[发明专利]一种无线多跳网络中分布式信道分配方法

说明书

本发明涉及无线网络通信领域，具体涉及一种无线多跳网络中分布式信道分配方法，包括采用至少包括物理设备层、计算层和网络服务层的物理架构，物理设备层由随机部署在网络中的n个无线节点组成一个多跳的无线通信网络，每个节点作为一个自治的智能体Agent，通过本地决策模块与不确定的网络环境进行交互；计算层的汇聚节点负责对网络中其他站点所收集的数据进行汇聚、分析和处理，且该节点具有边缘计算功能，并可基于节点分布式采集的经验信息训练异步DRL模型，将多信道分配问题建模为POMDP问题，利用训练好的异步DRL模型进行信道分配；本发明解决在高密度多跳无线网络中的隐藏终端和暴露终端问题，有效地避免了数据冲突和信道资源浪费问题。

技术领域

本发明涉及无线网络通信领域，具体涉及一种无线多跳网络中分布式信道分配方法。

背景技术

多信道媒体控制接入(multiple media access control，MMAC)技术可以使在单信道通信中相互干扰的通信链路能在多个正交信道中实现无干扰的数据传输。MMAC可以有效地避免单信道的干扰问题，提升整个网络的吞吐量，因此，被认为是目前缓解无线网络信道资源短缺的一种极具潜力的技术。虽然，多信道通信相对与单信道通信有很多优点，但带来了许多新的问题：

信道分配和协商：基于多信道的MAC通信技术最基础和最重要的问题是如何合理地分配信道资源，以保证每个节点在正常通信的前提下，最大化整个网络的网络容量。此外，在通信之前，节点之间需要协商解决信道的使用问题，以确保两个通信节点在数据传输期间工作在同一信道上。

多信道广播：基于单信道模型的无线网络可以很容易实现广播，因为每一个传感器节点都处于同一个信道；然而在多信道环境中，当某个节点进行广播时，由于节点分布在多个信道上导致某些节点不能接收到广播内容。广播功能在网络应用中有着重要的作用，因此，如何实现广播功能是基于多信道通信面临的又一难题。

多跳隐藏终端和暴露终端：如图1所示，多跳隐藏终端是在接收节点的通信范围内而在发送节点的通信范围之外的节点。这些节点由于收不到发送节点的发送数据，而可能向同样的接收节点发送数据，造成数据传输的冲突。在高密度情况下，隐藏终端问题会导致不必要的数据冲突，极大地降低网络性能。多跳暴露终端问题是指是指在发送节点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点，暴露终端因听到发送节点的发送而延迟发送。暴露终端的存在会导致不必要的信道资源浪费。

发明内容

为了有效降低网络中的干扰和数据冲突，提高信道的利用率和系统吞吐量，保证节点之间数据业务传输的可靠性，本发明提出一种无线多跳网络中分布式信道分配方法，采用至少包括物理设备层、计算层和网络服务层的物理架构，物理设备层由随机部署在网络中的n个无线节点组成一个多跳的无线通信网络，每个节点作为一个自治的智能体Agent，通过本地决策模块与不确定的网络环境进行交互；计算层的汇聚节点负责对网络中其他站点所收集的数据进行汇聚、分析和处理，且该节点具有边缘计算功能或采用专用边缘服务器节点，即可卸载节点的计算任务，并可基于节点分布式采集的经验信息训练异步DRL模型，将多信道分配问题建模为POMDP问题，利用集中式节点或边缘服务器训练好的异步DRL模型进行分布式的信道分配。

进一步的，将多信道分配问题建模为POMDP问题，即Agent观察当前网络状态s并在时间周期t执行动作a，并在执行动作a后以状态转移概率P转移到下一个时间周期的网络状态s′，并从环境中获得相应的奖励R，则POMDP问题表示为：

M＝S,A,P,R,γ；

其中，M表示POMDP问题模型；S是状态集合表示状态空间；A是动作集合表示动作空间，其中动作a∈A表示节点欲切换的信道编号；R为奖励函数；γ为折扣因子。即在给定环境状态s∈S,Agent执行动作a∈A，则环境状态将从s迁移到s′，即s→s′，同时从环境获得相应的回报R。

进一步的，节点i在第t个时间周期观察到的环境状态表示为：