專利名稱：基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的通"[目方法。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，通信的應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大的擴(kuò)展，深入人們生活的各個方面。因特網(wǎng)、電話網(wǎng)以及有線電視網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)更是成為了人們生活不可缺少的一部分。但是，值得注意的是并非所有網(wǎng)絡(luò)都用于實(shí)時的信息交換，其中最典型的就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這一類網(wǎng)絡(luò)主要是用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測等工作。不可否認(rèn)的是，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也需要有一定的信息交換能力，一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是由多個節(jié)點(diǎn)組成，每個節(jié)點(diǎn) 監(jiān)測到的都只是整個環(huán)境范圍內(nèi)的一部分。所以我們需要使傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換甚至于一些簡單的線性計(jì)算來獲得我們想到的整體情況。例如，在一個城市中分布了許多溫度傳感器，它們相互獨(dú)立地測量城市中的溫度，由于風(fēng)向、建筑等條件的影響這些獨(dú)立的測量值往往沒有那么重要。我們所關(guān)心的是整個地區(qū)的平均溫度，這就需要通過這些傳感器節(jié)點(diǎn)之間的信息交換來完成。這個問題相對于現(xiàn)代的通信技術(shù)水平來說并困難，二十世紀(jì)以來，人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高速、遠(yuǎn)距離的信息傳輸。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有它的特殊性，因?yàn)檫@一類網(wǎng)絡(luò)存在的根本目的并不是為了通信，而是為了對我們所關(guān)心的參數(shù)進(jìn)行測量。這就導(dǎo)致了許多問題，其中最主要的可以分為如下兩個方面第一個問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立有很大的隨意性，這里所說的隨意性包括了兩種含義，第一種含義是地點(diǎn)的隨意性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能被建立在一片森林中用于監(jiān)測森林的濕度等指標(biāo)也有可能被建立在建筑物中用以監(jiān)測室內(nèi)的空氣質(zhì)量，甚至可能被臨時的建立在受災(zāi)地區(qū)用于各種數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，這就導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法保證具有固定基站支持，因?yàn)榻⒁粋€基站無論從時間成本還是從經(jīng)濟(jì)成本來看都是高昂的。隨意性的第二個含義是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的隨意性，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時，傳感器節(jié)點(diǎn)大多數(shù)都是根據(jù)實(shí)際的測量需要擺放的，而事先沒有經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)和計(jì)算。這樣，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很大的任意性(當(dāng)然，保證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆?lián)通性是對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最基本的要求)。第二個問題是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能力有限。由于成本的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的能力并不是很強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)的存儲能力和計(jì)算能力都相當(dāng)有限，所以普通的傳感器節(jié)點(diǎn)并不足以儲存和處理所有的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。第三個問題是能耗。由于網(wǎng)絡(luò)建立的隨意性，大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要依靠電池提供能量而沒有持續(xù)的供電設(shè)施。所以如何能夠在耗能盡量少的條件下盡可能準(zhǔn)確的得到我們需要的測量數(shù)據(jù)也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要問題。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)傳統(tǒng)的路由協(xié)議并不是完全適用，因?yàn)檫@些路由協(xié)議的設(shè)計(jì)初衷都是為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信，而不強(qiáng)調(diào)對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和計(jì)算。因此有必要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)整合和參數(shù)估計(jì)的路由方法。根據(jù)以上分析，為了更加適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，路由方法必須滿足幾個條件。首先，路由方法需要對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有適應(yīng)性并且對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變具有魯棒性。無論是出于對網(wǎng)絡(luò)性能需求還是實(shí)際的條件限制，這個要求對于臨時組網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說非常重要?？梢哉f，適用于任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由方法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的基礎(chǔ)，而對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的魯棒性是對于無線傳感器可靠性的保障。此外，由于節(jié)點(diǎn)能力的限制以及能耗問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法需要有較低的計(jì)算復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，因?yàn)檫@將直接影響到網(wǎng)絡(luò)的成本和網(wǎng)絡(luò)的生存時間。事實(shí)上，目前有許多路由方法能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，但是它們的能量消耗問題和復(fù)雜度問題直接影響到了它們在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，分布式平均共識問題是一個具有挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)性問題。平均共識指的是網(wǎng)絡(luò)根據(jù)各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)通過信息的交換使各個節(jié)點(diǎn)最終達(dá)到一致狀態(tài)的過程。在工程應(yīng)用中，很多實(shí)際問題最終都能夠轉(zhuǎn)化成平均共識問題，例如源定位問題、同步問題、測量問題等，所以有效的解決分布式平均共識問題具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。隨著通信基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，平均共識問題在國際學(xué)術(shù)界得到了廣泛的關(guān)注，對 于平均共識問題的研究取得了許多成果。其中，基于Gossip方法的平均共識問題在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用更是研究的熱點(diǎn)。Gossip方法在1984年由Tsitsiklis等人首次提出，該方法僅利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的本地信息與它的鄰居節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，解決了分布條件下的平均共識問題。Gossip方法可以被廣泛的用于源定位問題、參數(shù)估計(jì)問題、卡爾曼濾波等，近年來更是受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的路由方法不同，Gossip路由方法強(qiáng)調(diào)通過節(jié)點(diǎn)的本地信息與鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，我們把一次數(shù)據(jù)更新過程稱為一次迭代過程。由于在迭代過程中，只涉及到一跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息和本地信息的交換，所以基于Gossip的網(wǎng)絡(luò)并不需要傳統(tǒng)路由方法的路由建立過程和維護(hù)過程，也沒有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過程，這就大大降低了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗、延長了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生存期。同時Gossip方法是一種隨機(jī)路由方法，避免了網(wǎng)絡(luò)中因信道競爭造成的“丟包”和網(wǎng)絡(luò)阻塞等問題。并且，整個網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)地位對等，沒有所謂的“中心節(jié)點(diǎn)”，也避免了瓶頸效應(yīng)的存在。所以Gossip方法是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中平均共識問題的良好解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了降低無線信號傳輸過程中的丟包率，以及提高對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力，從而提供一種基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法?；趥陕牭腉ossip平均共識技術(shù)的無線通信方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、對包含有N個節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，N為正整數(shù)；步驟二、選擇Gossip迭代次數(shù)；步驟三、進(jìn)行第A次Gossip迭代,所述A的初始值為I ;每次Gossip迭代的方法為在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中任意選擇一個節(jié)點(diǎn)作為初始喚醒節(jié)點(diǎn)，由所述初始喚醒節(jié)點(diǎn)發(fā)起Gossip迭代，所述初始喚醒節(jié)點(diǎn)在與其相鄰的節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個做為喚醒節(jié)點(diǎn)，并將所述初始喚醒節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值和伴隨變量值發(fā)送該喚醒節(jié)點(diǎn)，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入Gossip迭代狀態(tài)；所述該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中未被喚醒的節(jié)點(diǎn)都處在偵聽狀態(tài)；步驟四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都將本地的補(bǔ)償變量和本地狀態(tài)值之和作為對于狀態(tài)值均值的估計(jì)值，并判斷A的值是否達(dá)到步驟二獲得的Gossip迭代次數(shù)的值，如果判斷結(jié)果為否，則令A(yù) = A+1，并返回執(zhí)行步驟三；如果判斷結(jié)果為是，則結(jié)束Gossip迭代，完成該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于偵聽的Gossip平均共識，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)間的無線通信。步驟三中每個喚醒節(jié)點(diǎn)被選中的概率為
權(quán)利要求
1.基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法，其特征是它由以下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟一、對包含有N個節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，N為正整數(shù)； 步驟二、選擇Gossip迭代次數(shù)； 步驟三、進(jìn)行第A次Gossip迭代,所述A的初始值為I ;每次Gossip迭代的方法為在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中任意選擇一個節(jié)點(diǎn)作為初始喚醒節(jié)點(diǎn)，由所述初始喚醒節(jié)點(diǎn)發(fā)起Gossip迭代，所述初始喚醒節(jié)點(diǎn)在與其相鄰的節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個做為喚醒節(jié)點(diǎn)，并將所述初始喚醒節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值和伴隨變量值發(fā)送該喚醒節(jié)點(diǎn)，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入Gossip迭代狀態(tài)；所述該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中未被喚醒的節(jié)點(diǎn)都處在偵聽狀態(tài)； 步驟四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都將本地的補(bǔ)償變量和本地狀態(tài)值之和作為對于狀態(tài)值均值的估計(jì)值，并判斷A的值是否達(dá)到步驟二獲得的Gossip迭代次數(shù)的值，如果判斷結(jié)果為否，則令A(yù) = A+1，并返回執(zhí)行步驟三；如果判斷結(jié)果為是，則結(jié)束Gossip迭代，完成該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于偵聽的Gossip平均共識，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)間的無線通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法，其特征在于步驟三中每個喚醒節(jié)點(diǎn)被選中的概率為
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法，其特征在于步驟二中選擇Gossip迭代次數(shù)的方法為根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和需求的精度進(jìn)行選擇。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法，其特征在于步驟二中選擇Gossip迭代次數(shù)的方法為 根據(jù)公式
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法，其特征在于每次Gossip迭代的過程中 對于初始喚醒節(jié)點(diǎn)i，將該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值、伴隨變量值、補(bǔ)償變量值發(fā)送給被選中的節(jié)點(diǎn)j ;然后將初始喚醒節(jié)點(diǎn)i的伴隨變量置為O ; 用數(shù)學(xué)形式表示成如下形式bi(t+1) = bi(t) 式中ai(t)表示節(jié)點(diǎn)i在t時刻的狀態(tài)值，Ci⑴表示節(jié)點(diǎn)i在t時刻的伴隨變量，bi(t)表示節(jié)點(diǎn)i在t時刻的補(bǔ)償變量；被選中的節(jié)點(diǎn)j將在下一個時隙被喚醒。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法，其特征在于每次Gossip迭代的過程中 對于被選中的節(jié)點(diǎn)j，根據(jù)收到的信息進(jìn)行更新
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法，其特征在于每次Gossip迭代的過程中 被喚醒節(jié)點(diǎn)j的其他鄰居節(jié)點(diǎn)能夠偵聽到喚醒節(jié)點(diǎn)的信息，并且根據(jù)偵聽到的信息更新本地節(jié)點(diǎn)的狀態(tài) 對于
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法，其特征在于每次Gossip迭代的過程中 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中未被喚醒的節(jié)點(diǎn)將保持原有狀態(tài)不變 對于 k€ Nj, i 有ak(t+l) = ak(t)ck(t+1) = ck(t)bk(t+l) = bk(t)。
全文摘要
基于偵聽的Gossip平均共識技術(shù)的無線通信方法，涉及無線通信領(lǐng)域。它是為了在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況下僅通過本地節(jié)點(diǎn)和一跳鄰居節(jié)點(diǎn)之間的信息交換使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)達(dá)到平均共識狀態(tài)。其方法為對包含有N個節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化；選擇Gossip迭代次數(shù)；然后逐次進(jìn)行Gossip迭代，每次迭代后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都將本地的補(bǔ)償變量和本地狀態(tài)值之和作為對于狀態(tài)值均值的估計(jì)值。當(dāng)完成迭代后，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)達(dá)到平均共識狀態(tài)。本發(fā)明適用于無線通信。
文檔編號H04W76/04GK102970677SQ20121049047
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者劉博 , 吳少川, 葉亮, 李婧 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)