一種不完全信息下的無線傳感器網絡數據收集方法與流程

2023-07-22 04:45:22 1

本發明涉及無線傳感器網絡領域，提出一種基於不完全信息的無線傳感器數據收集方法。

背景技術：

無線網絡中由於某些節點的不確定性，例如節點位置的動態變化等，其他節點對於此節點的信息不是完全可知的。數據節點的不確定性導致的聯盟內信息的不完全性,

技術實現要素：

基於現有技術，本發明提出了一種不完全信息下的無線傳感器網絡數據收集方法，使用不完全信息的貝葉斯聯盟博弈，來解決節點的不確定性問題，提高系統的網絡性能。

本發明的一種不完全信息下的無線傳感器網絡數據收集方法，該方法包括以下步驟：

步驟(1)、收集節點根據控制中心傳來的信息，獲得各個數據節點初始的位置信息，數據節點的移動性導致聯盟結構的動態變化，一旦收集節點感受到數據節點的移動，收集節點之間彼此通信來確定數據節點的位置；

步驟(2)、每個收集節點分別利用對數據節點的位置進行估測，來確定自身所存在的網絡環境；

步驟(3)、計算每個估測的網絡環境中的各聯盟結構下各數據節點的安全效益值，使用吞吐量和延時之間的比值表示聯盟S的收益：

其中，表示數據節點i的利用率；表示總利用率，λi為數據的到達率，Wi為數據節點i的平均等待時間，表示聯盟的平均吞吐量，β∈(0,1)為吞吐量和延時之間的平衡參數，δ為網絡提供給聯盟S的單位功率價格，T表示數據節點數，i∈s表示的是聯盟S中的節點i；

運用拒絕機制，找到滿足貝葉斯核的約定，即滿足以下定義：

如果存在一種S-約定滿足：ASS＞SAMS，則聯盟S拒絕約定AM，其中S表示聯盟結構，AM表示約定M，AS表示約定S；

步驟(4)、經過貝葉斯聯盟博弈後得到納什穩定的聯盟結構，聯盟內的收集節點幫助不同的數據節點進行數據傳輸。

與現有技術相比，本發明應用於無線傳感器網絡，解決數據節點的不確定性帶來的聯盟結構動態變化特性，從而有效地將數據節點分配給不同的收集節點，保證收集節點和數據節點之間形成穩定的聯盟結構，使系統能夠以較高的吞吐量和較低的延時將數據傳輸至目的節點。

附圖說明

圖1是本發明的基於貝葉斯聯盟博弈的數據收集系統模型；

圖2是本發明的一種不完全信息下的無線傳感器網絡數據收集方法的整體流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：

本發明提供一種基於網絡環境的貝葉斯聯盟博弈算法，用戶預先知道一定的參與者信息，各用戶對真實的應用環境有自己的信息，並依此進行信息分割。為了分配未知的收益，用戶之間有相互約定。約定中會列出各種不同用戶組成應用環境下的收益分配額，並對約定的穩定性和公正性進行分析，以形成穩定的聯盟協作關係，保證聯盟整體收益和各成員收益最優。每一個聯盟都包含數據節點和收集節點，數據節點的動態變化導致收集節點關於數據節點的信息是不完全可知的，因此收集節點使用信念更新機制估測數據節點的信念概率，從而動態地調整聯盟結構，最後形成納什穩定的貝葉斯核。在貝葉斯核對應的聯盟結構中，收集節點在不同的數據節點之間移動，從而將數據有效地傳輸至目的節點。

1、整體算法包括以下幾個步驟：

(1)收集節點根據控制中心傳來的信息，獲得各個數據節點初始的位置信息，一旦收集節點感受到數據節點的移動，收集節點之間便會彼此通信來確定數據節點的位置；

(2)數據節點的移動性導致聯盟結構的動態變化，因此每個收集節點分別對數據節點的位置進行估測，確定可能存在的網絡環境；

(3)確定所有可能形成的聯盟結構，計算每個估測的網絡環境中的各聯盟結構下各數據節點的安全效益值，運用拒絕機制，找到滿足貝葉斯核的約定；

(4)收集節點和數據節點在貝葉斯核對應的聯盟結構進行信息傳輸。

2、如圖1所示的基於貝葉斯聯盟博弈的數據收集模型，假設無線網絡中含有T個數據節點和L個收集節點，收集節點隨機分布在某一個區域內，j＝{1,2,…,L}用來表示不同的收集節點，收集節點在數據節點之間移動並進行數據的收集。節點的鏈路傳輸容量為μj，單位是數據包/秒，1/μj表示的是收集節點j服務單個數據包的服務時間。所有的收集節點都限制相同的最大傳輸功率，用於將數據傳輸至目的節點。{1,2,…,T}表示不同的數據節點，這些數據節點是要傳送到目的節點的一個隊列的數據包。

3、聯盟收益的計算

(1)假設傳輸信道為瑞利衰落信道，信道內傳輸數據的收集節點有l個，表示為Hi＝{j1…jh…jl}，其中j1表示收集者，jh表示中繼節點，jl為目的節點。B比特的數據包從數據節點i∈T處的收集節點經過信道內的l個收集節點，傳輸到目的節點成功的概率為：其中為單個比特從收集節點傳輸到相鄰收集節點或者目的節點的成功傳輸概率。為了保證接收端的信噪比高於閾值γ0，單比特的數據成功傳輸到目的節點的概率定義為：

其中，k是信道衰減的常數，為節點之間的距離，δ2為高斯白噪聲的方差，α為信道衰減的指數，為節點的最高傳輸功率。

(3)將此聯盟看做輪詢系統，此聯盟的延時表示為：

其中，Wi為數據節點i的平均等待時間，為對於給定的路徑{i1,...i|S∩T|}，收集節點服務數據節點所需要的切換時間，收集節點組可以看做是單個的收集者，為傳輸容量的總和，數據節點i的利用率為：總利用率為λi為數據的到達率。

(4)此模型的聯盟中，聯盟的平均吞吐量表示為：

(5)在此系統模型中，為了最大化聯盟收益，需要平衡聯盟的代價和效益之間的關係，因此使吞吐量和延時之間的比值表示聯盟S的收益：

其中β∈(0,1)為吞吐量和延時之間的平衡參數，δ為網絡提供給聯盟S的單位功率價格。

(6)為了合理分配聯盟S的收益，根據聯盟中單個成員對聯盟的貢獻，對聯盟S中的收益進行合理地分配，因此聯盟中成員i∈S的單個收益可以表示為：

4、拒絕機制：

拒絕機制用來評估每一種約定，從而得到貝葉斯核，定義如下：

對於給定的貝葉斯聯盟博弈B＝＜M,Π,P,(Iy),(≥y)＞和大聯盟約定AM，聯盟S拒絕大聯盟約定AM的條件為：如果存在一種S-約定使得某個網絡環境e∈∏*(AM,AS)滿足：則聯盟S拒絕約定AM。

5、經過貝葉斯聯盟博弈後得到納什穩定的聯盟結構，聯盟內的收集節點幫助不同的數據節點進行數據傳輸。