[发明专利]基于生物启发的大规模分布式节点自组织接入方法

权利要求书

1.基于生物启发的大规模分布式节点自组织接入方法，其特征在于，将各网络节点视为不同的智能体，当智能体的行为状态发生变化并且达到预设条件时，在网络中发送广播信息，将该过程看作是智能体在环境中留下信息素，其他智能体通过接收该信息素来调整自己当前的行为状态；

包括如下步骤：

步骤1：将节点在t时刻的状态看作为一个相位值θ(t)，节点的行为包括相位变化和相位更新，对每个节点都设置一个初始相位值；

步骤2：节点的相位变化是一个随时间变化的离散函数，当相位达到预设条件后，节点将接入信道开始传输数据，并且向相邻节点发送广播信号；信道中只存在一个节点发送数据包，其余节点进行相位更新；

步骤3：如果节点在相位变化过程中收到相邻节点的广播信号，则立即调整自己的状态，进行相位更新，避免与正在传输数据的节点发生冲突；

步骤1中，节点初始相位值的计算公式如下：

θ_n(1)＝w_n (1)

[T]表示该节点当前数据类型所占全部数据类型的比重，满足0＜[T]≤1，k₁、k₂是常数，α为权系数，E_rest表示该节点的剩余能量，E_max表示该节点的总能量，E_rest/E_max表示该节点的剩余能量率，满足0＜E_rest/E_max≤1，N表示节点n范围内的节点数，并假设所有的节点的总能量相等且每个节点能够自感知剩余能量；

步骤2中，节点n的相位变化满足

θ_n(t)＝w_nt (3)

如果信道中只有单个节点n的相位为2π时，其向邻节点发送广播信号，该广播信号包括当前节点的相位信息和所占用信道的预估时间信息，并且开始传输数据包，另外令其相位重置为0；当节点n在相位变化时收到邻节点发送的广播信号，该节点需要立即进行相位更新，同时发送广播信号，该广播信号包括当前节点的相位信息；

如果信道中不止一个节点的相位值达到2π时，这些节点都向周围邻节点发送广播信号，节点n在收到这些节点发出的信号后提取其中所占用信道的预估时间信息T_m，并将该信息与自身所占用信道的预估时间信息T_n进行对比，如果T_m＞T_n，节点n将发送数据包；反之，节点n进行相位更新；

步骤3中，当节点n收到邻节点m的广播信号后，提取信号中的信息进行相位更新，则更新后节点的相位表示为

θ_n(t⁺)＝θ_n(t)+F_n(t)＝w_nt+F_n(t) (4)

式(4)中，θ_n(t⁺)为节点更新后的相位值，其中t⁺满足lim_t(t⁺-t)＝0，F_n(t)表示相位更新值；

节点n根据不同邻节点m的广播信息做出不同的更新规则：

①当θ_n(t)≥θ_m(t)时，表明当节点n的相位大于除正在传输数据包的节点外的其余节点的相位；由于其相位更新只与正在传输数据包的节点有关，因此根据节点m，该节点的相位θ_m(t)＝2π，在t时刻发送广播信号中占用信道的预估时间信息T_m，计算节点n的相位更新值，即F_n(t)的大小，可表示为

式(5)中，θ_m(t)为t时刻节点m的相位，即θ_m(t)＝2π，θ_n(t⁺)表示t时刻节点n相位更新后的值，表示节点n相位变化速率；

由式(3)和式(4)可得θ_n(t⁺)＝θ_n(t)+F_n(t)，代入

2π-θ_n(t)-F_n(t)＝w_n*T_m (6)

即

F_n(t)＝2π-θ_n(t)-w_n*T_m (7)；

②当θ_n(t)＜θ_m(t)时，表明存在M个，M＝1，2，3，...，N-1，相位值比节点n大的节点，只考虑比节点n相位小和比节点n相位大的两个相近的节点对其相位更新的影响；因此，相位更新F_n(t)取决于两节点之间的相位差，则节点n的相位更新函数表示为

式(8)中，K为耦合系数，θ_α为相位延迟，G_mn(t)表示影响相位变化的权重函数；

为了使两节点的相位差的取值范围在[0，2π)中，对节点的相位差做Mod函数处理，即

则相位差函数可以表示为

当节点的相位差时，为了避免相位更新函数的值为0，在相位差函数中引入一个相位延迟θ_α，它是用来解决相邻节点之间相位的自然失配；

对于θ_α的取值：

①当θ_n(t)＜θ_m(t)时，节点相位的变化应为逆时针，即其相位更新函数F_n(t)为负，则

②当θ_n(t)≥θ_m(t)时，节点相位的变化应为顺时针，即其相位更新函数F_n(t)为正，则

G_mn(t)表示相位影响的权重函数，定义为

式(13)表示两节点的相位差值权重函数对称分布在且差值越小权重越大，节点更新相位的值越大

对于K的取值：

①当时，则

②当时，则

而相位更新需要满足

将式(14)或者(15)代入式(16)中可得到K的取值范围。