无线自组织网络汇聚方法、装置、系统及存储介质与流程

文档序号:14448079阅读:348来源:国知局
无线自组织网络汇聚方法、装置、系统及存储介质与流程

本发明涉及电子技术领域,特别涉及一种基于跳频的无线自组织网络汇聚方法、装置、系统及一种可读存储介质。



背景技术:

无线自组织网络是一种自治、无中心的网络,网络中所有节点的地位平等,节点能够随时加入和离开网络,任何节点的故障都不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。因此在军事通信、移动会议、紧急灾难恢复服务、无线传感器网络等中具有重要应用。在无线自组织网络中,节点的首要任务是发现邻居节点并形成通信链路,此过程称为汇聚过程。

假如两个节点要进行汇聚,首先两个节点都会有一个可用的信道列表,每个节点会从中选出一个信道进行收发,尝试与邻居节点建立连接,只有两个节点选择的信道一致,并且是一个在收状态、一个在发状态时,两个节点才能正式汇聚成功。如图1所示,在第4个时间点,假如节点a和节点b同时跳到频段5,a和b分别处于发和接状态,则表明节点a和b汇聚成功。

汇聚过程的时间直接关系到整个网络的可用性,因此对汇聚过程的时间优化问题越来越受到关注。对于时间的估计,目前很多研究都直接粗略将时间点作为两个节点汇聚的时间,比如,这里a,b通常会估计为4个时间点,然而,他们忽略了频段的切换时间,并且不能给出汇聚时间的数学公式表示,导致现在对汇聚时间没有可保证的理论优化进展。针对以上问题,我们研究了一种方法,将汇聚时间期望定量地进行计算并分析给出了优化说明。

因此,如何通过对汇聚时间进行定量计算从而优化汇聚时间,是本领域技术人员需要解决的技术问题。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种基于跳频的无线自组织网络汇聚方法,该方法可以对汇聚时间进行定量计算,优化汇聚时间;本发明的另一目的是提供一种基于跳频的无线自组织网络汇聚装置、系统及一种可读存储介质,具有上述有益效果。

为解决上述技术问题,本发明提供一种基于跳频的无线自组织网络汇聚方法,包括:

根据频段切换时间以及时隙数对节点汇聚时间进行定量计算,得到计算汇聚时间的方程;

根据所述方程按照预定规则选取影响所述汇聚时间的相关参量,得到所述相关参量与所述汇聚时间的对应关系;

根据所述对应关系确定所述相关参量的值;

根据确定的所述相关参量的值完成节点间的汇聚。

优选地,所述根据频段切换时间以及时隙数对节点汇聚时间进行定量计算,得到计算汇聚时间的方程包括:

当节点在第x+1次跳频后的y个时隙后完成汇聚时,根据时隙数n以及频段切换时间θ计算用于完成汇聚的总时间t;

根据汇聚失败的情况以及对应的概率以及信道数m计算随机变量x的期望;

计算随机变量y的期望;

根据x的期望以及y的期望计算节点汇聚总时间t的期望。

优选地,影响汇聚时间的相关参量的分析方法包括:

根据所述汇聚总时间t的期望进行绘图,通过图形走向分析汇聚时间与其他相关参数的相关性。

优选地,所述影响汇聚时间的相关参量的分析方法还包括:

通过matlab仿真实验进行模拟操作。

优选地,所述根据所述对应关系确定所述相关参量的值包括:

当信道切换时间小于阈值时,减小频段时间内的时隙数,得到减小后的时隙数;

当信道切换时间大于或等于阈值时,减小信道切换时间,得到减小后的信道切换时间。

优选地,所述根据确定的所述相关参量的值完成节点间的汇聚包括:

当信道切换时间小于阈值时,根据减小后的时隙数进行节点间的汇聚;

当信道切换时间大于或等于阈值时,根据减小后的信道切换时间进行所述节点间的汇聚。

优选地,所述时隙数具体为1。

本发明公开一种基于跳频的无线自组织网络汇聚装置,包括:

计算单元,用于根据频段切换时间以及时隙数对节点汇聚时间进行定量计算,得到计算汇聚时间的方程;

参量选取单元,用于根据所述方程按照预定规则选取影响所述汇聚时间的相关参量,得到所述相关参量与所述汇聚时间的对应关系;

参量值确定单元,用于根据所述对应关系确定所述相关参量的值;

汇聚单元,用于根据确定的所述相关参量的值完成节点间的汇聚。

本发明公开一种基于跳频的无线自组织网络汇聚系统,包括:

存储器,用于存储计算机程序;

处理器,用于执行所述计算机程序时实现所述基于跳频的无线自组织网络汇聚方法的步骤。

本发明公开一种可读存储介质,所述可读存储介质上存储有程序,所述程序被处理器执行时实现所述基于跳频的无线自组织网络汇聚方法的步骤。

本发明所提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚方法通过根据频段切换时间以及时隙数对节点汇聚时间进行定量计算,得到计算汇聚时间的方程中包括所有对汇聚时间产生影响的参量,根据方程按照预定规则选取影响所述汇聚时间的相关参量,选择对汇聚时间影响较大的参量进行分析,得到相关参量与所述汇聚时间的对应关系,即相关参量的变化会如何影响汇聚时间的变化;根据所述对应关系确定相关参量的值,选择使得汇聚时间最小的相关参量的最优值;根据确定的相关参量的值完成节点间的汇聚。从而实现了通过对汇聚时间进行定量计算实现对汇聚时间的优化的目的。

本发明还公开了一种基于跳频的无线自组织网络汇聚装置、系统及一种可读存储介质,具有上述有益效果,在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的节点汇聚示意图;

图2为本发明实施例提供的频段切换时间示意图;

图3为本发明实施例提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚方法的流程图;

图4为本发明实施例提供的时隙示意图;

图5为本发明实施例提供的最优时隙数取值情况示意图;

图6为本发明实施例提供的matlab的仿真示意图;

图7为本发明实施例提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚装置的结构框图;

图8为本发明实施例提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚系统的结构框图;

图9为本发明实施例提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于跳频的无线自组织网络汇聚方法,该方法可以实现对汇聚时间的优化;本发明的另一核心是提供一种基于跳频的无线自组织网络汇聚装置、系统及一种可读存储介质,具有上述有益效果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将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、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

两个节点进行汇聚时,首先两个节点都会有一个可用的信道列表,每个节点会从中选出一个信道进行收发,尝试与邻居节点建立连接,当两个节点选择的信道一致,并且是一个在收状态、一个在发状态时,两个节点才能正式汇聚成功。如图1所示,在第4个时间点,假如节点a和节点b同时跳到频段5,a和b分别处于发和接状态,则表明节点a和b汇聚成功。

对于时间的估计,目前很多研究都直接粗略将时间点作为两个节点汇聚的时间,比如,上述汇聚过程中的汇聚时间通常会估计为4个时间点,然而,他们忽略了频段的切换时间,切换时间如图2所示,并且不能给出汇聚时间的数学公式表示,导致现在对汇聚时间没有可保证的理论优化进展。

请参考图3,图3为本发明实施例提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚方法的流程图;该方法可以包括:

步骤s100、根据频段切换时间以及时隙数对节点汇聚时间进行定量计算,得到计算汇聚时间的方程;

对汇聚时间进行优化首先需要确定影响汇聚时间的参量,而确定参量需要对节点汇聚时间进行定量计算。对汇聚时间进行定量计算首先需要明确汇聚过程需要经历哪些过程,当节点在第x+1次跳频后的y个时隙后完成汇聚时,其中,时隙数指一个频段时间s分成的小间隔,时隙数可以自行确定,在此我们设置为n个小间隔,也就是n个时隙。根据频段切换时间θ以及时隙数n就可以得到汇聚时间,具体计算过程在此不做限定。

具体地,定量计算的方法可以为:

步骤一:根据时隙数n以及频段切换时间θ计算用于完成汇聚的总时间t;

步骤二:根据汇聚失败的情况以及对应的概率以及信道数m计算随机变量x的期望;

步骤三:计算随机变量y的期望;

步骤四:根据x的期望以及y的期望计算节点汇聚总时间t的期望。

在此对步骤一、步骤二以及步骤三的执行顺序不做限定,例如可以先以步骤二、步骤三、步骤一的顺序执行,可以自行选择执行顺序。另外,对具体的汇聚失败情况的分类不做限定,比如可以分为只计算可能较大的失败情况,也可以选择可能性较大的两种失败情况,或者具体分为两种以上的失败情况进行计算等。失败的情况具体可以为在一次跳频后,两个节点没有跳跃到相同的信道;虽然两个节点跳到同一信道,但经过n个时隙的aloha算法执行未能完成汇聚等,在此以上述两种为例进行计算,其它情况均可参照本实施例的计算。

具体地,汇聚总时间t的期望计算过程可以为:

假设两个节为n1、n2经历x+1次跳频,又经过了y个时隙的aloha算法最终完成汇聚,如图4所示,一个频段s内分为n个时隙,因此,用于完成汇聚的总时间t为:t=nx+(x+1)θ+y(1)

切换时间为θ,所以总时间t的期望是:

e(t)=e(nx+(x+1)θ+y)=(n+θ)e(x)+e(y)+θ

当两节点同时跳到同一信道,在每个时隙中,成功握手发生在一个节点发送‘发现信息’,而另外一个节点监听时,成功的概率为:

失败的概率为:

因此,调用aloha算法后能完成汇聚的概率为:

在前面的x次跳频,节点n1和n2没有完成成功汇聚的原因可以归结为以下两点:

1)在一次跳频后,两个节点没有跳跃到相同的信道,其发生的概率为:

2)虽然两个节点跳到同一信道,但经过n个时隙的aloha算法执行未能完成汇聚。其概率为:

在此仅以上述两种情况为例进行介绍,其他可能导致汇聚失败的情况均可参照上述计算过程。

因此,随机变量x的分布列为

因此,随机变量x的期望为:

易知,随机变量y~g(1/2),所以y的期望为e(y)=2

因此节点n1和n2汇聚总时间t的期望为

步骤s200、根据方程按照预定规则选取影响汇聚时间的相关参量,得到相关参量与汇聚时间的对应关系;

通过计算得到的计算汇聚时间的方程可以得到汇聚时间与哪些参量相关,得到所有相关参量后通过方程分析不同参量对汇聚时间的影响效果,按照预定规则挑选出对汇聚时间影响较大的参数,预定规则在此不做限定,比如可以通过计算不同参数与汇聚时间的相关性大小,挑选出相关程度大于阈值的参量;或者也可以通过分别获取不同参数变化情况下的汇聚时间变化程度,挑选变化程度大于阈值的参量等方式,在此不做限定,可以从所有影响汇聚时间的参量中挑选出影响较大的因素即可。

具体地,以由上式计算得到的汇聚时间的期望为

为例,

可以看出汇聚时间主要与信道数m,时隙数n以及频段切换时间θ有关。

通过观察,我们容易得到信道数m对汇聚时间的影响量较小,时隙数n以及频段切换时间θ对汇聚时间影响相对较大,为有效减少汇聚时间,可以选取时隙数n以及频段切换时间θ来对汇聚时间进行分析,当然,也可以选取其他参量进行分析,在此对选取的具体参量类型不做限定,其他情况均可参照本实施例的介绍。

以通过时隙数n以及频段切换时间θ对汇聚时间进行分析为例,得到相关参量与汇聚时间的对应关系的过程具体可以为:当θ忽略不计,即等于0的时候,e(t)为关于n的递增数列;当θ不可忽略时,频段切换时间θ越短,汇聚时间越短。

具体地,为了更直观显示各相关参量对汇聚时间影响大小,使得对各相关参量的影响容易分析判断,可以根据汇聚总时间t的期望进行绘图,通过图形走向分析汇聚时间与其他相关参数的相关性。将影响汇聚时间的各参数图形化处理,通过分析不同参数改变时汇聚时间的对应关系可以使得选取相关参量过程更加清晰、直观。

由于频道切换时间可忽略不计时直接通过公式即可分析各参量与汇聚时间的大体关系,而当θ不可忽略的时候,分析过程较为复杂,在此以汇聚时间期望为公式1为例进行分析。

图5所示为信道切换时间θ∈[0,2],可用信道数量m∈[0,50]时,最优时隙数取值情况示意图,由图可知,最优的时隙数目n的选取和信道切换时间θ相关性较大,而与信道数目m的关系不大。

步骤s300、根据对应关系确定相关参量的值;

根据分析得到的相关参量与汇聚时间的对应关系确定使得汇聚时间最短时的相关参量的取值。比如参量a与汇聚时间成正比,则尽量减小参量a的取值,目前参量a可取的最小值为3,则将参量a取值为3。

具体地,以上述通过对时隙数以及信道切换时间对汇聚时间进行分析为例,根据对应关系确定相关参量的值可以包括:当信道切换时间小于阈值时,减小频段时间内的时隙数,得到减小后的时隙数;当信道切换时间大于或等于阈值时,减小信道切换时间,得到减小后的信道切换时间。

由上述分析可知,当θ忽略不计,即等于0的时候,e(t)为关于n的递增数列,因此n越小,e(t)越小,优选地,为减小汇聚时间,n可以取值为1,可以使得e(t)达到最小值,即汇聚总时间最短。

而当θ不可忽略的时候,最优的时隙数目n的选取和信道切换时间θ相关性较大,而与信道数目m的关系不大,因此可以通过减少信道切换时间θ而不用增加信道数据m来让汇聚时间减小,确定减小后的信道切换时间。

步骤s400、根据确定的相关参量的值完成节点间的汇聚。

将确定的相关参量的值带入汇聚过程,完成汇聚即可实现对汇聚时间的优化。例如,确定的时隙数为1,则每个频段时间内只有一个时隙,节点选择任意可用信道中的时隙进行信息的收发,完成汇聚。

具体地,以对时隙数以及信道切换时间分析为例,根据上述步骤300中确定的相关参量的值完成节点间的汇聚可以包括:当信道切换时间小于阈值时,根据减小后的时隙数进行节点间的汇聚;当信道切换时间大于或等于阈值时,根据减小后的信道切换时间进行节点间的汇聚。

基于上述技术方案本发明所提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚方法通过根据频段切换时间以及时隙数对节点汇聚时间进行定量计算,得到计算汇聚时间的方程中包括所有对汇聚时间产生影响的参量,根据方程按照预定规则选取影响汇聚时间的相关参量,选择对汇聚时间影响较大的参量进行分析,得到相关参量与汇聚时间的对应关系,即相关参量的变化会如何影响汇聚时间的变化;根据对应关系确定相关参量的值,选择使得汇聚时间最小的相关参量的最优值;根据确定的相关参量的值完成节点间的汇聚,从而可以实现通过对汇聚时间进行定量计算实现对汇聚时间的优化的目的。

其中,上述实施例中对影响汇聚时间的相关参量的分析方法不做限定,可以通过直接观察、作图等方式,为了更明确了解具体参数对汇聚时间的实际影响,确定不同情况下的最优方案,优选地,影响汇聚时间的相关参量的分析方法可以还包括:通过matlab仿真实验进行模拟操作。

例如,我们可以通过采用matlab的仿真实验对时隙数目对汇聚时间的影响进行模拟操作,如图6所示为不同信道数目下最优的时隙数目n关于信道时间θ的变化曲线,由图可以看出在信道数目取不同值的情况下,最优的时隙数关于信道切换时间的变化曲线重叠度较大,从而验证了上面数值结果分析得出的结论,即最优的时隙数目n的选取和信道切换时间θ相关性较大,而与信道数目m的关系不大。

下面对本发明提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚装置进行介绍,请参考图7,图7为本发明实施例提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚装置的结构框图;该装置可以包括:

计算单元100,用于根据频段切换时间以及时隙数对节点汇聚时间进行定量计算,得到计算汇聚时间的方程;

参量选取单元200,用于根据方程按照预定规则选取影响汇聚时间的相关参量,得到相关参量与汇聚时间的对应关系;

参量值确定单元300,用于根据对应关系确定相关参量的值;

汇聚单元400,用于根据确定的相关参量的值完成节点间的汇聚。

具体地,计算单元100可以用于当节点在第x+1次跳频后的y个时隙后完成汇聚时,根据时隙数n以及频段切换时间θ计算用于完成汇聚的总时间t;根据汇聚失败的情况以及对应的概率以及信道数m计算随机变量x的期望;计算随机变量y的期望;根据x的期望以及y的期望计算节点汇聚总时间t的期望。

参量值确定单元300可以用于当信道切换时间小于阈值时,减小频段时间内的时隙数,得到减小后的时隙数;当信道切换时间大于或等于阈值时,减小信道切换时间,得到减小后的信道切换时间。

汇聚单元400可以用于当信道切换时间小于阈值时,根据减小后的时隙数进行节点间的汇聚;当信道切换时间大于或等于阈值时,根据减小后的信道切换时间进行节点间的汇聚。

本发明提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚装置可以实现通过对汇聚时间进行定量计算实现对汇聚时间的优化的目的。具体对基于跳频的无线自组织网络汇聚装置的介绍可参照上述基于跳频的无线自组织网络汇聚方法,在此不再赘述。

下面对本发明提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚系统进行介绍,具体对基于跳频的无线自组织网络汇聚系统的介绍可参照上述基于跳频的无线自组织网络汇聚装置,图8为本发明实施例提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚系统的结构框图;该系统可以包括:

存储器500,用于存储计算机程序;

处理器600,用于执行计算机程序时实现基于跳频的无线自组织网络汇聚方法的步骤。

本发明提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚系统可以实现通过对汇聚时间进行定量计算实现对汇聚时间的优化的目的。

请参考图9,本发明实施例提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚系统的结构示意图,该处理系统可因配置或性能不同而产生比较大的差异,可以包括一个或一个以上处理器(centralprocessingunits,cpu)322(例如,一个或一个以上处理器)和存储器332,一个或一个以上存储应用程序342或数据344的存储介质330(例如一个或一个以上海量存储设备)。其中,存储器332和存储介质330可以是短暂存储或持久存储。存储在存储介质330的程序可以包括一个或一个以上模块(图示没标出),每个模块可以包括对数据处理设备中的一系列指令操作。更进一步地,中央处理器322可以设置为与存储介质330通信,在汇聚系统301上执行存储介质330中的一系列指令操作。

汇聚系统301还可以包括一个或一个以上电源326,一个或一个以上有线或无线网络接口350,一个或一个以上输入输出接口358,和/或,一个或一个以上操作系统341,例如windowsservertm,macosxtm,unixtm,linuxtm,freebsdtm等等。

上面图3所描述的基于跳频的无线自组织网络汇聚方法中的步骤可以由基于跳频的无线自组织网络汇聚系统的结构实现。

下面对本发明实施例提供的可读存储介质进行介绍,下文描述的可读存储介质与上文描述的基于跳频的无线自组织网络汇聚方法可相互对应参照。

本发明公开的一种可读存储介质,其上存储有程序,程序被处理器执行时实现基于跳频的无线自组织网络汇聚方法的步骤。

需要说明的是,本申请具体实施方式中的基于跳频的无线自组织网络汇聚装置中的各个单元,其工作过程请参考图3对应的具体实施方式,在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的装置,设备,存储介质和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的装置,设备,存储介质和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的,例如,单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外,在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个移动终端中。基于这样的理解,本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台移动终端(可以是手机,或者平板电脑等)执行本申请各个实施例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(read-onlymemory,rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory,ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、终端或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的基于跳频的无线自组织网络汇聚方法、装置、系统及可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

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