CN108924878B - 一种基于图着色理论的共存无线体域网间干扰消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图着色理论的共存无线体域网间干扰消除方法。该方法包括干扰图构建和图着色两个阶段，其中在干扰图构建阶段，首先确定源节点与本网内协调器的上行通信方式为直接传输还是利用中继进行转发；然后以与源节点对应的接收端距离最远的干扰节点为参考，通过测量其干扰信号强度为源节点建立干扰集。在图着色阶段，将不同时隙映射为不同的颜色，首先通过为相互干扰的节点分配不同的颜色来缓解网间干扰；然后根据传感器节点采集数据的多样性，为对数据传输速率需求较高的节点分配多种颜色，以进一步提高网络的服务质量(Quality‑of‑Service,QoS)，资源利用率以及网络容量。

Description

一种基于图着色理论的共存无线体域网间干扰消除方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，是一种基于图着色理论的共存无线体域网间干扰消除方法。
背景技术
无线体域网(Wireless Body Area Network:WBAN)是一种附着在人体上的网络，由多个采集人体不同生理参数的传感器节点和一个协调器组成。协调器通常为用户方便携带的手机，平板电脑等智能设备，可以收集来自本网内传感器节点采集的生理信息，经融合处理后通过外部网络发送至远程控制端，如医院，家属等。无线体域网一般应用于医疗健康监护、运动识别、娱乐、军事等方面。
由于人类的社交性和移动性，多个体域网可能会聚集在一起，如在地铁站，医院等公共场合，此时，共存体域网的通信范围在空间上存在交叠，加之频域资源有限且各网络之间相互独立，导致体域网之间的干扰非常严重，进而降低数据传输的可靠性和网络的效用性。对于采集人体重要生理参数的体域网来说，干扰可能会危及到人体生命安全。图1描述了无线体域网间的干扰模型，本发明重点研究上行通信链路之间的干扰，各个传感器节点的通信范围用以该节点为圆心，通信距离为半径的圆表示，则位于某传感器节点通信范围内的其他节点都将收到该节点的信号，其中位于其邻居体域网内的接收节点将受到干扰。
目前，共存无线体域网间干扰问题的解决方案主要是基于可用资源的有效调度，例如信道分配，功率控制和时隙调度等。
巴黎第五大学的Jocelyne Elias等人提出信道分配方案，该方法基于非合作博弈模型，共存体域网各自选择不同的信道使得相互之间的干扰信号最弱。但是，当共存体域网的数量远远多于可用信道数量时，网络间的同频干扰是不可避免的。
麦考瑞大学的Gengfa Fang等人提出无线体域网共存场景中基于非合作博弈模型的分布式功率控制机制，其中，位于不同体域网内同时发送数据的传感器节点通过调整发送功率最大化各自的效用函数。功率控制功能对设备硬件要求比较高，实现起来比较复杂，而体域网中的传感器节点体积很小，功能简单，因此，此方法并不是解决无线体域网间干扰问题的最佳方案。
新加坡科技设计大学的Wen Huang等人提出基于图着色理论的时隙分配方法，其中将各个时隙映射为不同的颜色，通过将不同的颜色分配给相互干扰的传感器节点，使得干扰节点在不同的时隙发送数据来避免共存网络间的干扰。但是该方法仅适用于体域网内是星型拓扑，并且没有考虑体域网内功能各异的传感器节点采集数据的多样性。
发明内容
本发明针对上述技术的不足，提出一种基于图着色理论的共存无线体域网间干扰消除方法，在避免干扰的同时提高了网络资源利用率和网络容量。本方案适用于体域网内的多跳拓扑结构，如图2所示，利用中继不仅可以通过提高接收信号强度从而增强节点的抗干扰能力，而且相比于传统的星型拓扑网络，源传感器节点对应的信号接收端不再仅仅局限于本网内的协调器，也可能是其他作为中继的传感器节点，从而减少了网内交叉链路之间的干扰，则位于同一个体域网内的多个节点可以占用相同的资源来提高资源利用率。
本方案采用多着色方法，其中将不同时隙映射为不同的颜色，对数据速率需求较高的节点可以优先得到多种颜色。那么，被多着色的节点可以在相应的多个时隙发送数据，从而满足节点对数据传输速率的需求，同时提高资源利用率和网络容量。
本发明中有如下定义：
顶点度数：在干扰图中，与某个顶点之间有边且与该顶点颜色相同的顶点的数量，称之为该顶点的度数。
单着色：图中每个顶点只能获得一种颜色。
多着色：图中顶点可以获得多种颜色。
本方案的实施分为两个阶段，第一阶段，构建干扰图，在该阶段，首先确定源节点与本网内协调器的通信方式：直接传输或者利用中继节点进行转发，然后，以距离源节点对应的接收端最远的干扰节点为参考，建立源节点的干扰集，其中，由于体上信道(on-bodychannel)和体外信道(off-body channel)的信道模型不同，因此本阶段将同网内传感器节点和邻居体域网内的传感器节点区别对待；第二阶段，图着色，将不同时隙映射为不同颜色，依次在干扰图上实施单着色和多着色，以在缓解共存体域网间干扰的同时满足功能各异的传感器节点对数据传输速率的不同需求。本方案具体实施步骤如下：
第一阶段，干扰图构建：
(1)当为第k个体域网内的第i个传感器节点ski建立干扰集时，ski为源节点，首先在第k个体域网内寻找比传感器节点ski到本网内协调器Ck更近的节点，然后在这些节点中找到与节点ski的距离小于节点ski到协调器Ck的距离并且离协调器最近的节点；若存在这样的节点skj，则此节点将作为节点ski的中继节点，否则，节点ski直接与协调器Ck通信；
(2)将第k个体域网内的其他传感器节点按照到源节点ski的目标接收节点skj/Ck的距离降序排列；
(3)序列中的首个节点sf发送信号，接收节点skj/Ck检测接收到的干扰信号功率I；
(4)接收节点skj/Ck计算源节点ski的信干噪比，若信干噪比高于设定的阈值，则将此节点sf从序列中删除，序列更新后跳回到(3)继续执行；若信干噪比低于设定的阈值，则将序列中的所有节点都加入传感器节点ski的干扰集；
(5)将第k个体域网的邻居体域网内的所有传感器节点按照到源节点ski的目标接收节点skj/Ck的距离降序排列，并且重复步骤(3)-(4)；
(6)为了避免交叉链路干扰，将第k个体域网内与源节点ski有相同目标接收端的传感器节点都加入到节点ski的干扰集；同时由于传感器节点的半双工工作模式，传感器节点ski对应的中继节点以及利用节点ski作为中继的传感器节点均属于ski的干扰集；
(7)依此方法为共存体域网中所有传感器节点建立干扰集；
(8)以网络中所有传感器节点作为顶点，各个传感器节点与其干扰集内的节点分别相连构成边，从而形成干扰图。
第二阶段，图着色：
(9)将不同时隙映射为不同的颜色，为方便计算，节点的可用颜色用阿拉伯数字表示，计为L，且其最小值为1；为了避免传感器节点之间的冲突，为每个顶点分配一个随机数值，并且以顶点获得的随机值和顶点对数据发送速率的需求分别作为规则为各个顶点划分优先级，其中当满足下列规则之一时则认为顶点v1的优先级高于v2：
规则1：rndvalue(v1)>rndvalue(v2)
规则2：rate(v1)>rate(v2)
其中，rndvalue(v)代表顶点v的随机值，rate(v)代表顶点v的数据发送速率需求；
(10)为所有未着色顶点着色L；
(11)在所有着色L的顶点中找到度数最大的顶点作为目标顶点；若目标顶点的邻居节点中存在与其颜色相同的冲突顶点，按照规则1比较他们的优先级；当目标顶点的优先级最高时，目标顶点赢得此颜色，其冲突节点均失去颜色；反之，当某个冲突节点的优先级最高时，目标顶点失去颜色，其冲突顶点都保有此颜色；此过程重复执行，直到着色L的顶点相互无冲突。
(12)将顶点的可用颜色L的数值加1，跳回到(10)继续执行，当图中所有顶点都被着色且无冲突时，单着色过程终止，此时所有顶点占用的颜色构成集合Color_All；
(13)将网络中所有传感器节点按照规则2降序排列；
(14)序列中第一个节点的邻居节点占用的颜色构成集合Color_n，将(Color_All-Color_n)分配给第一个节点后将此节点从序列中移除，序列更新后重复此过程，直到遍历所有节点；
(15)将各个颜色对应的时隙分配给相应的节点，各节点只有在分配的时隙中才可以发送数据包。
附图说明
图1为共存无线体域网间干扰模型。
图2为无线体域网多跳拓扑结构。
图3为本发明基于图着色理论的共存无线体域网间干扰消除方法的具体流程图。
图4为实施例的共存无线体域网的拓扑示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施：
本实施例是基于如图4(a)所示的网络拓扑进行说明，具体工作流程如下：
1.干扰图构建：
(1)当为第k个体域网内的第i个传感器节点ski建立干扰集时，ski为源节点，首先在第k个体域网内寻找比传感器节点ski到本网内协调器Ck更近的节点，然后在这些节点中找到与节点ski的距离小于节点ski到协调器Ck的距离并且离协调器最近的节点；若存在这样的节点skj，则此节点作为节点ski的中继节点，否则，节点ski直接与协调器Ck通信；如图4(a)所示，在WBAN1中节点s11需要经过节点s12中继，其他节点均与对应的协调器直接通信；
(2)将第k个体域网内其他传感器节点按照到源节点ski的目标接收节点skj/Ck的距离降序排列；
(3)序列中的首个节点sf发送信号，接收节点skj/Ck检测接收到的干扰信号功率I；
(4)接收节点skj/Ck计算源节点ski的信干噪比，若信干噪比高于设定的阈值，则将此节点sf从序列中删除，序列更新后跳回到(3)继续执行；若信干噪比低于设定的阈值，则将序列中的所有节点都加入传感器节点ski的干扰集；
(5)将第k个体域网的邻居体域网内的所有传感器节点按照到源节点ski的目标接收节点skj/Ck的距离降序排列，并且重复步骤(3)-(4)；
(6)为了避免交叉链路干扰，将第k个体域网内与源节点ski有相同目标接收端的节点都加入到节点ski的干扰集；同时由于传感器节点的半双工工作模式，传感器节点ski对应的中继节点以及利用节点ski作为中继的传感器节点均属于ski的干扰集；
(7)依此方法为共存体域网中所有传感器节点建立干扰集；
(8)以网络中所有传感器节点作为顶点，各个传感器节点与其干扰集内的节点分别相连构成边，从而形成干扰图，如图4(b)所示；
2.图着色：
(9)为了避免传感器节点之间的冲突，为每个顶点分配一个随机数值，如图4中传感器节点上面标注的数字，并且以顶点获得的随机值和顶点对数据发送速率的需求分别作为规则为各个顶点划分优先级，其中当满足下列规则之一时则认为顶点v1的优先级高于v2：
规则1：rndvalue(v1)>rndvalue(v2)
规则2：rate(v1)>rate(v2)
其中，rndvalue(v)代表顶点v的随机值，rate(v)代表顶点v的数据发送速率需求；
(10)将不同时隙映射为不同的颜色，为方便计算，节点的可用颜色用阿拉伯数字表示，计为L，为所有未着色的顶点着色L＝1，如图4(b)所示，各个节点旁边花括号内的数字表示该节点占用的颜色集合；
(11)找到度数最大的顶点s21作为目标节点,其邻居节点中与其颜色相同的冲突顶点有s11，s13，s22和s23，根据规则1比较目标节点与其冲突节点的优先级，优先级最高的目标顶点s21获得颜色1，其冲突节点失去颜色；此时着色L的顶点的度数均为0，则第一轮结束，顶点s12，s21获得颜色1，如图4(c)所示；
(12)将可用颜色的数值加1，即L＝2，为所有未着色顶点着色L，如图4(d)所示；
(13)找到度数最大的顶点s22，其邻居节点中的冲突顶点有s13和s23，根据规则1可知冲突顶点s23的优先级最高，因此目标顶点s22失去颜色，s13和s23保留颜色，此时着色L＝2的顶点的度数均为0，则第二轮结束，顶点s11，s13，s23获得颜色2，如图4(e)所示；(14)将可用颜色的数值加1，即L＝3，为未着色顶点s22着色L，其度数为0，所以此轮结束，如图4(f)所示；此时网络中所有节点占用的颜色构成集合Color_All＝{1,2,3}；
(15)将网络中所有传感器节点按照规则2降序排列，在此假设序列为s12＞s11＞s22＞s13＞s21＞s23；从序列中的第一个节点s12开始,其邻居节点占用的颜色集为Color_n＝{2}，则顶点s12的可用颜色集为Color_All-Color_n＝{1,3}，将此集合中的颜色分配给s12后，依次考虑序列中的其他节点，发现其他顶点均没有另外的可用颜色，则算法终止，最终顶点着色如图4(g)所示；每种颜色代表一个时隙，根据节点获得的颜色为其分配对应的时隙，在通信过程中，各个节点仅在其分配的时隙内发送数据包，从而避免了相互之间的干扰。

Claims (1)

1.一种基于图着色理论的共存无线体域网间干扰消除方法，包括构建干扰图和为干扰图着色两个阶段；在构建干扰图阶段，首先确定在上行通信过程中源节点与同网内协调器的通信方式：直接传输或者利用中继节点进行转发，若同网内存在比源节点到协调器更近的节点，则在这些节点中找到与源节点的距离小于源节点到协调器的距离，并且距离协调器最近的节点为源节点的中继，否则，源节点直接与本网内的协调器通信；然后建立源节点的干扰集；最后以网络中所有传感器节点作为顶点，各个传感器节点与其干扰集内的节点分别相连构成边，从而形成干扰图；在图着色阶段，将不同时隙映射为不同的颜色，依次在干扰图上实施单着色和多着色过程，从而在缓解网间干扰的同时满足功能各异的传感器节点对数据传输速率的不同需求；所述方法的特征在于：
A、以与源节点对应的接收端距离最远的干扰节点为参考，建立源节点的干扰集；在此过程中，由于同网内通信使用的体上信道和网间通信使用的体外信道的信道模型不同，将同网内的传感器节点和邻居体域网内的传感器节点分为两个序列来区别对待；在每一个序列中，将传感器节点按照到源节点对应接收端的距离降序排列，仅需要该序列中的第一个节点发送探测信号来测试对源节点的干扰强度，若其干扰强度超过设定的阈值，则该序列中的所有节点都属于源节点的干扰集，反之，若该序列中的第一个节点的干扰信号较弱，则将此节点从序列中删除，更新后的序列重复执行上述过程，直到划分完序列中的所有节点；最终由两个序列中的剩余传感器节点构成源节点的干扰集；所述建立源节点干扰集的过程能够在很大程度上减小网络能耗，缩短时延；
B、在单着色过程结束后，开始多着色过程：首先为所有顶点占用的颜色建立集合Color_All；然后将顶点按照对数据传输速率需求的高低进行降序排列，依次以对数据传输速率需求较高的节点为目标顶点，并得到其邻居顶点占用的颜色集Color_n，将集合(Color_All-Color_n)中的颜色分配给该目标顶点，则占用了多个颜色的节点可以在对应的多个时隙发送数据；所述多着色过程对所有顶点只进行一次遍历和着色处理，复杂度低，并能满足节点对数据传输速率的需求，同时提高了网络容量和资源利用率。
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