分布式平均共識的廣播Gossip無線通信方法
【專利摘要】分布式平均共識的廣播Gossip無線通信方法，涉及無線通信領(lǐng)域。它是為了解決現(xiàn)有廣播Gossip算法在動態(tài)拓撲、信道數(shù)據(jù)鏈路丟失以及數(shù)據(jù)量化的情況下，收斂精度不高，無法滿足所需收斂時間的問題。本發(fā)明是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，本發(fā)明所需的網(wǎng)絡(luò)拓撲及信道要求與BGA-1一致，使得本發(fā)明適用范圍非常廣泛。本發(fā)明自身的狀態(tài)值迭代過程與BGA-1一致，于是增加一個伴隨變量來保存上一個伴隨變量所丟失掉的值，算法最終的收斂值等于本身狀態(tài)值與各伴隨變量值以一定權(quán)數(shù)進行相加的總和。通過不斷地增加伴隨變量的數(shù)目，算法的收斂精度可以不斷提高。本發(fā)明適用于無線通信領(lǐng)域。
【專利說明】分布式平均共識的廣播Goss i p無線通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息技術(shù)的發(fā)展，通信的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，通信的形式也趨向于多樣化。其中，主要以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為媒質(zhì)的求取分布式共識問題受到越來越多的國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。所謂分布式即指在沒有中心節(jié)點的情況下，各傳感器節(jié)點僅通過其可直接通信范圍內(nèi)的節(jié)點信息進行狀態(tài)更新，最終達到共識狀態(tài)。去中心化網(wǎng)絡(luò)憑借著其可擴展性好，節(jié)點高度自治等特點得到了廣泛的重視，尤其在單個節(jié)點能力受限的網(wǎng)絡(luò)中，例如傳感器網(wǎng)絡(luò)。Gossip算法是隨機分布式共識問題中的一個重要的分支。Gossip算法簡單、高效，同時具有很好的可擴展性和魯棒性，因此近些年來涌現(xiàn)出了許多與Gossip算法相關(guān)的研究與應(yīng)用。
[0003]1972年Hajnal等人首次給出了 Gossip問題(電話問題)的具體描述。20世紀80年代,Brokar等、Tsitsiklis等最早提出了分布式共識的問題。2006年,Boyd等人將Gossip過程應(yīng)用于分布式共識問題中提出了隨機Gossip算法，并針對異步時間模型和同步時間模型做了詳細的分析和對比。在其算法中，首先獨立等概率的隨機選取網(wǎng)絡(luò)中的任意一個節(jié)點，并在此節(jié)點的相鄰節(jié)點中任意選擇一個其鄰居節(jié)點組成一組節(jié)點對，這組節(jié)點對交換彼此信息從而使得這兩個節(jié)點的值更新為兩個值得平均。依次不斷迭代從而達到分布式一致。為了克服上述Gossip算法在收斂時間較慢這個缺陷，Tuncer Can Aysal等人在考慮到節(jié)點的廣播特性后于2009年提出了一種基于廣播的Gossip算法(BGA-1)，此算法使得各節(jié)點的收斂速度有了非常大的提升，但此算法的不足之處是節(jié)點的收斂結(jié)果無法達到所有初始節(jié)點值的均值，而是隨機收斂到均值附近的某個值。為了消除BGA-1算法的不足，F(xiàn)ranceschelli等人對BGA-1算法進行了改進,并于2011年首次提出了一種能夠收斂于初始值均值的廣播Gossip算法，這里我們稱為BGA-2算法，但BGA-2算法的缺點是其收斂速度慢于BGA-1。在上述算法的具體分析中，BGA-1算法所需的網(wǎng)絡(luò)模型要求相對寬松，已有研究表明BGA-1在動態(tài)拓撲、信道數(shù)據(jù)鏈路丟失以及數(shù)據(jù)量化的情況下都可以收斂，但其收斂精度卻不理想。而要使BGA-2收斂到均值，作者認為網(wǎng)絡(luò)模型必須是節(jié)點固定的和數(shù)據(jù)為無差錯傳輸，并且每個節(jié)點必須知道自身的度，但這種模型在實際應(yīng)用中是不存在的，大大影響了其實際應(yīng)用價值。因此，人們更希望使用一種在實際網(wǎng)絡(luò)模型中可以收斂，并達到所需精度和滿足所需收斂時間的一種算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有廣播Gossip算法在動態(tài)拓撲、信道數(shù)據(jù)鏈路丟失以及數(shù)據(jù)量化的情況下，收斂精度不高，無法滿足所需收斂時間的問題，進而提供了分布式平均共識的廣播Gossip無線通信方法。
[0005]分布式平均共識的廣播Gossip無線通信方法，所述通信方法是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，所述通信方法為:
[0006]初始化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的狀態(tài)值和伴隨變量值；
[0007]在每個迭代周期中，隨機喚醒第i個節(jié)點，將第i個節(jié)點作為發(fā)起節(jié)點；i為大于或等于I的整數(shù)；所述第i個節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播其自身的狀態(tài)值Xi (t)和若干個伴隨變量y'⑴、y' (t)、y?, (t)、y'⑴……，t表示時間；
[0008]其中Xi (0)表示第i個節(jié)點的初始狀態(tài)值，Ywi(O)表示第i個節(jié)點的第k個伴隨變量值，Ywi(O)=O, k=l、2、3";
[0009]在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，第i個節(jié)點周圍的所有鄰居節(jié)點接收所述第i個節(jié)點廣播的其當(dāng)前狀態(tài)值Xi (t)和伴隨變量值，所有鄰居節(jié)點中的每個節(jié)點對根據(jù)其接收到的信息和其自身的信息進行迭代，獲得下一時刻的該節(jié)點的狀態(tài)值Xk(t+1)和伴隨變量y(1)k(t+l)、y⑵k(t+l)、y⑶k(t+l)、y⑷k(t+l)......,
[0010]每個鄰居節(jié)點分別根據(jù)當(dāng)前時刻其自身的狀態(tài)值和伴隨變量值獲得當(dāng)前時刻的收斂值Z (t)和下一時刻其自身的狀態(tài)值和伴隨變量值獲得下一時刻的收斂值z (t+1)；
[0011]針對每個鄰居節(jié)點計算其當(dāng)前時刻和下一時刻的收斂值差，當(dāng)所有節(jié)點對應(yīng)的收斂值差均達到10_5量級時，停止迭代，實現(xiàn)分布式平均共識的廣播Gossip無線通信；否則返回進行下一個迭代周期。
[0012]本發(fā)明所需的網(wǎng)絡(luò)拓撲及信道要求與BGA-1—致，使得本發(fā)明適用范圍非常廣泛。本發(fā)明自身的狀態(tài)值迭代過程與BGA-1 —致，由于BGA-1算法在每次迭代時會丟失掉一部分數(shù)據(jù)進而造成最終收斂值無法達到均值，于是通過增加一個伴隨變量來不斷保存丟失掉的那部分值并通過與狀態(tài)值迭代一致的過程來達到此伴隨變量的均值。但是，伴隨變量在取均值的過程中也會丟失掉部分數(shù)據(jù)，因此可以繼續(xù)增加一個伴隨變量來保存上一個伴隨變量所丟失掉的值，算法最終的收斂值等于本身狀態(tài)值與各伴隨變量值以一定權(quán)數(shù)進行相加的總和。由此可以看出，通過不斷地增加伴隨變量的數(shù)目，算法的收斂精度可以不斷提聞。
[0013]如圖2所示，為了評估算法的收斂精度，一般采用節(jié)點的均方誤差(MSE)值來表示，公式表示如下:
[0014]
【權(quán)利要求】
1.分布式平均共識的廣播Gossip無線通信方法，其特正在于:所述通信方法是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，所述通信方法為: 初始化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的狀態(tài)值和伴隨變量值； 在每個迭代周期中，隨機喚醒第i個節(jié)點，將第i個節(jié)點作為發(fā)起節(jié)點；i為大于或等于I的整數(shù)；所述第i個節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播其自身的狀態(tài)值Xi (t)和若干個伴隨變量 Ywi (t)、(t)、y?, (t)、(t)……，t 表示時間； 其中Xi(O)表示第i個節(jié)點的初始狀態(tài)值，Y0di(O)表示第i個節(jié)點的第k個伴隨變量值，Ywi(O)=O, k=l、2、3...； 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，第i個節(jié)點周圍的所有鄰居節(jié)點接收所述第i個節(jié)點廣播的其當(dāng)前狀態(tài)值Xi (t)和伴隨變量值，所有鄰居節(jié)點中的每個節(jié)點對根據(jù)其接收到的信息和其自身的信息進行迭代，獲得下一時刻的該節(jié)點的狀態(tài)值xk(t+l)和伴隨變量y(1)k(t+l)、y(2)k(t+l)、y⑶k(t+l)、y⑷k(t+l)......, 每個鄰居節(jié)點分別根據(jù)當(dāng)前時刻其自身的狀態(tài)值和伴隨變量值獲得當(dāng)前時刻的收斂值z (t)和下一時刻其自身的狀態(tài)值和伴隨變量值獲得下一時刻的收斂值z (t+1)； 針對每個鄰居節(jié)點計算其當(dāng)前時刻和下一時刻的收斂值差，當(dāng)所有節(jié)點對應(yīng)的收斂值差均達到10_5量級時，停止迭代，實現(xiàn)分布式平均共識的廣播Gossip無線通信；否則返回進行下一個迭代周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式平均共識的廣播Gossip無線通信方法，其特征在于:廣播的第i個節(jié)點的狀態(tài)值Xi (t+1)為:
Xi (t+1) =Xi ⑴, 若干個伴隨變量Ywi (t+1)、I' (t+1)、Ywi (t+1)、y' (t+1)……分別為: y'(t+1) =^i (t)； y(2)i(t+l)=y(2)i(t)；
y(n)i(t+l)=y(n)i(t)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式平均共識的廣播Gossip無線通信方法，其特征在于:第i個節(jié)點的所有鄰居節(jié)點接收到第i個節(jié)點的當(dāng)前狀態(tài)值后，其狀態(tài)值為:
II
=VI: € Nfi 第i個節(jié)點的所有鄰居節(jié)點接收到第i個節(jié)點的伴隨變量值后，其伴隨變量值為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式平均共識的廣播Gossip無線通信方法，其特征在于:在整個網(wǎng)絡(luò)中，除去第i個節(jié)點的所有鄰居節(jié)點以外，其余所有節(jié)點的狀態(tài)值為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式平均共識的廣播Gossip無線通信方法，其特征在于:第i個節(jié)點的收斂值z(t)通過如下公式實現(xiàn):
【文檔編號】H04W40/24GK103648083SQ201310737809
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】吳少川, 王玉澤, 崔聞, 孫仁強, 樊榮, 牛麗娟, 袁鐘達 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)