王嘉星

（沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽110000）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶[1]。

1 信道分配問題

可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因?yàn)槠溆邢薜捏w積，和受到限制的能量。有限的通信等限制，使其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及通信收到很大的影響，如果不能有效的處理和調(diào)度網(wǎng)絡(luò)問題，節(jié)點(diǎn)之間的互相干擾會(huì)更加嚴(yán)重，從而影響到數(shù)據(jù)的成功傳輸，增大數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，使一些早些時(shí)候發(fā)送的數(shù)據(jù)丟失，重傳會(huì)浪費(fèi)更多的信道資源，能耗增加，生命期較小的節(jié)點(diǎn)過于早的失去作用，并會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的工作壽命降低，所以，對(duì)于可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效利用才是解決問題的關(guān)鍵話題，主要是從三個(gè)方面：時(shí)隙、信道、時(shí)隙與信道的多元結(jié)合。本文從信道方面研究可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源利用問題。

2 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境

本文的場(chǎng)景為一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中僅有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)。我們將傳感器節(jié)點(diǎn)的干擾半徑R 定位125m，設(shè)定存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)信道進(jìn)行占用發(fā)送信息時(shí)，在半徑為125m 的干擾范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)都不允許使用這個(gè)信道。本文假設(shè)整個(gè)工作過程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只有唯一的一個(gè)下一跳節(jié)點(diǎn)。

另外，假設(shè)監(jiān)測(cè)區(qū)域是一個(gè)長(zhǎng)方形，其大小是300*400m2。本文要研究的可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括10 個(gè)人體（每個(gè)人體攜帶一個(gè)可穿戴設(shè)備即一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)），一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)主節(jié)點(diǎn)。人體攜帶的可穿戴設(shè)備上的傳感器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)再把接收到的數(shù)據(jù)傳給主節(jié)點(diǎn)。為了使研究的算法更具一般性，假設(shè)在整個(gè)可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在三條可選信道。

3 基于博弈論的多信道算法模型

本文提出基于博弈論的多信道分配算法模型，用Xik表示傳感器節(jié)點(diǎn)i 競(jìng)爭(zhēng)信道k 的能力，本章將Xik定義為信道的最大傳輸速率與的li平方的乘積。

其中l(wèi)i是該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)擁塞量或者是一個(gè)關(guān)于數(shù)據(jù)擁塞的函數(shù)，用來防止數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的擁塞，讓數(shù)據(jù)積累多的節(jié)點(diǎn)有更高的優(yōu)先級(jí)傳輸數(shù)據(jù)[2]。

圖1 基于博弈論的多信道分配算法流程圖

網(wǎng)絡(luò)容量C 表示為信道總數(shù)量（Nc）的累加以及共享信道鏈路數(shù)量（Ncj）的累積的乘積，同時(shí)，乘以鏈路質(zhì)量（Qi）乘以一個(gè)時(shí)間間隙T。式中Qi表示鏈路集合L 中的鏈路li的鏈路質(zhì)量，T 表示一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間，Nc表示信道的數(shù)量，Ncj表示共享信道j 的鏈路數(shù)量。根據(jù)上述C 的定義可知如果傳感器節(jié)點(diǎn)i 有更多的信道帶寬或者有更大的緩存，它就有更大的機(jī)會(huì)來競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸數(shù)據(jù)[3]。這對(duì)于本文設(shè)計(jì)的博弈論算法完全適用，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)是最大化多跳網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

4 基于博弈論的多信道分配算法設(shè)計(jì)

引入效用函數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。假定效用函數(shù)值為Uik，定義為該節(jié)點(diǎn)自己在該信道上的傳輸收益與該節(jié)點(diǎn)選擇這條信道對(duì)其它節(jié)點(diǎn)的傷害，即懲罰因子的差值。

其中Ti是節(jié)點(diǎn)i 周圍干擾i 的節(jié)點(diǎn)集合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的環(huán)境選擇自己受益最大的信道進(jìn)行傳輸， 為該節(jié)點(diǎn)的懲罰因子。Xik為該節(jié)點(diǎn)在該信道上的傳輸收益。

5 驗(yàn)證及仿真結(jié)果

仿真中，采用了四種不同的場(chǎng)景。每個(gè)場(chǎng)景中包含10 個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)有3 條可選的傳輸信道，且在仿真過程中預(yù)先設(shè)定每條信道的數(shù)據(jù)傳輸速率（分別為100bit/s、200bit/s、300bit/s），但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的總跳數(shù)有所不同，因此仿真中比較了四種不同場(chǎng)景中網(wǎng)絡(luò)吞吐量的不同變化。四種不同場(chǎng)景分別如圖2、圖3、圖4、圖5。

圖2 場(chǎng)景一

圖3 場(chǎng)景二

圖4 場(chǎng)景三

圖5 場(chǎng)景四

我們定義了10 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，同時(shí)每個(gè)環(huán)境中有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和一個(gè)主節(jié)點(diǎn)。整個(gè)仿真過程為1000 個(gè)時(shí)隙，即一共有1000 次傳輸機(jī)會(huì)。不同的傳感器節(jié)點(diǎn)在三條信道中的信噪比都是各不相同的，信噪比是自己設(shè)置的（在0～1 之間），每條信道的數(shù)據(jù)傳輸速率和上文設(shè)置的一樣（分別為100bit/s、200bit/s、300bit/s）。同時(shí)為了滿足能夠信道的合理使用，規(guī)定了所有節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑都要與干擾半徑的值設(shè)定為相同的值。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在這個(gè)節(jié)點(diǎn)的范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)都不允許接受數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中干擾半徑內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)不允許同時(shí)發(fā)送信息。

四個(gè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中相同的是都含10 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，1 個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)主節(jié)點(diǎn)，不同的是每個(gè)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的總跳數(shù)不同。四個(gè)場(chǎng)景中每個(gè)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的總跳數(shù)分別為12，13，18，14。從圖6 中可以看出每個(gè)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的總跳數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量越大。但是，也不能為了增大網(wǎng)絡(luò)的吞吐量而一味地追求增加網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中每個(gè)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的總跳數(shù)，因?yàn)椋诰W(wǎng)絡(luò)環(huán)境中傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)相同的情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的總跳數(shù)越多，說明在網(wǎng)絡(luò)中受到干擾的可能性越大，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境就相對(duì)的不穩(wěn)定，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量越易損耗，那么，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)工作壽

圖6 不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的吞吐量仿真圖

結(jié)束語

本文是可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道分配算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。主要是從三個(gè)方面：時(shí)隙、信道、時(shí)隙與信道的多元結(jié)合。本文主要從信道方面研究可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源利用問題。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的信道進(jìn)行合理分配。讓各傳感器節(jié)點(diǎn)間的干擾都減少，從而使各節(jié)點(diǎn)間的不良相互作用也跟著減少。到目前為止，博弈論的理念被應(yīng)用在各種技術(shù)方向上，因?yàn)槠鋬?yōu)秀解決問題能力，使得更多的專家開始考慮將博弈論應(yīng)用在信道分配問題上來。本文的主要研究方向也是將博弈論怎樣應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，對(duì)于信道分配問題得出更加優(yōu)化解。根據(jù)最后的仿真結(jié)果也可以看出，基于博弈論的信道分配方式很好的提高了正各信道的利用率和網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，讓網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。