CN109219007B - 一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，所述方法包括步骤：S1、基于雾计算建立包括雾节点、中继节点、可再生能源供应者、频谱拥有者、边缘节点和终端设备的物联网网络结构；S2、基于Stackelberg模型建立领导者追随者博弈模型，由雾节点作为领导者面向终端设备制定无线网络服务价格策略p；可再生能源供应者作为追随者根据无线网络服价格策略p确定中继节点需要能量的价格策略w；其中，物联网网络结构中设置有一个雾节点和预设数量的中继节点，可再生能源供应者用于为物联网网络结构提供能量，边缘节点用于集中终端设备，终端设备用于传输数据；本发明可以提升物联网网络结构的稳定性，数据传输效率，并有效提高了物联网网络结构的利润。

Description

一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法。

背景技术

雾计算是一种分布式计算、通信、控制和存储结构，它比云计算更加接近终端用户，是一种新型的计算平台。雾计算由Cisco公司提出，它将云计算的范例扩展到网络边缘，在本地雾设备上(比如路由器，交换机，IP视频摄像头等)处理部分工作量和服务而不是传输到云上进行处理。

经对现有技术文献的检索发现，Jianhua He,Jian Wei,Kai Chen等人在《IEEEInternet of Things Journal，no.99,2017(电气电子工程师协会无线通信领域期刊，2017年》上发表了题为“Multi-tier Fog Computing with Large-scale IoT Data Analyticsfor Smart Cities(对采用大范围的多层雾计算的智能城市物联网数据分析)”一文，该文提出一种新型的多层针对智能城市应用的雾计算模型，该模型包括特定雾和专用雾。另经检索发现，Hesham El-Sayed,Sharmi Sankar,Mukesh Prasad等人在《IEEE Access(电气电子工程师协会无线通信领域期刊)》上发表了题为“Edge of Things:The Big Picture onthe Integration of Edge,IoT and the Cloud in a Distributed ComputingEnvironment(物体的边缘：在分布计算环境的边缘、物联网以及云融合的重点)”一文，该文总结了在边缘计算中的机遇和挑战，验证雾计算的效率和优势，同时广泛地调查边缘系统并且与云计算系统进行了比较。通过雾计算平台，物联网应用和服务可以通过边缘网络以及接入点、机顶盒、RSU和M2M运行。这些成果降低延迟，提高了服务质量，并且允许实时数据分析，从而带来卓越的用户体验以及创建以消费者为中心的物联网产品。但是，这些成果并没有考虑到可再生能源提供者的雾计算系统。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，该方法通过在可再生能量提供者之间形成联盟然后共同制定价格策略，实现了基于雾计算物联网网络结构中，可再生能量以及频谱的分配，并且使得整个网络达到一种公平、稳定的状态；用以解决现有技术的物联网网络结构中系统不稳定、效率低且利润少的问题，具体技术方案如下：

一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，所述方法包括步骤：

S1、基于雾计算建立包括雾节点、中继节点、可再生能源供应者、频谱拥有者、边缘节点和终端设备的物联网网络结构；

S2、基于Stackelberg模型建立领导者追随者博弈模型，由所述雾节点作为领导者面向所述终端设备制定无线网络服务价格策略p；所述可再生能源供应者作为追随者根据所述无线网络服价格策略p确定所述中继节点需要能量的价格策略w；

其中，所述物联网网络结构中设置有一个所述雾节点和预设数量的所述中继节点，所述可再生能源供应者用于为所述物联网网络结构提供能量，所述边缘节点用于集中所述终端设备，所述终端设备用于传输数据。

作为优选，在步骤S1中，还包括步骤：构建由所述可再生能源供应者形成的联盟B＝{B₁,B₂,...,B_m}，其中，B₁,B₂,...,B_m分别表示不同的所述可再生能源供应者形成的不同联盟，m表示所有所述联盟的数目；

其中，所有所述联盟中所述可再生能源供应者的数目为n。

作为优选，在所述物联网网络结构中，所述数据由所述终端设备传输到所述边缘节点，所述数据在所述边缘节点集中，所述边缘节点通过所述中继节点传输至所述雾节点。

作为优选，所述联盟中的联盟B_j向所述雾节点收取的总价格由公式

表示，其中，w_i表示所述联盟B_j中每一所述可再生能源供应者收取的价格；所述联盟B_j的开销由公式

表示，其中，c_i表示所述联盟B_j中每一所述可再生能源供应者收取的开销；所有所述联盟的开销由公式

表示；

且公式

公式

和公式

中，j满足条件1≤j≤n。

作为优选，所述无线网络服务价格策略p由公式

计算，所述雾节点的利润由公式

计算，其中，p表示所述雾节点面向所述终端设备收取的费用，m表示所有所述联盟的数目，C表示所有所述联盟的总开销，Q(p)表示所述物联网网络结构中接入的所述终端设备数目，α和β为常数，且满足条件α≥0，β≤1以及α+βp>0；所述价格策略w由公式

结合公式

计算得到，w表示所有中继节点需要能量的价格的总和。

作为优选，所述联盟包括只有一个所述可再生能源供应者的独立供应者联盟和包括多个所述可再生能源供应者的多供应者联盟。

作为优选，所述方法还包括步骤：

计算每一个所述联盟中所述可再生能源供应者的数目，并按所述数目从小到大排列；

定义公式

来衡量每个所述联盟的稳定程度；

制定所述物联网网络结构中独立的可再生能源供应者能否加入联盟的第一条件U(m-1)≤|B₂|+1；

制定所述可再生能源供应者能否背离自身所在联盟的第二条件|B_m|≤U(m)；

遍历所有所述可再生能源供应者，基于第一条件U(m-1)≤|B₂|+1和第二条件|B_m|≤U(m)对所述可再生能源供应者进行判断，得到稳定的联盟。

作为优选，所述联盟B_j的利润由公式

计算，得出各个所述联盟的利润分配规则；所述联盟B_j中单个所述可再生能源供应者的利润由公式

计算，得出每个所述联盟内部的每个所述可再生能源供应者的利润分配规则；所述联盟B_j的能源价格策略

由公式

计算得到，并由公式

计算得到所述联盟B_j中每个所述可再生能源供应者的价格策略；其中，

表示联盟B_j的价格策略，

表示在最优价格p时的联盟B_j的价格策略，由公式

计算得到；w^*表示由公式

计算得到的w的值。

本发明的面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，首先基于雾计算构建由一个雾节点、多个中继节点、可再生能源供应者、频谱供应者、边缘节点和终端设备的物联网网络结构，并通过可再生能源供应者向物联网网络结构提供能量，由边缘节点集中终端设备；并且根据可再生能源供应者的不同类型形成对应类型的联盟；随后基于Stackelberg模型构建由雾节点作为领导者和由可再生能源供应者最为追随者的博弈模型，并制定领导者面向终端设备的无线网络服务价格策略p，然后可再生能源供应者基于无线网络服务价格策略p确定中继节点所需可再生能源供应者提供能量的价格策略w；与现有技术相比，本发明通过在可再生能量提供者之间形成联盟，以及联盟间进行博弈，使得联盟中的可再生能源供应者不会背离当前联盟加入其他联盟或保持独立，独立的可再生能源供应者不会加入联盟，最终形成一种稳定状态；从而使得系统更加稳定，相同时间内传输更多数据，网络的利润更高。

附图说明

图1为本发明实施例中所述面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法的流程框图示意；

图2为本发明实施例中所述物联网网络结构的结构组成框图示意；

图3为本发明实施例中所述物联网网络结构稳定时不同可再生能源供应者的利润比较示意图；

图4为本发明实施例中所述联盟的形成过程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。

实施例一

结合图1～图4，对本发明提供的一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法进行详细说明，本发明的面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法包括步骤：S1、基于雾计算建立包括一雾节点、多个中继节点、n个可再生能源供应者、频谱拥有者、边缘节点和终端设备的物联网网络结构；在物联网网络结构中，可再生能源供应者用于为物联网网络结构提供能量，边缘节点用于集中终端设备，终端设备用于传输数据；具体为：数据由终端设备传输到边缘节点，数据在边缘节点集中，边缘节点通过中继节点传输至雾节点；同时构建由可再生能源供应者形成的联盟B＝{B₁,B₂,...,B_m}，其中，B₁,B₂,...,B_m分别表示不同的可再生能源供应者形成的不同联盟，m表示所有所述联盟的数目。在具体实施例中，联盟中的某一联盟B_j向雾节点收取的总价格由公式

表示，其中，w_i表示联盟B_j中每一可再生能源供应者收取的价格；联盟B_j的开销由公式

表示，其中，c_i表示所述联盟B_j中每一所述可再生能源供应者收取的开销；所有所述联盟的开销由公式

表示；且公式

公式

和公式

中，j满足条件1≤j≤n。

优选的，若联盟只包括一个可再生能源供应者，则对应联盟为独立供应者联盟；若联盟包括多个可再生能源供应者，则对应联盟为多供应者联盟。

S2、基于Stackelberg模型建立领导者追随者博弈模型，由雾节点作为领导者面向终端设备制定无线网络服务价格策略p；可再生能源供应者作为追随者根据无线网络服价格策略p确定中继节点需要能量的价格策略w；其中，无线网络服务价格策略p由公式

计算，雾节点的利润由公式

计算，式中，p表示雾节点面向所述终端设备收取的费用，m表示所有所述联盟的数目，C表示所有所述联盟的总开销，Q(p)表示所述物联网网络结构中接入的所述终端设备数目，α和β为常数，且满足条件α≥0，β≤1以及α+βp>0；价格策略w由公式

结合公式

计算得到。

本发明为了使得由所述独立供应者联盟和所述多供应者联盟构成的物联网网络结构具有较好稳定性的具体实现过程为：

首先，计算每一个联盟中可再生能源供应者的数目m，并按所述数目从小到大排列，即从|B₁|按顺序|B₁|≤|B₂|≤...≤|B_m|排列到|B_m|表示；并定义公式

由公式

来衡量每个联盟的稳定程度，式中，U(m)表示联盟的稳定程度，∏(m)表示由m个成员构建联盟的利润，∏(m+1)表示联盟中成员数量增加的时候对应联盟的利润；然后设立第一条件U(m-1)≤|B₂|+1，用以判断独立的可再生能源供应者是否可加入其他联盟，若满足第一条件U(m-1)≤|B₂|+1，则独立的可再生能源供应者不可加入其他联盟；以及设立第二条件|B_m|≤U(m)，用以判断可再生能源供应者是否会背离其所在联盟，若可再生能源供应者满足第二条件|B_m|≤U(m)，则对应的可再生能源供应者不会背离其所在联盟；最后，遍历所有可再生能源供应者，并基于设立的第一条件U(m-1)≤|B₂|+1和第二条件|B_m|≤U(m)对可再生供应者进行判断，以此保证整个联盟的稳定性；在具体实施例中，若不满足一条件，独立的能源供应者不可加入其他联盟，将会保持独立状态；若不满足第二条件，联盟中的能源供应者则不会背离其联盟，它将会留在联盟中。

在本发明的具体实施例中，联盟B_j的利润由公式

计算，得出各个联盟的利润分配规则；联盟B_j中单个可再生能源供应者的利润由公式

计算，得出每个联盟内部的每个可再生能源供应者的利润分配规则；联盟B_j的能源价格策略

由公式

计算得到，并由公式

计算得到联盟B_j中每个可再生能源供应者的价格策略。

实施例二

为便于本领域的普通技术人员实施本发明，现提供一个包含具体数据的实施例，具体如下：

首先，基于雾计算构建建立网络模型，该网络包含一个雾节点、中继节点节点、一个频谱拥有者、边缘节点、向中继节点提供能量的可再生能源供应者n分别从3取到12和终端设备接入数Q(p)＝0.1e^-0.1p，p是雾节点向终端设备收取的费用，且终端设备通过雾节点集中在一起，并通过一个无线回程链路连接到核心网络；其中，通信链路中，无线回传链路的频率为25*10^3GHz，带宽为20MHz，对于路径损耗函数为L(h)＝32.5+20log₁₀(f)+10γlog₁₀(h)+A×h，式中，f是载波频率，γ是路径损耗指数，本实施例中取γ＝2.2，A＝8dm/km，h是链路距离，优取h从110m取到200m,分别对应不同的n，可以求出L＝[100.2494，101.1608，102.0056，102.0056,103.5328，104.2294，104.8887，105.5148，106.1114,106.6815]。

随后，用B＝{B₁,B₂,...,B_m}表示形成的联盟结构，{B₁,B₂,...,B_m}分别表示不同可再生能源供应者形成的联盟，形成的联盟数目为m，根据前面设置的可再生能源供应者数量求得的均衡时可再生能源供应者联盟数m＝[2，2，3，3，4，4，5，5，6，6]。

然后，建立基于Stackelberg模型的领导者追随者博弈模型，在博弈中，雾节点作为领导者面向终端设备制定无线网络服务价格策略p；可再生能源供应者根据雾节点的价格策略p确定中继节点所需能量的价格策略w；可再生能源供应者通过形成联盟的方法形成若干可再生能源供应者联盟，联盟中的可再生能源供应者共同制定价格策略和存储策略，最终使得联盟中的可再生能源供应者不会背离当前联盟而加入其他联盟或变为独立，同时，独立的可再生能源供应者会保持独立状态，不会加入联盟，以构成一个稳定的联盟。通过博弈，最终雾节点和可再生能源供应者利润更高，更加合理配置资源，提高网络性能。

最后，确定雾节点面向终端设备制定的无线网络服务价格策略p和可再生能源供应者的价格策略w，根据公式

计算雾节点制定的向终端设备收取的费用，且雾节点采用该价格策略时模型是稳定的，整体网络服务质量最优，根据联盟数m＝[2，2，3，3，4，4，5，5，6，6]的取值，同时，本发明优取α＝0.1，β＝0.1，且α≥0，β≤1，此时，可求出p为[11.0137，10.9145，10.8241，10.7411，10.6644，10.5931，10.5265，10.4641，10.4052,10.3496]；进一步根据公式

求出雾节点的利润值为[1.5848,0.7185,0.3627,0.1996,0.1179,0.0738,0.0485,0.0332,0.0236,0.0172,0.0129]；随后，根据公式

和

求取可再生能源供应者的整体价格w为[2.8400，4.6000，6.8000，9.6286，13.4000，18.6800，26.6000，39.8000，66.2000，145.4000]。

在本发明中，可再生能源供应者稳定联盟形成过程为：首先在n个可再生能源供应者间随机形成m个联盟，即B＝{B₁,B₂,...,B_m}，并分别按联盟中可再生能源供应者数目从少到多按|B₁|到|B_m|表示，即为|B₁|≤|B₂|≤...≤|B_A|；并定义公式

用来衡量联盟的稳定程度；然后判断可再生能源供应者是否是独立的，若是，独立的可再生能源供应者满足第一条件U(m-1)≤|B₂|+1，则所述可再生能源供应者不加入其他联盟；并且若联盟中的可再生能源供应者满足第二条件|B_m|≤U(m)，则所述可再生能源供应者就不可背离所在联盟加入其他联盟；最后遍历所有联盟，判断是否所有联盟均满足第一条件U(m-1)≤|B₂|+1和第二条件|B_m|≤U(m)，以得到稳定联盟。

由于本发明中，所有可再生能源供应者数量n优取从3取到12，所以稳定的联盟数可为m＝[2，2，3，3，4，4，5，5，6，6]；根据m以及上述的博弈的均衡策略，从而得出雾节点价格策略和可再生能源供应者的价格策略；并根据Shapley规则，联盟中的可再生能量供应者具有相等的利润，求出联盟B_j利润

则可得联盟B_j的利润为[11.0137，10.9145，10.8241，10.7411,10.6644,10.5931,10.5265,10.4641,10.4052,10.3496]；随后根据公式

求出联盟B_j中单个可再生能源供应者利润为[5.5069，5.4573，3.6080，3.5804，2.6661，2.6483，2.1053，2.0928，1.7342，1.7249]；最后根据公式

求出可再生能源供应者联盟B_j的价格为[1.2000，l1.3333，1.5000,1.7143,2.0000,2.4000,3.0000,4.0000,6.0000,12.0000]。

本发明的面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，首先基于雾计算构建由一个雾节点、多个中继节点、可再生能源供应者、频谱供应者、边缘节点和终端设备的物联网网络结构，并通过可再生能源供应者向物联网网络结构提供能量，由边缘节点集中终端设备；并且根据可再生能源供应者的不同类型形成对应类型的联盟；随后基于Stackelberg模型构建由雾节点作为领导者和由可再生能源供应者最为追随者的博弈模型，并制定领导者面向终端设备的无线网络服务价格策略p，然后可再生能源供应者基于无线网络服务价格策略p确定中继节点所需可再生能源供应者提供能量的价格策略w；与现有技术相比，本发明通过在可再生能量提供者之间形成联盟，以及联盟间进行博弈，使得联盟中的可再生能源供应者不会背离当前联盟加入其他联盟或保持独立，独立的可再生能源供应者不会加入联盟，最终形成一种稳定状态；从而使得系统更加稳定，相同时间内传输更多数据，网络的利润更高。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1、基于雾计算建立包括雾节点、中继节点、可再生能源供应者、频谱拥有者、边缘节点和终端设备的物联网网络结构；

S2、基于Stackelberg模型建立领导者追随者博弈模型，由所述雾节点作为领导者面向所述终端设备制定无线网络服务价格策略p；所述可再生能源供应者作为追随者根据所述无线网络服价格策略p确定所述中继节点需要能量的价格策略w；

其中，所述物联网网络结构中设置有一个所述雾节点和预设数量的所述中继节点，所述可再生能源供应者用于为所述物联网网络结构提供能量，所述边缘节点用于集中所述终端设备，所述终端设备用于传输数据；

在步骤S1中，还包括步骤：构建由所述可再生能源供应者形成的联盟B＝{B₁,B₂,...,B_m}，其中，B₁,B₂,...,B_m分别表示不同的所述可再生能源供应者形成的不同联盟，m表示所有所述联盟的数目；其中，所有所述联盟中所述可再生能源供应者的数目为n；

所述联盟中的联盟B_j向所述雾节点收取的总价格由公式

表示，其中，w_i表示所述联盟B_j中每一所述可再生能源供应者收取的价格；所述联盟B_j的开销由公式

表示，其中，c_i表示所述联盟B_j中每一所述可再生能源供应者收取的开销；所有所述联盟的开销由公式

表示；

且公式

公式

和公式

中，j满足条件1≤j≤n。

2.根据权利要求1所述的一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，其特征在于，在所述物联网网络结构中，所述数据由所述终端设备传输到所述边缘节点，所述数据在所述边缘节点集中，所述边缘节点通过所述中继节点传输至所述雾节点。

3.根据权利要求1所述的一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，其特征在于，所述无线网络服务价格策略p由公式

计算，所述雾节点的利润由公式

计算，其中，p表示所述雾节点面向所述终端设备收取的费用，m表示所有所述联盟的数目，C表示所有所述联盟的总开销，Q(p)表示所述物联网网络结构中接入的所述终端设备数目，α和β为常数，且满足条件α≥0，β≤1以及α+βp>0；所述价格策略w由公式

结合公式

计算得到，w表示所有中继节点需要能量的价格的总和。

4.根据权利要求3所述的一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，其特征在于，所述联盟包括只有一个所述可再生能源供应者的独立供应者联盟和包括多个所述可再生能源供应者的多供应者联盟。

5.根据权利要求4所述的一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

计算每一个所述联盟中所述可再生能源供应者的数目，并按所述数目从小到大排列；

定义公式

来衡量每个所述联盟的稳定程度；

制定所述物联网网络结构中独立的可再生能源供应者能否加入联盟的第一条件U(m-1)≤|B₂|+1；

制定所述可再生能源供应者能否背离自身所在联盟的第二条件|B_m|≤U(m)；

遍历所有所述可再生能源供应者，基于第一条件U(m-1)≤|B₂|+1和第二条件|B_m|≤U(m)对所述可再生能源供应者进行判断，得到稳定的联盟。

6.根据权利要求5所述的一种面向雾计算的联盟合作绿色能源分配方法，其特征在于，所述联盟B_j的利润由公式

计算，得出各个所述联盟的利润分配规则；所述联盟B_j中单个所述可再生能源供应者的利润由公式

计算，得出每个所述联盟内部的每个所述可再生能源供应者的利润分配规则；所述联盟B_j的能源价格策略

由公式

计算得到，并由公式

计算得到所述联盟B_j中每个所述可再生能源供应者的价格策略；其中，

表示联盟B_j的价格策略，

表示在最优价格p时的联盟B_j的价格策略；w^*表示由公式

计算得到的w的值。

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