可穿戴無線傳感器網(wǎng)路信道分配

王嘉星

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽110000）

無線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術和通信技術，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，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)絡因為其有限的體積，和受到限制的能量。有限的通信等限制，使其網(wǎng)絡數(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度網(wǎng)絡問題，節(jié)點之間的互相干擾會更加嚴重，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，使一些早些時候發(fā)送的數(shù)據(jù)丟失，重傳會浪費更多的信道資源，能耗增加，生命期較小的節(jié)點過于早的失去作用，并會使網(wǎng)絡的工作壽命降低，所以，對于可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡的有效利用才是解決問題的關鍵話題，主要是從三個方面：時隙、信道、時隙與信道的多元結合。本文從信道方面研究可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡的資源利用問題。

2 網(wǎng)絡運行環(huán)境

本文的場景為一個多跳網(wǎng)絡，在整個網(wǎng)絡中僅有一個主節(jié)點。我們將傳感器節(jié)點的干擾半徑R 定位125m，設定存在一個節(jié)點對信道進行占用發(fā)送信息時，在半徑為125m 的干擾范圍內其他節(jié)點都不允許使用這個信道。本文假設整個工作過程中每個節(jié)點都只有唯一的一個下一跳節(jié)點。

另外，假設監(jiān)測區(qū)域是一個長方形，其大小是300*400m2。本文要研究的可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡中包括10 個人體（每個人體攜帶一個可穿戴設備即一個傳感器節(jié)點），一個匯聚節(jié)點以及一個主節(jié)點。人體攜帶的可穿戴設備上的傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點再把接收到的數(shù)據(jù)傳給主節(jié)點。為了使研究的算法更具一般性，假設在整個可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡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i 競爭信道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)點數(shù)據(jù)擁塞量或者是一個關于數(shù)據(jù)擁塞的函數(shù)，用來防止數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的擁塞，讓數(shù)據(jù)積累多的節(jié)點有更高的優(yōu)先級傳輸數(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，乘以鏈路質量（Qi）乘以一個時間間隙T。式中Qi表示鏈路集合L 中的鏈路li的鏈路質量，T 表示一個時隙的時間，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i 有更多的信道帶寬或者有更大的緩存，它就有更大的機會來競爭信道傳輸數(shù)據(jù)[3]。這對于本文設計的博弈論算法完全適用，因為網(wǎng)絡的主要目標是最大化多跳網(wǎng)絡的吞吐量。

4 基于博弈論的多信道分配算法設計

引入效用函數(shù)，使網(wǎng)絡在相當短的時間內保持穩(wěn)定。假定效用函數(shù)值為Uik，定義為該節(jié)點自己在該信道上的傳輸收益與該節(jié)點選擇這條信道對其它節(jié)點的傷害，即懲罰因子的差值。

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

5 驗證及仿真結果

仿真中，采用了四種不同的場景。每個場景中包含10 個無線傳感器節(jié)點，每個傳感器節(jié)點有3 條可選的傳輸信道，且在仿真過程中預先設定每條信道的數(shù)據(jù)傳輸速率（分別為100bit/s、200bit/s、300bit/s），但是每個節(jié)點到達匯聚節(jié)點的總跳數(shù)有所不同，因此仿真中比較了四種不同場景中網(wǎng)絡吞吐量的不同變化。四種不同場景分別如圖2、圖3、圖4、圖5。

圖2 場景一

圖3 場景二

圖4 場景三

圖5 場景四

我們定義了10 個傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡環(huán)境中，同時每個環(huán)境中有一個匯聚節(jié)點和一個主節(jié)點。整個仿真過程為1000 個時隙，即一共有1000 次傳輸機會。不同的傳感器節(jié)點在三條信道中的信噪比都是各不相同的，信噪比是自己設置的（在0～1 之間），每條信道的數(shù)據(jù)傳輸速率和上文設置的一樣（分別為100bit/s、200bit/s、300bit/s）。同時為了滿足能夠信道的合理使用，規(guī)定了所有節(jié)點的傳輸半徑都要與干擾半徑的值設定為相同的值。當一個節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸時，在這個節(jié)點的范圍內其他節(jié)點都不允許接受數(shù)據(jù)。當一個節(jié)點進行數(shù)據(jù)的接收時，在網(wǎng)絡環(huán)境中干擾半徑內的其他節(jié)點不允許同時發(fā)送信息。

四個網(wǎng)絡場景中相同的是都含10 個傳感器節(jié)點，1 個匯聚節(jié)點和1 個主節(jié)點，不同的是每個節(jié)點到匯聚節(jié)點的總跳數(shù)不同。四個場景中每個節(jié)點到匯聚節(jié)點的總跳數(shù)分別為12，13，18，14。從圖6 中可以看出每個節(jié)點到匯聚節(jié)點的總跳數(shù)越多，網(wǎng)絡的吞吐量越大。但是，也不能為了增大網(wǎng)絡的吞吐量而一味地追求增加網(wǎng)絡環(huán)境中每個節(jié)點到匯聚節(jié)點的總跳數(shù)，因為，在網(wǎng)絡環(huán)境中傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和主節(jié)點個數(shù)相同的情況下，每個節(jié)點到匯聚節(jié)點的總跳數(shù)越多，說明在網(wǎng)絡中受到干擾的可能性越大，網(wǎng)絡環(huán)境就相對的不穩(wěn)定，傳感器節(jié)點的能量越易損耗，那么，維護網(wǎng)絡環(huán)境穩(wěn)定、延長網(wǎng)絡工作壽

圖6 不同網(wǎng)絡場景的吞吐量仿真圖

結束語

本文是可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡信道分配算法設計與實現(xiàn)。主要是從三個方面：時隙、信道、時隙與信道的多元結合。本文主要從信道方面研究可穿戴無線傳感器網(wǎng)絡的資源利用問題。對于網(wǎng)絡環(huán)境中的信道進行合理分配。讓各傳感器節(jié)點間的干擾都減少，從而使各節(jié)點間的不良相互作用也跟著減少。到目前為止，博弈論的理念被應用在各種技術方向上，因為其優(yōu)秀解決問題能力，使得更多的專家開始考慮將博弈論應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用到網(wǎng)絡環(huán)境中，對于信道分配問題得出更加優(yōu)化解。根據(jù)最后的仿真結果也可以看出，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)絡的吞吐量，讓網(wǎng)絡環(huán)境實現(xiàn)了優(yōu)化。