CN106998571B - Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法，将全网络非支配节点不重复的分配给各支配集节点，作为支配集节点的独立邻居节点，然后借助支配集进行网络节点状态值的分布式共识计算，并将最终共识结果分享给全网络；利用此方法能够实现分布式共识计算结果的快速收敛，收敛结果精确、稳定，且不需要网络具有中心节点；本发明保证了算法经过一轮计算能够达到稳定收敛，且不需要网络全局原始信息，计算复杂度小，避免了以往无中心分布式迭代算法中迭代次数无法确定，节点交互通信量大，收敛结果不稳定等问题，因此本发明能节约节点能耗，降低了通信量和节点运算量，延长了网络使用寿命，有效降低网络延迟，实时性好。

Description

Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及分布式数据融合和分布式检测，具体是一种AdHoc对等网络无中心分布式快速共识方法，用于Ad Hoc对等网络下分布式共识计算。

背景技术

Ad Hoc网络是由一批移动节点通过无线接口形成的临时网络，且它不需要其它特别基础设施的帮助或者集中管理，其布设具有很大的灵活性。网络中，节点一般不需要保持固定的、全局可知的网络位置，且节点可移动。通常，移动节点的主要特征是低带宽、移动性和低能量。Ad Hoc网络主要可用于分布式计算、无线传感器网络，应用范围涉及民用、灾难救助和军事应用等领域。在很多情况下，Ad Hoc网络节点受到能源、有限带宽等可用资源的限制，因此对于网络节点来说节约能耗和降低频带资源占用就是需要考虑的主要因素，另外由于网络节点的可移动性，Ad Hoc网络往往是无控制中心的，因此要求执行的分布式算法简单、时效性好。

采用分布式处理机制的Ad Hoc网络由于其网络无控制中心，网络节点间的信息通过节点单跳的形式进行传递，所以此网络具有灵活性、可伸缩性和抗毁性。分布式共识方法应用非常广泛，可以用于分布式协作频谱感知、分布式检测或估计、集群控制等目的。目前基于Ad Hoc对等网络无中心分布式共识方法不需要数据融合控制中心，只需要本地相邻节点信息交互完成协作共识，可实现较好的分布式共识结果。但是它依然存在以下可优化和改进的环节：

1)由于基于Ad Hoc对等网络无中心分布式共识方法在全网络各个节点都迭代执行此分布式共识计算，网络中节点状态信息通过本地相邻节点信息交互以及网络节点迭代计算逐渐向全网络扩散。此信息扩散速度受限于网络大小和网络拓扑结构。特别是当网络节点个数很多、信息扩散路径很长时，网络通信负荷会很重，这样很容易导致网络通信阻塞，进而延缓算法收敛速度，增大节点能耗。

2)基于Ad Hoc对等网络无中心分布式共识方法中，各节点迭代计算环节，各个节点都分别进行分布式状态信息融合迭代计算以及与相邻节点信息交互。当网络节点个数很多、信息扩散路径很长时，由于信息传递不畅以及参与分布式计算的节点很多，会使每次迭代计算的收敛效率很低，进而网络整体收敛速度较慢，各节点运算数量多、质量差，能量消耗多。

3)实时性方面，此基于Ad Hoc对等网络无中心分布式共识方法可以自适应进行。但是在网络节点个数很多、信息扩散路径很长时，由于上述1)、2)两个方面给网络造成的通信负担，使信息扩散速度慢，造成基于Ad Hoc对等网络无中心分布式共识方法不能快速收敛，实时性较差。

综上所述，原有算法在信息扩散环节、迭代计算环节当网络节点个数很多、信息扩散路径很长时，会产生信息扩散速度慢、算法收敛速度慢、节点运算量大、节点能耗高等缺点，进而造成网络分布式共识算法效率低、能耗大、实时性差等缺点。

以上的缺陷，影响了基于Ad Hoc对等网络无中心分布式共识方法的性能和应用范围，在情况恶劣时甚至会使算法失效。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种高效的基于Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法。

本发明是一种Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法，其特征在于，包括有如下步骤：

步骤1确定Ad Hoc网络的连通支配集：设有一个无中心Ad Hoc对等无线网络，确定此Ad Hoc网络的连通支配集V′，假设在计算过程中网络拓扑结构不发生改变；

步骤2划分独立附属邻居节点：将Ad Hoc对等无线网络中非支配节点不重复的划分给连通支配集V′的各节点k，作为其独立附属邻居节点；

步骤3计算支配集节点及独立附属邻居节点的初始状态值和；

步骤4在连通支配集上建立信息分享收敛模型，用该模型计算Ad Hoc对等无线网络共识收敛的结果；

步骤5全网分享共识收敛结果：将网络共识收敛结果通过连通支配集分享给网络所有节点，作为整个网络分布式共识收敛的一致结果；

步骤6判断：针对Ad Hoc对等网络拓扑结构判断，如果Ad Hoc对等网络拓扑结构在计算过程中未发生改变，此次Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识完成，此共识收敛一致结果用于无中心分布式感知、检测、判决、控制等应用场合获得网络全局状态共识，作为后续处理的条件和依据；如果Ad Hoc对等网络拓扑结构在计算过程中发生改变，则返回执行步骤1～5，重新进行Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识计算，直至Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识完成。

本发明还是一种Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法的用途，其特征在于，本发明的Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法用于无中心分布式感知、检测、判决、控制等应用场合获得网络全局状态共识，作为后续处理的条件和依据。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明将全网络节点的分布式共识方法优化到连通支配集中进行计算，故而减少了参与运算和信息交互的节点数量和信息交互量，降低了网络能耗，节省了频带资源。

(2)本发明在利用连通支配集进行信息收集时，将邻居节点不重叠的划分给支配集节点，进而避免了信息冗余，保障算法能一轮迭代就计算得到稳定共识结果。一方面避免了原有算法全网络节点参与运算和信息传递时，信息冗余，收敛速度慢，节点能耗大，迭代次数多，网络频带资源紧张等问题。

(3)由于本发明将全网络节点状态信息通过相邻的支配集节点进行非重叠收集，然后各支配集节点在连通支配集中相互分享收集的互不重叠状态信息，从而在各个支配集节点拼接出整个网络节点的状态信息的和值以及节点数量，然后通过计算即可获得稳定的共识结果。与原方法存在的收敛速度慢、收敛结果不稳定、收敛所需的迭代步数无法准确估计等问题相比，本发明能够通过一轮迭代准确得到稳定收敛结果的同时，减少了执行算法的节点量，避免了以往全网络信息交互的不必要的网络通信量，因此节约了节点能耗，提高了网络计算效率，有效降低网络延迟，实时性好。

附图说明:

图1是本发明的算法流程示意图；

图2是本发明中12节点网络的拓扑结构和支配集节点分布示意图；

图3是图2中各支配集节点及其独立附属邻居节点分布示意图；

图4是本发明图3所示方案与现有技术的协作共识收敛情况比较图；

图5是本发明中24节点网络的拓扑结构和支配集节点分布示意图；

图6是图5中各支配集节点及其独立附属邻居节点分布示意图；

图7是本发明图6所示方案与现有技术的协作共识收敛情况比较图；

图8是网络节点数据采集处理示意图。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明做详细说明。

实施例1：

基于Ad Hoc对等网络中原有算法在信息扩散环节、迭代计算环节当网络节点个数很多、信息扩散路径很长时，会产生信息扩散速度慢、算法收敛速度慢、信息回环计算、节点运算量大、节点能耗高等问题，造成网络分布式共识过程效率低、能耗大、实时性差等缺点。

以上的缺陷，影响了基于Ad Hoc对等网络无中心分布式共识方法的性能和应用范围，在情况恶劣时甚至会使算法失效。为此本发明经过反复的探索与创新，提出一种Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法，参见图1，本发明的共识过程包括有如下步骤：

步骤1确定Ad Hoc网络的连通支配集：设有一个无中心Ad Hoc对等无线网络，在此对等无线网络中，节点A能够单跳到达节点B，则节点B单跳必然能够到达节点A，节点间的联接关系是无向的。确定此Ad Hoc网络的连通支配集V′，假设在计算过程中网络拓扑结构不发生改变。参见图2，图2是本发明中12个节点网络的拓扑结构和支配集节点分布示意图，图中无中心Ad Hoc对等无线网络由12个网络节点构成，其中节点11、12为确定的连通支配集节点。

形成连通支配集V′的方法有很多，本发明采用文献Jie Wu,Hailan Li.ADominating-Set-Based Routing Scheme in Ad Hoc Wireless Networks[J].Telecommunication Systems,2001,18(1-3):13–36.介绍的方法。

步骤2划分独立附属邻居节点：将Ad Hoc对等无线网络中非支配节点不重复的划分给连通支配集V′的各节点k，作为其独立附属邻居节点；即作为连通支配集V′各节点的附属邻居节点。本发明中Ad Hoc网络的连通支配集简称为支配集。参见图2，在图2中相对于支配集节点12有邻居节点{2,3,5,6,8,9,11}，根据本发明划分的独立附属邻居节点，参见图3，支配集节点12的独立附属邻居节点为节点3，节点11是节点12的支配邻居节点，只有节点3是节点12的非支配邻居节点，且划分给节点12作为独立附属邻居节点。

步骤3计算支配集节点及独立附属邻居节点的初始状态值和，将支配集节点的初始状态值与它的独立附属邻居节点的初始状态值求和，为支配集内信息分享做准备。

步骤4在连通支配集上建立信息分享收敛模型，用该模型计算Ad Hoc对等无线网络共识收敛的结果。本发明为了避免冗余的信息关联和交互，将节点的联接关系简化到支配集及其独立邻居节点上，使分布式计算能够在无中心模式下高效实现共识计算。

步骤5全网分享共识收敛结果：将网络共识收敛结果通过连通支配集分享给网络所有节点，作为整个网络分布式共识收敛的一致结果。即各个支配集节点将得到的共识收敛一致结果分享给其独立附属邻居节点。

步骤6判断：针对Ad Hoc对等网络拓扑结构判断，如果Ad Hoc对等网络拓扑结构在计算过程中未发生改变，此次Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识完成，此共识一致结果用于无中心分布式感知、检测、判决、控制等应用场合获得网络全局状态共识，作为后续处理的条件和依据。如果Ad Hoc对等网络拓扑结构在计算过程中发生改变，则返回执行步骤1～5，重新进行Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识计算，直至Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识完成。

本发明避免了不必要的网络信息传输和节点运算量，极大提升了分布式共识收敛速度使其收敛到稳定值，具有强抗毁性，不需要数据融合中心，也不需知道网络全局信息，易于工程化应用。

实施例2：

Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法同实施例1，步骤3中支配集节点及独立附属邻居节点的初始状态值和的计算具体是：用状态变量x_i表示网络节点i的初始状态值，对于连通支配集节点k，k＝1,...,|V′|，|V′|为支配集V′的节点数，支配集节点k的独立附属邻居表示为F_k，|F_k|表示支配集节点k的独立附属邻居数；各个支配集节点k执行计算：

式中x'_k表示支配集节点k及其独立附属邻居节点初始状态值的和，x_k是支配集节点k的初始状态值。

本发明利用网络子集连通支配集中支配节点来实现网络节点初始状态值的收集和汇总，避免全网络计算时节点间错综复杂的网络通讯关联和冗余信息交互，利用支配集作为信息交互的骨干通道，将支配集外网络节点不重复的划分为支配节点的独立附属邻居节点，实现对整个网络节点信息的全覆盖、非重复采集，避免了重复计算，准确度高。

实施例3：

Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法同实施例1-2，步骤4中的信息分享收敛模型具体是：所有支配集节点k及其独立附属邻居节点初始状态值和求和后与网络所有节点数之比。换句话说，通过支配集将网络所有节点初始状态值非重复求和。

根据初始状态值和在连通支配集各个节点执行相同计算，在连通支配集内执行信息分享收敛模型计算得到共识收敛结果：

式中x^*表示Ad Hoc对等无线网络共识收敛的结果。

本发明利用支配节点实现对整个网络节点信息的全覆盖、非重复采集后。支配集内不同的支配节点所采集的初始状态和值覆盖的网络节点是不重叠的。而所有支配节点实现对网络节点的不重叠、完整覆盖式的独立分片区节点初始状态值求和，然后支配节点在支配集内进行信息分享，实现支配集内的各个支配节点对全网络节点初始状态值全覆盖式求和值

然后对网络节点总数

相比，实现整个网络范围的初始状态值求平均，即无线网络共识收敛的结果x^*。通过利用支配节点的独立附属邻居划分，进而通过一轮信息收集和支配集节点间的信息分享交互计算就能准确获得整个网络共识收敛的结果。此方法一方面避免了全网络节点参与收集计算，使整个计算和信息交互复杂化，浪费节点资源和无线信道资源，另一方面避免全网络节点参与收集计算时信息重复、冗余对共识收敛速度和精度的影响。本方法是完全分布式、无中心无线网络环境下执行的，算法实施灵活，网络中部分节点失效时不影响计算过程的继续进行，抗毁性强。另外，算法计算量、信息交互量小，时效性好，收敛速度快、计算精度高。

实施例4：

本发明还是一种Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法的用途，Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法同实施例1-3，Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法用于无中心分布式感知、检测、判决、控制等应用场合获得网络全局状态共识，作为后续处理的条件和依据。

在对等网络无中心分布式感知、检测、判决、控制应用中，利用连通支配集骨干子网络快速实现信息收集和共识计算，进行系统分布式感知、检测、判决、控制。

实施例5：

Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法及用途同实施例1-4，在无中心分布式频谱感知应用中，各个节点将接受到的信号能量检测值作为初始状态值，利用全网络共识收敛一致结果与频谱感知系统中预设门限值进行比较来判决当前无线环境下授权用户是否存在。

本例在认知无线电使用中，针对无中心分布式频谱感知应用，网络节点通过共识收敛一致结果判决授权用户在当前无线环境下不存在时，可控制网络节点占用此空闲无线环境进行通讯，若检测授权主用户存在时，则控制网络节点不干扰授权主用户的正常无线环境通讯使用。

实施例6：

Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法及用途同实施例1-5，在无中心分布式检测、判决、控制应用中，利用全网络共识收敛一致结果来实现对某一监测或控制系统的变量或参数进行检测、判决、控制，监测或控制系统的待测量作为初始值，监测或控制系统的判决值作为预设门限，进行分布式检测和控制。

比如某一信号的平均强度、某一区域土壤的平均温湿度、某一范围空气综合质量情况、某一区段水质综合污染数据等一些平均特征参数检测、判决、控制应用。

本发明用于Ad Hoc对等网络分布式数据融合和分布式检测计算。在实现Ad Hoc对等网络分布式计算快速得到稳定共识值的前提下，能够节约网络能耗、降低网络通信量、延长节点使用寿命。

下面给出一个本发明在认知无线电技术领域的具体完整的实例，即是本发明的应用，又是本发明的共识方法说明。

实施例7：

Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法及用途同实施例1-6，Ad Hoc对等网络应用于认知无线电领域，此时认知无线电分布式无中心共识方法分为两个阶段。第一阶段，Ad Hoc对等网络各个节点在检测开始时对环境中授权信号进行数据采集，网络节点i的采集数据表示为Y_i，将Y_i作为网络节点i的初始状态值赋予状态变量x_i＝Y_i。第二阶段，网络节点进行分布式共识算法，得到网络一致共识值x^*。然后将共识值x^*分享给全网络节点，网络各节点通过将共识值x^*与预设的判决门限进行比较就可以对授权信号进行有效认知判定。对于Ad Hoc对等网络，只要支持分布式算法设计，能够获得连通支配集的Ad Hoc对等网络均适用。

参照图1，本发明是一种基于Ad Hoc对等网络无中心分布式共识方法，其实现步骤包括有：

步骤1设有一个无中心Ad Hoc对等无线网络，确定此Ad Hoc网络的连通支配集V′，假设在计算过程中网络拓扑结构不发生改变。

本方法的网络模型是一个全连通无中心Ad Hoc对等无线网络，这里全连通是指网络中任何两个节点间均存在路径(单跳或者多跳)可以通信，另外本方法的网络模型不是完全连通的，完全连通是指任何两个网络节点可以直接通信，完全连通网络的支配集V′是空集。本方法利用连通支配集子网络建立了一个用于收集、传递和计算数据信息的无线网络的信息高速公路，可以提升信息的传输速度，同时减少不必要的网络冗余信息传递，提升网络信息传递效率。

步骤2将Ad Hoc对等无线网络中非支配节点不重复的划分给连通支配集各节点，作为其独立附属邻居节点。

通过将非支配集节点不重复的划分为支配集节点的独立附属邻居，可以避免不必要的信息冗余，同时为后续步骤的计算奠定了基础。这样可以保障网络通过一轮计算快速、准确达到稳定的收敛结果。

步骤3用状态变量x_i表示网络节点i的初始状态值，对于支配集节点k＝1,...,|V′|，|V′|为支配集V′的节点数，支配集节点k的独立附属邻居表示为F_k，|F_k|表示支配集节点k的独立附属邻居数；各个支配集节点k执行计算：

式中x'_k表示支配集节点k及其独立附属邻居节点初始状态值的和。

支配集节点将其独立非支配邻居和自身的状态信息进行收集，对于支配邻居节点的信息不进行收集，这样可以合理利用当前条件，避免信息冗余，后面计算做好信息收集方面的准备。

步骤4在连通支配集内执行计算：

式中x^*表示Ad Hoc对等无线网络共识收敛的结果。

由于信息的传递和收集是利用连通支配集进行的，既能提升信息传递效率、避免信息的冗余，又保证了信息完整，使算法可靠、高效。经过一轮计算，支配集内节点将利用获得的全网络完整信息得到最终一致共识结果x^*。

步骤5将网络共识结果通过连通支配集分享给网络所有节点，作为整个网络分布式共识收敛的一致结果。

支配集快速计算得到的一致结果x^*是全网络信息一致共识的结果，最终可以分享给网络其它节点x^*，避免了网络其它节点的能量消耗和信息交互带来的频带资源浪费。也可以在支配集网络节点实现共识值x^*与预设判决门限比较，实现对授权信号进行认知判定，将最终认知判定结果给网络其它节点分享，进一步节约网络节点计算量。

步骤6同上不赘述。

本发明的核心是基于Ad Hoc对等网络无中心分布式共识方法，利用连通支配集来实现无中心分布式共识计算，本发明以认知无线电中无中心分布式频谱感知作为范例。在快速计算得到稳定一致共识结果的前提下，能够节约网络能耗、降低网络通信量、延长节点使用寿命。

下面结合工程实施性再做详细说明。

实施例8：

Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法同实施例1-7，其实现步骤包括有：

步骤1设有一个无中心Ad Hoc对等无线网络，确定此Ad Hoc网络的连通支配集V′，假设在计算过程中网络拓扑结构不发生改变。

设一个Ad Hoc对等无线网络用无向图

表示，其中V表示节点集合，表示边集合，如果节点i和节点j连通，则边

节点i的邻居节点集(不包含此节点自身)用

表示。确定连通支配集的方法有多种，如基于距离矢量方法、基于链路状态方法等，这里不做特别要求，最终获得连通支配集就行。确定连通支配集V′，连通支配集中的节点称为支配集节点。

步骤2将Ad Hoc对等无线网络中非支配节点不重复的划分给连通支配集各节点，作为其独立附属邻居节点。

步骤3用状态变量x_i表示网络节点i的初始状态值，对于支配集节点k＝1,...,|V′|，|V′|为支配集V′的节点数，支配集节点k的独立附属邻居表示为F_k，|F_k|表示支配集节点k的独立附属邻居数；各个支配集节点k执行计算：

式中x'_k表示支配集节点k及其独立附属邻居节点初始状态值的和。

对于节点i，如果它不是支配集节点，即如果节点i的邻居节点集中只有一个支配集节点，则节点i划分给此支配集节点做其独立附属邻居；如果节点i的邻居节点集中有多个支配集节点，则按照距离就近或链路状态等准则选择其中一个支配集节点，将节点i划分给此支配集节点做其独立附属邻居。网络经过独立附属邻居节点划分后，任何一个支配集节点的独立附属邻居节点均为非支配集节点，而任一个非支配集节点的独立附属邻居只含有一个节点，且为支配集节点。

步骤4在连通支配集内执行计算：

式中x^*表示Ad Hoc对等无线网络共识收敛的结果。

Ad Hoc网络经过独立附属邻居划分后，将各个支配集节点和其独立附属邻居节点拼凑起来就刚好构成整个网络节点集合，且拼凑过程中没有重复节点。因此，经过一轮计算得到最终共识的结果

其中|V|表示Ad Hoc无线网络中节点个数，x^*实际上就是整个网络节点初始状态值的平均值。每个支配集节点在步骤3中计算x'_k的同时，记录独立邻居节点数|F_k|，并传递给支配集中其它支配集节点，很容易知道x'_k为此|F_k|+1个节点初始状态信息的和值。x^*则通过将所有支配集节点的和值进行求和然后除以网络所有节点数

算出。本发明方法是全分布式可伸缩执行的方法，参与计算节点范围也可以预先设置，不需要公共数据处理中心进行处理，具有很强的容错机制，并充分利用了含有网络拓扑结构信息的连通支配集提升计算效率。

步骤5、步骤6同上不赘述。

本发明在利用连通支配集进行信息收集时，将邻居节点不重叠的划分给支配集节点，进而避免了信息冗余，保障算法能一轮迭代就计算得到稳定共识结果。一方面避免了原有算法全网络节点参与运算和信息传递时，信息冗余，收敛速度慢，节点能耗大，迭代次数多，网络频带资源紧张等问题。

下面通过仿真对本发明的技术效果再做说明。

实施例9：Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法和用途同实施例1-8，本发明可以通过以下仿真实验结果进行进一步说明。

仿真条件：

仿真实验的条件如下：在归一化宽度为1的矩形平面区域内随机布设|V|＝12个同构的网络节点，节点的最大归一化通信距离r＝0.6，假设由此12个节点构成的整个网络是连通的。节点采用能量检测方法对环境信号进行数据采集，设TW为观测时间和感知授权信号频带带宽的时间带宽积，用H₀和H₁两个假设来分别表示授权信号不存在和存在情况。对于网络节点i，信号经过带宽为W的带通滤波器，通带位于所检测频率范围区域，滤波器后接一时间长度为T的积分器，积分器输出表示为Y_i，此时节点i状态变量x_i＝Y_i，网络每一节点均执行此数据测量过程。在非衰落信道条件下，信噪比为γ时，Y_i在有授权用户和无授权用户时分别服从中心卡方分布和非中心卡方分布：

式中

是自由度为2TW的中心卡方分布，

是自由度为2TW偏心参数为2γ的非中心卡方分布。在瑞利衰落信道条件下，若平均信噪比为

时，Y_i在有授权用户和无授权用户时分别服从以下分布：

式中

是自由度为2TW-2的中心卡方分布，Y_e服从参数为

的指数分布。若预设判决门限为λ，网络节点对授权用户进行协作感知，根据协作感知结果x^*与预设门限λ进行比较，实现对授权用户是否存在进行判别。

仿真内容及仿真结果：

仿真1，对本发明网络拓扑结构进行仿真，得到如图2所示的网络拓扑图，图中支配集节点标记为“■”，其它非支配集节点用“○”标记。网络共有12个节点，节点间距离小于通信距离r＝0.6，则表示节点可以相互通信，可通信节点的连通关系用虚线表示。其中支配集节点有2个，它们节点标号分别是{11，12}，由于本发明只有支配集节点进行协作共识计算和状态信息收集，所以极大简化节点通信连接关系，降低网络通信负担和节点运算量，可以大大提高网络生命周期和降低网络延迟。该结果是在理想情况下进行的比对，即不考虑实际中网络延迟和信息丢失等因素，在非理想状态下，本发明的性能更优越。

仿真2，图3是图2所示的网络中支配集节点的独立附属邻居节点分配情况，图3中虚线为支配集节点与其独立附属邻居节点的通信关系，支配集节点间的粗实线表示连通支配集中支配集节点间的连通关系。由图可知，支配集节点11的独立附属邻居节点为{1，2，4，5，6，7，8，9，10}这9个非支配集节点；支配集节点12的独立附属邻居节点为{3}这1个非支配集节点。各个支配集节点k会将收集的状态信息的和值x'_k以及节点数|F_k|+1分享给其它支配集节点，各支配集节点经过支配集内的信息分享后，就可以各自计算出平均共识结果x^*，并将此结果分享给其独立附属邻居节点，避免了原方法中全网络节点间的信息互传和全网络节点的计算，避免了信息的冗余，极大提升了网络计算效率。

仿真3，在图2和图3网络拓扑情况下，假设信道为瑞利衰落信道，各个网络节点拥有相同的平均信噪比

时间带宽积TW＝6。对本发明与现有技术的平均共识情况比较得出图4。图4中可看出本发明方法一轮迭代就可以实现网络中所有节点共识值收敛到理论平均值，而原来算法至少需要20次以上迭代，12个节点的共识结果才逐渐趋于一致，但实际上此时原共识算法所有节点共识值与理论平均值之间不是精确一致。本发明方法在图4情况下所用的通信量和节点计算量还不到原共识方法对应量值的1％，且精度远高于原方法。另外，原方法无法预先确定循环迭代多少次能够达到收敛。本发明在网络拓扑越复杂，网络节点越多的情况下，更能体现出节约通信量、节约计算量的技术优势。

实施例10：Ad Hoc对等网络无中心分布式协作快速平均共识方法和用途同实施例1-9，通过以下仿真实验结果进行进一步说明。

仿真条件：

仿真实验的条件如下：在归一化宽度为1的矩形平面区域内随机布设|V|＝24个同构的网络节点，节点的最大归一化通信距离r＝0.4，假设由此24个节点构成的整个网络是连通的。假设信道为瑞利衰落信道，各个网络节点拥有相同的平均信噪比

时间带宽积TW＝6。各个网络节点i对环境信号进行数据采集表示为Y_i，并设置节点i初始状态变量x_i＝Y_i。网络需要各个节点协同计算整个网络节点变量的平均共识结果，此共识结果表示为x^*，计算过程采用无中心分布式方式进行。

仿真内容及仿真结果：

仿真1，对本发明网络拓扑结构进行仿真，得到如图5所示的网络拓扑图，图中支配集节点标记为“■”，其它非支配集节点用“○”标记。网络共有24个节点，节点间通信距离为r＝0.4，节点的连通关系用虚线表示。其中共9个支配集节点进行协作共识计算和状态信息收集，可以简化节点通信连接关系，降低网络通信负担和节点运算量，提高网络生命周期和降低网络延迟。该结果是在理想情况下进行的比对，即不考虑实际中网络延迟和信息丢失等因素，在非理想状态下，本发明的性能更优越。

仿真2，图6是图5所示的网络中支配集节点的独立附属邻居节点分配情况。图6中虚线为支配集节点与其独立附属邻居节点的通信关系，支配集节点间的粗实线表示连通支配集中支配集节点间的连通关系。各个支配集节点k会将收集的状态信息的和值x'_k以及节点数|F_k|+1分享给其它支配集节点，各支配集节点经过支配集内的信息分享后，就可以各自计算出平均共识结果x^*，并将此结果分享给其独立附属邻居节点，避免了原方法中全网络节点间的信息互传和全网络节点的计算，避免了信息的冗余，极大提升了网络计算效率。

仿真3，在图5和图6网络拓扑情况下，假设瑞利衰落信道，平均信噪比

时间带宽积TW＝6。对本发明与现有技术的平均共识情况比较得出图7。图7中可看出本发明方法一轮迭代就可以实现网络中所有节点共识值收敛到理论平均值，而原算法经过50次迭代后仍然无法收敛到稳定值。本发明方法不光收敛速度极快，而且精度远高于原方法，而且具有强的网络抗毁性，如果网络拓扑发生改变，则只要重新确定连通支配集，就可以重新计算。本发明方法在网络拓扑越复杂，网络节点越多的情况下，所体现的节约通信量、节约计算量的优势越明显。

实施例11：Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法和用途同实施例1-10，通过此实施例对具体工程应用中此发明的使用方法进一步说明。

分布式协作感知应用时，采用本发明来解决认知无线电技术中的分布式频谱感知问题，下面就从网络节点数据采集处理模型和网络节点处理两方面，对工程应用中具体实施过程所涉及到的问题进行说明。

网络节点数据采集处理模型：

在起始阶段，经过时间同步后，Ad Hoc网络中每一节点对于中心频率为f₀、带宽为W的频带区域，对接收到的无线电信号x(t)进行时间带宽积为TW的能量检测，能量检测输出值为Y，如图8所示，能量检测过程包括带宽为W的带通滤波处理，随后进行求方值运算，最后进行时间长度为T的积分运算来实现。对于网络节点i，其能量检测输出表示为Y_i。各个网络节点获得能量检测值后，将其作为其初始状态变量x_i＝Y_i，然后可以采用上述实施例1-10相同方式进行分布式共识处理，求取共识结果x^*。假设在连续时间信号t情况下，某授权用户发射信号s(t)，s(t)为实信号或复信号。则经过信道传输后，在时刻t网络每一节点k接收到的信号h·s(t)和加性噪声n(t)，h为信道增益，得到如下接收信号：

H₁:x(t)＝h·s(t)+n(t)，当授权用户存在时

H₀:x(t)＝n(t).......，当授权用户不存在时

在非衰落信道条件下，h为恒定值，在瑞利衰落信道条件下，h为一个随机数。

网络节点处理：

对照实施例1-10可知，网络节点进行协作感知，最终获得全网络的共识结果x^*。各个网络节点利用共识结果x^*替代图8中的量值Y实施判决，也就是将x^*的值与预设门限值λ进行比较，实现授权用户是否存在的判定。

通过实施例11，并结合实施例1-10，可掌握在具体认知无线电应用中Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法如何具体实施；通过实施例11构建节点数据采集处理模型，再利用实施例1-10所述方法，进行分布式快速共识方法实时，实现全网络的快速无中心平均共识，进而实现授权用户的频谱感知判决。

本发明利用连通支配集子网络执行分布式共识计算和信息的收集、共享，利用收集的全网络采集数据实现快速分布式共识计算，能够在一轮迭代的基础上快速达到稳定、精确的收敛结果。本发明极大提升了原有算法的收敛速度和收敛精度，避免了以往全网络节点通信和计算造成的不必要的网络通信量和节点计算量，因此节约了节点能耗，降低了通信量和节点运算量，延长了网络使用寿命，有效降低网络延迟，实时性好；本发明是在无中心Ad Hoc对等网络基础上实施的分布式算法，因此具有很强的抗毁性；本发明方法是一种可伸缩的分布式方法，只要条件符合，可以在预设的网络某一范围内进行实施。

综上所述，本发明公开的一种Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法，将全网络非支配节点不重复的分配给各支配集节点，作为支配集节点的独立邻居节点，然后借助支配集进行网络节点状态值的分布式共识计算，并将最终共识结果分享给全网络；利用此方法能够实现分布式共识计算结果的快速收敛，收敛结果精确、稳定，且不需要网络具有中心节点；本发明保证了算法经过一轮计算能够达到稳定收敛，且不需要网络全局原始信息，计算复杂度小，避免了以往无中心分布式迭代算法中迭代次数无法确定，节点交互通信量大，收敛结果不稳定等问题，因此本发明能节约节点能耗，降低了通信量和节点运算量，延长了网络使用寿命，有效降低网络延迟，实时性好。

Claims (5)

1.一种Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法，其特征在于，包括有如下步骤：

步骤1 确定Ad Hoc网络的连通支配集：设有一个无中心Ad Hoc对等无线网络，确定此Ad Hoc网络的连通支配集V′，假设在计算过程中网络拓扑结构不发生改变；

步骤2 划分独立附属邻居节点：将Ad Hoc对等无线网络中非支配节点不重复的划分给连通支配集V′的各节点k，作为其独立附属邻居节点；

步骤3 计算支配集节点及独立附属邻居节点的初始状态值和；支配集节点及独立附属邻居节点的初始状态值和的计算具体是：用状态变量x_i表示网络节点i的初始状态值，对于连通支配集节点k，k＝1,...,|V′|，|V′|为支配集V′的节点数，支配集节点k的独立附属邻居表示为F_k，|F_k|表示支配集节点k的独立附属邻居数；各个支配集节点k执行计算：

式中x'_k表示支配集节点k及其独立附属邻居节点初始状态值的和，x_k是支配集节点k的初始状态值；

步骤4 在连通支配集上建立信息分享收敛模型，用该模型计算Ad Hoc对等无线网络共识收敛的结果；信息分享收敛模型具体是：所有支配集节点k及其独立附属邻居节点初始状态值和求和后与网络所有节点数之比，根据初始状态值和在连通支配集各个节点执行相同计算，在连通支配集内执行信息分享收敛模型计算得到共识收敛结果：

式中x^*表示Ad Hoc对等无线网络共识收敛的结果；

步骤5 全网分享共识收敛结果：将网络共识收敛结果通过连通支配集分享给网络所有节点，作为整个网络分布式共识收敛的一致结果；

步骤6 判断：针对Ad Hoc对等网络拓扑结构判断，如果Ad Hoc对等网络拓扑结构在计算过程中未发生改变，此次Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识完成，此共识收敛一致结果用于无中心分布式感知、检测、判决、控制应用场合获得网络全局状态共识，作为后续处理的条件和依据；如果Ad Hoc对等网络拓扑结构在计算过程中发生改变，则返回执行步骤1～5，重新进行Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识计算，直至Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识完成。

2.根据权利要求1所述的Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法，其特征在于，AdHoc对等网络无中心分布式快速共识方法用于无中心分布式感知、检测、判决、控制应用场合以获得网络全局状态共识，作为后续处理的条件和依据。

3.根据权利要求1所述的一种Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法，其特征在于，在无中心分布式频谱感知应用中，各个节点将接收 到的信号能量检测值作为初始状态值，利用全网络共识收敛一致结果与频谱感知系统中预设门限值进行比较来判决当前无线环境下授权用户是否存在。

4.根据权利要求1所述的一种Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法，其特征在于，在无中心分布式检测、判决、控制应用中，利用全网络共识收敛一致结果来实现对某一监测或控制系统的变量或参数进行检测、判决、控制，监测或控制系统的待测量作为初始值，监测或控制系统的判决值作为预设门限，进行分布式检测和控制。

5.根据权利要求1所述的一种Ad Hoc对等网络无中心分布式快速共识方法，其特征在于，在无中心分布式控制应用中，利用全网络共识收敛一致结果来作为分布式控制的条件和依据，通过共识收敛一致结果判决授权用户在当前无线环境下不存在时，控制网络节点占用此空闲无线环境进行通讯，若检测授权主用户存在时，则控制网络节点不干扰授权主用户的正常无线环境通讯使用。

Images