水下传感器网络中避免节点长期占用信道的频谱分配方法

摘要

本发明涉及水下传感器网络中避免节点长期占用信道的频谱分配方法，用于存在中心节点的水下传感器网络，网络中的中心节点保存每对节点接入各条信道的次数，此外，中心节点为每个节点对均设置公平向量，公平向量中的元素值为节点对接入信道次数的函数。本发明能有效减小虚假信息对频谱分配的干扰，避免恶意节点长期占用信道。本发明的技术方案如下。

说明书

技术领域

本发明属于水下声通信技术领域，涉及一种频谱分配方法。

背景技术

水下传感器网络是对海洋进行开发利用的有利工具。为了充分利用稀缺的水下频谱资源，认知水下声通信的概念应运而生。在采用认知技术的水声网络中，节点可以感知周围环境，从而动态地改变自身的工作参数，以实现与周围环境的最佳匹配。认知水下网络中存在着主节点和次级节点。主节点主要为水下生物，他们有着优先使用频谱的特权。次级节点为各种人工传感器节点，当认知网络中的主用户未使用频谱资源时，传感器节点可以接入信道，实现自己的通信需求。

频谱分配方法解决了如何将空闲的频谱分配给多对认知节点。现有的频谱分配方法以节点发送的信道信息作为分配依据，但未考虑到节点可能发送的虚假信息的情况。部分节点为了满足自身的通信需求，试图长期占用某个性能较好的信道。这些节点被称为网络中的恶意节点。恶意节点故意发送虚假的信道信息，以获得有利于自己通信的频谱分配结果，从而对正常的频谱分配产生干扰。在这一情况下，其他节点将无法接入这一信道，失去了接入信道的公平性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种新的频谱分配方法，该方法能有效减小虚假信息对频谱分配的干扰，避免恶意节点长期占用信道。本发明的技术方案如下：

一种水下传感器网络中避免节点长期占用信道的频谱分配方法，用于存在中心节点的水下传感器网络，水下传感器网络中的频谱资源被分成了多条信道，设存在N条普通信道，该网络中有M对普通的收发节点，每对收发节点将选择一条信道进行数据传输；此外网络中还有控制信道，控制信道不用做数据传输，只传输各对节点的信道信息和频谱分配结果，在进行分配前需要各个收发节点对向中心节点发送信道空闲概率向量，信道空闲概率向量的发送采用时分复用的方式，各对收发节点依次发送各自的信道空闲概率向量；其特征在于，

(1)为避免个别节点对长期占用某些信道，网络中的中心节点保存每对节点接入各条信道的次数，此外，中心节点为每个节点对均设置公平向量，公平向量中的元素值为节点对接入信道次数的函数，设c_ij为第i对收发节点接入第j条信道的次数，对于所有的收发节点对，c_ij的初始值均为0，中心节点在接收到M个发送节点的信道空闲概率向量W_i后，更新各个收发节点对的公平向量，第i对收发节点的公平向量Q_i由N个元素组成，Q_i为行向量，每个元素为该收发节点对接入某一信道次数c_ij的函数，当c_ij＝0时，公平向量的取值为1，且随着c_ij的增大，公平向量中的元素取值将减小；

(2)频谱分配结果需保证每对收发节点可接入一条信道，且每条信道上只有一对收发节点，使用匈牙利算法计算频谱分配结果。

其中，可取$>Q_i=[\frac{1}{c_{i1}+1},\frac{1}{c_{i2}+1},\frac{1}{c_{i3}+1}...,\frac{1}{c_{iN}+1}].$>

该方法在水声网络中设立了一个中心节点和一条控制信道。中心节点在控制信道上接收普通收发节点的发送的信道空闲概率向量，进行频谱分配，并广播分配结果。为避免某些节点长期占用某条信道，中心节点保存了各对收发节点接入各条信道的次数，并设立了相应的公平向量。本发明提出的频谱分配方法采用了匈牙利算法计算分配结果，以保证节点对之间不发生冲突。

附图说明

图1.中心节点进行频谱分配的流程图

图2.未引入公平向量时，1000次频谱分配后节点对接入各条信道的分布情况

图3.引入公平向量后，1000次频谱分配后节点对接入各条信道的分布情况

具体实施方式

本发明设计的频谱分配方法意在避免个别节点长期占用某条信道。频谱分配过程主要由网络中的中心节点完成。在中心节点分配信道前，需要各对准备进行通信的节点发送信道信息。具体来说各对收发节点中的发送节点需要向中心节点发送各条信道空闲概率向量。第i对收发节点发送的信道空闲概率为W_i，如式(1)所示，

W_i＝[p_i1,p_i2,p_i3,…p_iN](1)

其中p_ij是第i对收发节点认为第j条信道可能空闲的概率。

于此同时网络中的中心节点保存有收发节点对接入某一信道次数，用变量c表示，即c_ij为第i对收发节点接入第j条信道的次数。对于所有的收发节点对，c_ij的初始值均为0。中心节点在接收到M个发送节点的信道空闲概率向量W_i后，需进行如下操作，流程如图1所示。

(1)更新各个收发节点对的公平向量。第i对收发节点的公平向量Q_i由N个元素组成。Q_i为行向量，每个元素为该收发节点对接入某一信道次数c_ij的函数，当c_ij＝0时，公平向量的取值为1，且随着c_ij的增大，公平向量中的元素取值将减小。具体计算公式如式(2)所示。

$>Q_i=[\frac{1}{c_{i1}+1},\frac{1}{c_{i2}+1},\frac{1}{c_{i3}+1}...,\frac{1}{c_{iN}+1}]---\left(2\right)$>

(2)中心节点将各收发节点对的信道空闲概率向量W_i和公平向量Q_i按对应元素相乘，得到行向量A_i，如式(3)所示。

$>A_i=[\frac{p_{il}}{c_{i1}+1},\frac{p_{i2}}{c_{i2}+1},\frac{p_{i3}}{c_{i3}+1}...,\frac{p_{iN}}{c_{iN}+1}]---\left(3\right)$>

(3)中心节点将M个行向量A_i排列成矩阵A，其中每对收发节点的行向量A_i为矩阵的一行,如式(4)所示。

$>A=\left(\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ .\\ .\\ .\\ A_M\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}\frac{p_{11}}{c_{11}+1}& \frac{p_{12}}{c_{12}+1}& ...& \frac{p_{1N}}{c_{1N}+1}\\ \frac{p_{21}}{c_{21}+1}& \frac{p_{22}}{c_{22}+1}& ...& \frac{p_{2N}}{c_{2N}+1}\\ .& .& & .\\ .& .& ...& .\\ .& .& & .\\ \frac{p_{M1}}{c_{M1}+1}& \frac{p_{M2}}{c_{M2}+1}& ...& \frac{p_{MN}}{c_{MN}+1}\end{array}\right)---\left(4\right)$>

(4)中心节点将A的每一列元素与相应信道的带宽相乘，得到频谱分配矩阵S,如式(5)所示。

$>S=\left(\begin{array}{cccc}\frac{p_{11}{B}_1}{c_{11}+1}& \frac{p_{12}{B}_2}{c_{12}+1}& ...& \frac{p_{1N}{B}_N}{c_{1N}+1}\\ \frac{p_{21}{B}_1}{c_{21}+1}& \frac{p_{22}{B}_2}{c_{22}+1}& ...& \frac{p_{2N}{B}_N}{c_{2N}+1}\\ .& .& & .\\ .& .& ...& .\\ .& .& & .\\ \frac{p_{M1}{B}_1}{c_{M1}+1}& \frac{p_{M2}{B}_2}{c_{M2}+1}& ...& \frac{p_{MN}{B}_N}{c_{MN}+1}\end{array}\right)---\left(5\right)$>

(5)中心节点进行频谱分配的结果要保证每对收发节点可接入一条信道，且每条信道上只有一对收发节点，因此分配结果可用矩阵X表示。X为M×N的矩阵，其中每个元素x_ij的取值只有0和1两种情况，表示第i对收发节点是否接入信道j。具体为：

(6)频谱分配的目标函数为本发明采用匈牙利算法进行求解。若首发节点对的数目M与信道数N不等，则频谱分配矩阵S不是方阵，因此在使用匈牙利算法前，中心节点需对矩阵S进行变化.具体操作为增加虚节点或虚信道。在频谱分配矩阵S中，虚节点和虚信道对应位置的元素均为0。

(7)中心节点求得频谱分配结果后，需更新各对节点接入信道的次数c_ij。当第i对收发节点被分配至第j条信道后，c_ij的数值加1，其他元素的值保持不变。同时中心节点向网络中的所有节点广播发送频谱分配结果，之后各个节点即可在分配的信道上进行通信。

现以4对收发节点(其中包括恶意节点对)接入4条信道为例进行说明。四对收发节点分别为S1-D1,S2-D2,S3-D3和S4-D4，其中S表示发送节点，D表示接收节点。若4对收发节点均发送真实的信道信息，则各对节点接入各条信道的概率均等，均为25％左右。

现假设第一对节点S1-D1为恶意节点对，他们试图长期占用性能较好的信道1，因此在发送信道空闲概率向量时，S1将故意增大的取值。设在每次频谱分配过程中，S1都将的取值设为0.8。其余位置的信道空闲概率均服从0到1上的均匀分布。四条信道的带宽均为1。

现进行1000次频谱分配，比较引入公平向量对频谱分配性能的影响。由表1可知，在未引入公平函数的情况下，在1000次的频谱分配中，恶意节点对1接入信道1的比例接近50％，其他三个节点接入信道1的概率均不到20％。节点对S1-D1长期占用信道1，其他节点对失去了使用信道1的机会，只能接入其他三条信道。

表1.未引入公平向量时，4对节点分别接入4条信道的比例(％)

当引入公平向量后，这一情况得到了有效地遏制。如表2所示，节点对S1-D1接入信道1的比例下降为28.9％，其他节点对S2-D2,S3-D3,S4-D4接入信道1的比例均有所上升。四对节点接入各条信道的比例较为平均，均为25％左右。接入比例和不存在恶意节点对时的情况较为接近，频谱分配结果受到虚假信息的影响较小。

表2.引入公平向量后，4对节点分别接入4条信道的比例(％)

由此可见本发明设计的频谱分配方法能抑制虚假信道信息对频谱分配的干扰，从而有效避免恶意节点长期占用某条信道。