基于最小干擾代價的艦面無線網絡信道分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及網絡技術，尤其涉及一種基于最小干擾代價的艦面無線網絡信道分配 方法。
【背景技術】
[0002] 單射頻單信道傳感器網絡無法從根本上解決暴露和隱藏終端的問題，而且隨著傳 感器節點數目的增多，會加劇對無線信道的競爭。隨著技術的發展，無線射頻收發器的成本 已經大大降低，在傳感器節點尤其是骨干節點上裝備多個射頻收發器（MR-MC網絡）已經成 為可能，從而能夠很好地解決在單射頻條件下單信道和多信道存在的問題。
[0003] 通過子網劃分，可以將MR-MC網絡轉化成Multi-SingleRadioSingleChannel， 不但能夠充分發揮多射頻和多信道給傳感器網絡在網絡容量和信道接入延時方面帶來的 優勢，而且最大限度地與現有傳感器網絡保持一致。
[0004] 針對M-SR-SC網絡，信道分配主要是通過為各個路由器節點的多個射頻分配信 道，使得相鄰的傳感器子網采用不同的無線信道進行通信，而距離較遠的子網通過復用無 線信道來提高網絡容量。

【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中的缺陷，提供一種基于最小干擾代 價的艦面無線網絡信道分配方法。
[0006] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于最小干擾代價的艦面無線 網絡信道分配方法，包括以下步驟：
[0007] 1)根據路由器節點的射頻數目將傳感器網絡劃分為不同的層次，保證不同的射頻 工作在不同的網絡層次；
[0008] 2)網絡初始化，將所有節點的射頻切換至默認信道，確保傳感器節點能與鄰近的 路由器節點通信；
[0009] 3)當路由器節點與鄰近的傳感器節點形成子網以后，為其分配專門的射頻和信 道，向協調點提出信道分配申請；
[0010] 4)協調點根據路由器節點傳遞過來的參數（射頻數目、鄰居路由器節點、信道參 數），按照申請無線信道的層次和先后順序依次為子網分配無線信道，信道分配遵循以下原 則：
[0011] 4. 1)首先滿足上層網絡（傳感器節點子網以上網絡）的射頻需求，尤其是當不同 層次的網絡同時提出信道分配申請且信道資源不足時；
[0012] 4. 2)子網干擾半徑或三跳之內沒有配置相同的信道；
[0013] 4. 3)相鄰子網信道之間的干擾代價函數值最大，干擾函數的定義如下，
[0014] f(a,b) =max(0，δ-1a_b|)
[0015] 其中，a，b代表信道編號，δ是一個可調參數，其值越大意味著兩個信道之間的間 隔越大，相互之間的干擾也就越小；
[0016] 4. 4)相距大于干擾半徑的子網之間優先重復使用信道；
[0017] 5)由于傳感器節點的移動或失效而造成子網消亡時，回收其正在使用的無線信 道，從而為下次再分配或分配給其它子網做準備；
[0018] 6)當信道分配到將要用盡的臨界值時，協調點通過默認射頻和信道廣播子網重組 的消息。
[0019] 按上述方案，所述步驟4)中子網干擾半徑需滿足：
[0020] 其中，β表示路由器節點的信噪比門限值，α表示信道衰減因子，g為信道增益， γ為接收靈敏度，ps表示發射端的信號強度。
[0021] 本發明產生的有益效果是：本發明信道分配方法根據信道干擾和頻率復用理論， 既保證相鄰信道之間不產生相互干擾，又能夠充分利用信道資源，從而大幅提高網絡容量。 信道分配預警機制的引入，有效防止了因信道資源分配殆盡而造成信道分配失敗，提高了 網絡的容錯性和魯棒性。利用干擾半徑判斷相鄰子網之間的信道是否存在干擾，比一跳和 二跳模型更加精確和具有說服力，避免了因傳感器網絡節點分布不均造成的單跳距離差異 過大，使得多個相鄰路由器子網產生相互干擾而影響無線通信質量。另外，固定信道分配減 少了因信道切換而增加的網絡延時和漣漪效應帶來的影響。
【附圖說明】
[0022] 下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
[0023] 圖1是本發明實施例的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限 定本發明。
[0025] 如圖1所示，一種基于最小干擾代價的艦面無線網絡信道分配方法，包括以下步 驟：
[0026] 1)根據路由器節點的射頻數目將傳感器網絡劃分為不同的層次，保證不同的射頻 工作在不同的網絡層次；
[0027] 2)網絡初始化，將所有節點的射頻切換至默認信道，確保傳感器節點能與鄰近的 路由器節點通信
[0028] 3)當路由器節點與鄰近的傳感器節點形成子網以后，為其分配專門的射頻和信 道，向協調點提出信道分配申請；
[0029] 4)協調點根據路由器節點傳遞過來的參數（射頻數目、鄰居路由器節點、信道參 數），按照申請無線信道的層次和先后順序依次為子網分配無線信道，信道分配遵循以下原 則：
[0030] 4. 1)首先滿足上層網絡（傳感器節點子網以上網絡）的射頻需求，尤其是當不同 層次的網絡同時提出信道分配申請且信道資源不足時；確保各網絡層次之間的通信不產生 相互干擾；
[0031] 4. 2)子網干擾半徑或三跳之內沒有配置相同的信道；僅通過節點之間的跳數判 斷相互之間是否存在干擾并不準確，且一跳和二跳干擾模型分別因為過于樂觀和過于悲觀 也并不適合，因此本發明實際過程中盡量選用干擾半徑作為信道復用時的一個選擇標準和 客觀依據；
[0032] 子網干擾半徑確定過程如下：
[0033] 將傳感器網絡抽象成一個無向圖G(N，E，E'），無向圖中的點η表示路由器節點，路 由器節點被定義為：
[0034]
[0035] 其中neN，ieΚ(η)，Κ(η)為節點η的射頻集合，heΗ，Η為信道集合。
[0036] 路由器節點射頻的約束條件為：
[0038] 其中，V"eΛ''，V7 二丨,2.…。
[0039] 路由器節點信道的約束條件為：
[0041] 其中，物:二1? 2,，Ifs
[0042] 路由器節點射頻與信道的聯合約束條件為：
[0043]
[0044] 其中，enm表示路由器節點m和η有射頻采用同一信道， emneΕ〇
[0045] 當節點Υ的信噪比SINR大于門限值時能夠成功接收到數據包，
[0047] 其中，&表示同時發送數據的節點，Pi為節點Xi的發射功率，β表示節點的信噪 比門限值，Ν。為環境噪音；
[0048] 當多個傳感器節點同時發送數據時，在感知范圍內的節點能互相感受到對方通信 活動的存在，其強弱程度與距離該節點的距離有關；假設感知到的信道功率門限值為Pcs， 根據簡化的無線信號傳輸模型可以推導出感知半徑為，
[0050] 但是，只有當信號強度值高于接收靈敏度γ時，節點才能夠正確接收和解析數據 包，同理可以求出這個范圍即通信半徑，
[0052] 如果忽略噪音的影響，由此可以得出干擾半徑，
[0054] 其中，s'表示干擾范圍內的任一其它節點，r表示兩個節點之間的距離。當 d(s'，r)取最大值i31/ad時，即為干擾半徑，也就是說在該范圍的任意兩個節點同時發送數 據會對對方產生干擾；
[0055] β表示路由器節點的信噪比門限值，a表示信道衰減因子，g為信道增益，γ為 接收靈敏度，Ps表示發射端的信號強度。
[0056] 干擾模型的得出為信道分配提供了理論依據，為了確保相鄰子網內的傳感器節點 在同時發送數據不產生相互串擾，即能夠采用相同信道的路由器節點之間的最小距離需要 滿足，
[0058] 4. 3)相鄰子網信道之間的干擾代價函數值最大，干擾函數的定義如下，
[0059] f(a,b) =max(0，δ-1a_b|)
[0060] 其中，a，b代表信道編號，δ是一個可調參數，其值越大意味著兩個信道之間的間 隔越大，相互之間的干擾也就越小；
[0061] 4. 4)相距大于干擾半徑的子網之間優先重復使用信道；當有多個信道的干擾代 價函數值相同時，優先選擇已被分配過的信道，從而提高信道分配的重復使用率，不但可以 為下次分配預留更大的空間，而且能夠提高整體網絡信道分配的魯棒性和可擴展性；
[0062] 5)由于傳感器節點的移動或失效而造成子網消亡時，回收其正在使用的無線信 道，從而為下次再分配或分配給其它子網做準備；
[0063] 6)當信道分配到將要用盡的臨界值時，協調點通過默認射頻和信道廣播子網重組 的消息。
[0064] 應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于最小干擾代價的艦面無線網絡信道分配方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 根據路由器節點的射頻數目將傳感器網絡劃分為不同的層次，保證不同的射頻工作 在不同的網絡層次； 2) 網絡初始化，將所有節點的射頻切換至默認信道，確保傳感器節點能與鄰近的路由 器節點通信 3) 當路由器節點與鄰近的傳感器節點形成子網以后，為其分配專門的射頻和信道，向 協調點提出信道分配申請； 4) 協調點根據路由器節點傳遞過來的參數：射頻數目、鄰居路由器節點和信道參數， 按照申請無線信道的層次和先后順序依次為子網分配無線信道，信道分配遵循以下原則： 4. 1)首先滿足上層網絡的射頻需求，尤其是當不同層次的網絡同時提出信道分配申請 且信道資源不足時； 4. 2)子網干擾半徑或三跳之內沒有配置相同的信道； 4.3)相鄰子網信道之間的干擾代價函數值最大，干擾函數的定義如下，f(a，b)= max (Ο, δ -1a_bI) 其中，a，b代表信道編號，δ是一個可調參數，其值越大意味著兩個信道之間的間隔越 大，相互之間的干擾也就越小； 4. 4)相距大于干擾半徑的子網之間優先重復使用信道； 5) 由于傳感器節點的移動或失效而造成子網消亡時，回收其正在使用的無線信道，從 而為下次再分配或分配給其它子網做準備； 6) 當信道分配到將要用盡的臨界值時，協調點通過默認射頻和信道廣播子網重組的消 息。2. 根據權利要求1所述的基于最小干擾代價的艦面無線網絡信道分配方法，其特征在 于，所述步驟4)中子網干擾半徑需滿足：其中，β表示路由器節點的信噪比門限值，α表示信道衰減因子，g為信道增益，γ為 接收靈敏度，Ps表示發射端的信號強度。
【專利摘要】本發明公開了一種基于最小干擾代價的艦面無線網絡信道分配方法，該方法包括以下步驟：根據路由器節點的射頻數目將傳感器網絡劃分為不同的層次，保證不同的射頻工作在不同的網絡層次；網絡初始化，將所有節點的射頻切換至默認信道，確保傳感器節點能與鄰近的路由器節點通信；當路由器節點與鄰近的傳感器節點形成子網以后，為其分配專門的射頻和信道，向協調點提出信道分配申請；協調點為子網分配無線信道；當信道分配到將要用盡的臨界值時，協調點通過默認射頻和信道廣播子網重組的消息。本發明方法既保證相鄰信道之間不產生相互干擾，又能夠充分利用信道資源，從而大幅提高網絡容量。
【IPC分類】H04W72/08
【公開號】CN105357767
【申請號】CN201510885650
【發明人】任平, 吳楠
【申請人】中國艦船研究設計中心
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月27日