CN112737939A - 基于物联网协作通信的网络自愈方法及网络架构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于物联网协作通信的网络自愈方法及网络架构，属于无线通信领域。所述方法包括：当某接入站点由于某种原因出现故障导致基站覆盖范围下的物联网终端出现网络中断。对于网络边缘物联网终端，通过相邻接入站点覆盖范围下的其他终端设备进行端到端补偿以恢复网络。筛选其中接入成功率高的中继终端，并进行最优资源分配方案生成，从而解决断网终端重新入网，解决了端到端在物联网终端中的补偿。

Description

基于物联网协作通信的网络自愈方法及网络架构
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体地涉及一种基于物联网协作通信的网络自愈方法及一种基于物联网协作通信的网络自愈网络架构。
背景技术
未来无限网络在大规模覆盖的过程中面临着由于异构动态物联网终端的海量数据流量需求和频繁的通信开销带来的物联网终端服务质量降低的问题，在智能电网，工业物联网等场景下，如何实现快速的站点故障修复，实现网络的快速自愈，得到了学术界和工业界的广泛注意。目前针对端到端在物联网终端补偿中的应用还没有一个系统的整合，只是分析了端到端设备可以进行的物联网终端补偿的可能性以及在物联网终端补偿过程中的一个阶段，还不能统一的涵盖补偿的所有阶段。针对此问题，需要创造一种在异构网络中利用物联网终端协作实现网络自愈的方法。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种基于物联网协作通信的网络自愈方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于物联网协作通信的网络自愈方法，应用于在连接受限场景下终端的补偿连接，所述方法包括：S1) 根据预设规则筛选在通讯距离范围内的设备终端，根据筛选结果构成候选中继终端的候选中继集R1；S2)根据社交网络属性计算所述候选中继集R1中各候选中继终端的效用函数值，筛选并保留效用函数值大于预设效用函数阈值的中继终端构成新的候选中继集R2；S3)根据预设规则筛选出所述新的候选中继集R2中的最优中继终端；S4)根据所述社交网络属性计算所述最优中继终端与其通信范围内的信源终端间建立通讯成功的概率；S5)根据所述建立通讯成功的概率确定通信链路的资源分配优先级；其中，所述通信链路为所述信源终端与所述中继终端之间建立的通信连接关系；所述建立通讯成功的概率越高，对应通信链路的资源分配优先级越高；S6)根据所述资源分配优先级确定最优资源分配方案，并执行所述最优资源分配方案，进行终端协作补偿并分配资源。
可选的，步骤S1)中，所述根据预设规则筛选在通讯距离范围内的设备终端，根据筛选结果构成候选中继终端的候选中继集R1，包括：根据终端的传输最大距离限制，筛选出在通信距离范围内的活跃终端；将筛选出的活跃终端作为候选中继终端构成候选中继集R1。
可选的，步骤S2)中，所述社交网络属性包括中心度、相似度和信任度；其中，所述中心度计算公式为：
Figure RE-GDA0002955850850000021
其中，kn为第n个活跃终端；Freq(kn)为第n个活跃终端接收到探测消息的次数；N代表网络中的节点总数；k'n代表网络中的其他活跃终端；所述相似度的计算公式为：
Figure RE-GDA0002955850850000022
其中，in为第n个信源终端；Sim(kn,in)为第n个活跃终端与第n个信源终端之间的相似度；I为第n个活跃终端与第n个信源终端之间的兴趣集合；所述信任度计算公式为：
Figure RE-GDA0002955850850000031
其中，Tru(kn,in)为第n个活跃终端与第n个信源终端之间的信任度； CF(kn,in)表示两个终端之间的通信频率；CT(kn,in)表示两个终端之间的通信时长；步骤S2)中，所述效用函数值计算公式为：
U(kn,in)＝α·Tru(kn,in)+β·Sim(kn,in)+γ·Cen(kn)
其中，α，β，γ三个值为参数，满足α+β+γ＝1。
可选的，步骤S3)中，所述预设规则包括以下三项对比计算：对比各链路的信噪比和信道容量、对比各链路的通信概率和对比各链路的系统能量效率；所述根据预设规则筛选出所述新的候选中继集R2中的最优中继终端，包括：综合评判所述三项对比计算的结果，选取其中综合能力最高的中继终端作为最优中继终端；其中，所述信源终端与中继终端为：
Figure RE-GDA0002955850850000032
其中，j为中继终端序号；SNRij为信源终端至中继终端的信噪比；N0为噪声谱密度；γ为路径损耗指数；h代表信道系数；|h|2服从均值为1的指数分布；所述各链路的信道容量Cm的计算规则为：
Cm＝min{log(1+SNRij)}
可选的，所述各链路的通信概率的计算规则为：
Figure RE-GDA0002955850850000033
其中，p1为信源终端与中继终端之间的连接成功概率；θ为信噪比门限。
可选的，所述各链路的系统能量效率的计算规则为：
Figure RE-GDA0002955850850000041
其中，α为由功率和功率改变时的能量转换效率决定的常数；Pcr和Pct为信源终端和中继终端工作时产生的能耗；tjk为信源终端和第k个中继终端占用的时隙。
可选的，步骤S4)中，所述最优中继终端与其通信范围内的信源终端间建立通讯成功的概率的计算公式为：
Figure RE-GDA0002955850850000042
其中，ωji为最优中继终端与第n个信源终端之间的通讯成功概率；Tmin 表示最优中继终端与第n个信源终端之间能够建立起终端协作通信的最短相遇时间；f(x,k,u)是最优中继终端与第n个信源终端之间相遇时长的概率密度函数。
可选的，步骤S6)中，所述根据所述资源分配优先级确定最优资源分配方案，并执行所述最优资源分配方案，进行终端协作补偿并分配资源，包括：建立优化目标并获得最优资源分配方案；其中，所述优化目标包括路由选择过程优化目标和资源分配过程优化目标；所述优化目标关系式为：
Figure RE-GDA0002955850850000043
所述优化目标关系式满足以下约束条件：
Figure RE-GDA0002955850850000044
Figure RE-GDA0002955850850000045
Figure RE-GDA0002955850850000046
Figure RE-GDA0002955850850000047
Figure RE-GDA0002955850850000051
Figure RE-GDA0002955850850000052
Figure RE-GDA0002955850850000053
Figure RE-GDA0002955850850000054
其中，Cm是物联网终端进行信息传输的信道容量门限值；p*为通信链路连接成功率门限值；PR max和PR min分别是接入节点发射功率的最低限制值和最高限制值；PV max和PV min分别是活跃终端发射功率的最低限制值和最高限制值。
可选的，所述路由选择过程优化目标的关系式为：
Figure RE-GDA0002955850850000055
其中，
Figure RE-GDA0002955850850000056
为发射功率；所述资源分配过程优化目标关系式为：
δsys＝WCave
其中，δsys为系统平均信道传输速率；W为信道带宽；Cave为所有信道容量的均值。可选的
本发明第二方面提供一种基于物联网协作通信的网络自愈网络架构，所述网络架构包括：信源终端，为断开网络连接的物联网终端；中继终端，包括活跃终端和断网中继终端，所述活跃终端位于正常基站范围内，所述断网中继终端位于异常基站范围内；所述中继终端用于桥接所述信源终端与正常基站之间的通信连接；网络管理端，用于根据预设规则筛选在通讯距离范围内的设备终端，根据筛选结果构成候选中继终端的候选中继集R1；根据社交网络属性计算所述候选中继集R1中各候选中继终端的效用函数值，筛选并保留效用函数值大于预设效用函数阈值的中继终端构成新的候选中继集 R2；根据预设规则筛选出所述新的候选中继集R2中的最优中继终端；根据所述社交网络属性计算所述最优中继终端与其通信范围内的信源终端间建立通讯成功的概率；根据所述建立通讯成功的概率确定通信链路的资源分配优先级；其中，所述通信链路为所述信源终端与所述中继终端之间建立的通信连接关系；所述建立通讯成功的概率越高，对应通信链路的资源分配优先级越高；所述网络管理端还用于根据所述资源分配优先级确定最优资源分配方案；所述中继终端还用于执行所述最优资源分配方案，进行终端协作补偿并分配资。
通过上述技术方案，当某接入站点由于某种原因出现故障导致该RRU (RemoteRadio Unit，射频拉远单元)覆盖范围下的物联网终端出现网络中断。对于网络边缘物联网终端，可通过相邻接入站点覆盖范围下的其他终端设备进行端到端补偿以恢复网络。筛选其中接入成功率高的中继终端，并进行最优资源分配方案生成，从而解决断网终端重新入网。解决了端到端在物联网终端中的补偿。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是本发明一种实施方式提供的基于物联网协作通信的网络自愈网络方法的步骤流程图；
图2是本发明一种实施方式提供的社交网络属性计算方法的步骤流程图；
图3是本发明一种实施方式提供的筛选最优中继终端方法的步骤流程图；
图4是本发明一种实施方式提供的确定最优资源分配方案方法的步骤流程图；
图5是本发明一种实施方式提供的基于物联网协作通信的网络自愈网络架构的结构图。
附图标记说明
10-信源终端；20-断网中继终端；30-活跃终端；40-基站；50-网络管理端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提出一种在异构网络中利用物联网终端协作实现网络自愈的方法。如图5所示，通过举例说明，三个接入站点(RRU)覆盖的区域A，B， C，其中区域A的接入站点因为外部因素出现故障，其网络边缘的部分物联网终端需要在区域B和区域C的终端进行终端协作补偿，在接入站点的覆盖下，分别存在普通物联网终端，端到端直连物联网终端和单中继连接物联网终端三种物联网终端类型。一个接入站点由于某种原因出现故障导致该 RRU覆盖范围下的物联网终端出现网络中断。对于网络边缘物联网终端，可通过相邻接入站点覆盖范围下的其他终端设备进行端到端补偿以恢复网络。以下通过两跳链路进行方案解释，即补偿链路中包括至少一个断网中继终端20，其中，将中继终端中的活跃终端称为活跃终端，中继终端中的断网中继终端称为中继终端，以下通过目标中断、中继终端和活跃终端进行方案解释。
图5是本发明一种实施方式提供的一种基于物联网协作通信的网络自愈网络架构的结构图。如图5所示，本发明实施方式提供一种基于物联网协作通信的网络自愈网络架构，所述网络架构包括：信源终端10，为断开网络连接的物联网终端；中继终端，包括活跃终端30和断网中继终端20，所述活跃终端30位于正常基站40范围内，所述断网中继终端20位于异常基站40 范围内；所述中继终端用于桥接所述信源终端10与正常基站40之间的通信连接；网络管理端50，用于根据预设规则筛选在通讯距离范围内的设备终端，根据筛选结果构成候选中继终端的候选中继集R1；根据社交网络属性计算所述候选中继集R1中各候选中继终端的效用函数值，筛选并保留效用函数值大于预设效用函数阈值的中继终端构成新的候选中继集R2；根据预设规则筛选出所述新的候选中继集R2中的最优中继终端；根据所述社交网络属性计算所述最优中继终端与其通信范围内的信源终端10间建立通讯成功的概率；根据所述建立通讯成功的概率确定通信链路的资源分配优先级；其中，所述通信链路为所述信源终端10与所述中继终端之间建立的通信连接关系；所述建立通讯成功的概率越高，对应通信链路的资源分配优先级越高；所述网络管理端50还用于根据所述资源分配优先级确定最优资源分配方案；所述中继终端还用于执行所述最优资源分配方案，进行终端协作补偿并分配资源。
图1是本发明一种实施方式提供的基于物联网协作通信的网络自愈网络方法的步骤流程图。如图1所示，本发明实施方式提供一种基于物联网协作通信的网络自愈网络的方法，所述方法包括：
步骤S10：根据预设规则筛选在通讯距离范围内的设备终端，根据筛选结果构成候选中继终端的候选中继集R1。
具体的，根据活跃终端30的信号发射最远距离，筛选出在当前信源终端10通信范围内的所有可能作为中继终端的设备终端，并整个所有的候选中继终端，形成候选中继集R1。R1的表达式为：
J＝{j1,j2,j3,…,jn}
步骤S20：根据社交网络属性计算所述候选中继集R1中各候选中继终端的效用函数值，筛选并保留效用函数值大于预设效用函数阈值的中继终端构成新的候选中继集R2。
具体的，将场景划分为两个层面：社交层和物理层。在社交网络理论中，衡量两个物联网终端之间亲密值的三个关键参数分别为中心度，相似度以及信任度。根据这三个量进行抽象建模，综合出一个效用函数并设定阙值，当物联网终端之间的亲密度大于这个阙值时，他们之间的设备进行终端协作通信的成功率也就高，在社交层用该方案筛选满足条件的中继设备集，再在物理层用已有方案进行断网中继终端20选择，可以有效避免多余的能量损耗，降低通信失败的概率。具体的，如图2，包括以下步骤：
步骤S201：计算中心度。
具体的，中心性表明了节点的重要程度，重要程度越高意味着他和其他人的通信就越频繁，也就更易与他人建立连接。在物理层中，设备的中心度大小由收到探测消息的次数决定，在这里我们设中联终端jn接收到探测消息的次数为Freq(vj)，则其中心度的公式为：
Figure RE-GDA0002955850850000091
其中，kn为第n个活跃终端30；Freq(kn)为第n个中继终端接收到探测消息的次数；N代表网络中的节点总数；k'n代表网络中其他活跃终端30。
步骤S202：计算相似度。
目前对于路由发现过程的研究主要关注于信道质量，传输速率等参数，忽略了物联网终端的通信需求，导致在路由选择过程中满足条件的设备因为亲密度不够而拒绝通信的情况，造成了资源浪费。事实上，在社交网络中，由于社交圈的相对固定，人们总是乐于和自己有着相似社会行为亦或兴趣爱好的物联网终端进行信息的互通和资源的共享，兴趣类似的人成为朋友的可能性会更大。在路由选择过程中，如果终端协作对候选物联网终端与信源物联网终端兴趣一致，通信的成功率就会增加。在社交网络的概念中，两个物联网终端之间的相似度用其社会距离的余弦值表示，其公式为：
Figure RE-GDA0002955850850000101
其中，jn为第n个断网中继终端20；Sim(kn,jn)为第n个活跃终端30 与第n个断网中继终端20之间的相似度；I为第n个活跃终端30与第n个断网中继终端20之间的兴趣集合。
步骤S203：计算信任度。
具体的，在社交层面中，两个人越亲近，相互之间就越发信任。对应到物理层中，两个设备之间进行的交互越多，彼此之间的信任度也就越大。社交关系与两个人之间的接触频率和接触时长有关。而对于物理层而言，两个设备之间的通信频率和通信时长可以由云端的获得，在这里，我们将两个物联网终端ui和uj之间的信任度抽象为公式即为：
Figure RE-GDA0002955850850000102
其中，Tru(kn,jn)为第n个活跃终端30与第n个断网中继终端20之间的信任度；CF(ui,vj)表示两个终端之间的通信频率；CT(ui,vj)表示两个终端之间的通信时长。
步骤S204：计算中继集R1中各候选断网中继终端20的效用函数值。
具体的，综合步骤S201-S203中三个社交网络中的基本概念，将效用函数归纳为：
U(kn,jn)＝α·Tru(kn,jn)+β·Sim(kn,jn)+γ·Cen(kn)
其中，α，β，γ三个值为参数，满足α+β+γ＝1。
步骤S205：筛选并保留其中大于预设效用函数阈值的断网中继终端20，并构成新的候选中继集R2。
具体的，在步骤S204中的效用函数值关系式式中设定阙值Uthr，并将周边终端中与活跃终端30效用函数值大于阙值的断网中继终端20放入候选中继集中，完成初步筛选，将其中与活跃终端30效用函数值大于阙值的断网中继终端20构成新的候选中继集R2。
步骤S30：根据预设规则筛选出所述新的候选中继集R2中的最优断网中继终端20。
具体的，假设区域内中断的接入节点已经被检测到，接入节点的集合为 B＝{b1,b2,..,bi,…,bN}，中断的物联网终端集合为UO＝{u1,u2,…,uj,…, uM}，活跃终端30集合为VA＝{v1,v2,…,vk,…,vL}。X＝{xjk}表示终端间中继的选择关系矩阵，1表示连接，0表示不连接；X'＝{xi'j}表示活跃物联网终端和接入节点之间的关联关系，1表示连接，0表示不连接。为了方便处理，将每个中断终端都通过合适的终端协作选择来接入网络。接入节点到活跃物联网终端之间的距离设为Dij，活跃物联网终端到中断物联网终端之间的距离为Djk，路径损耗指数为γ。设接入节点的发射功率为
Figure RE-GDA0002955850850000111
活跃物联网终端的发射功率为
Figure RE-GDA0002955850850000112
则当xjk＝1，且x′ij＝1时，终端协作链路正式建立了起来，其中终端协作连接信息的传输模式采用固定译码转发协议。为了确定最优的断网中继终端20，需要衡量断网中继终端20发起连接的稳定性能的效率性能，即需要评判由信源终端10、断网中继终端20和活跃终端30建立的各通讯链路的信噪比和信道容量、通信概率和系统能量效率。具体的，如图3，包括以下步骤：
步骤S301：计算并对比各链路信噪比和信道容量。
具体的，信源终端10至断网中继终端20，断网中继终端20至活跃终端 30两跳链路的信噪比SNRij和SNRjk分别为：
Figure RE-GDA0002955850850000121
Figure RE-GDA0002955850850000122
其中，j为断网中继终端20序号；SNRij为信源终端10至断网中继终端 20的信噪比；SNRjk为断网中继终端20至活跃终端30的信噪比；N0为噪声谱密度；γ为路径损耗指数；h代表信道系数；|h|2服从均值为1的指数分布。针对补偿物联网终端j，当与活跃物联网终端k连接时，对应的信道容量可以简单设为：
Cm＝min{log(1+SNRij),log(1+SNRjk)}
根据上述关系获得各个断网中继终端20分别与信源终端10和活跃终端30的信噪比和信道容量，信噪比及信道容量越大，代表链路的质量也就越好。进行各个中继器对应信噪比横向对比，选取其中双向信噪和信道容量均很大的你断网中继终端20。
步骤S302：计算并对比各链路通信概率。
具体的，对于两跳链路之间的连接成功概率，分别设为p1和p2，在这里我们假设链路通信成功率由信噪比门限决定，信噪比越大，代表链路质量越好，其成功通信的成功率就越大，当信噪比低于一定门限值时，链路会因噪声过大无法正常通信，信源终端10至断网中继终端20和断网中继终端20 值活跃终端30两段链路的成功率分别表示为：
Figure RE-GDA0002955850850000123
Figure RE-GDA0002955850850000124
其中，θ为信噪比门限。根据上述关系分别计算各候选中继分别与信源中继和活跃中继的连接成功率。选取其中双向连接成功率均很高的候选中继。
步骤S303：计算并对比各链路的系统能量效率。
具体的，终端协作链路在连接的过程中，链路所占用的信道时隙也是一个重要的考量指标，我们假设中断物联网终端i和活跃物联网终端k所占用的时隙为tjk，并对其进行归一化处理，即0<tjk<1。综合以上，可以得出整个系统的能量效率EE可以表示为：
Figure RE-GDA0002955850850000131
其中，α为常数，一般由功率和功率改变时的能量转换效率决定，Pcr和Pct为信源终端10和目的终端工作时产生的能耗，为方便研究，也将其设定为常数。通过上述关系式，可以动态调整tjk，
Figure RE-GDA0002955850850000132
和
Figure RE-GDA0002955850850000133
三个值以改变EEm的取值。根据上述关系获得各链路的能量效率，选取其中能量效率较大的链路的候选中继。
步骤S304：综合评判预设规则的三项对比结果，选取其中综合能力最高的断网中继终端20为最优断网中继终端20。
具体的，根据步骤S301-S303，分别获得了信噪比和信道容量很大的候选中继、通信成功率很高的候选中继和系统能量效率很高的候选中继，将这三部分获得的候选中继进行对比，选取其中三项均很高额的候选中继，若存在多个候选中继，则根据他们实际数值对比，选取其中综合能力最高的断网中继终端20为最优断网中继终端20。
步骤S40：根据所述社交网络属性计算所述中继集R2中对应设备间建立通讯成功的概率。
具体的，在一个接入节点的覆盖范围内，我们可以首先对各个设备的地理分布进行分析。两个物联网终端之间的距离若满足实现终端协作通信的距离时，两个终端设备就有条件建立终端协作通信。在相遇模型中其中一个重要的量就是相遇时长，在本模型中我们也是以终端之间的相遇时长来衡量它们之间建立起的终端协作连接的可靠性和稳定性。在这里我提出了一种通用的用来描述两个终端相遇时间的gamma分布Γ(k,u)，其中k和u两个变量与均值和方差有关。根据两设备的相遇时长可以计算出两设备之间通信成功的概率，其公式为：
Figure RE-GDA0002955850850000141
其中，ωjk为第n个断网中继终端20与第n个活跃终端30之间的的通讯成功概率。
Tmin表示两终端能够建立起终端协作通信的最短相遇时间；
f(x,k,u)是其相遇时长的概率密度函数。
步骤S50：根据所述建立通讯成功的概率确定通信链路的资源分配优先级；其中，所述通信链路为所述信源终端10与所述断网中继终端20之间建立的通信连接关系；所述建立通讯成功的概率越高，对应通信链路的资源分配优先级越高。
具体的，最优资源分配的基础的思路是为连接概率高的终端协作对分配信道质量更好的信道，尽量避免其被浪费。在这里我们就要引入一个表示优先级的参数β，通信成功率P越大，分配优先级β就越高，在这里，我们对β的定义如下：
β＝k(ωjk-a)+1
其中，a代表在当前范围内终端协作通信成功率的均值，其根据每一片区域的具体情况而定，可以由云端给出，k代表一个参数，下面介绍参数k的取值方法。由于优先级β是由通信成功率P得来，所以他们两的值应该有正比例关系，这时我们就可以得到下式：
Figure RE-GDA0002955850850000151
根据上述两个关系式，我们可以求出k的取值为：k＝1/a，所以对于分配优先级β而言，其公式为：
β＝(1/a)(ωjk-a)+1
在求得优先级β后，我们就能对连接的终端协作终端对进行排序，进行资源分配了。将信道质量高的信道优先分配给优先级高的物联网终端。
步骤S60：根据所述资源分配优先级确定最优资源分配方案，并执行所述最优资源分配方案，进行终端协作补偿并分配资源。
具体的，获得了资源分配优选级，想要要进行实际资源分配时实现资源分效率最大化，还需要进行路由选择优化和资源分配优化。所以需要建立对应的优化目标。对于发射功率
Figure RE-GDA0002955850850000152
和
Figure RE-GDA0002955850850000153
来说，我们假设每个信源终端10的发射功率恒定，所以链路的发射功率即由链路连接情况xjk和x′ij决定，每条链路我们的优化目标为得到系统最大的能量效率，即tjk,xjk，x′ij，
Figure RE-GDA0002955850850000154
最大能量效率的表达式为：
Figure RE-GDA0002955850850000155
其中包含的约束条件为：
Figure RE-GDA0002955850850000156
Figure RE-GDA0002955850850000157
Figure RE-GDA0002955850850000158
Figure RE-GDA0002955850850000159
Figure RE-GDA0002955850850000161
Figure RE-GDA0002955850850000162
Figure RE-GDA0002955850850000163
Figure RE-GDA0002955850850000164
其中，Cm是物联网终端进行信息传输的信道容量门限值；p*为链路连接成功率门限值；PR max和PR min分别是接入节点发射功率的最低和最高限制值； PV max和PV min分别是活跃物联网终端发射功率的最低和最高限制值。根据上述系统最大能量效率模型，建立对应的路由选择过程优化目标和资源分配过程优化目标。具体的，如图4，包括以下步骤：
步骤S601：建立路由选择过程优化目标。
具体的，在DF协议下的两跳链路可分别视作两个独立的链路进行分析，当两条链路同时满足传输要求，可以顺利传输，即可视为整个路由选择过程的通信链路顺利建立。一般而言，增大信源终端10的发射功率可以提高链路连接成功率，但随着发射功率的提高，同时会带来更大的干扰，使信噪比降低，难以保障通信质量，且一味增大发射功率也会带来更多的资源浪费，在实际场景下不可能提供很高的发送功率，为确定合适的发射功率，同时使信噪比和链路连接成功率满足条件，该过程的优化目标即为找到最小的连接能耗，进而确定合适的发射功率，发射功率
Figure RE-GDA0002955850850000165
的计算公式为：
Figure RE-GDA0002955850850000166
步骤S602：建立资源分配过程优化目标。
具体的，终端协作物联网终端在使用信道资源时，常常需要复用其他蜂窝物联网终端的信道。这时，终端协作对和普通物联网终端之间就会产生复杂的同频干扰，当干扰严重时还会影响物联网终端的通信质量甚至导致通信中断。在实际生活中，终端协作物联网终端往往需要瞬时且准确的连接，当终端协作物联网终端成功建立起链接时，系统就需要分配资源给终端协作物联网终端，包括信道资源和功率资源。我们将研究重心放在信道资源的分配上，信道资源总量由C-RAN网络决定，要使系统在资源分配环节能耗最小，即意味着终端协作对的信道资源利用率最大，不需要耗费多余的能量来维持终端协作对的通信过程，对于时隙的分配可以用系统整体的信道传输速率作为评价指标，信道传输速率越快系统性能就越好，系统平均信道传输速率δsys的公式为：
δsys＝WCave
其中，W代表信道带宽，Cave代表所有信道容量的均值。利用限制条件 (8)可以求出在当前环境下的信道平均传输速率，由于终端协作对要和普通物联网终端一样使用被正交化的信道资源，所以优化目标为如何分配被正交化的信道可以使系统整体的传输利用率最大。最大利用率
Figure RE-GDA0002955850850000171
的计算公式为:
Figure RE-GDA0002955850850000172
其中，δ(Vi)和δ(uj,uk)分别代表终端协作设备和普通设备的信道传输速率，均满足以δsys为均值的瑞利分布。
步骤S603：获得发射功率及利用率最大的资源分配方案，并执行资源分配方案，进行终端协作补偿并分配资源。
具体的，根据步骤S601-S602获得的路由选择过程优化目标和资源分配过程优化目标分别获得最佳发射功率和利用率最大的信道传输速率。将包含最佳发射功率和利用率最大的信道传输速率生成为最佳资源分配方案，然后根据该最佳资源分配方案建立信源终端10、断网断网中继终端2020和活跃终端30的信号连接，并通过活跃终端30建立与基站50的连接，并执行各终端的资源分配。
本发明实施方式还提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的基于物联网协作通信的网络自愈网络方法。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM， Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于物联网协作通信的网络自愈方法，应用于在连接受限场景下终端的补偿连接，其特征在于，所述方法包括：
S1)根据预设规则筛选在通讯距离范围内的设备终端，根据筛选结果构成候选中继终端的候选中继集R1；
S2)根据社交网络属性计算所述候选中继集R1中各候选中继终端的效用函数值，筛选并保留效用函数值大于预设效用函数阈值的中继终端构成新的候选中继集R2；
S3)根据预设规则筛选出所述新的候选中继集R2中的最优中继终端；
S4)根据所述社交网络属性计算所述最优中继终端与其通信范围内的信源终端间建立通讯成功的概率；
S5)根据所述建立通讯成功的概率确定通信链路的资源分配优先级；其中，所述通信链路为所述信源终端与所述中继终端之间建立的通信连接关系；所述建立通讯成功的概率越高，对应通信链路的资源分配优先级越高；
S6)根据所述资源分配优先级确定最优资源分配方案，并执行所述最优资源分配方案，进行终端协作补偿并分配资源。
2.根据权利要求1所述的基于物联网协作通信的网络自愈方法，其特征在于，步骤S1)中，所述根据预设规则筛选在通讯距离范围内的设备终端，根据筛选结果构成候选中继终端的候选中继集R1，包括：
根据终端的传输最大距离限制，筛选出在通信距离范围内的活跃终端；
将筛选出的活跃终端作为候选中继终端构成候选中继集R1。
3.根据权利要求2所述的基于物联网协作通信的网络自愈方法，其特征在于，步骤S2)中，所述社交网络属性包括中心度、相似度和信任度；其中，
所述中心度计算公式为：
Figure FDA0002835686140000021
其中，kn为第n个活跃终端；
Freq(kn)为第n个活跃终端接收到探测消息的次数；
N代表网络中的节点总数；
k'n代表网络中的其他活跃终端；
所述相似度的计算公式为：
Figure FDA0002835686140000022
其中，in为第n个信源终端；
Sim(kn,in)为第n个活跃终端与第n个信源终端之间的相似度；
I为第n个活跃终端与第n个信源终端之间的兴趣集合；
所述信任度计算公式为：
Figure FDA0002835686140000023
其中，Tru(kn,in)为第n个活跃终端与第n个信源终端之间的信任度；
CF(kn,in)表示两个终端之间的通信频率；
CT(kn,in)表示两个终端之间的通信时长；
步骤S2)中，所述效用函数值计算公式为：
U(kn,in)＝α·Tru(kn,in)+β·Sim(kn,in)+γ·Cen(kn)
其中，α，β，γ三个值为参数，满足α+β+γ＝1。
4.根据权利要求3所述的基于物联网协作通信的网络自愈方法，其特征在于，步骤S3)中，所述预设规则包括以下三项对比计算：对比各链路的信噪比和信道容量、对比各链路的通信概率和对比各链路的系统能量效率；
所述根据预设规则筛选出所述新的候选中继集R2中的最优中继终端，包括：
综合评判所述三项对比计算的结果，选取其中综合能力最高的中继终端作为最优中继终端；其中，
所述信源终端与中继终端为：
Figure FDA0002835686140000031
其中，j为中继终端序号；
SNRij为信源终端至中继终端的信噪比；
N0为噪声谱密度；
γ为路径损耗指数；
h代表信道系数；
|h|2服从均值为1的指数分布；
所述各链路的信道容量Cm的计算规则为：
Cm＝min{log(1+SNRij)}
5.根据权利要求4所述的基于物联网协作通信的网络自愈方法，其特征在于，所述各链路的通信概率的计算规则为：
Figure FDA0002835686140000032
其中，p1为信源终端与中继终端之间的连接成功概率；
θ为信噪比门限。
6.根据权利要求5所述的基于物联网协作通信的网络自愈方法，其特征在于，所述各链路的系统能量效率的计算规则为：
Figure FDA0002835686140000041
其中，α为由功率和功率改变时的能量转换效率决定的常数；
Pcr和Pct为信源终端和中继终端工作时产生的能耗；
tjk为信源终端和第k个中继终端占用的时隙。
7.根据权利要求6所述的基于物联网协作通信的网络自愈方法，其特征在于，步骤S4)中，所述最优中继终端与其通信范围内的信源终端间建立通讯成功的概率的计算公式为：
Figure FDA0002835686140000042
其中，ωji为最优中继终端与第n个信源终端之间的通讯成功概率；
Tmin表示最优中继终端与第n个信源终端之间能够建立起终端协作通信的最短相遇时间；
f(x,k,u)是最优中继终端与第n个信源终端之间相遇时长的概率密度函数。
8.根据权利要求7所述的基于物联网协作通信的网络自愈方法，其特征在于，步骤S6)中，所述根据所述资源分配优先级确定最优资源分配方案，并执行所述最优资源分配方案，进行终端协作补偿并分配资源，包括：建立优化目标并获得最优资源分配方案；其中，所述优化目标包括路由选择过程优化目标和资源分配过程优化目标；
所述优化目标关系式为：
Figure FDA0002835686140000051
所述优化目标关系式满足以下约束条件：
Figure FDA0002835686140000052
Figure FDA0002835686140000053
Figure FDA0002835686140000054
Figure FDA0002835686140000055
Figure FDA0002835686140000056
Figure FDA0002835686140000057
Figure FDA0002835686140000058
Figure FDA0002835686140000059
其中，Cm是物联网终端进行信息传输的信道容量门限值；
p*为通信链路连接成功率门限值；
PR max和PR min分别是接入节点发射功率的最低限制值和最高限制值；
PV max和PV min分别是活跃终端发射功率的最低限制值和最高限制值。
9.根据权利要求8所述的基于物联网协作通信的网络自愈方法，其特征在于，所述路由选择过程优化目标的关系式为：
Figure FDA00028356861400000510
其中，
Figure FDA00028356861400000511
为发射功率；
所述资源分配过程优化目标关系式为：
δsys＝WCave
其中，δsys为系统平均信道传输速率；
W为信道带宽；
Cave为所有信道容量的均值。
10.一种基于物联网协作通信的网络自愈网络架构，其特征在于，所述网络架构包括：
信源终端，为断开网络连接的物联网终端；
中继终端，包括活跃终端和断网中继终端，所述活跃终端位于正常基站范围内，所述断网中继终端位于异常基站范围内；所述中继终端用于桥接所述信源终端与正常基站之间的通信连接；
网络管理端，用于根据预设规则筛选在通讯距离范围内的设备终端，根据筛选结果构成候选中继终端的候选中继集R1；根据社交网络属性计算所述候选中继集R1中各候选中继终端的效用函数值，筛选并保留效用函数值大于预设效用函数阈值的中继终端构成新的候选中继集R2；根据预设规则筛选出所述新的候选中继集R2中的最优中继终端；根据所述社交网络属性计算所述最优中继终端与其通信范围内的信源终端间建立通讯成功的概率；根据所述建立通讯成功的概率确定通信链路的资源分配优先级；其中，
所述通信链路为所述信源终端与所述中继终端之间建立的通信连接关系；所述建立通讯成功的概率越高，对应通信链路的资源分配优先级越高；
所述网络管理端还用于根据所述资源分配优先级确定最优资源分配方案；
所述中继终端还用于执行所述最优资源分配方案，进行终端协作补偿并分配资源。
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