CN101369913B - 一种无线通信网络节点数目估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信网络节点数目估计方法，其利用了分时隙通信系统的三种时隙，先给出三个初步估计，再利用三种时隙数目与节点数目之间的函数关系式的导数，给出三个初步估计的可靠度，然后合并三个初步估计得到最后结果。本发明适用于射频标签识别系统或无线传感器网络等无线通信中网络节点数目的估计，其具有估计精度高，适用范围广，在节点数目大于时隙数目的情况下，估计仍然准确；本发明还给出了估计结果的准确性判定依据，以及自适应调整估计参数的方法。

Description

一种无线通信网络节点数目估计方法 

技术领域：

本发明涉及一种通信网络节点数目估计方法，适用于分时隙通信网络。 

背景技术：

在无线通信网络领域，时隙ALOHA是一种常用的分时隙的媒体接入控制(MAC，MediumAccess Control)方式，这种方式把网络传输时间分为若干个时隙，接收端在每一个时隙里面最多只能和一个给其发送数据的网络节点进行通信。当时隙数目和网络节点数目匹配的时候，网络效率达到最大，因此节点数目估计可以指导时隙数目的合理选取。随着网络新技术的发展，出现了网络节点数目非常多，而具体数目又未知的网络，比如射频标签识别(RFID，RadioFrequency Identification)系统，无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)。这些系统的节点数目可以达到几百、几千个，甚至更多；尤其RFID如果用于物流系统作为商品的标签，代替传统的条形码，在这种应用场合下，标签数目数量尤为巨大。如此众多的网络节点数目，在做信道接入和数据传输的时候，媒体接入控制的压力非常大，容易出现多个节点占用同一个时隙，导致碰撞的情形，碰撞通常意味着本次接入失败，结果就是接入失败的节点重新尝试接入，于是浪费了时间资源。在时隙ALOHA方式中，可以安排大数目的时隙，来缓解多个节点碰撞的现象，以便提高系统效率；然而另一方面，时隙数目如果过多，超过了当前节点数目的需要，那么就会出现很多被浪费的时隙，即没有被节点占用的时隙，这也会浪费时间资源。所以为了系统时间资源的最佳利用，或者说系统实现效率最大化，应该根据节点数目来合理的安排时隙数目，这就要求对网络节点数目作出一个较为准确的估计。以RFID系统为例，如果能够准确的估计其标签数目，就可以合理安排读取标签的时隙数目，以便在最短时间内读取完所有的标签；在采用了时隙ALOHA技术的RFID网络中，通常设定读取时隙数目等于标签数目，能够使得时间利用率最大。 

网络节点估计方法可以用于诸如射频标签识别(RFID，Radio Frequency Identification)或者无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)等无线网络。时隙可以分为三类：空白时隙、独占时隙、碰撞时隙，基于此模型，Vogt，H提出一个估计方法(参见Vogt，H.“Multiple ObjectIdentification with Passive RFID Tags”，Systems，Man and Cybernetics，2002 IEEE InternationalConference on，Volume 3，pp.6-9)，其利用空白时隙数目和碰撞时隙数目的线性组合来估计网络节点数目，该方法在节点数目多于时隙数目的时候误差较大。Chenghao Quan等人在专利Method for Estimating Number of Tags in Slotted ALOHA-Based RFID System(United States，Pub. No.：US 2007/0096877 A1，Pub.Date：May 3，2007)中提出了另一种估计方法，利用了空白时隙和碰撞时隙与总时隙数目的比值来做估计，该方法的缺点也是在节点数目多于时隙数目的时候，估计误差较大。 

现有的分时隙通信网络节点数目估计可分解为三个步骤，如图1所示，1-目标接收端(或者中心控制站)设定一个总时隙数目，广播给所有网络节点；2--计算某种时隙数目理论值与节点数目的函数关系；3--用该种时隙数目实测值代替理论值，得出节点数目的估计； 

总之，现有的估计方法在节点数目大于时隙数目的时候估计精度较低，估计范围不够广泛。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种估计精度高，适用范围广的分时隙通信的网络节点数目估计方法。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。 

一种无线通信网络节点数目估计方法，其步骤为： 

1)在目标接收端预设一个总时隙数目，并广播给所有网络节点； 

2)设定空白时隙、独占时隙、碰撞时隙的概率函数，该概率函数为以总时隙数目和网络节点数目为参数的函数； 

3)目标接收端接收一轮网络节点的发送信息，统计三种时隙数目的实测值； 

4)根据时隙数目的实测值和概率函数，得到三个网络节点数目的初步估计值； 

5)根据三个初步估计值的可靠度，确定网络节点数目的估计值； 

6)接收端根据网络节点数目的估计值重新分配时隙，接收网络节点后续发出的信息。 

以三种概率函数在相应初步估计值处的导数值作为可靠度。 

将三个可靠度进行归一化处理得到三个归一化系数，将乘以归一化系数的三个初步估计值的和作为网络节点数目的估计值。 

设定一门限值，如果三个可靠度的和高于门限值，则认为估计值正确，否则调整总时隙数目，重新进行估计。 

空白时隙的概率函数为 $P_0(t,s)={(1-\frac{1}{s})}^t;$

独占时隙的概率函数为 $P_1(t,s)=\left(\frac{1}{s}\right)\×{(1-\frac{1}{s})}^{t-1}\×t;$

碰撞时隙的概率函数为P_c(t，s)＝1-P₀-P₁； 

其中s是时隙数目，t是节点数目。 

所述的调整总时隙数目为将时隙数目加倍。 

本发明的积极效果 

本发明合理利用了分时隙通信系统的所有三种时隙，先给出三个初步估计，再利用三种时隙数目与节点数目之间的函数关系式的导数，给出三个初步估计的可靠度，然后合并三个初步估计得到最后结果。本发明合理利用了可靠的信息，遏制了不可靠的信息，估计精度高，适用范围广，在节点数目大于时隙数目的情况下，估计仍然准确；本发明还给出了估计结果的准确性判定依据，以及自适应调整估计参数的方法。 

附图说明：

图1现有的时隙数目估计方法 

图2本发明的时隙数目估计方法 

图3本发明估计的一个示例：三个初步估计与合并估计(P_i其中i为0、1、c) 

具体实施方式：

本发明分为：1--设定一个总时隙数目，并广播给所有网络节点，通知每个网络节点从中随机选择一个时隙用来传输数据；2--计算三种概率函数，一共得出三个函数关系式；3--统计各种时隙数目的实测值；4--根据某种时隙数目与网络结点数目的函数关系，以及该种时隙数目的实测值，得出节点数目的初步估计；5--求取三个函数式的导数，用估计点处的导数绝对值作为三个初步估计的可靠度；6--用三个估计可靠度作为组合系数来合并以上三个初步估计，得到合并的估计结果。7--给出合并估计的可靠度，用三个估计可靠度的总和作为合并估计的可靠度。8--给出一个门限，如果合并估计可靠度高于这个门限，认为估计正确；如果合并估计可靠度低于此门限，认为估计不正确，并调整时隙数目为原来的二倍，重新做估计。 

举例一次估计过程。其流程如图2所示，假设时隙数目是100，节点数目真实值300。 

1目标接收端(或者中心控制站)预设一个总时隙数目为100，并广播给所有网络节点； 

2计算各种时隙数目的概率函数 

2-1计算空白时隙数目的概率函数P₀(t，s)；  $P_0(t,s)={(1-\frac{1}{s})}^t,$ s是时隙数目，t是节点数目 

2-2计算独占时隙数目的概率函数P₁(t，s)；  $P_1(t,s)=\left(\frac{1}{s}\right)\×{(1-\frac{1}{s})}^{t-1}\×t,$ s是时隙数目，t是节点数目 

2-3计算碰撞时隙数目的概率函数P_c(t，s)； 

P_c(t，s)＝1-P₀-P₁

3目标接收端接收一轮网络节点的发送信息，统计各种时隙数目的实测值，得到三种时隙的实际发生概率； 

3-1统计空白时隙数目的实测值，为10； 

3-2统计独占时隙数目的实测值，为5； 

3-3统计碰撞时隙数目的实测值，为85； 

4根据该种时隙数目与网络节点数目的概率函数，以及该种时隙数目的实测值，得出节点数目的初步估计； 

4-1根据空白时隙数目与网络节点数目的概率函数P₀(t，s)，以及空白时隙数目的实测值，得出节点数目的一个初步估计 ${\hat{t}}_0=230;$

4-2根据独占时隙数目与网络节点数目的概率函数P₁(t，s)，以及独占时隙数目的实测值，得出节点数目的另一个初步估计 ${\hat{t}}_1=450;$

4-3根据碰撞时隙数目与网络节点数目的概率函数P_c(t，s)，以及碰撞时隙数目的实测值，得出节点数目的另一个初步估计 ${\hat{t}}_c=337;$

5利用上述三个函数式的导数，分别给出三个初步估计的可靠度； 

5-1函数P₀(t，s)在估计点处的导数绝对值0.1002，作为估计 

的可靠度； 

5-2函数P₁(t，s)在估计点处的导数绝对值0.0389，作为估计 

的可靠度； 

5-3函数P_c(t，s)在估计点处的导数绝对值0.1159，作为估计 

的可靠度； 

其它得到估计可靠度的方式为利用估计值的范围得到估计可靠度(参见文献JiaZhai，Gi-NamWang，An Anti-collision Algorithm Using Two-Functioned Estimation for RFID Tags，Parallel and Distributed Systems，2005.Proceedings.11th International Conference onVolume 2，20-22 July 2005 Page(s)：63-67)，这个方法做的是计算机仿真，看看当前估计值是多大，对比当前实际值得出当前的估计误差；做很多次仿真，统计出每次的估计值和估计误差，利用多 次统计出的估计误差，得到每个估计值的误差方差。认为每个估计值对应的误差方差越大，估计可靠度越低；反之误差方差越小，估计可靠度越高。这样可以设定一个可靠估计范围，当估计值在这个范围内的时候，就认为可靠；当估计值在这个范围以外的时候，就认为不可靠。 

6把三个估计可靠度归一化，得到归一化的可靠度，作为组合系数，分别是0.3931、0.1524、0.4544，用它们来线性组合三个初步估计 得到合并估计结果，即230×0.3931+450×0.1524+337×0.4544＝312.1258； 

7三个估计可靠度的和，作为合并估计的可靠度，即0.1002+0.0389+0.1159＝0.2550； 

8预设一个门限为0.1，如果步骤7中的合并估计可靠度高于这个门限，认为估计正确，否则认为估计不正确并调整估计参数重新估计。 

8-1如果估计正确，估计结束； 

8-2如果估计不正确，加倍时隙数目，重新做估计； 

得到的三个初步估计分别是230、337和450，误差分别是-70，+37和+150，有一个正误差和两个负误差；这三个初步估计合并后的最终估计结果是312，比较接近真实值。图3描述了这个估计过程。 

Claims (5)

1.一种无线通信网络节点数目估计方法，其步骤为：

1)在目标接收端预设一个总时隙数目，并广播给所有网络节点；

2)设定空白时隙、独占时隙、碰撞时隙的概率函数，该概率函数为以总时隙数目和网络节点数目为参数的函数；

3)目标接收端接收一轮网络节点的发送信息，统计三种时隙数目的实测值；

4)根据时隙数目的实测值和概率函数，得到三个网络节点数目的初步估计值；

5)根据三个初步估计值的可靠度，确定网络节点数目的估计值；所述的估计值为将三个可靠度进行归一化处理得到三个归一化系数，将乘以归一化系数的三个初步估计值的和作为网络节点数目的估计值；

6)接收端根据网络节点数目的估计值重新分配时隙，接收网络节点后续发出的信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述可靠度为以三种概率函数在相应初步估计值处的导数绝对值作为可靠度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于设定一门限值，如果三个可靠度的和高于门限值，则认为估计值正确，否则调整总时隙数目，重新进行估计。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述的调整总时隙数目为将时隙数目加倍。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述概率函数为：

空白时隙的概率函数为 

独占时隙的概率函数为 

碰撞时隙的概率函数为P_c(t,s)＝1-P₀-P₁；

其中s是时隙数目，t是节点数目。 

Images