่ให้บริการเป็นเครื่องกำเนิดคลื่น ในกรณีนี้ หนึ่งบ้านหนึ่ง-hop ทั้งหมดของ SM ได้รับแพคเก็ตที่รูปแบบการฝึกอบรม ถัดไปเป็นบ้านสองตู้รับ และอื่น ๆ ถ้ามี N motes หรือ neurons แล้วจะมีมากที่สุดทำ √(2N) สำหรับ motes หยั่ง (รูปที่ในแง่ของจำนวน hop สำหรับทั้งความยาวของเส้นทแยงมุมซึ่งจะแทน ด้วย hopmax แบบ) จะได้รับการฝึกอบรมรูปแบบแพคเก็ต ก็ยังเหมาะสมที่จะรวมจำนวนหนึ่งของความล่าช้าเนื่องจากแออัดซึ่งจะถูกจำลอง โดยคำ g() ดังนั้น การทำให้การประเมินการมีขอบเขตบนค่าของพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องequation(10)tc,pattern≈(hopmax,pattern×tc,hop)+g(Mpattern)≈√(2N)×tc,hop+g(Mpattern)เปิด MathJaxกรณี 2 (GMs ทั้งหมดที่ส่งแพคเก็ต SM): GMs ทั้งหมดพยายามถ่ายทอดข้อมูลค่าผลลัพธ์ของเซลล์ประสาทไป SM สำหรับขั้นตอนรหัส BMU สำหรับจีเอ็มหยั่ง มันจะใช้ทำ √(2N) หรือข้ามเพื่อข้อความ ข้อความดังกล่าวมากอาจสื่อสารพร้อมกันเนื่องจาก motes มีจำกัดช่วงวิทยุ (โดยออกสำหรับโปรแกรมประยุกต์ WSN ทั่วไป เห็นภาพนี้สถานการณ์การสื่อสาร หนึ่งสามารถรูปแบบรังผึ้งพาร์ทิชันของโทโพโลยี WSN ทั้งหมดจะถูกควบคุม โดยช่วงส่งวิทยุของ motes ท้องถิ่นสื่อสารสามารถทำได้ภายในแต่ละเซลล์รังผึ้งใน concurrence เซลล์อื่น ๆ การส่งเสริมการสื่อสารแบบขนาน มีข้อความเฉพาะ N และทำหลายสำหรับแต่ละข้อความดังกล่าว จะแออัดหรือคอขวดเมื่อข้อความทั้งหมดไปถึงบ้านหนึ่ง-hop ของ SM สำหรับการจัดส่งขั้นสุดท้าย ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ข้อความทั้งหมดที่กำลังแสดงผลเซลล์ประสาทท้ายถูกจัดคิวในเวลาที่จะสามารถสื่อสารกับ SM เดียว จึงเหมาะสมที่จะสมมติว่า GMs ดังกล่าว ซึ่งมีบ้านหนึ่ง-hop ของ SM ส่งเอาท์พุตของเซลล์ประสาทก่อน และบ้านสอง-hop ถัดไป (ผ่านบ้านหนึ่ง-hop) ในขณะที่ motes หยั่งเริ่ม relaying เซลล์ประสาทของพวกเขาแสดงผลผ่านข้ามหลายต่อ SM นี้นำไปสู่เหลื่อมเวลาหรือการสื่อสารแบบขนานตั้งแต่ขณะสื่อสารกับ SM ดำเนินการอยู่โดย GMs ของเพื่อนบ้านหนึ่ง-hop การสื่อสารจากบ้านไกล หรือหลายตู้ของ SM จะทับซ้อนกับที่ติดต่อสื่อสารอย่างต่อเนื่องระหว่าง SM บ้านซักตู้ของ ตาม สูตรสำหรับขอบเขตบนค่า tc ช่วงเวลาพารามิเตอร์การแสดงผลสามารถกำหนดเป็นequation(11)tc,outputs≈√(2N)×N×tc,hop+g(Moutputs)เปิด MathJaxกรณี 3 (SM ส่งแพคเก็ตจีเอ็ม BMU): SM ส่งข้อความเดียวจีเอ็ม BMU ใช้แหล่งที่มาตามสายงานการผลิตที่จะเช่นผ่านข้าม 0.5×√(2N) (ที่สอดคล้องกับความยาวครึ่งหนึ่งของขวาง) โดยเฉลี่ย:equation(12)tc,BMU−Notify≈hopave,BMU−Notify×tc,hop+g(MBMU−Notify)≈0.5×√(2N)×tc,hop+g(MBMU−Notify)เปิด MathJaxกรณี 4 (กรัม BMU ส่งแพคเก็ตการ GMs ของเพื่อนบ้าน topological): กรัม BMU จะส่งข้อความไปอื่น ๆ GMs ในการหดตัวเคย topological ใช้โพรโทคอสายงานการผลิตน้ำท่วม ตั้งแต่บ้าน topological ของ GM มี บ้านของตู้ต่าง ๆ ระยะทางไป furthest topological ใกล้เคียง (ในแง่ของการนับจำนวน hop) จะกำหนดระยะเวลาที่จำเป็นสำหรับงานนี้จะเสร็จสมบูรณ์ จำนวนตู้ในบ้าน topological furthest คือ ฟังก์ชัน monotonically ลดเวลาฝึกที่เริ่มต้นจากค่าเริ่มต้นอาจจะในช่วง 10 ถึง 100 ในกรณีส่วนใหญ่ กำหนดพารามิเตอร์นี้ โดย H ทำให้ประมาณค่าของพารามิเตอร์นี้กำหนดเวลาสมการต่อไปนี้:equation(13)tc,BMU−TN≈H×tc,hop+g(MBMU−TN)เปิด MathJaxโดยที่ H คือ จำนวนเต็มบวกที่มีค่าลดลงต่อศูนย์จากค่าเริ่มต้นโดยทั่วไปไม่เกิน 100 ค่าพารามิเตอร์เวลานี้เป็นระยะเพื่อวัตถุประสงค์ที่สุดค่าของความซับซ้อนเวลา Eq. (8) สามารถหาค่าประมาณเป็น โดยกำลังแย่กว่า O(N3/2) ให้รากศัพท์สำหรับเพียงการประมาณพารามิเตอร์เวลาที่ปรากฏในสมการเดียวกันและสถานะของ g() มีค่าเป็นบริบทเฉพาะ นอกจากนี้ สามารถสร้างค่าเฉพาะสำหรับพารามิเตอร์หรือตัวแปรที่ปรากฏในกำหนดประเมินความซับซ้อนเวลาผ่านข้อความซับซ้อนวิเคราะห์ ซึ่งจะแสดงจะทำการประเมินสำหรับพารามิเตอร์จำนวนข้อความ M ที่แสดงต้นทุนข้อถัดไป4.3 ความซับซ้อนข้อการวิเคราะห์ความซับซ้อนข้อต้องพิจารณาโครงสร้างเฉพาะและโพรโทคอสายงานการผลิตเพื่อให้สามารถประเมินการสื่อสารต้นทุน ตามลำดับ การวิเคราะห์ต่อไปนี้สมมติสอง หรือสี่เหลี่ยม (ในกรณีพิเศษ) ส้มโทโพโลยี และผสมโพรโทคอสายงานการผลิต ซึ่งประกอบด้วยน้ำท่วม และ ตามแหล่งที่มาอธิบายไว้ใน กระดาษก่อนหน้านี้ ประเมินจำนวนข้อในแต่ละขั้นตอนที่อธิบายไว้ใน Fig. 11 สำหรับการฝึกอบรมของเครือข่ายประสาทส้มจะแสดงในตาราง 7 การแจ้งเตือนจำนวน 95% ถือว่าการประเมินนับข้อความในตารางนี้ตาราง 7 การจำนวนข้อความประเมิน (พร้อมวงเงินแจ้งเตือน 95% สำหรับ SM) สำหรับรหัสเทียม WSN – ส้มใน Fig. 10ขั้นตอนไม่ จำนวนข้อความ (กลุ่ม) คำอธิบาย0.a/b/c SM ส่งออกข้อความเดียวให้ GMs ทั้งหมดสอนให้พวกเขาเริ่มต้นของพารามิเตอร์และน้ำหนักที่ใช้โพรโทคอสายงานการผลิตน้ำท่วม จำนวน retransmission ข้อเดียวนี้จะล้อมรอบจากข้างต้น โดย N × N = N2 (ในกรณีเลวร้ายที่สุด) เนื่องจากมลทิน (หรือทุกเซลล์ประสาท) สามารถส่งทุกอื่น ๆ มลทิน (หรือเซลล์ประสาท) แม้ว่าในทางปฏิบัติ นี้ผูกขนาดเล็กเนื่องจาก motes สามารถปฏิเสธที่จะส่งคำข้อความเดียวกันอีกก็SM 1 ตลอดจนลวดลาย GMs ทั้งหมดใช้น้ำท่วมตามสายงานการผลิตการฝึกอบรมแต่ละ จะมีมากที่สุด N × N = N2 ทำข้อความสำหรับรูปแบบการฝึกอบรมให้1.a GMs ทั้งหมดรีเลย์เอาท์พุตของเซลล์ประสาทจะ SM ใช้แหล่ง bas
การแปล กรุณารอสักครู่..
