一种多跳无线网络的分布式信道接入方法技术

本发明专利技术公开了一种多跳无线网络的分布式信道接入方法。所述方法包括：根据网络主节点之间的冲突，生成与所述网络主节点对应的虚拟节点的冲突关系图，一个所述虚拟节点为一个虚拟接入一个所述网络节点可接入的信道的节点；根据所述虚拟节点找到最大权重独立节点集合，所述最大权重独立节点集合组成信道分配策略，所述权重表示信道数据传输率；所述最大权重独立节点集合中的网络主节点接入所述信道分配策略中的相应信道。本发明专利技术能够在信道质量未知的情况下，有效地分配信道，能以较低的时间、空间和通信开销协同达到最大化网络吞吐量的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种多跳无线网络的分布式信道接入方法
本专利技术涉及无线网络技术，尤其涉及一种多跳无线网络的分布式信道接入方法。
技术介绍
无线频谱是一种稀缺的资源，为了提高开放的频带的利用率，出现了认知无线电技术。认知无线电技术通过动态频谱分配，可有效提高信道利用率。具体的，当主用户（PrimaryUser）处于空闲状态时，次用户(SecondaryUser)利用认知无线电技术可以动态接入空闲的信道进行数据传输。然而，一方面，由于主用户的空闲状态具有不确定性，且信道质量受周围环境影响，次用户在传输数据之前并不知道无线信道的状态和质量；另一方面，在一个无线网络中存在多个无线信道，由于次用户本身能量资源和硬件的局限性，在一定的时间内其可以感知的信道数量是有限的。因此，如何从多个未知质量的信道中快速选择质量好的信道接入，对提高网络的整体吞吐量至关重要。例如，用于环境监测的多跳多信道无线网络中，有一些节点采集的信息时延容忍性低、需要以高的优先级传输给汇聚节点（Sink节点），而有一些节点采集的信息时延容忍性高、以较低的优先级传给Sink节点。其中，优先级高的节点可以看成是主用户，优先级低的节点为次用户。次用户只有在主用户空出的信道上才能进行数据传输。一方面，由于部署环境在户外，信道的数据传输率受外部环境的影响非常严重、处于不断变化中。如果采用静态的信道接入方式不考虑信道实时的数据传输质量，将导致严重的丢包情况、使得网络的实际吞吐量低下。另一方面，如果采用先探测信道质量再动态接入的方式，在一个典型的认知网络中，可选信道的数目可超过100个；由于传感器节点本身能量受限，依次探测所有可能的信道将引入过高的能耗和延迟。如果延迟超过信道的相干时间，信道的质量将发生新的变化，导致之前的探测值不能再用。因此，目前主要的动态接入方案都是通过在线学习的方式先估计信道质量，然后再选择预测质量最好的信道接入，在较长一段时间后这类方案可以达到几乎最优的网络吞吐量。但是这些方案都只针对单跳的无线网络，并不是适用于大规模的多跳无线网络。而在实际部署的自组织无线网络中，网络大多以多跳的形式存在，且通常需要多个用户协作将数据从源节点传输到目的节点。在多跳多信道的无线网络环境下，信道在不同时空域和频域的质量都是变化的，用户与用户之间的冲突关系比单跳情况下更为复杂。在单跳网络场景下，一个频段的信道对所有用户都呈现出相同的质量，忽略了信道质量空间上的变化性，信道质量同时受到周围环境的影响，同一个频段的信道在同一时刻不同地理位置可达到的数据传输率是不一样的；并且，用户和用户之间是完全冲突的，在同一个时刻不同的用户接入同一个信道则发生冲突、彼此收益都为0。而在多跳多信道的无线网络环境中，只有地理位置相隔较近的用户之间才存在冲突，地理位置相隔较远的用户并不存在冲突，是可以同时接入同一个信道进行数据传输的。因此，单跳网络下的动态信道接入方式并不适用于多跳无线网络。在多跳无线网络环境下存在的另外一个挑战是以低开销且分布式的方式实现动态信道接入。为了提高网络的整体吞吐量，分配信道时应该尽可能选择最大化网络整体吞吐量的分配策略，如果单纯地采用单跳网络下的接入方式，就需要对所有可行的分配策略都进行学习和记录，会引入指数级别的时间和空间复杂度，这对于存储和计算资源都受限的次用户显然是不切实际的。而且，在实际的网络中，信道的质量只会在一个较短的时间内（信道的相干时间）稳定，当超过这个时间之后，信道质量将发生新的变化。因此，如果计算一个好的分配策略的方式消耗的时间大于信道的相干时间，将直接导致该分配策略失效。现有技术中针对存储和计算资源受限这一问题的解决方案是一种集中式的方案，该方案不适用于分布式的场景。此外，在分布式实现的时候，为了最大化网络整体的吞吐量，相邻的用户之间需要一些信息交换。在分布式接入方法设计的时候，还应该尽可能降低可能引入的通信开销。综上，现有技术中存在如下问题：针对多跳无线网络，在信道质量未知的情况下不能有效地选择信道的接入方式使网络吞吐量在低的时间、空间和通信开销协同的情况下达到最大。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供一种多跳无线网络的分布式信道接入方法，以在信道质量未知的情况下以较低的时间、空间和通信开销协同达到最大化网络吞吐量的目的。本专利技术实施例提供了一种多跳无线网络的分布式信道接入方法，所述方法包括：根据网络主节点之间的冲突，生成与所述网络主节点对应的虚拟节点的冲突关系图，一个所述虚拟节点为一个虚拟接入一个所述网络节点可接入的信道的节点；根据所述虚拟节点找到最大权重独立节点集合，所述最大权重独立节点集合组成信道分配策略，所述权重表示信道数据传输率；所述最大权重独立节点集合中的网络主节点接入所述信道分配策略中的相应信道。进一步地，所述最大权重独立节点集合中的网络主节点接入所述信道分配策略中的相应信道之后还包括：所述最大权重独立节点集合中的网络主节点进行数据传输，并在数据传输完成后更新权重。进一步地，所述根据网络主节点之间的冲突，生成与所述网络主节点对应的虚拟节点的冲突关系图包括：根据所述网络主节点可接入的信道，将网络主节点映射称为虚拟节点；根据所述网络主节点的冲突关系，建立所述虚拟节点的冲突关系。进一步地，所述虚拟节点的状态包括：局部领导、候选、成功和失败；开始时刻所有节点都标志成候选状态；局部领导状态的节点是在2r+1跳邻居范围内权重最大的候选节点，用于计算局部最大权重独立节点集合；成功状态的节点是被选入最大权重独立节点集合中的节点；失败状态的节点是没有被选入最大权重独立节点集合中的节点。进一步地，所述根据所述虚拟节点找到最大权重独立节点集合，所述最大权重独立节点集合组成信道分配策略包括：所有所述虚拟节点广播并收集权重信息，所有所述虚拟节点开始时刻标志为候选节点，并定义所述虚拟节点在所述开始时刻的权重，将所述权重进行广播；循环执行以下两步，直到得到全局的最大权重独立节点集合，所述最大权重独立节点集合组成信道分配策略：将局部权重最大的候选节点标志为局部领导节点；所述局部领导节点根据局部范围内的候选节点计算局部最大权重独立节点集合。本专利技术实施例提出的多跳无线网络的分布式信道接入方法，通过根据网络主节点之间的冲突生成与网络主节点对应的虚拟节点的冲突关系图，根据虚拟节点找到相应的网络主节点的最大权重独立节点集合，所述最大权重独立节点集合组成信道分配策略，网络主节点接入所述信道分配策略中的相应信道，实现了多跳无线网络中的用户在不知道可接入的信道质量的情况下，有效地分配信道，能够以较低的时间、空间和通信开销协同达到最大化网络吞吐量的目的。附图说明图1是本专利技术第一实施例提供的一种多跳无线网络的分布式信道接入方法的流程图；图2a是本专利技术第一实施例提供的一种多跳无线网络的分布式信道接入方法中的网络冲突图；图2b是本专利技术第一实施例提供的一种多跳无线网络的分布式信道接入方法中的重构网络冲突图；图3a是本专利技术第一实施例提供的一种多跳无线网络的分布式信道接入方法中的分布式robustPTAS算法循环执行第一次的示意图；图3b是本专利技术第一实施例提供的一种多跳无线网络的分布式信道接入方法中的分布式robustPTAS算法循环执行第二次的示意图；图4是本专利技术第二实施例提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多跳无线网络的分布式信道接入方法，其特征在于，所述方法包括：根据网络主节点之间的冲突，生成与所述网络主节点对应的虚拟节点的冲突关系图，一个所述虚拟节点为一个虚拟接入一个所述网络节点可接入的信道的节点；根据所述虚拟节点找到最大权重独立节点集合，所述最大权重独立节点集合组成信道分配策略，所述权重表示信道数据传输率；所述最大权重独立节点集合中的网络主节点接入所述信道分配策略中的相应信道。

【技术特征摘要】
1.一种多跳无线网络的分布式信道接入方法，其特征在于，所述方法包括：根据网络主节点之间的冲突，生成与所述网络主节点对应的虚拟节点的冲突关系图，一个所述虚拟节点为一个虚拟接入一个所述网络节点可接入的信道的节点；根据所述虚拟节点找到最大权重独立节点集合，所述最大权重独立节点集合组成信道分配策略，所述权重表示信道数据传输率；所述最大权重独立节点集合中的网络主节点接入所述信道分配策略中的相应信道；其中，所述虚拟节点的状态包括：局部领导、候选、成功和失败；开始时刻所有节点都标志成候选状态；局部领导状态的节点是在2r+1跳邻居范围内权重最大的候选节点，用于计算局部最大权重独立节点集合；成功状态的节点是被选入最大权重独立节点集合中的节点；失败状态的节点是没有被选入最大权重独立节点集合中的节点；所述根据所述虚拟节点找到最大权重独立节点集合，所述最大权重独立节点集合组成信道分配策略包括：所有所述虚拟节点广播并收集权重信息，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李向阳，毛续飞，刘云浩，
申请(专利权)人：无锡清华信息科学与技术国家实验室物联网技术中心，
类型：发明
国别省市：