CN106792862B - 移动通信终端多模式信标间隔的自适应切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动自组织网络中通信终端多模式信标间隔的自适应切换方法，解决移动自组织网络中通信终端在多种不同信标间隔模式之间动态地、自主地进行切换决策的问题，使移动自组织网络能够自动适应动态变化的通信环境条件。本发明能够在保障通信终端满足有限能量容量约束的前提下，优化通信终端的无线连接性能、提高路由的数据包可达率并降低数据包传播时延，均衡整体移动自组织网络的通信性能和能量效率，使移动自组织网络具备动态自主适应多种不同的通信应用场景、动态变化的环境条件的能力。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域中移动自组织网络通信技术，特别是涉及移动通信终端多模式信标间隔的自适应切换方法。
背景技术
在移动自组织网络中，移动通信终端所存储的、用于通信的能量是有限的，由于通信过程引起的能量消耗对移动自组织网络的组网时长、信息传输性能、网络可持续性具有重大影响。例如，可作为移动自组织网络节点的通信终端包括常见的智能手机、无线传感器、笔记本电脑、车载计算终端等，这些通信终端存储的电能容量是有限的，它们的能量消耗的速率很大程度上决定了自身的续航能力，进而决定了满足各种移动场景中组网通信的时长。因此，优化通信终端的能量消耗方式是提高移动自组织网络可持续性发挥灵活组网和通信能力的重要技术。另一方面，通信终端的信息从源节点到目的节点的传输过程主要通过多个节点通信终端的多跳中继传输实现，这种多跳中继传输形成的一条路径称为移动自组织网络的一条路由。由于作为网络节点的通信终端具有随机移动特性，邻居节点之间的数据传输链路随时会发生中断。例如，一个通信终端在周围没有其他邻居节点的情况下，其需要存储所接收的、来自其他通信终端的数据包；当该通信终端和其他通信终端进入信号传输范围，相互成为邻居节点，其才能把所接收的数据包转发给其他邻居节点，实现数据包在不同通信终端之间传输。因此，移动自组织网络路由的数据包可达性和数据包的传播时延受到网络拓扑动态特性的严重影响。
为了监听、发现信号传输范围内是否存在邻居节点并在移动场景中维护与周围邻居节点之间的无线连接链路(亦即维护邻域网络的拓扑结构)，通信终端需要以一定时间间隔作为周期，向空中无线接口持续广播信标(beacon)报文。这种时间间隔称为通信终端的信标间隔(beacon interval)，不同的信标间隔的设置值称为不同的信标间隔模式。通信终端信标间隔的设置对通信终端的能量开销以及移动自组织网络路由的数据包可达性和传播时延具有重要影响：如果将通信终端信标间隔调低，通信终端广播信标报文的周期变小，则通信终端广播信标报文的频率加快，这能够提高通信终端发现邻居节点的概率并提高其自身和周围被发现的邻居节点的无线连接速度，进而提高移动自组织网络路由数据包从源节点成功到达目的节点的概率并降低数据包传播的时延；但是，高频率广播信标报文会需要开销更多的通信能量，加快通信终端能量消耗的速度、降低通信续航能力，由于通信终端能量容量的有限性，这最终降低移动自组织网络的生存时长及降低其发挥通信性能的可持续性；如果将通信终端信标间隔调高，通信终端广播信标报文的周期变大，则通信终端广播信标报文的频率变小，减慢了通信终端能量消耗的速度、提升通信续航能力，有利于提升移动自组织网络的通信能量效率；但是，低频率广播信标报文无法使通信终端在高速移动通信场景中(例如，在通信终端漫游场合)较好地维护邻域网络的拓扑结构，最终容易导致数据包无法成功送达目的节点或者导致过长的传播时延。综上所述，通信终端信标间隔模式的切换决策，需要权衡较高频率和较低频率广播信标报文所带来的利弊。如何通过动态设置、自适应调整移动自组织网络中通信终端的信标间隔，在满足通信终端能量的存储容量有限性约束的前提下，优化通信终端的能量消耗方式以延长网络的生存时长、优化通信终端的传输性能和通信服务质量以提高网络路由的数据包可达率并降低传播时延，成为均衡、提升移动自组织网络能量效率和通信性能的关键技术问题之一。
目前，传统的移动自组织网络无线通信协议，例如，现有的IEEE 802.11系列，通常将通信终端的信标间隔设置成固定不变的数值；此外，传统的无线通信协议即使在允许改变信标间隔设置值的情况下，仍需要人工根据特定的应用场景提前设计好合理的信标间隔数值。一方面，固定通信终端的信标间隔使移动自组织网络无法很好地适应多种不同环境条件、也无法很好适应通信应用发生动态变化的场景，缺乏鲁棒性。即使某一特定的信标间隔模式能够使移动自组织网络在某一种特定通信应用场景中获得较优的通信性能和能量效率，但是，一旦该通信应用场景的条件发生改变，该网络中通信终端固定的信标间隔模式不再具备最优性、导致网络通信性能和能量效率下降而无法适用于发生变化的通信应用场景；另一方面，人工调整通信终端信标间隔模式需要依赖于主观的人工经验和周期性的人工干预，这种动态调整信标间隔模式的途径属于人力维护方式，需要持续的人力资源和时间成本的投入，而且，在这种人工调整的条件下，移动自组织网络的通信性能和能量效率受到人工主观决策的影响，很难达到较好水平。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对具有动态拓扑、随机多跳、临时自治等特性的移动自组织网络在各种移动通信环境中的应用，提出了一种移动通信终端多模式信标间隔的自适应切换方法，以解决移动自组织网络中通信终端在多种不同信标间隔模式之间动态地、自主地进行切换决策的问题，使移动自组织网络能够自动适应动态变化的通信环境条件。
本发明提供一种移动通信终端多模式信标间隔的自适应切换方法，包括：
(1)在移动自组织网络中通信终端启动时刻，通信终端将多种信标间隔模式构成集合A，A中信标间隔模式对应的具体信标间隔设置值构成集合B，设置当前时刻标识t＝0，设置参数s(t)表示通信终端当前时刻t所采用的信标间隔模式，设置参数a(t)＝[s(t),s(t+1)]表示通信终端信标间隔模式s(t)切换到另一个信标间隔模式s(t+1)的决策，设置所有s(t)∈A和所有a(t)∈A×A对应的通信终端信标间隔模式性能指标Q(s(t),a(t))＝0。
(2)通信终端在区间(0,1)内均匀随机产生一个随机数γ；如果该随机数满足判别条件：γ≥∈，则通信终端从A中随机选择其中一种信标间隔模式作为s(t+1)，与s(t)构成新的信标间隔模式切换决策a(t)；否则，根据最优信标间隔模式决策模型M1，确定信标间隔模式性能指标取得最大值所对应的信标间隔模式s*：s*＝M1(s(t),A)，将该信标间隔模式s*作为s(t+1)：s(t+1)＝s*，与s(t)构成新的信标间隔模式切换决策a(t)；
其中，所述最优信标间隔模式决策模型M1定义为：
所述参数∈表示信标间隔模式随机切换阈值，其取值范围为区间(0,1)，其具体取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景确定。
(3)通信终端根据移动自组织网络路由的数据包可达率计算模型M2和传播时延的计算模型M3，并根据信标间隔模式切换决策a(t)，分别计算得到路由的数据可达率
以及计算得到路由的数据包传播时延θ(t)：θ(t)＝M3(a(t))；通信终端根据
和θ(t)计算得到路由的性能指标π(t)：
其中，所述参数k1和参数k2表示两个不同的可调参数，它们的取值范围为区间(0,1)，它们具体的取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景设置；
所述路由的数据包可达率计算模型M2定义为：
其中，参数ψ和参数ω表示两个不同的可调参数，它们的取值范围为区间(0,1)，参数χ的取值与移动自组织网络通信应用场景中通信终端数量成正比例关系，其取值范围为正整数集合
所述参数ψ、参数ω和参数χ的具体取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景设置；参数c定义为：
式子(2)中的函数U(τ)定义为：
其中，参数r定义为：
式子(4)中，变量Ta(ξ)(ξ)表示通信终端在ξ时刻以及ξ时刻和ξ+1时刻之间的时间段内所采用的信标间隔，其为通信终端根据a(ξ)中的信标间隔模式s(ξ+1)，从B中选出的s(ξ+1)对应的信标间隔设置值，且该信标间隔设置值使得U(τ)满足约束条件：U(τ)≤Ω(τ)，其中，参数Ω(τ)为可调参数，其取值根据通信终端在τ时刻所剩余的、用于通信的能量值设定，其具体取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景设置；
所述路由的数据包传播时延计算模型M3定义为：
(4)通信终端根据信标间隔模式的性能评估模型M4，更新信标间隔模式的性能指标Q(s(t),a(t))：Q(s(t),a(t))＝M4(s(t+1),s(t),a(t))；
其中，所述信标间隔模式的性能评估模型定义为：
其中，参数βt表示与时刻t有关的可调参数，其取值范围为区间(0,1)，且满足约束条件：
和其具体取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景设置；参数δ为可调参数，其取值范围为区间(0,1)，其具体取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景设置。
(5)通信终端根据信标间隔模式切换决策a(t)，在t+1时刻将所采用的信标间隔模式从s(t)切换为s(t+1)，将s(t)更新为s(t+1)：s(t)←s(t+1)，将当前时刻t更新为t+1：t←t+1；
其中，通信终端切换到一种特定的信标间隔模式，表示该通信终端以这种模式对应的信标间隔作为周期广播信标。
(6)通信终端如果停止通信，则终止执行步骤；否则，返回步骤(2)继续执行。
本发明的优点在于：
使用本发明所述方法，能够在保障通信终端满足有限能量容量约束的前提下，优化通信终端的无线连接性能、提高路由的数据包可达率并降低数据包传播时延，均衡整体移动自组织网络的通信性能和能量效率，使移动自组织网络具备动态自主适应多种不同的通信应用场景、动态变化的环境条件的能力。
附图说明
图1是本发明移动通信终端多模式信标间隔的自适应切换方法的步骤流程图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而并不能用来限制本发明的保护范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或者修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示的步骤流程，实施本发明方法具体包括以下步骤：
1.初始化步骤：在移动自组织网络中通信终端启动时刻，通信终端将多种信标间隔模式构成集合A，A中信标间隔模式对应的具体信标间隔设置值构成集合B，设置当前时刻标识t＝0，设置参数s(t)表示通信终端当前时刻t所采用的信标间隔模式，设置参数a(t)＝[s(t),s(t+1)]表示通信终端信标间隔模式s(t)切换到另一个信标间隔模式s(t+1)的决策，设置所有s(t)∈A和所有a(t)∈A×A对应的通信终端信标间隔模式性能指标Q(s(t),a(t))＝0。
2.切换决策步骤：通信终端在区间(0,1)内均匀随机产生一个随机数γ；如果该随机数满足判别条件：γ≥∈，则通信终端从A中随机选择其中一种信标间隔模式作为s(t+1)，与s(t)构成新的信标间隔模式切换决策a(t)；否则，根据最优信标间隔模式决策模型M1，确定信标间隔模式性能指标取得最大值所对应的信标间隔模式s*：s*＝M1(s(t),A)，将该信标间隔模式s*作为s(t+1)：s(t+1)＝s*，与s(t)构成新的信标间隔模式切换决策a(t)；
其中，所述最优信标间隔模式决策模型M1定义为：
所述参数∈表示信标间隔模式随机切换阈值，其取值范围为区间(0,1)，其具体取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景确定。
3.路由性能评估步骤：通信终端根据移动自组织网络路由的数据包可达率计算模型M2和传播时延的计算模型M3，并根据信标间隔模式切换决策a(t)，分别计算得到路由的数据可达率
以及计算得到路由的数据包传播时延θ(t)：θ(t)＝M3(a(t))；通信终端根据
和θ(t)计算得到路由的性能指标π(t)：
其中，所述参数k1和参数k2表示两个不同的可调参数，它们的取值范围为区间(0,1)，它们具体的取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景设置；
所述路由的数据包可达率计算模型M2定义为：
其中，参数ψ和参数ω表示两个不同的可调参数，它们的取值范围为区间(0,1)，参数χ的取值与移动自组织网络通信应用场景中通信终端数量成正比例关系，其取值范围为正整数集合
所述参数ψ、参数ω和参数χ的具体取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景设置；参数c定义为：
式子(2)中的函数U(τ)定义为：
其中，参数r定义为：
式子(4)中，变量Ta(ξ)(ξ)表示通信终端在ξ时刻以及ξ时刻和ξ+1时刻之间的时间段内所采用的信标间隔，其为通信终端根据a(ξ)中的信标间隔模式s(ξ+1)，从B中选出的s(ξ+1)对应的信标间隔设置值，且该信标间隔设置值使得U(τ)满足约束条件：U(τ)≤Ω(τ)，其中，参数Ω(τ)为可调参数，其取值根据通信终端在τ时刻所剩余的、用于通信的能量值设定，其具体取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景设置；
所述路由的数据包传播时延计算模型M3定义为：
4.信标间隔模式性能评估步骤：终端根据信标间隔模式的性能评估模型M4，更新信标间隔模式的性能指标Q(s(t),a(t))：Q(s(t),a(t))＝M4(s(t+1),s(t),a(t))；
其中，所述信标间隔模式的性能评估模型定义为：
其中，参数βt表示与时刻t有关的可调参数，其取值范围为区间(0,1)，且满足约束条件：
和
其具体取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景设置；参数δ为可调参数，其取值范围为区间(0,1)，其具体取值根据具体的移动自组织网络通信应用场景设置。
5.执行决策步骤：通信终端根据信标间隔模式切换决策a(t)，在t+1时刻将所采用的信标间隔模式从s(t)切换为s(t+1)，将s(t)更新为s(t+1)：s(t)←s(t+1)，将当前时刻t更新为t+1：t←t+1；其中，通信终端切换到一种特定的信标间隔模式，表示该通信终端以这种模式对应的信标间隔作为周期广播信标。
5.通信终端进行判断：如果停止通信，则终止执行步骤；否则，返回切换决策步骤继续执行。
下面以一个具体的实施例进一步说明本发明。
以200个通信终端构成的移动自组织网络为例，假设该网络中每一个通信终端具有5种信标间隔模式，分别表示为L、ML、M、MS、S，通信终端将这些信标间隔模式构成集合A＝{L,ML,M,MS,S}，假设这些不同的信标间隔模式对应的信标间隔设置值分别为T[s,L]＝200、T[s,ML]＝150、T[s,M]＝100、T[s,MS]＝50、T[s,S]＝10，其中，参数s表示任意一种信标间隔模式，s∈A。这些信标间隔设置值的单位为毫秒，通信终端将这些信标间隔设置值构成集合B＝{T[s,L],T[s,ML],T[s,M],T[s,MS],T[s,S]}。此外，在该实施例中，假设参数∈＝0.9，参数k1＝2.0，参数k2＝0.01，参数ψ＝0.2，参数ω＝0.001，参数χ＝200，Ω(τ)＝0.3e-0.001τ，参数βt＝1/(1+t2)，参数δ＝0.99。
1.执行初始化步骤：通信终端设置当前时刻标识t＝0，对于所有s(t)∈A和所有a(t)∈A×A对应的通信终端信标间隔模式性能指标Q(s(t),a(t))，设置Q(s(t),a(t))＝0。
2.执行决策步骤：通信终端在区间(0,1)内均匀随机产生一个随机数γ；
1.1如果该随机数满足判别条件：γ≥∈，则通信终端从A中随机选择其中一种信标间隔模式作为s(t+1)，与s(t)构成新的信标间隔模式切换决策a(t)；
1.2如果该随机数不满足判别条件：γ≥∈，根据最优信标间隔模式决策模型M1，确定信标间隔模式性能指标取得最大值所对应的信标间隔模式s*：s*＝M1(s(t),A)，将该信标间隔模式s*作为s(t+1)：s(t+1)＝s*，与s(t)构成新的信标间隔模式切换决策a(t)；其中，模型M1由式(1)定义。
3.执行路由性能评估步骤：通信终端根据移动自组织网络路由的数据包可达率计算模型M2和传播时延的计算模型M3，并根据信标间隔模式切换决策a(t)，分别计算得到路由的数据可达率
以及计算得到路由的数据包传播时延θ(t)：θ(t)＝M3(a(t))；通信终端根据
和θ(t)计算得到路由的性能指标π(t)：
其中，模型M2和模型M3分别由式子(2)和式子(6)定义。
4.信标间隔模式性能评估步骤：终端根据信标间隔模式的性能评估模型M4，更新信标间隔模式的性能指标Q(s(t),a(t))：Q(s(t),a(t))＝M4(s(t+1),s(t),a(t))；其中，模型M4由式子(7)定义。
5.执行决策步骤：通信终端根据信标间隔模式切换决策a(t)，在t+1时刻将所采用的信标间隔模式从s(t)切换为s(t+1)，将s(t)更新为s(t+1)：s(t)←s(t+1)，将当前时刻t更新为t+1：t←t+1；
6.通信终端进行判断：
如果停止通信，则终止执行步骤；
如果尚未停止通信，返回“2.切换决策步骤”继续执行。
Claims (1)
1.一种移动通信终端多模式信标间隔的自适应切换方法，包括以下几个步骤：
步骤(1)在移动自组织网络中通信终端启动时刻，通信终端将多种信标间隔模式构成集合A，A中信标间隔模式对应的具体信标间隔设置值构成集合B，设置当前时刻标识t＝0，设置参数s(t)表示通信终端当前时刻t所采用的信标间隔模式，设置参数a(t)＝[s(t),s(t+1)]表示通信终端信标间隔模式s(t)切换到另一个信标间隔模式s(t+1)的决策，设置所有s(t)∈A和所有a(t)∈A×A对应的通信终端信标间隔模式性能指标Q(s(t),a(t))＝0；
步骤(2)通信终端在区间(0,1)内均匀随机产生一个随机数γ；如果该随机数满足判别条件：γ≥∈，则通信终端从A中随机选择其中一种信标间隔模式作为s(t+1)，与s(t)构成新的信标间隔模式切换决策a(t)，其中，∈表示信标间隔模式随机切换阈值，其取值范围为区间(0,1)，否则，根据最优信标间隔模式决策模型M1，确定信标间隔模式性能指标取得最大值所对应的信标间隔模式s*：s*＝M1(s(t),A)，将该信标间隔模式s*作为s(t+1)：s(t+1)＝s*，与s(t)构成新的信标间隔模式切换决策a(t)；
其中，所述最优信标间隔模式决策模型M1为：
步骤(3)通信终端根据移动自组织网络路由的数据包可达率计算模型M2和传播时延的计算模型M3，并根据信标间隔模式切换决策a(t)，分别计算得到路由的数据可达率
以及计算得到路由的数据包传播时延θ(t)：θ(t)＝M3(a(t))；通信终端根据
和θ(t)计算得到路由的性能指标π(t)：
其中，所述参数k1和参数k2表示两个不同的可调参数，取值范围为区间(0,1)；
所述路由的数据包可达率计算模型M2定义为：
其中，参数ψ和参数ω表示两个不同的可调参数，取值范围为区间(0,1)，参数χ的取值与移动自组织网络通信应用场景中通信终端数量成正比例关系，其取值范围为正整数集合
参数c定义为：
式子(2)中的函数U(τ)定义为：
其中，参数r定义为：
式子(4)中，变量Ta(ξ)(ξ)表示通信终端在ξ时刻以及ξ时刻和ξ+1时刻之间的时间段内所采用的信标间隔，其为通信终端根据a(ξ)中的信标间隔模式s(ξ+1)，从B中选出的s(ξ+1)对应的信标间隔设置值，且该信标间隔设置值使得U(τ)满足约束条件：U(τ)≤Ω(τ)，其中，参数Ω(τ)为可调参数，其取值根据通信终端在τ时刻所剩余的、用于通信的能量值设定；
所述路由的数据包传播时延计算模型M3定义为：
M3(a(t))：＝∫0 t(1-M2(a(ξ)))dξ (6)
步骤(4)通信终端根据信标间隔模式的性能评估模型M4，更新信标间隔模式的性能指标Q(s(t),a(t))：Q(s(t),a(t))＝M4(s(t+1),s(t),a(t))；
其中，所述信标间隔模式的性能评估模型定义为：
其中，参数βt表示与时刻t有关的可调参数，其取值范围为区间(0,1)，且满足约束条件：
和
参数δ为可调参数，其取值范围为区间(0,1)；
步骤(5)通信终端根据信标间隔模式切换决策a(t)，在t+1时刻将所采用的信标间隔模式从s(t)切换为s(t+1)，将s(t)更新为s(t+1)：s(t)←s(t+1)，将当前时刻t更新为t+1：t←t+1；
其中，通信终端切换到一种特定的信标间隔模式，表示该通信终端以这种模式对应的信标间隔广播信标；
步骤(6)通信终端如果停止通信，则终止执行步骤；否则，返回步骤(2)继续执行。
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