CN107580354B - 一种基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法，该方法通过对水下具有光传输和水声传输覆盖范围内的水下网络使用者进行数据竞拍，使得赢得数据竞拍的水下网络使用者通过无线光进行数据传输，对于没有赢得竞拍的水下网络使用者则通过水声传输或等待下一次竞拍。本方法可以有效地解决水下占用光信道的使用者减少，有效的解决了信道拥挤带来的传输速率下降，时延过大的问题。

Description

一种基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法

技术领域

本发明涉及水下通信领域，具体涉及一种基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法。

背景技术

在水下通信过程中，水下网络使用者只利用水声/无线光来进行数据的传输；当水下网络节点处于无线光能够传输的覆盖区域内，则他们全部使用无线光进行数据的传输。处于无线光覆盖区域外的水下网络节点则利用水声进行数据的传输。当水下网络节点不在无线光传输的覆盖区域内，数据的传输并不立刻进行，而是持续等待无线光出传输的机会，直到进入无线光传输的覆盖区域。现有的数据传输方法具有以下不足：1、为了能获得更快的传输速率，过多的水下节点去竞争无线光通信的信道，导致信道过于拥挤，反而使传输速率下降，时延增大；2、为了能利用无线光进行数据的传输，水下节点持续推迟数据传输的时间，导致服务质量下降，水下网络使用者愿意传输的数据量减少。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明公开了一种基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法，其能够有效的提高数据传输效率，增加数据传输效率。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法，包括以下步骤：(1)初始化：由水下数据传输基站BTS设定当前进行竞拍的次数K＝0和作为数据竞拍底价的传输的数据量D_o，k＝0；(2)数据竞拍：在无线光传输范围内每隔时间间隔T判断是否存在多个水下网络使用者UNU能够拍出的最大数据量

大于所述水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k的值，如果存在，则将当前进行竞拍的次数K进行加1处理后得到K＝K+1并且将当前传输的数据量D_o，k进行一定量的自增后得到新的数据竞拍底价的传输的数据量D_o，k+1，然后将所述所有能够拍出的最大数据量

大于D_o，k值的水下网络使用者UNU进行再一次与D_o，k+1判断，直至存在唯一一个水下网络使用者UNU，使得其能够拍出的最大数据量

大于第K+N次后所述水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k+n值；(3)无线光数据传输：将步骤(2)中第K+N次判断后存在的唯一一个能够拍出的最大数据量

大于所述水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k+n值的数据进行无线光传输；(4)水声传输或等待再一次竞拍：将步骤(2)中其余的水下网络使用者UNU的数据进行水声传输或者等待步骤(3)中进行无线光传输的水下网络使用者UNU的数据传输完之后进行新一次的数据竞拍；

进一步地，还包括根据信息的重要性对所述水下网络使用者UNU的传输数据的优先级权重设置，对所述每个水下网络使用者UNU要传输的数据分配一个ζ，ζ∈{1，2}，当ζ＝1时，表示权重最高，当ζ＝2表示，表示权重最低，对于ζ＝1的水下网络使用者UNU不进行数据竞拍直接通过无线光进行数据传输，当ζ＝1的水下网络使用者UNU的数据传输完之后，再对ζ＝2的水下网络使用者UNU进行数据竞拍；

进一步地，所述水下网络使用者UNU能够拍出的最大数据量

通过公式(1)进行计算：

其中：D_a表示单位价格内通过水声能够传输的数据量，

表示水下网络使用者UNU i从t到t+T的时间段内通过无线光传输的数据量的价格，为固定值；

表示UNU i当前需要传输的数据量剩余的价格，为固定值；

表示从t到t+T的时间段内通过无线光传输所预期的价格，λ表示误差补偿值，补偿传输所预期数据量的误差，G_i(t^*,T)表示如果传输的数据延迟从t到t+T，UNU i至少需要传输的数据量，G_i(t^*,T)采用公式(2)进行计算；

其中：

表示水下网络使用者UNU i传输的当前数据信息的总量，其公式表达式为采用公式(3)表示：

其中：K_i(t^*)表示通过无线光传输已经花费的价格，为固定值；R_i(t^*)表示通过无线光已经传输的数据量大小，为固定值；P_i(0)采用公式(4)表示：

P_i(0)＝D_a·Z_i (4)

Z_i表示所传输数据量的花费，D_a表示单位价格内通过水声能够传输的数据量；

公式(2)中Z_i(t^*+T)＝D_a·Z_i-α·t，α值越大表示水下网络使用者愿意传输的数据越多。

本发明具有以下有益效果：此方法的提出能有效的提高水下通信网络的性能。通过拍卖的手段，使得水下占用光信道的使用者减少，有效的解决了信道拥挤带来的传输速率下降，时延过大的问题。因此，水下网络的整体性能将得到提升。

同时考虑了水下网络使用者的传输数据量和水下网络传输的整体性能，使得在使用此方法后，水下数据网络较原来能够获得更大的吞吐量。

附图说明

图1为水下通信网络的基本框架；

图2为水下数据传输系统的模型图；

图3为本发明的水下数据传输通信链路选择方法的流程图；

图4为本发明与总数据传输量的对比图；

图5为本发明与平均传输延时的对比图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。

在水下通信网络中为了实现水下数据传输最优的可能性，水下数据的传输可以通过在一定范围内进行无线光传输，实现高宽带、低延时、低功耗的传输。在同时考虑水下网络使用者(UNU)的传输数据总量、水下数据传输基站(BTS)的接收数据总量和水下数据传输的整体性能后，本发明提出了一种基于无线光通信机制的拍卖博弈论(AGOC)方法即一种基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法。在无线光通信机制的拍卖博弈论中，BTS每隔周期T进行一次拍卖，通过拍卖出售利用无线光进行传输的机会，UNUs则根据自身情况决定是否进行竞拍，最后赢得拍卖的人则可以利用无线光进行传输。结果证明通过AGOC后，在无线光能传输的范围，可以实现数据量最大的UNU使用无线光进行传输，同时UNU和BTS的传输和接收的数据量最大。另外，由于网络中数据量最大的UNU使用无线光进行传输，减少大数据量使用水声传输带来的过高的延时和较低的传输速率，从而实现水下数据传输的最优，提高了水下通信网络的性能。

水下通信网络的的基本框架见图1。在某一片未知的近海海域，安置了一系列设备去覆盖这片水域的通信。如图1和图2所示，具有很多个的BTS，每个BTS都是相同，所以其覆盖的区域都是相同的六边形蜂巢网络。在BTS所覆盖的六边形网络中存在许多不同类型通信使用者，例如：水下无人潜水器，潜水者，潜水艇等等。他们之间如果想传输信令信息、语音信息、图像信息以及完成他们的数据信息服务可以通过水声通信和无线光通信。这些通信网络的使用者要想把自己的数据交付给其他人必须通过BTS。而所有的BTS通过光纤跟软件定义网络中心(SDNC)相连接。SDNC跟水上的信息收集平台相连接，能够实现水下和水上信息的交换。

如图3所示，该方法的具体过程如下：

(1)初始化：由水下数据传输基站BTS设定当前进行竞拍的次数K＝0和传输的数据量D_o，k＝0；

在该步骤中，水下数据传输基站BTS将竞拍的次数K和传输的数据量D_o，k都进行清零，即表示当前没有经过竞拍以及当前能够传输的最低数据量为0。

(2)数据竞拍：在无线光传输范围内每隔时间间隔T判断是否存在多个水下网络使用者UNU能够拍出的最大数据量

大于所述水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k的值，如果存在，则将当前进行竞拍的次数K进行加1处理后得到K＝K+1并且将当前传输的数据量D_o，k进行一定量的自增后得到新的数据竞拍底价的传输的数据量D_o，k+1，然后将所述所有能够拍出的最大数据量

大于D_o，k值的水下网络使用者UNU进行再一次与D_o，k+1判断，直至存在唯一一个水下网络使用者UNU，使得其能够拍出的最大数据量

大于第K+N次后所述水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k+n值；

具体的，如图2所示，设定在BTS所覆盖的六边形蜂巢网络内都能实现水声通信，里面的使用者能够利用水声通信实现他们数据的传输。我们设定在单位价格(1美元)内通过水声通信能够传输的数据量为D_a(Mb/$)，单位时间内通过无线光传输的数据量为D_o。由于光传输的距离是有限的，所以在六边形蜂巢网络中，我们以BTS为圆心，无线光的最远传输距离为半径画圆。在圆所覆盖的区域内，使用者可以利用无线光和/或BTS实现数据的传输，从而实现高宽带、低延时、低功耗的传输体验。

在步骤(2)中，将处于无线光传输范围内所有水下网络使用者UNU能够拍出的最大数据量

与水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k的值进行比较，如果存在多个水下网络使用者UNU能够拍出的最大数据量

与水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k的值，则需要进行在一次的竞拍，此时竞拍次数K进行加1处理表示竞拍次数增加，水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k也进行一定量的增加得到D_o，k+1＝D_o，k+ρ，再将上一次中所有能够拍出的最大数据量

大于水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k的水下网络使用者UNU的能够拍出的最大数据量

与D_o，k+1进行比较，直至第N次后只剩下唯一的一个水下网络使用者UNU的能够拍出的最大数据量

大于D_o，k+n，其中：

其中：D_a表示单位价格内通过水声能够传输的数据量，

表示水下网络使用者UNU i从t到t+T的时间段内通过无线光传输的数据量的价格，为固定值；

表示UNU i当前需要传输的数据量剩余的价格，为固定值；

表示从t到t+T的时间段内通过无线光传输所预期的价格，λ表示误差补偿值，补偿传输所预期数据量的误差，G_i(t^*,T)表示如果传输的数据延迟从t到t+T，UNU i至少需要传输的数据量，G_i(t^*,T)采用公式(2)进行计算；

其中：

表示水下网络使用者UNU i传输的当前数据信息的总量，其公式表达式为采用公式(3)表示：

其中：K_i(t^*)表示通过无线光传输已经花费的价格，为固定值；R_i(t^*)表示通过无线光已经传输的数据量大小，为固定值；P_i(0)采用公式(4)表示：

P_i(0)＝D_a·Z_i(4)

Z_i表示所传输数据量的花费，D_a表示单位价格内通过水声能够传输的数据量；

公式(2)中Z_i(t^*+T)＝D_a·Z_i-α·t，α值越大表示水下网络使用者愿意传输的数据越多。

(3)无线光数据传输：将步骤(2)中第K+N次判断后存在的唯一一个能够拍出的最大数据量

大于所述水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k+n值的数据进行无线光传输；

(4)水声传输或等待再一次竞拍：将步骤(2)中第K+N次之前的水下网络使用者UNU的数据进行水声传输或者等待步骤(3)中进行无线光传输的水下网络使用者UNU的数据传输完之后进行新一次的数据竞拍。

进一步地，在本发明中，还包括对所述水下网络使用者UNU的传输数据的优先级权重设置，对所述每个水下网络使用者UNU要传输的数据分配一个ζ，ζ∈{1，2}，当ζ＝1时，表示权重最高，当ζ＝2表示，表示权重最低。一个水下网络使用者UNU i想进行数据传输时，BTS先要在其所覆盖的无线光信范围内搜索是否存在ζ＝1的数据量，如果存在，则对于ζ＝1的水下网络使用者UNU不进行数据竞拍直接通过无线光进行数据传输，当ζ＝1的水下网络使用者UNU的数据传输完之后，再对ζ＝2的水下网络使用者UNU进行数据竞拍。通过设置权重，可以优先的将比较重要或紧急的信息例如求救信息通过无线光传输快速的传输出去，对于不重要的信息例如水文监测、程序更新、上传或下载各种数据等数据则可以通过竞拍实现数据传输，这样既保证重要信息的优先传输，又可以保证无线光传输和水声传输的具有较高的传输速度和较大的传输容量。

实施例1

如图4和图5所示为对本发明提出的基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法的性能进行了评估，并展示了传输数据的性能和平均服务时延。模测实验在大连近海一个2.0km*2.0km的区域内进行。SDNC被放置在进行模测实验区域的中心，BTS在该实验区域内随机部署。每个BTS具有一定的覆盖范围，它们的覆盖区域可能重叠，但我们在此默认重叠的区域不会对数据传输造成很大的影响。我们假定在无线光传输的区域范围内，UNU可以通过无线光立刻进行数据的传输，而不需要花费时间来获取接入许可。在模测实验中，我们设D_a＝1Mb/$，W＝2KHz，[δ_min,δ_max]＝[0,2]，所以水下声通信传输的速率为2Kb/s。传输数据的价格从$20到$50中随机选择的。我们把无线光传输的区域分为七部分，每个区域宽度设置如下：[d₁,d₂,...d₇]＝[57,25,15,54,15,25,57]。此外，UNU的平均速度设为r＝40km/h，拍卖间隔和延迟间隔都设为10秒。与此同时，我们采用即时传输(CL)和延迟传输(UD)机制与基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法的传输(AGOC)机制进行性能的比较。在CL机制中，UNU可以灵活的选择传输模式。如果UNU在无线光传输的区域内，则它将选择无线光进行数据的传输，否则选择水声传输。在UD机制中，UNU则不断推迟所要传输的数据，直到进入无线光传输区域，利用无线光传输。模测实验每运行5次取一个平均值，一共进行了10个小时。所提出的机制，在模测结果中展示的性能如下图所示：

图4展示了采用不同机制时，水下通信网络中采用无线光传输的总数据量。可以看出在AGOC机制中，水下通信网络利用无线光能传输的数据量远远超过了采用CL和UD机制时传输的数据量。图5展示了采用不同机制时，数据传输的平均延迟。由图可知，采用AGOC机制下的传输时延低于采用CL和UD机制。在CL传输机制下，如果大多数UNU正在无线光传输区域内活动，则信道将变得拥塞，降低了数据传输的速率，所以通过无线光传输的数据量较少。如果大多数UNU在无线光区域外活动，那么UNU就没有机会利用无线光进行传输。在UD传输机制下，如果为了能利用无线光，而不断推迟数据的传输，那么在UNU进入到无线光传输区域内，它愿意通过无线光传输的数据将减少，因为传输时延可能太长。但是，在AGOC机制中，上述的问题可以很好地解决。信道的拥挤和时间延迟能得到较好的改善。

Claims (2)

1.一种基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)初始化：由水下数据传输基站BTS设定当前进行竞拍的次数K＝0和作为数据竞拍底价的传输的数据量D_o，k＝0；

(2)数据竞拍：在无线光传输范围内每隔时间间隔T判断是否存在多个水下网络使用者UNU能够拍出的最大数据量

大于所述水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k的值，如果存在，则将当前进行竞拍的次数K进行加1处理后得到K＝K+1并且将当前传输的数据量D_o，k进行一定量的自增后得到新的数据竞拍底价的传输的数据量D_o，k+1，然后将所有能够拍出的最大数据量

大于D_o，k值的水下网络使用者UNU进行再一次与D_o，k+1判断，直至存在唯一一个水下网络使用者UNU，使得其能够拍出的最大数据量

大于第K+N次后所述水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k+n值；

所述水下网络使用者UNU能够拍出的最大数据量

通过公式(1)进行计算：

其中：D_a表示单位价格内通过水声能够传输的数据量，

表示水下网络使用者UNU i从t到t+T的时间段内通过无线光传输的数据量的价格，为固定值；

表示UNU i当前需要传输的数据量剩余的价格，为固定值；

表示从t到t+T的时间段内通过无线光传输所预期的价格，λ表示误差补偿值，补偿传输所预期数据量的误差，G_i(t^*,T)表示如果传输的数据延迟从t到t+T，UNU i至少需要传输的数据量，G_i(t^*,T)采用公式(2)进行计算；

其中：

表示水下网络使用者UNU i传输的当前数据信息的总量，其公式表达式为采用公式(3)表示：

其中：K_i(t^*)表示通过无线光传输已经花费的价格，为固定值；R_i(t^*)表示通过无线光已经传输的数据量大小，为固定值；P_i(0)采用公式(4)表示：

P_i(0)＝D_a·Z_i (4)

Z_i表示所传输数据量的花费，D_a表示单位价格内通过水声能够传输的数据量；

公式(2)中Z_i(t^*+T)＝D_a·Z_i-α·t，α值越大表示水下网络使用者愿意传输的数据越多；

(3)无线光数据传输：将步骤(2)中第K+N次判断后存在的唯一一个能够拍出的最大数据量

大于所述水下数据传输基站BTS设定当前传输的数据量D_o，k+n值的数据进行无线光传输；

(4)水声传输或等待再一次竞拍：将步骤(2)中其余的水下网络使用者UNU的数据进行水声传输或者等待步骤(3)中进行无线光传输的水下网络使用者UNU的数据传输完之后进行新一次的数据竞拍。

2.根据权利要求1所述的基于拍卖博弈论的水下数据传输通信链路选择方法，其特征在于：还包括根据信息的重要性对所述水下网络使用者UNU的传输数据的优先级权重设置，对每个水下网络使用者UNU要传输的数据分配一个ζ，ζ∈{1，2}，当ζ＝1时，表示权重最高，当ζ＝2表示，表示权重最低，对于ζ＝1的水下网络使用者UNU不进行数据竞拍直接通过无线光进行数据传输，当ζ＝1的水下网络使用者UNU的数据传输完之后，再对ζ＝2的水下网络使用者UNU进行数据竞拍。

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