基于应急救援场景的自组网非对称多信道选择算法研究

基于应急救援场景的自组网非对称多信道选择算法研究

付文才 孟莹莹  王立松

( 中国人民武装警察部队第一机动总队  河北省石家庄市  050000)

摘要：当前时期应急救援应用场景的条件愈发复杂化，保证网络性能处于稳定化状态之下，提高通信顺畅化系数，能够为应急救援工作的顺畅化开展予以坚实有力的支持，为了确保无线自组通信网技术的作用可以最大化发挥出来，则应当充分考虑应急救援场景的实际需求，在原有的基础上进一步探索自组网非对称多信道选择算法，以此来摆脱信道的限制与干扰性，优化网络性能。

关键词：应急救援场景；自组网；非对称；多信道选择算法

前言：在我国当前科学技术高速发展的背景下，无线自组网通信技术取得了一定的发展，同时应用多个互不相交信道硬件有助于降低通信成本，但是当同时存在多个信道时则极易干扰网络性能，难以切实应对复杂的应急救援场景条件，给救援工作的顺利开展造成了消极阻碍，本文所探讨的自组网非对称多信道选择算法是围绕在纳什均衡以及博弈论所构建出的吞吐量数学模型。

一、在应急救援场景中的无线自组网通信技术应用及优势

    无线自组网通信技术是由WLAN和AdHoc网络深层次融合所生成的一种全新无线自组网，隶属于高速率、大容量以及广范围的无线网络系统范畴中，此网络结构为网状结构，所含有的节点可长时间保持在稳定的链接状态下，连接通道与措施丰富多元化，促使各节点组建成完整化网络[1]。将其应用在应急救援场景中，它主要负责灾后的搜索救援工作、通信网络建立工作以及监控设备部署工作，搜索与救援作为应急救援的重中之重，借助于科学部署的自组网节点，构建出具有高度灵活系数的通信网络，为搜救信息的实时传输提供顺畅的通信支持，相关救援人员信息、建筑物受损状态信息、方舱信息的获取和共享更加快速，确保应急救援具有良好的响应和协调能力。当灾难发生时，通信线路通常会陷入中断和瘫痪的状态。借助自组织网络通信技术，可以在第一时间重建通信网络，加快应急响应速度和重要救援信息传输。此外，自组织的网络设备还可以配备地震和气象传感器，负责早期预报和监测工作。

二、以应急救援场景为基本导向的自组网非对称多信道选择算法

（一）组织构建系统模型

基于应急救援场景的自组网非对称多信道选择算法，需要首先充分明确实际通信网络中的信道特征往往并不等同，而且各节点的信道特征有所差异，会产生起伏变动的数据速率，利用率函数随之变化，为了规避这一不良问题，组织构建系统模型，采取混合纳什均衡手段并借助于最大化的网络吞吐量来进一步提升信道选择的公平系数。先从系统模型中的网络模型来说，有针对性地设定静态Ad hoc网络，其含有N条链路，每一条链路都可以当作是一个博弈者，各博弈者都分别有两个节点，节点相互间的竞争性与干扰性较为突出，同时节点还同步带有若干数量的无线接口以及信道。在网络模型中，有必要假设信道的数据速率不同，并且可以随着信道的质量自适应地进行调整，从而构建完整的博弈策略矩阵并计算最优饱和吞吐量。当网络模型中有一个玩家垄断了信道，或者有两个玩家共享同一信道，属于同一冲突域时，相应的吞吐量模型存在显著差异，各自的饱和吞吐量会随着数据速率的变化而变化[2]。同时在构建系统模型的过程中为了能够切实解决应急救援场景的数据拥堵问题，则通信传输方式选择应用卫星传输。
（二）科学应用混合博弈模型

自组网非对称多信道选择算法为了能够合乎应急救援场景实际需要，则要做到科学应用混合博弈模型，主要围绕在两博弈者博弈模型层面上。首先分析简单场景下的通信系统，设定两个博弈者以及两个可用信道，各博弈者都期望优先选择使用最大利用率信道来负责通信数据信息发送任务，由此可得到相应的博弈收益矩阵。当两个信道有着等同质量时，则所取得的吞吐量也会保持一致，当质量上升时，相同信道的竞争力度不断加大，则会造成网络吞吐量在原有基础上呈明显的下降趋势，利用博弈的收敛特征来明确博弈的纳什均衡值。各个信道的干扰特征和噪音都不尽相同，这就意味着正交信道质量很难做到高度匹配，若选择应用干扰性较小的信道就要同步采取多速率机制，这样数据速率才更加能够有所保证。当信道质量处于较高值时，则更加能够满足以及适应各博弈者之间的竞争，并且只含有唯一的纳什均衡点，而若存在两种都可行的纳什均衡点，为了实现最大化的利用率，则还需科学应用混合博弈模型。
（三）落实混合策略信道选择算法

考虑到应急救援场景的复杂化条件，针对于自组网非对称多信道选择算法还应当落实混合策略信道选择算法，才能发挥出显著的通信吞吐性能，提高网络通信顺畅性。通过应用蚁群算法来准确求解纳什均衡，并且利用对迭代步长的有效控制来防止出现无效解情况，粒子群搜索效率得以保障，其根本优势在于，整个求解过程只涉及到两大搜索阶段，从局部搜索层面来说通过准确计算出邻近区域下的最优解就可以实现信息素强度更新优化，而全局搜索则是依赖于规模化搜索来达成这一目标。借助于动态随机技术还有助于促使自组网非对称多信道选择算法的寻优性能被改善，收敛性增强，全局搜索是以解作为出发点，再持续缩小随机搜索空间由此锁定区域下的最优解或近似解。与此同时，利用博弈者最大化的混合策略博弈模型，将通道速率控制在给定状态，并分别调整每个通道速率，以找到并锁定最优策略，即科学地选择每个通道的特定概率。实现混合策略信道选择算法的具体过程是基于信道选择机制科学合理地设置信道速率，略信道选择算法的具体流程为，立足于信道选择机制来科学合理设定信道速率，之后在0-1范围下挑选出均匀分布的随机数，再次重新选择通过两次验证得到最终值

[3]。此外，在落实混合策略信道选择算法时还要特别考虑使用自组网依靠设备，由此才能够更加切实应对应急救援场景的复杂条件，以往的通信设备主要为对讲机，为了满足该信道算法要求则应当优先考虑使用手持终端。
（四）利用仿真结果验证算法模型与性能

为了确保信道选择算法可以切实合乎应急救援场景的实际通信需求，还需特别利用仿真结果来验证算法模型的合理性以及其具体的通信性能表现。针对于自组网非对称多信道选择算法的仿真验证选择使用MATLAB，由10次独立实验的结果平均值作为仿真结果，并且设置出较高的分组速率，促使各博弈者处于饱和的工作状态之下。MATLAB信道选择算法下的博弈者情形和MATLAB软件如下图所示：

图一 MATLAB信道选择算法下的博弈者情形

图二 MATLAB软件

先从两博弈者情形验证算法性能来说，各博弈者都分别有两个接口以及相对应的两个信道，其中一个信道为高速率，另一个信道的速率并非是一成不变的，而是处于可变状态之下，所以总共可仿真验证得到4种情形，分别是随机信道选择算法、混合策略信道选择算法、两博弈者共享低速率信道以及共享高速率信道。分别对上述4种情形的吞吐量性能加以仿真验证，能够得知其中的混合策略算法有着最为突出的性能表现，当两信道没有一致性时，MS算法和RS情形的选择不同，后者通常会随机选择2信道，容易造成应急救援场景的通信网络性能下降。4种情形的吞吐量性能如下图所示：

图三4种情形的吞吐量性能

而且当两信道的不一致性进一步加剧时，则这两种算法可以取得较为相似的仿真结果，相比于MS算法来说，SH情形的吞吐量性能表现一般，其根本原因在于没有最大化合理应用正交信道，导致信道频频出现碰撞情况；而处于SL情形下时，信道的整体运行速率不仅低下还存在竞争情况，进而造成吞吐量性能一般。
结论：综上所述，以应急救援场景为基本导向的自组网非对称多信道选择算法，能够妥善解决通信网络的非对称多信道选择问题，同步考虑到最大化吞吐量以及各博弈者的公平性，其要点围绕在组织构建系统模型、科学应用混合博弈模型、落实混合策略信道选择算法以及利用仿真结果验证算法模型与性能几方面，进而达成应急救援场景网络通信顺畅化目标。
参考文献：

[1]任智,朱其政,付泽亮,等.一种低时延的短波自组网优化链路状态路由协议[J].电讯技术,2023,63(10):1546-1552.

[2]涂嘉庆,钱云楼,周菲.应急救援场景下自组网非对称多信道选择算法[J].国外电子测量技术,2023,42(06):57-62.

[3]薛松.无线多信道网络实时性流量调度研究[D].北京交通大学,2022.

第一作者简介：付文才，1994出生，男，汉，河北唐山，助理工程师，本科学历，学士学位，网络安全方向