CN103582136A - 在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法步骤如下：首先节点先计算出自己的传输能力，这个传输能力决定了节点的传输优先级。接下来节点根据自己的传输能力和周围节点的传输能力做出信道占用的初始化决策，然后节点开始一个个顺序做出决策。它们的决策依据是传输能力和周围节点在上一轮决策中的决策。直到每个节点的决策都不再改变之后，决策结束，然后节点根据自己的决策进行信道选择和数据传输。本发明是一个分布式方法，不需要设立控制者，可以大大的减少由于设立总控制者所需要的费用，同时也是高效的，能保证在节点开始传输的时候，信道上不会有冲突，并能最大化地利用空闲信道，从而提高网络输出。

Description

在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，尤其是一种基于博弈论的合理分配信道资源达到网络输出最优的方法，具体地是在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法。

背景技术

在多信道的无线网络中的信道分配是一个非常热门的话题，因为随着无线网的发展，频谱资源的稀缺严重地制约了信息的高效和快速的传输，而这个话题不仅在学术上得到了广泛的关注，在工业应用领域也颇受重视。有效地利用现有资源将帮助我们的网络得到更好的输出。

一方面，我们很容易理解随着信道数量和网络中节点个数的增加，这个问题将会变得越来越复杂。而这个问题却在多信道多跳网络中的应用最为广泛最贴近实际的，且这是一个很少讨论的问题。另一方面，之前的发明很少从经济学的角度来探讨这个问题，而发明人可以发现用博弈论可以高效地解决信道分配问题，不仅可以得到较高的网络输出，同时可以在一个较短的时间内完成决策。

在本发明中，发明人运用博弈论的思想，提出了一个分布式的方法来解决这个在多信道的多跳网络中的信道分配问题。分布式方法能十分有效地减小中心基站收集数据和做决策的巨大费用，并被广泛地运用到现在的无线网络传输中。本发明提供的方法能帮助网络获得一个整体的较优的输出，并能有效地防止在多跳网络中经常发生的数据拥塞。这说明了本发明提供的方法不仅能使得网络有一个较高的输出，还能在一定程度上保证公平性，这意味着在本发明的网络中的每个节点都将会获得一定的机会来传输它们的数据。

发明内容

本发明讨论的网络场景是一个拥有多个信道的多跳网络，在这个网络中只有一个中心节点，其它节点每个时隙都会产生一定量的数据，这些数据最后都会通过中继节点发送给中心节点，而只有中心节点接收到的数据才被计算为网络的输出。本发明的内容并不讨论关于在多跳网络中发送数据路径的选择（即中继节点的选择），本发明在一个已知的网络场景中，讨论信道分配问题，每个节点都知道它需要将数据传给哪个节点。

根据本发明的一个方面，提供一种在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法，基于博弈论为基础，这样的信道分配方法能提高信道分配效率，包括以下步骤：

第一步，分别给无线传感器网络中的每个节点编号并设置每个节点相应的传输速率、初始节点状态信息、节点传输时间、以及节点数据生成速率；

第二步，每个节点计算出自己的传输能力并广播，并获取自己周围节点的传输能力；

第三步，每个节点根据自己的传输能力，周围节点的传输能力做出初始决策，即每个节点同时做出初始决策；

第四步，每个节点按顺序做决策，选择信道进行传输或者放弃在本时隙传输；例如，每个节点有多个选择（选择数量取决于信道数量），分别是选择信道一，信道二，信道三……；

第五步，经过多轮决策以后，如果到达一个状态那么认为网络达到均衡，或者说是纳什均衡，也就是每个节点都没有动力再去改变自己的决策，其中，所述状态是本轮所有节点的决策都与上轮所有节点的决策相同；

第六步，到达均衡之后，每个节点都根据自己的决策选择信道以及传输数据。

优选地，在所述第二步中，节点的传输能力计算方法为：

$x_{\mathrm{ik}}=B{\log }_2(1+\frac{S}{N})\·l_i^m$

其中x_ik就是该节点i对于信道k的传输能力，/是该节点数据拥塞量或者是一个关于数据拥塞的函数，用来防止数据在网络中的拥塞，让数据积累多的节点有更高的优先级传输数据，B是信道带宽，S/N是节点i在信道K上的信噪比，m为任意实数。

这样定义的好处在于它能在保证网络传输速率的同时在一定程度上估计公平性，并减少网络拥塞。

优选地，m的取值为2，此时可以有效避免网络拥塞及确保网络的公平性。

优选地，在所述第二步中，所述周围节点指的是与该节点有干扰的节点。在网络的数据传输中，每条传输链路都由一个发送节点和一个接收节点组成，发明人将发送节点表示为这条传输链路，而所谓的与该节点干扰其实就是与该传输链路相干扰。具体为在传输节点的干扰半径内（在网络传输中，如果两个相距比较近的节点同时进行数据传输，两者的干扰会很大，在本发明的网络中，假设在一定的范围内，两个节点同时收发数据会产生干扰，超出这个范围，就可近似为干扰很小或者没有干扰，如在自由空间传播，这个范围就是以该节点为中心，干扰半径为半径的圆），除了接收节点外的其它节点不能用同一条信道接收数据；在接收节点的干扰半径内，除了传输节点外的其它节点不能用同一条信道发送数据。且任意节点只能同时接收一个节点给它的数据，且不能同时接收和发送数据。根据这些关系，可以建立起该网络场景的干扰关系矩阵。

优选地，在所述第三步中，关于初始决策制定的方法为：

对于节点i，如果 $x_{\mathrm{ik}}>\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j\∈T_i}{x}_{\mathrm{jk}}}{n}$

那么该节点就会选择信道k，否则放弃信道k，如果对于该节点来说，有多条信道满足以上这个关系，那么该节点就会选择它有最大能力的信道去占用；

其中T_i是节点i周围与节点i有干扰的节点集合，n表示T_i中节点的个数，x_ik和x_jk分别表示节点i和j在信道k上的传输能力，公式右边表述的就是与自己有干扰的节点在每个信道上的传输能力的平均值；

即为与自己有干扰的节点在信道k的传输能力的和。

优选地，所述第四步中，关于做决策的依据，即每个节点的效用函数定义如下：

$U_{\mathrm{ik}}=x_{\mathrm{ik}}-\underset{j\∈T_i}{\max }\left(x_{\mathrm{jk}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jk}}\right)$

其中T_i是节点i周围与节点i有干扰的节点集合，每个节点根据自己的环境选择自己受益最大的信道进行传输，上式的第二项为该节点选择这条信道对其它节点的伤害，即惩罚因子，x_ik为该节点自己在该信道上的传输收益；

每个节点的策略定义如下：

${\mathrm{\π}}_i=\arg \underset{k=\mathrm{1,2,3}}{\max }{U}_{\mathrm{ik}}$

其中π_i是节点i的决策，且π_i=1,2,3…或者0，其中，0表示不占用信道，如果一共有N条信道，就一共有N+1个选择；而θ_jk是节点j在信道k上的决策，取值为1或者0，其中，1表示占用改信道，U_ik表示节点i在信道k上的效用函数，即收益；x_ik和x_jk分别表示节点i和j在信道k上的传输能力；

表示在U_ik取最大值的时候π_i的取值。

优选地，在所述第四步中，每个节点根据自己的编号或某种随机生成的顺序，顺序做决策。

本发明提供的方法有如下好处：

（1）到最后，在任意一条信道上都不会发生冲突。也就是说，任意一条信道上，不会有两个相干扰的节点同时选择传输数据。

（2）到最后没有信道会被浪费，也就是说，每条信道都会被占用除非在某个区域内节点个数小于信道数。

（3）传输能力较低的节点会将信道让给传输能力较高的节点，这样能避免信道冲突并使得整个网络有较高的输出。

与现有技术比较，本发明提供的方法有如下优越性：

（1）本发明提供的方法在这个被广泛使用的网络场景中能发挥出很高的效率，通过仿真实验可以发现本发明提供的方法能得到的网络输出高于贪婪法，并至少能达到网络输出上限的50％。

（2）本发明提供的方法是十分效率的，通过本发明提供的方法，可以发现，在O(n²)的时间内（多项式时间内），本发明提供的方法必将实现收敛，再加上节点快速的决策速度，也就是说，在传输数据之前的这段决策时间将十分短暂，这大大提高了网络中的资源利用率，减少了浪费。（具体证明如下：本领域技术人员理解，在本发明的博弈机制之下，每一轮至少有一个节点会做出自己的最终决策，也就是说，每一轮的决策下来，至少有一个节点的决策是到最后都不会改变的，那么由于每轮博弈需要用的时间是n，而至多有n轮博弈，所以能把收敛时间控制在O(n²)）

（3）本发明提供的方法是分布式方法，作为分布式方法，它有天生的优越性。由于它避免了不必要的集中式决策，也就大大减少了不必要的费用，例如设立中心节点来统一决策及分配信道的费用。节点们只需符合网络规则，自主决策，就能做到高效，快速的完成信道分配，并避免冲突，开始传输数据。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为根据本发明提供的方法的网络输出和上限的比较。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提在进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，每个节点观测在会与自己传输数据相干扰的节点的基本信息，这些信息包括：节点的传输信噪比（可以有任意多条信道，每个节点对于每条信道都有一个不同的信噪比）和节点的数据堆积量（节点内存中所有待传输的数据量）。

然后通过这些信息分别计算出自己和这些节点的传输能力。

所述的传输能力就是根据信噪比和香农公式计算出的每条信道对于每个节点的信道容量乘以该节点数据拥塞量的平方。可以表述如下：

$x_{\mathrm{ik}}=B{\log }_2(1+\frac{S}{N})\·l_i^2$

其中x_ik就是该节点i对于信道k的能力。/是该节点数据拥塞量，但它并不仅限于此，它也可以是一个关于数据拥塞的函数，用来防止数据在网络中的拥塞，让数据积累多的节点有更高的优先级传输数据。B表示信道的带宽，S/N是节点i在信道K上的信噪比(节点i传输给它的数据接收节点的信噪比)。

而发明人正是用所述传输能力来决定节点传输数据的优先级，这样有助于本发明在保证高信噪比优先传输数据这个原则的同时顾及了节点之间传输数据的公平性，让长时间没传输数据的节点有更高的优先级来去传输数据。

第二步，节点以T为传输周期，在每次传输前，每个节点都会有一个决策过程。在决策开始前，每个节点都会产生一个随机数，这个数的大小决定了它们在何时开始决策（这个数表示经过多长的时间它们决策一次，或者说这个数表示的是它们的决策顺序）。

第三步，节点根据自己和周围节点的传输能力初始化自己的决策，这个初始化的决策是同时进行的。

具体的初始化过程是：

（1）每个节点计算出与自己有干扰的节点在每个信道上的传输能力的平均值。

（2）如果在某条信道上，自己的传输能力高于周围节点传输能力的平均值，该节点就会选择决策占用这个信道，否则不占用。如果出现该节点选择同时占用多条信道，则该节点将选择自己传输能力最高的信道占用。

本发明的初始化过程可以直观的表达为下面的公式：

如果 $x_{\mathrm{ik}}>\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j\∈T_i}{x}_{\mathrm{jk}}}{n}$

那么节点i就会选择信道k，否则放弃信道k，如果对于节点i来说，有多条信道满足以上这个关系，那么节点i就会选择它有最大能力的信道去占用。

公式中T_i是节点i周围与节点i有干扰的节点集合，n表示T_i中节点的个数，x_ik和x_jk分别表示节点i和j在信道k上的传输能力。公式右边表述的就是与自己有干扰的节点在每个信道上的总传输能力的平均值。（

即为与自己有干扰的节点在信道k的传输能力的和）

第四步，在节点决策初始化之后，每个节点轮流开始决策，首先，它们先观测与它们有干扰的节点的上一轮决策，再加上自己的传输能力和其它节点的传输能力综合决策。

由于网络中有多条信道，对于每个节点来说有多个选择，分别是占用信道一，二，三……，或者暂时放弃信道。轮到某节点决策时，它对每条信道做如下计算从而得到结果：

（1）找出与自己有干扰的节点中在上轮决策选择占用该信道的最大传输能力的节点。

（2）用自己的传输能力与该节点的传输能力进行比较，如果自己的传输能力大于那个节点，则选择占用该信道，否则不占用该信道。如果出现该节点选择同时占用多条信道，则该节点将选择自己传输能力最高的信道占用。

以上的博弈过程可以用几个数学公式简单表述：

$U_{\mathrm{ik}}=x_{\mathrm{ik}}-\underset{j\∈T_i}{\max }\left(x_{\mathrm{jk}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jk}}\right)$

${\mathrm{\π}}_i=\arg \underset{k=\mathrm{1,2,3},...}{\max }{U}_{\mathrm{ik}}$

其中π_i是节点i的决策，且π_i=1,2,3…或者0（0表示不占用信道，如果一共有N条信道，就一共有N+1个选择）。而θ_jk是节点j在信道k上的决策，取值为1或者0（1表示占用改信道），U_ik表示节点i在信道k上的效用函数，即收益。x_ik和x_jk分别表示节点i和j在信道k上的传输能力。

表示在U_ik取最大值的时候π_i的取值。

以上的公式可以做出如下解释：每个节点的效用函数相当于自己对于该信道的收益减去自己选择占用该信道对其它节点所带来的伤害，即后面一项

为惩罚函数，由于自己选择了传输，使得其它节点在该信道产生干扰，将这一项加入效用函数之中，能使得每个节点在考虑自己利益的同时，尽量避免干扰，同时也从另一方面做到了功率的节约。

经过了多轮的决策之后，将会达到稳定的状态，也就是纳什均衡。换句话说，每个节点都没有动力去改变自己的决策，因为它们不能通过改变决策来获得更高的收益。而通过发明人的实验可以证明发明人能在较短的时间内达到这样的稳定状态，从而发明人可以根据经验，设定一定的决策时间，在这段时间的决策之后，每个节点都根据自己之前的决策选择是否在接下来的传输时间内传输数据。

为了衡量本发明的效率及体现本发明的优越性，发明人做了如下的实验，实验结果说明本发明提供的方法优于贪婪法。于此同时，发明人利用近似的方法求解了该网络环境中的最佳输出的上限，同时用本发明提供的方法与这个上限比较，体现了本发明的效率。最后，发明人画出本发明所提供方法的流程图，这张流程图有助于更清晰地表述本发明，同时更直观地展现本发明和博弈过程。

发明人进行了3000个时隙的仿真，即一共有3000次传输机会，在实验中，发明人在一个30*30的区域中生成了40个随机分布的节点，每个节点对于每一条信道拥有不同的传输信噪比，而这些信噪比满足高斯分布。在本例中，发明人令信道数等于三。同时，发明人令节点的干扰半径等于节点的传输半径都是5，并根据它们的传输半径建立起了网络拓扑图（即每个节点经过哪些节点最后将数据传输给中心节点）。中心节点位于发明人生成的区域的正中心，是所有数据的终点。同时本领域技术人员理解，在传输节点的干扰半径内，除了接收节点外的其它节点不能用同一条信道接收数据；在接收节点的干扰半径内，除了传输节点外的其它节点不能用同一条信道发送数据。且任意节点只能同时接收一个节点给它的数据，且不能同时接收和发送数据。根据这些关系，可以建立起该网络场景的干扰关系矩阵。

优选的具体实现步骤包括下列几步：

第一步，给无线网络中的所有节点编号，这个编号直接决定了它们的决策顺序。同时设定每个节点的数据产生速率，这个数据产生速率对于每个节点都是相同的，且它是节点在单个时隙传输数据量的平均值的三分之一。（这个三分之一并没有特殊的数字要求，只是需要节点的数据产生速率和节点的数据传输速率可比较，不会出现速率产生速率太高以至于网络中的数据一直处于拥塞状态，或者数据传输速率太快导致信道资源分配对于网络的输出影响很小的情况）

第二步，根据上文描述的初始化方法，将每个节点的决策初始化。也就是说，每个节点根据自己计算出来的能力，和周围节点的能力，判断

$x_{\mathrm{ik}}>\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j\∈T_i}{x}_{\mathrm{jk}}}{n}$

并选择对自己有利的决策进行传输或者放弃。

公式中T_i是节点i周围与节点i有干扰的节点集合，n表示T_i中节点的个数，x_ik和x_jk分别表示节点i和j在信道k上的传输能力。公式右边表述的就是与自己有干扰的节点在每个信道上的传输能力的平均值（

即为与自己有干扰的节点在信道k的传输能力的和）。

第三步，根据上文描述的主要方法，每个节点选择自己受益最大的信道进行传输，具体公式如下：

$U_{\mathrm{ik}}=x_{\mathrm{ik}}-\underset{j\∈T_i}{\max }\left(x_{\mathrm{jk}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jk}}\right)$

${\mathrm{\π}}_i=\arg \underset{k=\mathrm{1,2,3}}{\max }{U}_{\mathrm{ik}}$

其中π_i是节点i的决策，且π_i=1,2,3或者0（0表示不占用信道，由于在本实施例中发明人假设网络中有3条信道，故一共有4个取值）。而θ_jk是节点j在信道k上的决策，取值为1或者0（1表示占用改信道），U_ik表示节点i在信道k上的效用函数，即收益。x_ik和x_jk分别表示节点i和j在信道k上的传输能力。

表示在U_ik取最大值的时候π_i的取值

设计循环，当每个节点的决策都不再改变时，循环结束。

在循环结束后，各个节点根据自己的决策选择是否传输数据，并计算在该时隙结束之后，每个节点的堆积数据量（包括原有的数据量减去传输出去的数据量，再加上新增的数据量和别人传给它的数据量），然后更新节点的传输能力，为下个时隙的传输做准备。

第四步，重复上述过程3000次，并记录如下数据：

（1）中心节点在各个时隙接收到的数据总量。

（2）在每个时隙中，堆积数据最多的节点的数据堆积量、

（3）在这3000个时隙过后，整个网络的输出。

通过记录下的数据，同时再加上发明人进行其它实验得出的网络输出的上界和贪心方法得到的网络输出，发明人得到了如下的图1,2。

通过图1本领域技术人员可以发现，本发明提供的方法所输出的网络传输量至少能达到网络传输总量上界的百分之五十。本发明的网络传输总量上界是通过枚举法跑出单个时隙的网络最大传输量，用选取的这些节点的传输量分别除以选取的这些节点到中心节点的跳数，求和，再将它乘以3000来求取的。而由于在网络中，只有传输到中心节点的数据才能被计算为网络传输量，所以本实施例中发明人计算的上界是远远大于实际的最大网络传输量的。

Claims (7)

1.一种在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法，其特征在于其基于博弈论为基础，这样的信道分配算法能提高信道分配效率，包括以下步骤：

第一步，分别给无线传感器网络中的每个节点编号并设置每个节点相应的传输速率、初始节点状态信息、节点传输时间、以及节点数据生成速率；

第二步，每个节点计算出自己的传输能力并广播，并获取自己周围节点的传输能力；

第三步，每个节点根据自己的传输能力，周围节点的传输能力做出初始决策，即每个节点同时做出初始决策；

第四步，每个节点按顺序做决策，选择信道进行传输或者放弃在本时隙传输；

第五步，经过多轮决策以后，如果到达一个状态，这个状态是本轮所有节点的决策都与上轮所有节点的决策相同，那么认为网络达到均衡，或者说是纳什均衡，也就是每个节点都没有动力再去改变自己的决策，其中，所述状态是本轮所有节点的决策都与上轮所有节点的决策相同；

第六步，到达均衡之后，每个节点都根据自己的决策选择信道以及传输数据。

2.根据权利要求1所述的在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法，其特征在于，在所述第二步中，节点的传输能力计算方法为：

$x_{\mathrm{ik}}=B{\log }_2(1+\frac{S}{N})\·l_i^m$

其中x_ik就是该节点i对于信道k的传输能力，/是该节点数据拥塞量或者是一个关于数据拥塞的函数，用来防止数据在网络中的拥塞，让数据积累多的节点有更高的优先级传输数据，B是信道带宽，S/N是节点i在信道K上的信噪比，m为任意实数。

3.根据权利要求2所述的在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法，其特征在于，m的取值为2。

4.根据权利要求1所述的在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法，其特征在于，在所述第二步中，所述周围节点指的是与该节点有干扰的节点。

5.根据权利要求1所述的在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法，其特征在于，在所述第三步中，关于初始决策制定的方法为：

对于节点i，如果 $x_{\mathrm{ik}}>\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j\∈T_i}{x}_{\mathrm{jk}}}{n}$

那么该节点就会选择信道k，否则放弃信道k，如果对于该节点来说，有多条信道满足以上这个关系，那么该节点就会选择它有最大能力的信道去占用；

其中T_i是节点i周围与节点i有干扰的节点集合，n表示T_i中节点的个数，x_ik和x_jk分别表示节点i和j在信道k上的传输能力，公式右边表述的就是与自己有干扰的节点在每个信道上的传输能力的平均值；

即为与自己有干扰的节点在信道k的传输能力的和。

6.根据权利要求1所述的在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法，其特征在于，所述第四步中，关于做决策的依据，即每个节点的效用函数定义如下：

$U_{\mathrm{ik}}=x_{\mathrm{ik}}-\underset{j\∈T_i}{\max }\left(x_{\mathrm{jk}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{jk}}\right)$

其中T_i是节点i周围与节点i有干扰的节点集合，每个节点根据自己的环境选择自己受益最大的信道进行传输，上式的第二项

为该节点选择这条信道对其它节点的伤害，即惩罚因子，x_ik为该节点自己在该信道上的传输收益；

每个节点的策略定义如下：

${\mathrm{\π}}_i=\arg \underset{k=\mathrm{1,2,3}}{\max }{U}_{\mathrm{ik}}$

其中π_i是节点i的决策，且π_i=1,2,3…或者0，其中，0表示不占用信道，如果一共有N条信道，就一共有N+1个选择；而θ_jk是节点j在信道k上的决策，取值为1或者0，其中，1表示占用该信道，U_ik表示节点i在信道k上的效用函数，即收益；x_ik和x_jk分别表示节点i和j在信道k上的传输能力；

表示在U_ik取最大值的时候π_i的取值。

7.根据权利要求1所述的在使用多信道的无线传感器网络中高效分配信道的方法，其特征在于，在所述第四步中，每个节点根据自己的编号或某种随机生成的顺序，顺序做决策。

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