CN104618966A - 一种基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法，该方法在各终端及其接入网络性能因子权重的求解中，将层次分析法和熵值分析法求解的权重进行分配得到实际权重，既实现了终端用户的主观喜好，又实现了各终端及其接入网络之间的客观差异。本发明提出的终端协同分流方法解决了终端的能耗问题，应用于物联网的泛在环境，该方法充分利用了无线泛在环境下的终端与网络资源，增加了网络吞吐量，减少了数据传输时间，同时也扩大了网络的覆盖范围。

Description

一种基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于终端协同的无线泛在环境下的速率分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

新兴多媒体业务和无线应用需求的不断增长，极大地促进了移动终端的发展。在泛在环境下，用户将处于多个终端以及多个网络中，为充分利用用户周围的网络和终端资源，基于终端协同的通信技术应运而生。多终端协同是指利用用户侧的多个终端间的协同关系，即多个终端可通过短距离通信技术连接从而共享其广域通信能力，从而实现无线网络及终端资源的高效利用以及提高用户业务体。目前，多数终端可通过短距离无线通信技术转发业务数据，如蓝牙、IEEE802.11、Zigbee等，为终端协同提供了可能。

在数据流形式上，基于终端协同的多流并行传输即将业务数据划分为不同的子流，在若干终端间通过短距离传输能力为某个终端转发，并最后在此终端汇聚。业务数据的多路径分流传输是多终端协同的研究重点，在终端协同中，选择的协同终端及其接入网的性能都将会极大地影响协同传输系统的性能(时延、吞吐量)。因此，在基于终端协同的速率分配方法中，要鉴于终端以及其接入网的不同特性。但是目前的研究方法多是在各终端间的分流也只是简单地平均分配，未体现终端以及其接入网性能的不同。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于解决在物联网体系结构中，网络层无线泛在环境进行多流并行传输的速率分配问题，提出了一种基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法，该方法在各终端及其接入网络性能因子权重的求解中，将层次分析法和熵值分析法求解的权重进行分配得到实际权重，既实现了终端用户的主观喜好，又实现了各终端及其接入网络之间的客观差异。本发明提出的终端协同分流方法还解决了终端的能耗问题，该方法应用于物联网的泛在环境，操作简单，易于实现，并且具有很好的应用前景。

本发明解决其技术问题所采取的技术方法是：一种基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：网络建立。建立网络拓扑，初始化主终端，并邀请其周围从终端加入虚拟终端系统，并在主终端上进行注册，形成虚拟终端系统。同时获取虚拟终端及其接入网的参数。

步骤2：根据上述步骤1获取的参数，由公式3-公式12计算各终端及其接入网性能的因子权重。

步骤3：再根据公式13计算所有可用终端的效用函数值。

步骤4：对终端m接入到不同网络的效用值从大到小进行排列，最大值对应的终端及其接入网记为MaxU_mn，同时令S_mt＝0,1≤t≤N，且t≠n，以防止相同的终端进行重复选择。MaxU_mn对应的所有可用虚拟终端即进入候选终端集合。

步骤5：将候选终端的效用函数值按照从大到小的顺序及耐性排列，记为oMT＝{oMT₁,oMT₂,…,oMT_y}，并令c＝1。

步骤6：令m＝1，则1≤m≤c。按照公式PreRate_m＝{oMT_m/∑oMT_m}*Rate对c条无线链路进行速率预分配PreRate_m。

步骤7：判断PreRate_m≤RB_m是否成立。若成立，再判断m＝c是否成立；否则，令c＝c+1。

步骤8：判断1≤c≤y是否成立。若成立，跳转到上述步骤2；否则更新候选终端集合，重新进行速率分配。

步骤9：判断m＝c是否成立，若成立，结束速率分配过程，并根据分配结果更新主终端上的注册信息，同时进行网络地址配置，利用终端协同完成业务传输。若未完成，转到上述步骤6继续。

有益效果：

1、本发明充分利用了无线泛在环境下的终端与网络资源，增加了网络吞吐量，减少了数据传输时间，同时也扩大了网络的覆盖范围。

2、本发明在各终端及其接入网络性能因子权重的求解中，将层次分析法和熵值分析法求解的权重进行分配得到实际权重，既实现终端用户的主观喜好，又实现各终端及其接入网络之间的客观差异，提高了最优终端选择的准确性。

3、本发明产生的基于网络协同的无线泛在环境下多流速率分配方法非常简单而易于实现，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明终端协同分流传输应用场景示意图。

图2为本发明终端协同分流传输示意图。

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1-3所示，本发明的用户的多个终端处于泛在环境下。在此种泛在环境下，有一个终端称为主终端(即：Master)，其周围存在着一些可被选择进行协同分流传输的终端即为从终端(即：Slaver)。Master与Slaver之间通过短距离通信技术进行通信，终端通过广域网接口与应用服务器连接。当主终端发起业务时，依据各终端以及其接入网的特性，以实现最小延迟以及最小能耗为目标，确定协同分流传输方法，从而服务器对数据进行分流，分别通过不同的路径到达从终端，最后分流数据通过短距离无线通信技术在主终端汇聚，完成整个业务传输。令MT₀表示主终端，M＝{1,2,…,M}表示泛在环境下候选的从终端集合。令N＝{1,2,…,N}表示接入网络。接入到网络n中的终端MT_m称为虚拟终端(m,n)。假设终端只能同时接入到一个网络中，则从终端以及其接入网络共有M×N中组合。用M×N阶矩阵S表示表示虚拟终端的可用性。若(m,n)可用，则S_mn＝1，否则，S_mn＝0。即：

其中，1≤m≤M,1≤n≤N。

对所用可用的虚拟终端集合，即S_mn＝1的虚拟终端，用子集aS表示。

本发明只涉及无线链路部分，不涉及有线链路，其系统模型如图2所示。

本发明的多流速率分配方法实现了终端及接入网网络性能、运营商喜好、用户喜好以及业务特点等功能。其中，终端及接入网网络性能通过终端接入网的可用带宽、链路时延以及终端能耗来体现；运营商喜好通过代价来体现。令B_i表示网络i的总带宽，RB_i为网络i的可用带宽。设总的数据比特率为R，数据包长度为L_p，则总的业务到达率为λ＝R/L_p。令λ_k表示分配给链路k的业务数据的到达率，则μ_k表示终端k从接入网所获得的系统服务率。则当排队系统处于稳态下时，每条链路的时延为1/(μ_k-λ_k)。用E_m表示终端m在终端协同中的能耗，则对于实时业务，E_m＝P_m，其中，P_m为终端m的发射功率(W)；对于非实时业务，E_m＝P_m/B_n，其中B_n为终端m的接入网n的带宽。定义M×N阶矩阵Q为QoS评估矩阵。

本发明的多流速率分配方法通过计算终端接入网的可用带宽、链路时延、用户代价以及终端能耗四个因子的权重，计算从终端及其接入网的性能值，选择出协同终端在主终端上进行注册，根据速率分配方法不断更新主终端的注册信息，利用终端协同完成业务传输。本发明主要分为三个部分，即：因子的权重确定、协同终端选择和多流速率分配，具体包括：

a.权重确定

为实现终端用户的主观喜好，以及各终端及其接入网络之间的客观差异，在各终端及其接入网络性能因子权重的求解中，将层次分析法和熵值分析法求解的权重进行分配得到实际权重。

a1.层次分析法

在层次分析法中，权重的确定可体现用户的主观喜好以及业务要求。权重可通过以下3个过程确定。

a11.标准化终端及其接入网络属性

在本发明的速率分配方法中，为实现终端接入网的可用带宽、链路时延、用户代价以及终端能耗四个因子，其权重用下式表示：

ω＝(ω₁,ω₂,ω₃,ω₄)   公式2

并有0≤ω_i≤1

将测量到的属性值用矩阵Fⁱ来表示：

表示终端m在网络n中的第i个属性值，1≤i≤4。

由于这些属性值没有统一标准，故应该对其及进行标准化。设 $F_{m\_\max }^i=\max (F_{m1}^i,F_{m2}^i,...F_{\mathrm{mn}}^i),F_{m\_\min }^i=\min (F_{m1}^i,F_{m2}^i,...F_{\mathrm{mn}}^i).$ 对于用户而言，这些属性可分为越大越好型和越小越好型。对于属于越大越好型的可用带宽属性而言，标准化公式为：对于属于越小越好型的链路延迟属性、代价属性以及终端能耗属性，标准化公式为： $f_{\mathrm{mn}}^i=(F_{m\_\max }^i+F_{m\_\min }^i-F_{\mathrm{mn}}^i)/(F_{m\_\max }^i+F_{m\_\min }^i).$ 从而可得一个新的标准化属性矩阵如公式4所示：

a12.建立判断矩阵

将终端接入网的可用带宽、链路时延、用户代价以及终端能耗四个属性进行两两比较，并按照重要程度排列等级。比较结果用判断矩阵A＝[a_ij]来表示：

$A=\left[a_{\mathrm{ij}}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}& a_{14}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& a_{24}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}& a_{23}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}& a_{44}\end{array}\right]$    公式5

在判断矩阵A中，a_ii＝1，a_ij＝1/a_ji。

a13.权重确定

此处，权重的确定即通过对判断矩阵中的元素求几何平均值来得到各因子的权重：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i=\sqrt[4]{\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Π}}}{a}_{\mathrm{ij}}},i=\mathrm{1,2,3,4}$    公式6

进行归一化，可得

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i=\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i},i=\mathrm{1,2,3,4}$    公式7

经过上述三个过程，通过层次分析法可得四个因子的权重向量ω'＝(ω₁',ω₂',ω₃',ω₄')。

a2.熵值分析法

由于层次分析法的判断矩阵受决策者判断水平及个人喜好主观因素影响，使分流方法具有主观随意性。因此，在本发明提出的多属性决策的终端协同分流方法中，在实现了终端用户主观喜好的基础上，也实现了各终端及其接入网络之间的客观差异，即基于信息熵理论，求解各因子所占的权重。

f_mn ⁱ的概率为：

${p_{\mathrm{mn}}}^i=\frac{{f_{\mathrm{mn}}}^i}{\underset{1\≤n\≤N}{\underset{1\≤m\≤M}{\mathrm{\Σ}}}{f_{\mathrm{mn}}}^i}$    公式8

f_mn ⁱ的信息熵为：

$E^i=-k\underset{1\≤n\≤N}{\underset{1\≤m\≤M}{\mathrm{\Σ}}}{p_{\mathrm{mn}}}^i\ln {p_{\mathrm{mn}}}^i$    公式9

为保证0≤Eⁱ≤1，令

由信息论知识可知，某一属性在不同终端及接入网络间的差异越大，则信息熵越小，此时此因子的权重就越大。

用Dⁱ表示因子i在在不同终端及接入网络间的差异，则有

Dⁱ＝1-Eⁱ   公式10

则可得因子i的权重为：

${{\mathrm{\ω}}_i}^0=\frac{D^i}{\underset{t=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{D}^t}$    公式11

利用熵值分析法所得的各因子的权证向量为ω⁰＝(ω₁ ⁰,ω₂ ⁰,ω₃ ⁰,ω₄ ⁰)

为实现终端用户主观喜好以及各终端及其接入网络之间的客观差异，需将上述两个方法得到的权重进行分配，即得综合权重：

ω＝αω'+(1-α)ω⁰   公式12

其中，0＜α＜1。

b.终端选择

为评估所选终端及其接入网的性能，构造效用函数如下：

$U_{\mathrm{mn}}=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i*{{\stackrel{\‾}{F}}_{\mathrm{mn}}}^i$    公式13

在终端协同中，设候选终端的个数为y，但网络并不一定有y个，因为可能有多个终端接入到同一个网络中。协同终端算法主要分为两部分，即终端选择和速率分流。

本发明终端选择的具体步骤包括：

步骤1：列出所有虚拟终端的组合，从而得到虚拟终端组合矩阵S；

步骤2：测量得到所有虚拟终端的4个属性值，即矩阵Fⁱ；

步骤3：更新所有可用虚拟终端矩阵aS；

步骤4：根据公式13计算所有可用终端的效用函数值U_mn；

步骤5：对终端m接入到不同网络的效用值从大到小进行排列，最大值对应的终端及其接入网记为MaxU_mn，同时令S_mt＝0,1≤t≤N，且t≠n，以防止相同的终端进行重复选择；

步骤6：MaxU_mn对应的所有可用虚拟终端即进入候选终端集合。

此时，所选择的候选终端加入到虚拟终端中，并在主终端上进行注册。在协作终端注册的过程中，虚拟终端需要对节点进行配置，包括网络协议栈的设置、用户数据信息、节点从属关系、设备ID集合等等。在配置完成以后，不需要额外增加用户的操作，一个终端节点即可加入它的虚拟终端系统网络。

c.速率分配

此时，候选终端已经选出。设选出的协同终端的个数为c，则1≤c≤y。

本发明速率分配的具体步骤包括：

步骤1：将候选终端的效用函数值按照从大到小的顺序及耐性排列，记为oMT＝{oMT₁,oMT₂,…,oMT_y}；

步骤2：令c＝1；

步骤3：令m＝1，则1≤m≤c。按照公式PreRate_m＝{oMT_m/∑oMT_m}*Rate对c条无线链路进行速率预分配PreRate_m；

步骤4：更新可用带宽PreRate_m≤RB_m；

步骤5：判断PreRate_m≤RB_m是否成立。若成立，再判断m＝c是否成立；否则，令c＝c+1；

步骤6：判断1≤c≤y是否成立。若成立，跳转到步骤2；否则更新候选终端集合，重新进行速率分配；

步骤7：若m＝c成立，速率分配结束，并根据分配结果更新主终端上的注册信息，同时进行网络地址配置，利用终端协同完成业务传输；否则，跳转到步骤3继续。

本发明充分利用用户周围的网络和终端资源，本发明在数据传输时将多个终端通过短距离通信技术连接以便共享其广域通信能力，从而实现无线网络及终端资源的高效利用以及提高用户业务体验。

本发明为实现终端用户的主观喜好，以及各终端及其接入网络之间的客观差异，在各终端及其接入网络性能因子权重的求解中，将层次分析法和熵值分析法求解的权重进行分配得到实际权重。

本发明通过完备的数学模型推导求解最优多流速率分配方法，并根据终端情况以及接入网状况不断调整速率分配值以及候选终端，最后得到满足条件的最优的多流速率分配方法。

在多流速率分配方法中，本发明还解决了终端的能耗问题，符合绿色通信的发展。

如图3所示，本发明在泛在环境下基于终端协同的速率分配方法包括如下步骤：

步骤1：网络建立。建立网络拓扑，初始化主终端，并邀请其周围从终端加入虚拟终端系统，并在主终端上进行注册，形成虚拟终端系统。同时获取虚拟终端及其接入网的参数。

步骤2：根据上述步骤1获取的参数，由公式3-公式12计算各终端及其接入网性能的因子权重。

步骤3：再根据公式13计算所有可用终端的效用函数值。

步骤4：对终端m接入到不同网络的效用值从大到小进行排列，最大值对应的终端及其接入网记为MaxU_mn，同时令S_mt＝0,1≤t≤N，且t≠n，以防止相同的终端进行重复选择。MaxU_mn对应的所有可用虚拟终端即进入候选终端集合。

步骤5：将候选终端的效用函数值按照从大到小的顺序及耐性排列，记为oMT＝{oMT₁,oMT₂,…,oMT_y}，并令c＝1。

步骤6：令m＝1，则1≤m≤c。按照公式PreRate_m＝{oMT_m/∑oMT_m}*Rate对c条无线链路进行速率预分配PreRate_m。

步骤7：判断PreRate_m≤RB_m是否成立。若成立，再判断m＝c是否成立；否则，令c＝c+1。

步骤8：判断1≤c≤y是否成立。若成立，跳转到步骤2；否则更新候选终端集合，重新进行速率分配。

步骤9：判断m＝c是否成立，若成立，结束速率分配过程，并根据分配结果更新主终端上的注册信息，同时进行网络地址配置，利用终端协同完成业务传输。若未完成，转到上述步骤6继续。

对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的构思，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本实施例内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：网络建立；

建立网络拓扑，初始化主终端，并邀请其周围从终端加入虚拟终端系统，并在主终端上进行注册，形成虚拟终端系统，同时获取虚拟终端及其接入网的参数；

步骤2：根据上述步骤1获取的参数，由公式3-公式12计算各终端及其接入网性能的因子权重；

步骤3：再根据公式13计算所有可用终端的效用函数值；

步骤4：对终端m接入到不同网络的效用值从大到小进行排列，最大值对应的终端及其接入网记为MaxU_mn，同时令S_mt＝0,1≤t≤N，且t≠n，以防止相同的终端进行重复选择，MaxU_mn对应的所有可用虚拟终端即进入候选终端集合；

步骤5：将候选终端的效用函数值按照从大到小的顺序及耐性排列，记为oMT＝{oMT₁,oMT₂,…,oMT_y}，并令c＝1；

步骤6：令m＝1，则1≤m≤c；按照公式PreRate_m＝{oMT_m/ΣoMT_m}*Rate对c条无线链路进行速率预分配PreRate_m；

步骤7：判断PreRate_m≤RB_m是否成立；若成立，再判断m＝c是否成立；否则，令c＝c+1；

步骤8：判断1≤c≤y是否成立；若成立，跳转到上述步骤2；否则更新候选终端集合，重新进行速率分配；

步骤9：判断m＝c是否成立，若成立，结束速率分配过程，并根据分配结果更新主终端上的注册信息，同时进行网络地址配置，利用终端协同完成业务传输；若未完成，转到上述步骤6继续。

2.根据权利要求1所述的一种基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法，其特征在于，所述方法利用用户周围的网络和终端资源，在数据传输时将多个终端通过短距离通信技术连接以便共享其广域通信能力；当主终端发起业务时，依据各终端以及其接入网的特性，确定协同分流传输方法，从而服务器对数据进行分流，分别通过不同的路径到达从终端，最后分流数据通过短距离无线通信技术在主终端汇聚，完成整个业务传输，即通过终端协同工作为用户提供服务。

3.根据权利要求1所述的一种基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法，其特征在于，所述方法在进行协同终端选择时综合分析终端用户的主观喜好，以及各终端及其接入网络之间的客观差异，在各终端及其接入网络性能因子权重的求解中，将层次分析法和熵值分析法求解的权重进行分配得到实际权重；

a.层次分析法：层次分析法分为标准化属性值、建立判断矩阵以及权重确定三步，得到的权重为ω'＝(ω₁',ω₂',ω₃',ω₄')；

a1.标准化属性值：用矩阵Fⁱ表示测量到的属性值；设 $F_{m\_\max }^i=\max (F_{m1}^i,F_{m2}^i,...F_{\mathrm{mn}}^i),F_{m\_\min }^i=\min (F_{m1}^i,F_{m2}^i,...F_{\mathrm{mn}}^i),$ 对于属于越大越好型的可用带宽属性而言，标准化公式为：对于属于越小越好型的链路延迟属性、代价属性以及终端能耗属性，标准化公式为： $f_{\mathrm{mn}}^i=(F_{m\_\max }^i+F_{m\_\min }^i-F_{\mathrm{mn}}^i)/(F_{m\_\max }^i+F_{m\_\min }^i),$ 从而得到标准化属性矩阵

a2.建立判断矩阵；

将终端接入网的可用带宽、链路时延、用户代价以及终端能耗四个属性进行两两比较，并按照重要程度排列等级，比较结果用判断矩阵A＝[a_ij]来表示，判断矩阵A中，a_ii＝1，a_ij＝1/a_ji；

a3.权重确定；

权重的确定即通过对判断矩阵中的元素求几何平均值来得到各因子的权重：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_i=\sqrt[4]{\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Π}}}{a}_{\mathrm{ij}}},i=\mathrm{1,2,3,4}$

进行归一化，可得i＝1,2,3,4；

经过上述三个过程，通过层次分析法可得四个因子的权重向量ω'＝(ω₁',ω₂',ω₃',ω₄')；

b.熵值分析法：基于信息熵理论，求解各因子所占的权重；

b1.f_mn ⁱ的概率为：

f_mn ⁱ的信息熵为： $E^i=-k\underset{1\≤n\≤N}{\underset{1\≤m\≤M}{\mathrm{\Σ}}}{p_{\mathrm{mn}}}^i\ln {p_{\mathrm{mn}}}^i$

由信息论知识可知，某一属性在不同终端及接入网络间的差异越大，则信息熵越小，此时此因子的权重就越大；

b2.用Dⁱ表示因子i在在不同终端及接入网络间的差异，则有Dⁱ＝1-Eⁱ，则可得因子i的权重为：

利用熵值分析法所得的各因子的权证向量为ω⁰＝(ω₁ ⁰,ω₂ ⁰,ω₃ ⁰,ω₄ ⁰)

为综合分析终端用户主观喜好以及各终端及其接入网络之间的客观差异，需将上述两个方法得到的权重进行分配，即得综合权重：ω＝αω'+(1-α)ω⁰。

4.根据权利要求1所述的一种基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法，其特征在于，所述方法在进行速率分配时，首先由公式计算所有可用终端的效用函数值，通过对效用函数值排列，选出候选终端加入到虚拟终端系统中，并在主终端上进行注册，然后通过公式PreRate_m＝{oMT_m/ΣoMT_m}*Rate，对各链路进行速率分配，并在分配的过程中，结合终端及其接入网的状况不断进行速率调整以及更新候选终端在主终端中的注册信息，最终得到各链路分配的速率Rate_m。

5.根据权利要求1-4任一所述所述的一种基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法，其特征在于，所述方法的终端选择包括如下步骤：

步骤1：列出所有虚拟终端的组合，从而得到虚拟终端组合矩阵S；

步骤2：测量得到所有虚拟终端的4个属性值，即矩阵Fⁱ；

步骤3：更新所有可用虚拟终端矩阵aS；

步骤4：根据公式13计算所有可用终端的效用函数值U_mn；

步骤5：对终端m接入到不同网络的效用值从大到小进行排列，最大值对应的终端及其接入网记为MaxU_mn，同时令S_mt＝0,1≤t≤N，且t≠n，以防止相同的终端进行重复选择；

步骤6：MaxU_mn对应的所有可用虚拟终端即进入候选终端集合；

所选择的候选终端加入到虚拟终端，在主终端上进行注册，在协作终端注册的过程中，虚拟终端需要对节点进行配置，包括网络协议栈的设置、用户数据信息、节点从属关系、设备ID集合；在配置完成以后，不需要额外增加用户的操作，一个终端节点即可加入它的虚拟终端系统网络。

6.一种如权利要求1所述的基于终端协同的无线泛在环境下速率分配方法应用于物联网的泛在环境。