毛永毅，張 含，楊雨生，龐勝利，劉開軒

(1.西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安 710121；2.西安郵電大學 計算機學院，陜西 西安，710121；3.西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安，710121)

隨著移動互聯網行業(yè)和智能終端的發(fā)展和普及，實時定位系統(tǒng)(Real-Time Locating Systems, RTLS)正在被廣泛應用于智慧園區(qū)、智慧商場以及智慧物流等諸多領域[1]。一方面，RTLS往往會采用高密度部署方式來保證充足的定位資源[2]。另一方面，當應用于游樂場等人員流動較大的高密度應用場景時，RTLS面對的是一個動態(tài)的定位需求[3]，需要對系統(tǒng)中的新定位節(jié)點進行接入調度，使得能夠在不影響系統(tǒng)中原有定位節(jié)點性能的情況下，完成新節(jié)點接入。

在新節(jié)點接入的相關研究中，雷磊等[4]通過基于定長時隙的多跳ad hoc網絡DFC協(xié)議馬爾可夫鏈模型，得到網絡飽和吞吐量性能的相關指標理論值，為研究網絡資源的相關問題提供了幫助。唐倫等[5]通過在網絡層的擁塞控制以及基于網絡切片的資源分配方法完成了對動態(tài)業(yè)務下的網絡資源調度，可以在資源調度的時隙內完成動態(tài)節(jié)點資源調度。但是，RTLS面對的實際場景業(yè)務往往復雜且多樣，該分配方式會造成大量的額外開銷。GOPALAN S H等[6]利用動態(tài)布谷鳥搜索算法評估動態(tài)網絡中無線鏈路，可以通過調整局部動態(tài)參數，使得網絡能夠發(fā)現并分配新節(jié)點的最佳路由。但是，該方法基于短期網絡的運行狀態(tài)進行建模，而RTLS是一種長運行網絡，該方法未進一步分析長期數據對網絡的影響。AZALY N M E 等[7]和REN J等[8]分別通過預留信道和動態(tài)緩存的策略實現了動態(tài)網絡中短期內大規(guī)模數據傳輸需求，但對于RTLS長期保留預留信道或緩存資源會降低信道使用效率，造成資源浪費。張盈等[9]和LIANG等[10]分別分析了超寬帶無線網絡和異構無線網絡中的網絡鏈路狀態(tài)后發(fā)現，當信道中有新節(jié)點接入時，可以通過為動態(tài)網絡進行動態(tài)分配網絡參數等方式，為新節(jié)點接入的信道提供更快的通信速率，從而有效地提升無線網絡的性能。但是，在RTLS中，帶寬往往是由協(xié)議棧根據網絡規(guī)劃直接分配的，并不能做實時的參數重新分配。姚引娣等[11]通過將固定時隙分配方法調整為動態(tài)時隙分配方法，平衡LoRa網絡中節(jié)點的優(yōu)先級，能夠根據當前網絡容量動態(tài)的調整時隙分配策略。該算法盡管緩解了新節(jié)點接入時對原有業(yè)務的影響，但仍然存在消耗信道資源多的問題，不能在有效節(jié)約信道資源的情況下完成新節(jié)點接入。

為了提高系統(tǒng)網絡的信道利用率，節(jié)約信道資源，擬提出一種基于泊松分布的高密度RTLS新節(jié)點接入方法。在一個正常運行的高密度RTLS中進行動態(tài)業(yè)務的新節(jié)點接入調度，通過計算可用業(yè)務信道在單位時間內擁有足夠新節(jié)點接入時間的概率，列出可供新節(jié)點接入的信道表，根據信道表完成新節(jié)點接入，最終達到提高系統(tǒng)網絡的信道利用率的目的。

1 問題描述

RTLS通常由定位節(jié)點、網關、服務器組成[12]。定位節(jié)點通過空中接口向網關發(fā)送定位信號。響應網關發(fā)送的定位系統(tǒng)命令，網關用于接收節(jié)點的定位信號，同時可向節(jié)點發(fā)送命令。服務器用于解析定位信息和位置運算，RTLS系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

圖1 RTLS系統(tǒng)結構示意圖

對一個正在運行的高密度RTLS，此時有新的節(jié)點申請接入，進行如下假設。

1)假設網絡業(yè)務通信區(qū)域的長寬均為D，為一個方形區(qū)域。區(qū)域內共有N個網關與M個節(jié)點，網絡中有V個新節(jié)點申請接入。

2)設網絡中已經接入節(jié)點采用高密度隨機方式部署。部署位置信息未知，且節(jié)點在部署完成后位置不再移動。

3)設網絡中申請接入的新節(jié)點采用隨機方式部署，且部署位置未知。

4)設網絡中每兩個網關之間的信號相互覆蓋，且覆蓋區(qū)域均為以網關為圓心，以R為半徑的圓形區(qū)域。

5)設在通信區(qū)域中，各個網關的通信范圍相互覆蓋，且通信區(qū)域內節(jié)點部署于讀寫器信號覆蓋范圍內。

高密度RTLS新節(jié)點接入示意圖如圖2所示。

圖2 高密度RTLS新節(jié)點接入示意圖

從圖2可以看出，在高密度部署的RTLS中，每個新節(jié)點都處于不同數量的網關信號覆蓋范圍內，從而在網絡中有數量不同的網關可供新節(jié)點接入。系統(tǒng)中每個網關擁有多個業(yè)務信道，新節(jié)點在網絡中可以選擇任意一個業(yè)務信道作為通信信道。

在高密度RTLS環(huán)境中，由于網絡中各個業(yè)務信道接入節(jié)點數量不同，導致每個業(yè)務信道擁有空閑時間段的數量和每個空閑時間段長度不同，新節(jié)點在接入時需要選擇最適合的信道完成接入。在接入新節(jié)點后的業(yè)務需要盡可能地降低對于原有業(yè)務的影響，新節(jié)點接入方法需要滿足在原有業(yè)務的信道利用率不降低的情況下完成接入，并且在接入后需要保持較高的信道利用率。

2 高密度RTLS新節(jié)點接入方法

經典的新節(jié)點接入方法是在進行信道偵聽后，隨機選擇信道進行接入，未能對偵聽到的信道進行質量評估擇優(yōu)介入，從而造成信道未能被充分利用的情況。

在所提的新節(jié)點接入方法中，完成信道偵聽階段后，還要經過信道評估和選擇接入階段，即根據偵聽的業(yè)務信道信息進行信道質量評估，得到所有業(yè)務信道可以完成接入的概率，根據最優(yōu)的業(yè)務信道完成新節(jié)點接入。

2.1 信道偵聽階段

在信道偵聽階段，需要采集區(qū)域內所有可用的業(yè)務信道信息。由于新節(jié)點在網絡中的部署位置不同，所以每個新節(jié)點得到的可用業(yè)務信道也不一樣，每個新節(jié)點需要獨立采集周圍業(yè)務信道信息。信道偵聽階段有如下步驟下。

步驟1新節(jié)點通過廣播信道向控制平臺上報接入申請。

步驟2控制平臺將區(qū)域內所有網關的編號、業(yè)務信道數量和業(yè)務信道參數告知給新節(jié)點。

步驟3根據網關和網關中業(yè)務信道的編號，按照從小到大的順序將所有可用的業(yè)務信道排序，建立一張可用信道表。以區(qū)域中有兩個網關，每個網關含3個信道為例，可用信道表示例如表1所示。

表1 可用信道表示例

步驟4根據可用信道表的順序，偵聽區(qū)域內所有業(yè)務信道信息。若偵聽不到當前業(yè)務信道的無線信號，則將該業(yè)務信道從可用信道表中移除。

步驟5采集業(yè)務信道在單位時間內擁有的空閑時間段的數量和每個空閑時間段長度。

2.2 信道評估階段

在信道評估階段，需要對得到所有可用業(yè)務信道的空閑時間段的數量和每個空閑時間段長度進行評估，以判斷空閑時間段長度是否大于新業(yè)務節(jié)點上報消息需要的時間。

泊松分布主要描述在單位時間或者單位空間內一項隨機事件發(fā)生的概率[13]。使用泊松分布模型前提是隨機事件需要滿足兩個條件：第一，在單位時間內，隨機事件為一個離散且獨立的事件；第二，隨機事件在單位時間內發(fā)生的概率為一個常數[13]。

在高密度RTLS新節(jié)點接入過程中，新節(jié)點之間可以接入的業(yè)務信道數量不同及其導致空閑時間段的數量和每個空閑時間段長度不同，滿足泊松分布之間相互獨立且離散的條件，且在系統(tǒng)業(yè)務確定的情況下，單位時間內空閑時間段的數量是一個常數，因此，也滿足泊松分布的第二個條件。因此，選取泊松分布模型，計算新節(jié)點在單位時間內擁有足夠時間的概率。

使用泊松分布模型計算新業(yè)務節(jié)點在單位時間內擁有足夠時間的概率P1，其計算公式[13]為

(1)

其中：t表示單位時間內空閑時間段的平均時長；T表示新業(yè)務節(jié)點上報消息需要的時長。

根據圖6中低頻功率需求圖譜，確定功率需求的范圍為[0, 100]，將其劃分為4個子集Pr = { TS、S、M、B}；基于磷酸鐵鋰電池的工作原理和特性，確定SOCb在[0.3, 0.9]之間，將其劃分為3個子集SOCb ={L、M、H}；基于超級電容的工作原理和特性，通過雙向DC/DC變換器對超級電容進行升壓控制，擴大了超級電容的工作電位窗，其正常的工作范圍為[0.2, 0.9]，同樣分3個模糊子集SOCc = {L、M、H}；Kc的基本取值范圍為 [0, 1]，分為4個模糊子集Kc ={TS、S、M、B}。

由于在單位時間內可能會有多個空閑時間段的長度都大于新業(yè)務節(jié)點上報消息需要的時長T，所以，需要對P1進行分段加權計算。單位時間內，新業(yè)務節(jié)點在該信道擁有足夠空閑時間的加權概率P2的計算公式為

(2)

利用式(2)即可計算出可用業(yè)務信道在單位時間內擁有足夠新節(jié)點接入時間的概率，以便后續(xù)的新節(jié)點接入。

2.3 選擇接入階段

在選擇接入階段，計算平均空閑時間段長度t，根據t從大到小的順序將可用信道表重新排序。新節(jié)點從可用信道表中選擇第一個業(yè)務信道開始選擇接入。新節(jié)點接入的步驟如下。

1)根據可用信道表的順序，通過偵聽，得到所有業(yè)務信道的概率。根據3次偵聽的平均概率，按照Pi從大到小的順序重新排列可用信道表。

2)查找可用信道表，按照順序選擇第一個業(yè)務信道進行監(jiān)聽，若該業(yè)務信道空閑則使用該業(yè)務信道，若該業(yè)務信道忙則選擇可用信道表中的下一個業(yè)務信道進行監(jiān)聽，直到新業(yè)務節(jié)點接入成功。

選擇接入流程如圖3所示。

圖3 新節(jié)點接入方法流程

3 仿真及結果分析

為了驗證基于泊松分布模型的新節(jié)點接入方法的有效性，建立仿真實驗環(huán)境，并與直接接入和基于馬爾可夫鏈模型[4]的新節(jié)點接入方法進行對比，分析不同方法對原有業(yè)務系統(tǒng)信道利用率的影響以及在完成接入后新節(jié)點在正常工作時的信道利用率。

采用OPNET開發(fā)平臺[14]建立仿真實驗環(huán)境。設置的RTLS仿真區(qū)域為一個正方形，其長、寬均為2 km[15]，在區(qū)域內部署10個網關。設在網絡中已經完成接入的節(jié)點數量為800，在目前高密度RTLS的基礎上，在區(qū)域內隨機放置20個新節(jié)點，新節(jié)點接入仿真實驗環(huán)境示意如圖4所示，圖中有一臺網關，網關擁有4個業(yè)務信道，每條業(yè)務信道上接入了10個節(jié)點，此時在該網關信號覆蓋范圍下，有3個新節(jié)點申請入網。

圖4 新節(jié)點接入仿真實驗環(huán)境示意圖

使用OPNET仿真軟件平臺仿真新節(jié)點接入后的高密度RTLS，參考文獻[16]參數設置，節(jié)點域選取消息周期、通信帶寬以及碰撞退避時間等3個網絡參數作為可變參數，仿真參數選取如表2所示。

表2 仿真參數

在OPNET仿真環(huán)境中通過調整、組合消息周期、通信帶寬以及碰撞退避時間等3個網絡可變參數，一共得到1 440組數據集。通過不同通信帶寬與碰撞退避時間的組合對信道利用率的影響，對數據集進行處理分析，最終得到在通信帶寬為500.00 MHz且碰撞退避時間為1 s時的信道利用率提升效果最為理想。3種方法對業(yè)務信道中信道利用率的影響以及新節(jié)點接入后的信道利用率結果分別如圖5和圖6所示。

圖5 3種方法對信道利用率的影響

從圖5可以看出，隨著消息周期的增大，3種新節(jié)點接入方法下的原有業(yè)務信道利用率都呈下降趨勢，說明3種方法對原有業(yè)務信道利用率都不同程度地造成了一定影響。這是由于在高密度RTLS的業(yè)務信道中，新節(jié)點接入后新業(yè)務會占用信道資源來滿足業(yè)務需求，影響到原業(yè)務對信道資源的正常使用。當原有業(yè)務需要使用信道時，若已接入的新節(jié)點業(yè)務正在使用信道，則原有業(yè)務就會進行退避等待直到信道空閑，這就會對原有業(yè)務造成一定的影響。而隨著消息周期的增大，新節(jié)點業(yè)務占據的信道資源越多，原有業(yè)務對信道的利用率也就逐步下降。

新節(jié)點直接接入、馬爾可夫鏈和泊松分布等3種方法使原有業(yè)務信道利用率平均下降分別為20.31%、15.67%和20.31%，基于泊松分布的新節(jié)點接入方法對信道利用率的影響較小。

圖6 接入后的信道利用率

如圖6所示，新節(jié)點接入系統(tǒng)后，隨著原有業(yè)務消息周期增大，新節(jié)點的信道利用率會提高。這是因為隨著消息周期的增大，業(yè)務信道中空閑時間段的數量和長度都會增大，在原有業(yè)務的高消息周期中給與了新節(jié)點更多的信道資源。相較于新節(jié)點直接接入系統(tǒng)的方法，使用馬爾可夫與泊松分布方法進行新節(jié)點接入的系統(tǒng)信道利用率較高。

在新節(jié)點接入后，新節(jié)點直接接入、馬爾可夫鏈和泊松分布等3種方法的平均信道利用率分別為35.64%、37.43%和40.08%，使用泊松分布方法新節(jié)點接入的信道利用率最好。

4 結語

針對在高密度RTLS中的新節(jié)點的接入問題，提出了一種基于泊松分布的高密度RTLS新節(jié)點接入方法。該方法偵聽當前區(qū)域內網絡中的可用的業(yè)務信道，計算所有可用業(yè)務信道可以完成接入的概率并選擇概率最高的業(yè)務信道完成接入。仿真結果表明，基于泊松分布的新節(jié)點接入方法對原有業(yè)務信道利用率的影響較低，且新節(jié)點接入后的信道利用率較高。