水下傳感器網絡中避免節點長期占用信道的頻譜分配方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于水下聲通信技術領域，設及一種頻譜分配方法。
【背景技術】
[0002] 水下傳感器網絡是對海洋進行開發利用的有利工具。為了充分利用稀缺的水下頻 譜資源，認知水下聲通信的概念應運而生。在采用認知技術的水聲網絡中，節點可W感知周 圍環境，從而動態地改變自身的工作參數，W實現與周圍環境的最佳匹配。認知水下網絡中 存在著主節點和次級節點。主節點主要為水下生物，他們有著優先使用頻譜的特權。次級節 點為各種人工傳感器節點，當認知網絡中的主用戶未使用頻譜資源時，傳感器節點可W接 入信道，實現自己的通信需求。
[0003] 頻譜分配方法解決了如何將空閑的頻譜分配給多對認知節點。現有的頻譜分配方 法W節點發送的信道信息作為分配依據，但未考慮到節點可能發送的虛假信息的情況。部 分節點為了滿足自身的通信需求，試圖長期占用某個性能較好的信道。運些節點被稱為網 絡中的惡意節點。惡意節點故意發送虛假的信道信息，W獲得有利于自己通信的頻譜分配 結果，從而對正常的頻譜分配產生干擾。在運一情況下，其他節點將無法接入運一信道，失 去了接入信道的公平性。
【發明內容】
[0004] 針對上述問題，本發明提出了一種新的頻譜分配方法，該方法能有效減小虛假信 息對頻譜分配的干擾，避免惡意節點長期占用信道。本發明的技術方案如下：
[0005] -種水下傳感器網絡中避免節點長期占用信道的頻譜分配方法，用于存在中屯、節 點的水下傳感器網絡，水下傳感器網絡中的頻譜資源被分成了多條信道，設存在N條普通信 道，該網絡中有Μ對普通的收發節點，每對收發節點將選擇一條信道進行數據傳輸;此外網 絡中還有控制信道，控制信道不用做數據傳輸，只傳輸各對節點的信道信息和頻譜分配結 果，在進行分配前需要各個收發節點對向中屯、節點發送信道空閑概率向量，信道空閑概率 向量的發送采用時分復用的方式，各對收發節點依次發送各自的信道空閑概率向量;其特 征在于，
[0006] (1)為避免個別節點對長期占用某些信道，網絡中的中屯、節點保存每對節點接入 各條信道的次數，此外，中屯、節點為每個節點對均設置公平向量，公平向量中的元素值為節 點對接入信道次數的函數，設CU為第i對收發節點接入第j條信道的次數，對于所有的收發 節點對，叫的初始值均為0,中屯、節點在接收至ijM個發送節點的信道空閑概率向量Wi后，更新 各個收發節點對的公平向量，第i對收發節點的公平向量化由N個元素組成，Qi為行向量，每 個元素為該收發節點對接入某一信道次數CU的函數，當cu = 0時，公平向量的取值為1，且 隨著CU的增大，公平向量中的元素取值將減小；
[0007] (2)頻譜分配結果需保證每對收發節點可接入一條信道，且每條信道上只有一對 收發節點，使用匈牙利算法計算頻譜分配結果。
[000引其中，可1$
。：
[0009] 該方法在水聲網絡中設立了一個中屯、節點和一條控制信道。中屯、節點在控制信道 上接收普通收發節點的發送的信道空閑概率向量，進行頻譜分配，并廣播分配結果。為避免 某些節點長期占用某條信道，中屯、節點保存了各對收發節點接入各條信道的次數，并設立 了相應的公平向量。本發明提出的頻譜分配方法采用了匈牙利算法計算分配結果，W保證 節點對之間不發生沖突。
【附圖說明】
[0010] 圖1.中屯、節點進行頻譜分配的流程圖
[0011] 圖2.未引入公平向量時，1000次頻譜分配后節點對接入各條信道的分布情況
[0012] 圖3.引入公平向量后，1000次頻譜分配后節點對接入各條信道的分布情況
【具體實施方式】
[0013] 本發明設計的頻譜分配方法意在避免個別節點長期占用某條信道。頻譜分配過程 主要由網絡中的中屯、節點完成。在中屯、節點分配信道前，需要各對準備進行通信的節點發 送信道信息。具體來說各對收發節點中的發送節點需要向中屯、節點發送各條信道空閑概率 向量。第i對收發節點發送的信道空閑概率為Wi，如式(1)所示，
[0014] Wi=[Pil,Pi2，Pi3，...PiN] (1)
[0015] 其中PU是第i對收發節點認為第j條信道可能空閑的概率。
[0016] 于此同時網絡中的中屯、節點保存有收發節點對接入某一信道次數，用變量C表示， 即CU為第i對收發節點接入第j條信道的次數。對于所有的收發節點對，CU的初始值均為0。 中屯、節點在接收到Μ個發送節點的信道空閑概率向量Wi后，需進行如下操作，流程如圖1所 /J、- 〇
[0017] (1)更新各個收發節點對的公平向量。第i對收發節點的公平向量化由N個元素組 成。化為行向量，每個元素為該收發節點對接入某一信道次數CU的函數，當cu = 0時，公平向 量的取值為1，且隨著CU的增大，公平向量中的元素取值將減小。具體計算公式如式(2)所 /J、- 〇
[001引
巧）
[0019] (2)中屯、節點將各收發節點對的信道空閑概率向量Wi和公平向量化按對應元素相 乘，得到行向量Ai，如式(3)所示。
[0020]
(3)
[0021] (3)中屯、節點將Μ個行向量Ai排列成矩陣A，其中每對收發節點的行向量A功矩陣的 一行，如式(4)所示。
[0022]
(4)
[0023] (4)中屯、節點將A的每一列元素與相應信道的帶寬相乘，得到頻譜分配矩陣S，如式 (5)所示。
[0024]
[0025] (5)中屯、節點進行頻譜分配的結果要保證每對收發節點可接入一條信道，且每條 信道上只有一對收發節點，因此分配結果可用矩陣X表示。X為MXN的矩陣，其中每個元素 Xij 的取值只有0和1兩種情況，表示第i對收發節點是否接入信道j。具體為：
[0026]
(6)
[0027] (6)頻譜分配的目標函數為
，本發明采用匈牙利算法進行求解。 若首發節點對的數目Μ與信道數N不等，則頻譜分配矩陣S不是方陣，因此在使用匈牙利算法 前，中屯、節點需對矩陣S進行變化.具體操作為增加虛節點或虛信道。在頻譜分配矩陣S中， 虛節點和虛信道對應位置的元素均為0。
[002引（7)中屯、節點求得頻譜分配結果后，需更新各對節點接入信道的次數CU。當第i對 收發節點被分配至第j條信道后，CU的數值加1，其他元素的值保持不變。同時中屯、節點向網 絡中的所有節點廣播發送頻譜分配結果，之后各個節點即可在分配的信道上進行通信。
[0029] 現W4對收發節點（其中包括惡意節點對)接入4條信道為例進行說明。四對收發節 點分別為51-01，52-02,53-03和54-04，其中5表示發送節點，0表示接收節點。若4對收發節 點均發送真實的信道信息，則各對節點接入各條信道的概率均等，均為25%左右。
[0030] 現假設第一對節點S1-D1為惡意節點對，他們試圖長期占用性能較好的信道1，因 此在發送信道空閑概率向量時，S1將故意增大的取值。設在每次頻譜分配過程中，S1都將的 取值設為0.8。其余位置的信道空閑概率均服從0到1上的均勻分布。四條信道的帶寬均為1。
[0031] 現進行1000次頻譜分配，比較引入公平向量對頻譜分配性能的影響。由表1可知， 在未引入公平函數的情況下，在1000次的頻譜分配中，惡意節點對1接入信道1的比例接近 50%，其他Ξ個節點接入信道1的概率均不到20%。節點對S1-D1長期占用信道1，其他節點 對失去了使用信道1的機會，只能接入其他Ξ條信道。
[0032] 表1.未引入公平向量時，4對節點分別接入4條信道的比例（％)
[0033]
[0034] 當引入公平向量后，運一情況得到了有效地遏制。如表2所示，節點對S1-D1接入信 道1的比例下降為28.9%，其他節點對S2-D2，S3-D3，S4-D4接入信道1的比例均有所上升。四 對節點接入各條信道的比例較為平均，均為25%左右。接入比例和不存在惡意節點對時的 情況較為接近，頻譜分配結果受到虛假信息的影響較小。
[0035] 表2.引入公平向量后，4對節點分別接入4條信道的比例（％)
[0036]
[0037] 由此可見本發明設計的頻譜分配方法能抑制虛假信道信息對頻譜分配的干擾，從 而有效避免惡意節點長期占用某條信道。
【主權項】
1. 水下傳感器網絡中避免節點長期占用信道的頻譜分配方法，用于存在中屯、節點的水 下傳感器網絡，水下傳感器網絡中的頻譜資源被分成了多條信道，設存在N條普通信道，該 網絡中有M對普通的收發節點，每對收發節點將選擇一條信道進行數據傳輸;此外網絡中還 有控制信道，控制信道不用做數據傳輸，只傳輸各對節點的信道信息和頻譜分配結果，在進 行分配前需要各個收發節點對向中屯、節點發送信道空閑概率向量，信道空閑概率向量的發 送采用時分復用的方式，各對收發節點依次發送各自的信道空閑概率向量。其特征在于， (1) 為避免個別節點對長期占用某些信道，網絡中的中屯、節點保存每對節點接入各條 信道的次數，此外，中屯、節點為每個節點對均設置公平向量，公平向量中的元素值為節點對 接入信道次數的函數，設CU為第i對收發節點接入第j條信道的次數，對于所有的收發節點 對，CiJ的初始值均為0,中屯、節點在接收到M個發送節點的信道空閑概率向量Wi后，更新各個 收發節點對的公平向量，第i對收發節點的公平向量化由N個元素組成，Qi為行向量，每個元 素為該收發節點對接入某一信道次數CU的函數，當CU = O時，公平向量的取值為1，且隨著 CiJ的增大，公平向量中的元素取值將減小：(2) 頻譜分配結果需保證每對收發節點可接入一條信道，且每條信道上只有一對收發 節點，使用匈牙利算法計算頻譜分配結果。2. 根據權利要求1所述的頻譜分配方法，其特征在于，
【專利摘要】本發明涉及水下傳感器網絡中避免節點長期占用信道的頻譜分配方法，用于存在中心節點的水下傳感器網絡，網絡中的中心節點保存每對節點接入各條信道的次數，此外，中心節點為每個節點對均設置公平向量，公平向量中的元素值為節點對接入信道次數的函數。本發明能有效減小虛假信息對頻譜分配的干擾，避免惡意節點長期占用信道。本發明的技術方案如下。
【IPC分類】H04W72/04, H04W72/08
【公開號】CN105657841
【申請號】
【發明人】李雅婧, 金志剛, 蘇毅珊
【申請人】天津大學
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年1月15日