專利名稱：一種無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目估計方法，適用于分時隙通信網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
在無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，時隙ALOHA是一種常用的分時隙的媒體接入控制(MAC, Medium Access Control)方式，這種方式把網(wǎng)絡(luò)傳輸時間分為若干個時隙，接收端在每一個時隙里面 最多只能和一個給其發(fā)送數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。當(dāng)時隙數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目匹配的時候， 網(wǎng)絡(luò)效率達(dá)到最大，因此節(jié)點(diǎn)數(shù)目估計可以指導(dǎo)時隙數(shù)目的合理選取。隨著網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的發(fā) 展，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目非常多，而具體數(shù)目又未知的網(wǎng)絡(luò)，比如射頻標(biāo)簽識別(RFID, Radio Frequency Identification)系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN， Wireless Sensor Networks)。這些系統(tǒng) 的節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以達(dá)到幾百、幾千個，甚至更多；尤其RFID如果用于物流系統(tǒng)作為商品的標(biāo) 簽，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的條形碼，在這種應(yīng)用場合下，標(biāo)簽數(shù)目數(shù)量尤為巨大。如此眾多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 數(shù)目，在做信道接入和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，媒體接入控制的壓力非常大，容易出現(xiàn)多個節(jié)點(diǎn)占 用同一個時隙，導(dǎo)致碰撞的情形，碰撞通常意味著本次接入失敗，結(jié)果就是接入失敗的節(jié)點(diǎn) 重新嘗試接入，于是浪費(fèi)了時間資源。在時隙ALOHA方式中，可以安排大數(shù)目的時隙，來 緩解多個節(jié)點(diǎn)碰撞的現(xiàn)象，以便提高系統(tǒng)效率；然而另一方面，時隙數(shù)目如果過多，超過了 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)目的需要，那么就會出現(xiàn)很多被浪費(fèi)的時隙，即沒有被節(jié)點(diǎn)占用的時隙，這也會 浪費(fèi)時間資源。所以為了系統(tǒng)時間資源的最佳利用，或者說系統(tǒng)實現(xiàn)效率最大化，應(yīng)該根據(jù) 節(jié)點(diǎn)數(shù)目來合理的安排時隙數(shù)目，這就要求對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目作出一個較為準(zhǔn)確的估計。以 RFID系統(tǒng)為例，如果能夠準(zhǔn)確的估計其標(biāo)簽數(shù)目，就可以合理安排讀取標(biāo)簽的時隙數(shù)目，以 便在最短時間內(nèi)讀取完所有的標(biāo)簽；在采用了時隙ALOHA技術(shù)的RFID網(wǎng)絡(luò)中，通常設(shè)定 讀取時隙數(shù)目等于標(biāo)簽數(shù)目，能夠使得時間利用率最大。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)估計方法可以用于諸如射頻標(biāo)簽識另U(RFID, Radio Frequency Identification)或者 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN， Wireless Sensor Networks)等無線網(wǎng)絡(luò)。時隙可以分為三類空白時隙、 獨(dú)占時隙、碰撞時隙，基于此模型，Vogt， H提出一個估計方法(參見Vogt, H. "Multiple Object Identification with Passive RFID Tags", Systems, Man and Cybernetics, 2002 IEEE International Conference on, Volume 3, pp. 6-9 )，其利用空白時隙數(shù)目和碰撞時隙數(shù)目的線性組合來估計網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，該方法在節(jié)點(diǎn)數(shù)目多于時隙數(shù)目的時候誤差較大。Chenghao Quan等人在專利 Method for Estimating Number of Tags in Slotted ALOHA-Based RFID System (United States, Pub.No.: US 2007/0096877 Al, Pub. Date: May 3,2007)中提出了另一種估計方法，利用了空白時隙 和碰撞時隙與總時隙數(shù)目的比值來做估計，該方法的缺點(diǎn)也是在節(jié)點(diǎn)數(shù)目多于時隙數(shù)目的時 候，估計誤差較大。
現(xiàn)有的分時隙通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目估計可分解為三個步驟，如圖1所示，l一目標(biāo)接收端(或 者中心控制站)設(shè)定一個總時隙數(shù)目，廣播給所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；2--計算某種時隙數(shù)目理論值 與節(jié)點(diǎn)數(shù)目的函數(shù)關(guān)系；3--用該種時隙數(shù)目實測值代替理論值，得出節(jié)點(diǎn)數(shù)目的估計； 總之，現(xiàn)有的估計方法在節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于時隙數(shù)目的時候估計精度較低，估計范圍不夠廣泛。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種估計精度高，適用范圍廣的分時隙通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目估計方 法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案。
一種無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目估計方法，其步驟為
1) 在目標(biāo)接收端預(yù)設(shè)一個總時隙數(shù)目，并廣播給所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；
2) 設(shè)定空白時隙、獨(dú)占時隙、碰撞時隙的概率函數(shù)，該概率函數(shù)為以總時隙數(shù)目和網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)數(shù)目為參數(shù)的函數(shù)；
3) 目標(biāo)接收端接收一輪網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信息，統(tǒng)計三種時隙數(shù)目的實測值，得到三種時 隙的實際發(fā)生概率；
4) 根據(jù)時隙數(shù)目的實測值和概率函數(shù)，得到三個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的初步估計值；
5) 根據(jù)三個初步估計值的可靠度，確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的估計值；
6) 接收端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的估計值重新分配時隙，接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后續(xù)發(fā)出的信息。 以三種概率函數(shù)在相應(yīng)初步估計值處的導(dǎo)數(shù)值作為可靠度。
將三種可靠度進(jìn)行歸一化處理得到三個歸一化系數(shù)，將乘以歸一化系數(shù)的三個初步估計 值的和作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的估計值。
設(shè)定一門限值，如果三種可靠度的和達(dá)到門限值，則認(rèn)為估計值正確，否則調(diào)整總時隙 數(shù)目，重新進(jìn)行估計。
尸O(M):(I-丄)'
空白時隙數(shù)目的概率函數(shù)為 ^ ;
&")=(丄>(1 —丄廣、/ 獨(dú)占時隙數(shù)目的概率函數(shù)為 ss ;
碰撞時隙數(shù)目的概率函數(shù)為= 1-PQ - A ;其中S是時隙數(shù)目，f是節(jié)點(diǎn)數(shù)目。
所述的調(diào)整時隙數(shù)目為將時隙數(shù)目加倍。
本發(fā)明的積極效果
本發(fā)明合理利用了分時隙通信系統(tǒng)的所有三種時隙，先給出三個初步估計，再利用三種 時隙數(shù)目與節(jié)點(diǎn)數(shù)目之間的函數(shù)關(guān)系式的導(dǎo)數(shù)，給出三個初步估計的可靠度，然后合并三個 初步估計得到最后結(jié)果。本發(fā)明合理利用了可靠的信息，遏制了不可靠的信息，估計精度髙， 適用范圍廣，在節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于時隙數(shù)目的情況下，估計仍然準(zhǔn)確；本發(fā)明還給出了估計結(jié)果 的準(zhǔn)確性判定依據(jù)，以及自適應(yīng)調(diào)整估計參數(shù)的方法。


圖l現(xiàn)有的時隙數(shù)目估計方法 圖2本發(fā)明的時隙數(shù)目估計方法
圖3本發(fā)明估計的一個示例三個初步估計與合并估計(Pi其中i為0、 1、 C)具體實施方式
-
本發(fā)明分為l一設(shè)定一個總時隙數(shù)目，并廣播給所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通知每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)從 中隨機(jī)選擇一個時隙用來傳輸數(shù)據(jù)；2—計算三種概率函數(shù)， 一共得出三個函數(shù)關(guān)系式；3--統(tǒng)計各種時隙數(shù)目的實測值；4一根據(jù)某種時隙數(shù)目與網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)數(shù)目的函數(shù)關(guān)系，以及該種時 隙數(shù)目的實測值，得出節(jié)點(diǎn)數(shù)目的初步估計；5—求取三個函數(shù)式的導(dǎo)數(shù)，用估計點(diǎn)處的導(dǎo) 數(shù)絕對值作為三個初步估計的可靠度；6—用三個估計可靠度作為組合系數(shù)來合并以上三個 初步估計，得到合并的估計結(jié)果。7—給出合并估計的可靠度，用三個估計可靠度的總和作 為合并估計的可靠度。8--給出一個門限，如果合并估計可靠度高于這個門限，認(rèn)為估計正 確；如果合并估計可靠度低于此門限，認(rèn)為估計不正確，并調(diào)整時隙數(shù)目為原來的二倍，重 新做估計。
舉例一次估計過程。其流程如圖2所示，假設(shè)時隙數(shù)目是100，節(jié)點(diǎn)數(shù)目真實值300。 1目標(biāo)接收端(或者中心控制站)預(yù)設(shè)一個總時隙數(shù)目為100，并廣播給所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)； 2計算各種時隙數(shù)目的概率函數(shù)
2-1計算空白時隙數(shù)目的概率函數(shù)戶。(/,力； 。"，^ = (1-1)'， s是時隙數(shù)目，f是節(jié)點(diǎn)數(shù)目2-2計算獨(dú)占時隙數(shù)目的概率函數(shù)A&力；
《(MX丄)x(l-丄廣1〃， S是時隙數(shù)目，f是節(jié)點(diǎn)數(shù)目
2- 3計算碰撞時隙數(shù)目的概率函數(shù)尸力,5);
) = 1-戶o-A
3目標(biāo)接收端接收一輪網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信息，統(tǒng)計各種時隙數(shù)目的實測值，得到三種時 隙的實際發(fā)生概率；
3- 1統(tǒng)計空白時隙數(shù)目的實測值，為10; 3-2統(tǒng)計獨(dú)占時隙數(shù)目的實測值，為5;
3- 3統(tǒng)計碰撞時隙數(shù)目的實測值，為85;
4根據(jù)該種時隙數(shù)目與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的概率函數(shù)，以及該種時隙數(shù)目的實測值，得出節(jié) 點(diǎn)數(shù)目的初步估計；
4- 1根據(jù)空白時隙數(shù)目與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的概率函數(shù)iUf,s)，以及空白時隙數(shù)目的實測 值，得出節(jié)點(diǎn)數(shù)目的一個初步估計 。=230;
4-2根據(jù)獨(dú)占時隙數(shù)目與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的概率函數(shù)《("力，以及獨(dú)占時隙數(shù)目的實測 值，得出節(jié)點(diǎn)數(shù)目的另一個初步估計^=450;
4- 3根據(jù)碰撞時隙數(shù)目與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的概率函數(shù)g(/,力，以及碰撞時隙數(shù)目的實測 值，得出節(jié)點(diǎn)數(shù)目的另一個初步估計(=337;
5利用上述三個函數(shù)式的導(dǎo)數(shù)，分別給出三個初步估計的可靠度；
5- 1函數(shù)尸。&"在估計點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)絕對值0.1002，作為估計f。的可靠度；
5-2函數(shù)/K"力在估計點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)絕對值0.0389，作為估計夂的可靠度； 5-3函數(shù)g(Z,"在估計點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)絕對值O. 1159，作為估計&的可靠度；
其它得到估計可靠度的方式為利用估計值的范圍得到估計可靠度(參見文獻(xiàn)JiaZhai, Gi-NamWang, An Anti-collision Algorithm Using Two-Functioned Estimation for RFID Tags, Parallel and Distributed Systems, 2005. Proceedings. 11th International Conference on Volume 2, 20-22 July 2005 Page(s):63-67)，這個方法做的是計算機(jī)仿真，看看當(dāng)前估計值是多大，對比 當(dāng)前實際值得出當(dāng)前的估計誤差；做很多次仿真，統(tǒng)計出每次的估計值和估計誤差，利用多次統(tǒng)計出的估計誤差，得到每個估計值的誤差方差。認(rèn)為每個估計值對應(yīng)的誤差方差越大， 估計可靠度越低；反之誤差方差越小，估計可靠度越高。這樣可以設(shè)定一個可靠估計范圍， 當(dāng)估計值在這個范圍內(nèi)的時候，就認(rèn)為可靠；當(dāng)估計值在這個范圍以外的時候，就認(rèn)為不可 靠。
6把三個估計可靠度歸一化，得到歸一化的可靠度，作為組合系數(shù)，分別是0.3931 、 0.1524、 0.4544，用它們來線性組合三個初步估計f。 、 f, 、 & ，得到合并估計結(jié)果，即230X
0.3931+450X0.1524+337X0.4544-312.1258;
7三個估計可靠度的和，作為合并估計的可靠度，即0.1002+0.0389+0.1159 = 0.2550; 8預(yù)設(shè)一個門限為0. 1，如果步驟7中的合并估計可靠度高于這個門限，認(rèn)為估計正確， 否則認(rèn)為估計不正確并調(diào)整估計參數(shù)重新估計。 8-1如果估計正確，估計結(jié)束； 8-2如果估計不正確，加倍時隙數(shù)目，重新做估計； 得到的三個初步估計分別是230、 337和450，誤差分別是-70， +37和+150，有一個正 誤差和兩個負(fù)誤差；這三個初步估計合并后的最終估計結(jié)果是312,比較接近真實值。圖3 描述了這個估計過程。
權(quán)利要求
1.一種無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目估計方法，其步驟為1)在目標(biāo)接收端預(yù)設(shè)一個總時隙數(shù)目，并廣播給所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；2)設(shè)定空白時隙、獨(dú)占時隙、碰撞時隙的概率函數(shù)，該概率函數(shù)為以總時隙數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目為參數(shù)的函數(shù)；3)目標(biāo)接收端接收一輪網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信息，統(tǒng)計三種時隙數(shù)目的實測值，得到三種時隙的實際發(fā)生概率；4)根據(jù)時隙數(shù)目的實測值和概率函數(shù)，得到三個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的初步估計值；5)根據(jù)三個初步估計值的可靠度，確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的估計值；6)接收端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的估計值重新分配時隙，接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后續(xù)發(fā)出的信息。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述可靠度為以三種概率函數(shù)在相應(yīng)初步估計值處 的導(dǎo)數(shù)絕對值作為可靠度。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于5)所述的估計值為將三種可靠度進(jìn)行歸一化處理 得到三個歸一化系數(shù)，將乘以歸一化系數(shù)的三個初步估計值的和作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的估計值。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于設(shè)定一門限值，如果三種可靠度的和達(dá)到門限值， 則認(rèn)為估計值正確，否則調(diào)整總時隙數(shù)目，重新進(jìn)行估計。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于所述的調(diào)整時隙數(shù)目為將時隙數(shù)目加倍。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述概率函數(shù)為- ) = (1」)' 空白時隙數(shù)目的概率函數(shù)為 s ;<formula>formula see original document page 2</formula>獨(dú)占時隙數(shù)目的概率函數(shù)為1' S S ;碰撞時隙數(shù)目的概率函數(shù)為《"力=1-尸。-A ;其中s是時隙數(shù)目，f是節(jié)點(diǎn)數(shù)目。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目估計方法，其利用了分時隙通信系統(tǒng)的三種時隙，先給出三個初步估計，再利用三種時隙數(shù)目與節(jié)點(diǎn)數(shù)目之間的函數(shù)關(guān)系式的導(dǎo)數(shù)，給出三個初步估計的可靠度，然后合并三個初步估計得到最后結(jié)果。本發(fā)明適用于射頻標(biāo)簽識別系統(tǒng)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等無線通信中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的估計，其具有估計精度高，適用范圍廣，在節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于時隙數(shù)目的情況下，估計仍然準(zhǔn)確；本發(fā)明還給出了估計結(jié)果的準(zhǔn)確性判定依據(jù)，以及自適應(yīng)調(diào)整估計參數(shù)的方法。
文檔編號H04L12/26GK101369913SQ20071012024
公開日2009年2月18日 申請日期2007年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月14日
發(fā)明者趙玉萍, 郭宏博 申請人:北京大學(xué)