CN108882272A - 一种基于势博弈的波束成形节点优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于势博弈的波束成形节点优化方法及系统。优化方法包括：获取节点的最大发射功率；根据所述最大发射功率确定合作节点集合，对所述合作节点集合中各节点的参数执行势博弈，得到优化的节点参数；对所述的合作节点集合采用所述优化的节点参数进行信息传输。采用本发明的方法或系统，通过势博弈过程，实现了旁瓣电平最小化和能耗均衡的联合优化，有效地提升了网络中节点的能量利用率，调整了网络中的数据流量分布，均衡了网络中节点的能量消耗，提高网络的吞吐量，有效地延长了网络的生命周期。

Description

一种基于势博弈的波束成形节点优化方法及系统

技术领域

本发明涉及节点传输领域，特别是涉及一种基于势博弈的波束成形节点优化方法及系统。

背景技术

随着嵌入式技术、通信技术、云计算等发展，对物联网的研究进入飞速发展阶段，无线传感器网络属于物联网领域中的基础技术，能够有效监控物理世界，并对其进行数字化，但是能量问题一直是无线传感器网络研究过程中的掣肘，节点能量消耗的不均衡会导致网络生命周期过早结束，即网络无法提供服务。对于大规模无线传感器网络存在如下两个问题：1.距离基站较远的传感器节点传输数据消耗能量较多；2.基站附近的节点承载转发数据量较大，上述两个问题即网络中的负载不均衡导致网络中能耗不均衡的主要根源。

波束成形技术近几年发展较为迅速，较为成熟的为线阵，圆环阵列等，但是无线传感器网络中的节点通常为随机分布，很难找到完全匹配的阵列，如果采用天线随机阵列的方式实现节点合作，合作节点的参数选择决定了合作波束的质量，因此优化节点参数十分必要，现有的方法通常是采用群智能算法等实现节点参数的优化，但是通常是对单一指标进行优化，即旁瓣电平最小，因此，亟需一种能够实现旁瓣电平和能耗均衡联合优化的方法或者系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于势博弈的波束成形节点优化方法及系统，实现了旁瓣电平和能耗均衡联合优化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于势博弈的波束成形节点优化方法，所述优化方法包括：

获取数据源节点的最大发射功率；

根据所述最大发射功率确定合作节点集合；

对所述合作节点集合中各节点的参数执行势博弈，得到优化的节点参数；

将所述合作节点集合采用所述优化节点参数进行信息传输。

可选的，所述根据所述最大发射功率确定合作节点集合，具体包括：

根据所述最大发射功率确定节点的通信半径；

根据所述的节点通信半径来确定邻居节点集合；

根据所述邻居节点集合确定所述合作节点集合。

可选的，所述对所述合作节点集合中各节点的参数执行势博弈，得到优化的节点参数，具体包括：

每一轮博弈根据所述合作节点集合确定执行节点；通过所述执行节点对所述合作节点集合进行势博弈，得到优化的节点参数。

可选的，所述根据所述合作节点集合确定执行博弈节点，具体包括：

所述合作节点集合中的节点随机选取数值，所述数值为所述执行博弈节点。

可选的，所述博弈过程具体包括：

确定所述合作节点集合中执行博弈的节点，根据收益最大原则调整其参数，得到调整后的节点参数，即为优化的节点参数。

可选的，所述在通过所述优化发射功率对所述合作节点集合进行合作传输步骤之后还包括：

判断合作节点集合的传输距离是否小于设定值；

若是，则数据源信息通过所述合作节点集合采用多跳传输方式传输到基站；

若否，则数据源信息直接传输到基站。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于势博弈的波束成形节点优化系统，所述优化系统包括：

最大发射功率获取模块，用于获取数据源节点的最大发射功率；

合作节点集合确定模块，用于根据所述最大发射功率确定合作节点集合；

博弈模块，用于对所述合作节点集合中各节点的参数执行势博弈，得到优化的节点参数；

信息传输模块，用于将所述合作节点集合采用所述优化节点参数进行信息传输。

可选的，所述合作节点集合确定模块，具体包括：

通信半径确定单元，用于根据所述最大发射功率确定节点的通信半径；

邻居节点集合确定单元，用于根据所述的节点通信半径来确定邻居节点集合；

合作节点集合确定单元，用于根据所述邻居节点集合确定所述合作节点集合。

可选的，所述博弈模块，具体包括：

执行节点确定单元，用于根据所述合作节点集合确定执行博弈节点；

博弈单元，用于通过所述执行节点对所述合作节点集合进行势博弈，得到优化节点参数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种基于势博弈的波束成形节点优化方法，所述优化方法包括：获取节点的最大发射功率；根据所述最大发射功率确定合作节点集合；对所述合作节点集合中各节点的参数执行势博弈，得到优化节点参数；所述合作节点集合采用所述优化节点参数进行信息传输。本发明通过势博弈过程，实现了旁瓣电平最小化和能耗均衡的联合优化，有效地提升了网络中节点的能量利用率，调整了网络中的数据流量分布，均衡了网络中节点的能量消耗，提高网络的吞吐量，有效地延长了网络的生命周期。利用势博弈对合作节点的参数进行优化，使得合作波束的旁瓣电平达到最低，结合代价函数考虑了节点能耗的均衡性，延长了网络的生命周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于势博弈的波束成形节点优化方法流程图；

图2为本发明实施例采用多跳传输的方式进行的信息传输示意图；

图3为本发明实施例基于势博弈的波束成形节点优化系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例基于势博弈的波束成形节点优化方法流程图。如图1所示，一种基于势博弈的波束成形节点优化方法，所述优化方法包括：

步骤101：获取数据源节点的最大发射功率；

步骤102：根据所述最大发射功率确定合作节点集合；节点依据初设最大发射功率P^max确定邻居节点集合N_neighbor，根据邻居集合中节点是否作为别的节点的邻居节点来确定合作节点集合T。具体的，根据所述最大发射功率确定节点的通信半径；根据所述的节点通信半径来确定邻居节点集合；根据所述邻居节点集合确定所述合作节点集合。

步骤103：对所述合作节点集合中各节点的参数执行势博弈，得到优化的节点参数；

步骤104：将所述合作节点集合采用所述优化节点参数进行信息传输。

步骤103，具体包括：

根据所述合作节点集合确定执行博弈节点；

通过所述执行博弈节点对所述合作节点集合进行势博弈，得到优化的节点参数。

博弈过程具体包括：所述合作节点集合中的各个节点在其执行博弈过程时，根据收益最大原则调整节点参数，得到优化节点集合，调整后的节点参数为优化节点参数。

合作节点集合T中的节点依据随机函数Rand(0,N)生成一个随机值，设定执行博弈过程的节点ID＝Rand(0，N)，节点依次执行博弈过程，从而避免发生冲突。每个节点在到达执行等待时间之后调整其发射功率使得其收益函数U_k(A_k)达到最大，若未到达执行等待时间则保持其发射功率不变。

收益函数表示每个合作节点参与协作传输获得收益和所付出代价的权衡。因此对于每一个候选合作节点，其收益函数可以定义为

U_k(A_k)＝f_k(A_k)-g_k(A_k)

其中，假设传感器节点均匀分布在监测区域内，网络中数据源集合为S＝{i|i＝1，2，……，N_source}，邻居节点集合为N＝{j|j＝1,2,……，N_neighbor}，合作节点集合可定义为T＝{k|k＝1,2,……,N_candidate}。一般的，策略博弈I可表示为一个三元组I＝<C,A,U>，其中，C表示参与者，即合作节点集合T，A表示有限的行为空间，A_k表示参与者k可选的行为集合，若参与者k有m个可选的行为，则A_k＝{A_k1，A_k2，……，A_km}，通常用A＝(A_k，A_-k)表示一个行为组合，其中A_k表示参与者k的选择的行为，A_-k表示其余N_candidate个参与者的行为选择。U是所有参与者收益函数的一维向量，U＝{U₁，U₂，……，U_Ncandidate}。其中U_k(A_k，A_-k)表示第k个参与者在行为组合(A_k，A_-k)所得到的收益。

其中函数f_k表示执行行为A_k的利益函数，即候选合作节点k参与协作传输，对本次传输产生的利益。g_k表执行行为A_k的代价函数，即候选节点k参与协作传输付出的代价。其中，f_k和g_k分别表示为

其中，w是一个一维向量，由参与合作节点的当前发射功率组成，假设合作节点数量为n，第l轮博弈的w值为

阵列因子AF的定义如下：

节点k的坐标采用极坐标表示，θ为主瓣方向角，其中θ∈[0，2π]，θ_ML为主瓣的角度；θ_SL为旁瓣的角度；假设AF函数可以求取t个旁瓣，其中最大的表示为max|AF(θ_SL,w)|，其他峰值按照值的从小到大进行排序组成一组一维向量为[|AF(θ_SL,w)|¹,|AF(θ_SL,w)|²，……，|AF(θ_SL,w)|^t]，|AF(θ_SL,w)|^t＝max|AF(θ_SL,w)|,因此有

考虑候选合作节点位置对协作传输的影响，利用函数H_k作评估函数，评估候选合作节点对传输增益的影响。函数H_k可表示为

P_r(d_ij)表示j节点接收i节点数据的接收功率，μ表示中断率，只有接受功率大于中断率表示链路通畅，否则表示节点i和节点j无法建立连接。

P_r为接收功率；P_t为发送功率；G为发送天线的增益；G_o为接收天线的增益；d为发射机到接收机的距离；λ为载波的波长。

在收益函数中，利用函数H_k(A_k)表征节点之间的连接关系，α和β分别表示各项在收益函数中所占的比重，收益函数主要用于优化旁瓣电平，通过调整权重使得最大旁瓣电平达到最小，所有旁瓣具有较低均值。

在代价函数中，为节点k的初始能量,为k节点的剩余能量；分母为节点k在第l轮选定功率下的邻居节点的平均剩余能量，可表示为；

依据f_k和g_k的定义可知，该收益函数联合优化旁瓣电平和能耗均衡，当剩余能量较多时，链路质量占主要地位，当剩余能量较少时，网络的能耗均衡性占主要地位。

另外，在计算节点能耗时，依据的能量消耗公式为：

发送数据能量消耗：

接收数据能量消耗：

E_rx＝lE_elec

E_elec为发射电路损耗的能量；d为节点的发射距离；d_o为阈值；ε_fs、ε_amp分别为自由空间模型和多路径衰减模型的功率放大所需要的能量；l为发送或接收的数据长度。

每一轮博弈，节点可以确定一个功率值p，经过若干轮迭代，当合作节点集合T中剩余节点的发射功率p不再发生变化，则得到优化发射功率，此时博弈过程收敛到纳什均衡点。

所述合作节点集合采用所述优化发射功率进行信息传输。

在所述合作节点集合通过所述优化发射功率进行合作传输步骤之后还包括：

判断节点点辐射的网络范围是否大于设定值或者判断节点点信息的传输距离是否小于于设定值；

若是，则数据源信息通过所述合作节点集合采用多跳传输方式传输到基站；

若否，则基点信息直接传输到基站。

具体描述如下：

当数据源节点确定合作节点集合和优化发射功率后，利用波束成形技术实现信息的定向协作传输，即合作节点集合沿着基站所在方向传输数据。但对于大规模网络，节点采用随机播撒的方式覆盖区域，存在以下两种方式需要进行多跳传输：①可利用合作节点集合形成的信号无法到达基站，②网络范围过大，采用中继方式传输数据，即合作节点对于距离基站较远的协作传输节点集合，将采用多跳传输的方式实现能量的高效利用。图2为本发明实施例采用多跳传输的方式进行的信息传输示意图。但利用波束成形技术仅能确定传输方向，联合传输方向角和中断率进行传输区域裁剪，进而确定优化的中继节点。

节点传输方向角可表示为数据基点与基站之间的传输方向角，可表示为

其中，(x_BS，y_BS)和(x_source,y_source)为数据基点和基站的坐标。

中断率为评价链路质量的一个常用指标，即当接收信号功率低于约定的阈值，即无法进行通信，假设网络可容忍的中断率的最大值为μ，则可表示为

根据设定的最大中断率μ，可求得实际传输距离d，联合传输方向角即可对中继点所在区域进行裁剪。在裁剪区域内找到距离基站最近的节点作为中继节点进行数据转发。

根据图2可知，区域裁剪过程为：

(1)首先将求取的方向角进行角度为θ的偏移获得扇形区域A，扇形区域A的半径长度为根据Pr(d)求得的实际传输距离d。

(2)对扇形区域A进行二次裁剪缩小范围，在d-r处画弧进而获得中继区域B，其中r为节点发射半径。

(3)在中继区域B内找到距离基站最近的节点作为中继节点。

图3为本发明实施例基于势博弈的波束成形节点优化系统结构图。如图3所示，一种基于势博弈的波束成形节点优化系统，所述优化系统包括：

最大发射功率获取模块301，用于获取数据源节点的最大发射功率；

合作节点集合确定模块302，用于根据所述最大发射功率确定合作节点集合；

博弈模块303，用于对所述合作节点集合中各节点的参数执行势博弈，得到优化的节点参数；

信息传输模块304，用于将所述合作节点集合采用所述优化节点参数进行信息传输。

所述合作节点集合确定模块302，具体包括：

邻居节点集合确定单元，用于根据所述最大发射功率确定邻居节点集合；

合作节点集合确定单元，用于根据所述邻居节点集合确定所述合作节点集合。

所述博弈模块303，具体包括：

执行博弈节点确定单元，用于根据所述合作节点集合确定执行节点；

博弈单元，用于通过所述执行节点对所述合作节点集合进行势博弈，得到优化节点集合和优化发射功率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于势博弈的波束成形节点优化方法，其特征在于，所述优化方法包括：

获取数据源节点的最大发射功率；

根据所述最大发射功率确定合作节点集合；

对所述合作节点集合中各节点的参数执行势博弈，得到优化的节点参数；

将所述合作节点集合采用所述优化节点参数进行信息传输。

2.根据权利要求1所述的基于势博弈的波束成形节点优化方法，其特征在于，所述根据所述最大发射功率确定合作节点集合，具体包括：

根据所述最大发射功率确定节点的通信半径；

根据所述的节点通信半径来确定邻居节点集合；

根据所述邻居节点集合确定所述合作节点集合。

3.根据权利要求1所述的基于势博弈的波束成形节点优化方法，其特征在于，所述对所述合作节点集合中各节点的参数执行势博弈，得到优化的节点参数，具体包括：

每一轮博弈根据所述合作节点集合确定执行节点；通过所述执行节点对所述合作节点集合进行势博弈，得到优化的节点参数。

4.根据权利要求3所述的基于势博弈的波束成形节点优化方法，其特征在于，所述根据所述合作节点集合确定执行博弈节点，具体包括：

所述合作节点集合中的节点随机选取数值，所述数值为所述执行博弈节点。

5.根据权利要求3所述的基于势博弈的波束成形节点优化方法，其特征在于，所述博弈过程具体包括：

确定所述合作节点集合中执行博弈的节点，根据收益最大原则调整其参数，得到调整后的节点参数，即为优化的节点参数。

6.根据权利要求1所述的基于势博弈的波束成形节点优化方法，其特征在于，所述在通过所述优化发射功率对所述合作节点集合进行合作传输步骤之后还包括：

判断合作节点集合的传输距离是否小于设定值；

若是，则数据源信息通过所述合作节点集合采用多跳传输方式传输到基站；

若否，则数据源信息直接传输到基站。

7.一种基于势博弈的波束成形节点优化系统，其特征在于，所述优化系统包括：

最大发射功率获取模块，用于获取数据源节点的最大发射功率；

合作节点集合确定模块，用于根据所述最大发射功率确定合作节点集合；

博弈模块，用于对所述合作节点集合中各节点的参数执行势博弈，得到优化的节点参数；

信息传输模块，用于将所述合作节点集合采用所述优化节点参数进行信息传输。

8.根据权利要求7所述的基于势博弈的波束成形节点优化系统，其特征在于，所述合作节点集合确定模块，具体包括：

通信半径确定单元，用于根据所述最大发射功率确定节点的通信半径；

邻居节点集合确定单元，用于根据所述的节点通信半径来确定邻居节点集合；

合作节点集合确定单元，用于根据所述邻居节点集合确定所述合作节点集合。

9.根据权利要求7所述的基于势博弈的波束成形节点优化系统，其特征在于，所述博弈模块，具体包括：

执行节点确定单元，用于根据所述合作节点集合确定执行博弈节点；

博弈单元，用于通过所述执行节点对所述合作节点集合进行势博弈，得到优化节点参数。