CN116437451B - 一种基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法，自组网中的每个节点分配一个时隙序列，时隙序列为二进制序列，序列长度等于业务子帧的时隙数量Q，时隙序列每一位的“0”和“1”分别代表接收时隙和发送时隙，在某个时隙，两节点之间的序列对应位分别为“0”、“1”时，则可以配对通信；在业务时段采用分层级的逐时隙功率分配策略，考虑节点在整个通信周期内的功率需求，可以根据网络中的节点和需求变化适变，适用于动态的自组网络；考虑了节点的业务优先级，能够优先满足业务优先级高的节点的通信需求；方案复杂度低，计算开销小，适用于能量有限的组网节点。

Description

一种基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法
技术领域
本发明涉及自组网资源分配技术领域，尤其涉及基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法。
背景技术
无线自组织网络是一种节点自由移动、自主联结的自治系统，各节点相互连通，可充当服务器，具有高移动、高便捷、容易构建等优势。在物联网、无线城市、智能家居、机器人通讯、紧急救援时快速构建通讯网络等应用场景都具有极大的发展前景。
随着网络对通信速率、吞吐量等性能要求的提升，定向天线被广泛采用。毫米波高增益的多波束相控阵天线用于无线自组织网络时，天线的多波束能力可以使得每个节点同时与周围多个节点建立连接且各个波束指向不同，实现空分复用，提升网络容量。与此同时，通过提高波束增益可提升节点对间的通信速率，并且定向窄波束也有利于提升网络的抗干扰、抗截获性能。
自组网中的正常通信需要满足一定的信号功率需求，而由于设备等限制因素，一个节点的能量通常是有限的。毫米波多波束相控阵天线用于时分体制组网时，节点在不同时隙会有不同的通信需求，并且节点的移动性会导致需求不断变化，因此需要根据不同需求动态分配功率资源，以优化网络中用户的通信体验。
功率分配问题可以转化为目标优化问题，过往研究中，最小生成树方法需要获取节点相对位置等信息，非合作博弈、遗传算法、粒子群算法则需要利用较多的网络资源和计算开销，不适于动态网络的适时调整。因此，基于多波束相控阵天线的无线自组网在时分通信体制下，各个节点对之间的功率动态分配尚存在较大的优化空间。
发明内容
为此，本发明提供一种基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法，在业务时段采用分层级的逐时隙功率分配策略，适用于动态的定向自组网。
本发明保护一种基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法，自组网中的每个节点分配一个时隙序列，时隙序列为二进制序列，序列长度等于业务子帧的时隙数量Q，时隙序列每一位的“0”和“1”分别代表接收时隙和发送时隙，在某个时隙，两节点之间的序列对应位分别为“0”、“1”时，则可以配对通信：
网络任一节点A在邻居发现时段将其功率P平均分配给n个波束，即每个波束分配得到功率P/n，其中n为节点A的波束数量；
节点A在业务时段的每个发送时隙按照接收波束及其功率需求进行功率分配，具体包括以下步骤：
步骤1，获取整个时隙分配周期内不同接收波束的功率需求；
步骤2，遍历所有发送时隙；
若某一发送时隙仅有一个接收波束，则令该接收波束的功率需求在该发送时隙得到最大满足，在该发送时隙未得到满足的情况下，才从其他发送时隙进行剩余功率需求的分配；
步骤3，在剩余的发送时隙为功率需求尚未得到满足的接收波束按照功率需求比例进行功率分配，若在另一发送时隙，所有接收波束的功率需求都能够得到满足，则优先在该时隙为其所有接收波束进行功率分配；
步骤4，检查每个发送时隙分配总功率是否超过其功率上限P，若超过，则降低分配给优先级最低的接收波束的功率，直至该发送时隙分配总功率等于功率上限P；
步骤5，输出功率分布矩阵。
进一步的，步骤3中不同接收波束之间按照业务优先级由高到低进行分配，即先给业务优先级高的接收波束分配功率，再给业务优先级低的接收波束分配功率；或者，按照功率需求由高到低进行分配，即先给功率需求高的接收波束分配功率，再给功率需求低的接收波束分配功率。
进一步的，假设步骤3中节点A在发送时隙j需要为k个接收波束B1、B2、...、Bk分配功率，其中k≤n，k个接收波束的功率需求分别为Pd1、Pd2、...、Pdk，则在该发送时隙j为接收波束B1、B2、...、Bk分配的功率占比为1/Pd1、1/Pd2、...、1/Pdk。
本发明还保护一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述定向自组网动态功率分配方法。
本发明还保护一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现上述定向自组网动态功率分配方法的各个步骤。
本发明在业务时段采用分层级的逐时隙功率分配策略，考虑节点在整个通信周期内的功率需求，可以根据网络中的节点和需求变化适变，适用于动态的自组网络；考虑了节点的业务优先级，能够优先满足业务优先级高的节点的通信需求；方案复杂度低，计算开销小，适用于能量有限的组网节点。
附图说明
图1是基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法流程图。
具体实施方式
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。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
对于定向自组网，网络节点采用多波束相控阵天线，天线同时形成的多个高增益波束与不同节点建立高速链路，定向自组网采用时分通信体制，同一天线的多个波束同时处于发送状态或同时处于接收状态。
节点间的通信帧格式包含1个信令子帧和N个业务子帧，每个信令子帧包含P个时隙，每个业务子帧包含Q个时隙。
自组网中的每个节点分配一个时隙序列，时隙序列为二进制序列，序列长度等于业务子帧的时隙数量Q，时隙序列每一位的“0”和“1”分别代表接收时隙和发送时隙，在某个时隙，两节点之间的序列对应位分别为“0”、“1”时，则可以配对通信。
本实施例结合具体示例，对本发明提出的基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法进行展开阐述。
假设节点A为定向自组网中的任一节点，具有四个波束，则其最大连接邻居数目是4个。假设节点A已经分别与节点B、节点C、节点D、节点E建链。节点A的发射功率上限为16W，在邻居发现时段将其功率平均分配给4个波束，即每个波束分配得到功率4W。
假定某业务时段，节点A~E的时隙序列如下表1所示，可以看到时隙数量为7，节点在时隙1、3、4、7为发送时隙，即只在时隙1、3、4、7考虑功率分配问题。
表1
时隙序列 节点A发送时隙（1,3,4,7）
节点A 1011001 1111
节点B 0100011 0001
节点C 0010110 0100
节点D 0110110 0100
节点E 1110100 1100
假定节点B~E的功率需求分别为9、11、21、10W，节点A在该业务时段的发送时隙1、3、4、7的功率分配具体如图1所示包括以下步骤：
1、获取B~E四个邻居节点的功率需求，分别为9W、11W、21W、10W。
2、遍历所有发送时隙，发现节点A在时隙3只与节点B配对通信，而节点B的功率需求为9W，未超过节点A的发射功率上限，因此，时隙3给节点B分配9W功率。由于节点B的功率需求已经得到满足，节点B剩余需求功率置零。
3、剩余节点C、D、E按照何种顺序进行功率分配，下面先按照优先级顺序进行处理，假定节点C的业务优先级高于节点D，节点D的业务优先级高于节点E。
首先，针对邻居节点C，可以在时隙1、4、7分配功率，时隙1总功率需求为11+21=32W；时隙4和时隙7总功率需求为11+21+10=42W，均超过节点A的发射功率上限。因此，不存在一个发送时隙，在此时使得所有接收波束的功率需求都能够得到满足。由于每个时隙总功率需求占比32:42:42；因此分配功率占比分别为1/32:1/42:1/42 = 0.396:0.302:0.302，从而在时隙1、4、7分配给邻居节点C的功率分别为11*0.396≈5W、11*0.302≈4W、11*0.302≈4W。
其次，针对邻居节点D，同样可以在时隙1、4、7分配功率，由于邻居节点C的功率需求已经分配完毕，因此，时隙1总功率需求为21W；时隙4和时隙7总功率需求为21+10=31W，而节点A在时隙1的剩余功率为11W，在时隙4、7的剩余功率均为12W。因此，还是不存在一个发送时隙，在此时使得所有接收波束的功率需求都能够得到满足。由于每个时隙总功率需求占比21:31:31，因此分配功率占比分别为1/21:1/31:1/31 = 0.424:0.288:0.288，从而时隙1、4、7分配给邻居D的功率分别为21*0.424≈9W、21*0.288≈7W、21*0.288≈7W。
最后，针对邻居节点E，可以在时隙4、7分配功率，时隙4和时隙7总功率需求为10W，而节点A在时隙4、7的剩余功率为均5W。因此，还是不存在一个发送时隙，在此时使得所有接收波束的功率需求都能够得到满足。由于每个时隙总功率需求占比10:10，因此分配功率占比为1/10:1/10，即1:1，从而时隙4、7分配给邻居E的功率分别为5W和5W。
按照上述功率分配算法得到的功率分配矩阵为，第一行到第四行对应的分别是节点B~E，第一列到第四列分别对应时隙1、3、4、7；同时时隙1、3、4、7分配总功率并未超过其功率上限16W，因此无需进行调整，直接输出该功率分配矩阵即可。
由此可见，本实施例公开的功率分配算法在保证功率不超限制的情况下，满足每个邻居节点在一个时隙周期内的功率需求。
剩余节点C、D、E按照何种顺序进行功率分配，除了按照优先级顺序进行处理外，还可以遵循其他规则，例如先给功率需求高的邻居节点进行功率分配。很显然，本实施例中邻居节点D的功率需求最高，邻居节点C的功率需求次之，邻居节点E的功率需求最低。
首先，针对邻居节点D，可以在时隙1、4、7分配功率，时隙1总功率需求为11+21=32W；时隙4和时隙7总功率需求为11+21+10=42W，均超过节点A的发射功率上限。因此，不存在一个发送时隙，在此时使得所有接收波束的功率需求都能够得到满足。由于每个时隙总功率需求占比32:42:42；因此分配功率占比分别为1/32:1/42:1/42 = 0.396:0.302:0.302，从而在时隙1、4、7分配给邻居节点D的功率分别为21*0.396≈9W、21*0.302≈7W、21*0.302≈7W。
其次，针对邻居节点C，同样可以在时隙1、4、7分配功率，由于邻居节点D的功率需求已经分配完毕，因此，时隙1总功率需求为11W；时隙4和时隙7总功率需求为11+10=21W，而节点A在时隙1的剩余功率为7W，在时隙4、7的剩余功率均为9W。因此，还是不存在一个发送时隙，在此时使得所有接收波束的功率需求都能够得到满足。由于每个时隙总功率需求占比11:21:21，因此分配功率占比分别为1/11:1/21:1/21 = 0.352:0.324:0.324，从而时隙1、4、7分配给邻居C的功率分别为 11*0.352≈4W、11*0.324≈4W、21*0.324≈4W。
最后，针对邻居节点E，可以在时隙4、7分配功率，时隙4和时隙7总功率需求为10W，而节点A在时隙4、7的剩余功率为均5W。因此，还是不存在一个发送时隙，在此时使得所有接收波束的功率需求都能够得到满足。由于每个时隙总功率需求占比10:10，因此分配功率占比为1/10:1/10，即1:1，从而时隙4、7分配给邻居E的功率分别为5W和5W。
按照上述功率分配算法得到的功率分配矩阵为，第一行到第四行对应的分别是节点B~E，第一列到第四列分别对应时隙1、3、4、7；同时时隙1、3、4、7分配总功率并未超过其功率上限16W，因此无需进行调整，直接输出该功率分配矩阵即可。
假设初步得到的功率分配矩阵为，此时时隙4、7分配总功率超过其功率上限16W，由于节点E的业务优先级最低，将时隙4、7分配给邻居C的功率5W、5W降低为4W、4W，从而使得时隙4、7分配总功率等于功率上限16W。
实施例2
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现实施例1所述的定向自组网动态功率分配方法。
实施例3
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现实施例1所述的定向自组网动态功率分配方法的各个步骤。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于时隙序列的定向自组网动态功率分配方法，自组网中的每个节点分配一个时隙序列，时隙序列为二进制序列，序列长度等于业务子帧的时隙数量Q，时隙序列每一位的“0”和“1”分别代表接收时隙和发送时隙，在某个时隙，两节点之间的序列对应位分别为“0”、“1”时，则可以配对通信，其特征在于，
网络任一节点A在邻居发现时段将其功率P平均分配给n个波束，即每个波束分配得到功率P/n，其中n为节点A的波束数量；
节点A在业务时段的每个发送时隙按照接收波束及其功率需求进行功率分配，具体包括以下步骤：
步骤1，获取整个时隙分配周期内不同接收波束的功率需求；
步骤2，遍历所有发送时隙，若某一发送时隙仅有一个接收波束，则令该接收波束的功率需求在该发送时隙得到最大满足，在该发送时隙未得到满足的情况下，才从其他发送时隙进行剩余功率需求的分配；
步骤3，在剩余的发送时隙为功率需求尚未得到满足的接收波束按照功率需求比例进行功率分配，若在另一发送时隙，所有接收波束的功率需求都能够得到满足，则优先在该时隙为其所有接收波束进行功率分配；
步骤4，检查每个发送时隙分配总功率是否超过其功率上限P，若超过，则降低分配给优先级最低的接收波束的功率，直至该发送时隙分配总功率等于功率上限P；
步骤5，输出功率分布矩阵。
2.根据权利要求1所述的定向自组网动态功率分配方法，其特征在于，步骤3中不同接收波束之间按照业务优先级由高到低进行分配，即先给业务优先级高的接收波束分配功率，再给业务优先级低的接收波束分配功率。
3.根据权利要求1所述的定向自组网动态功率分配方法，其特征在于，步骤3中不同接收波束之间按照功率需求由高到低进行分配，即先给功率需求高的接收波束分配功率，再给功率需求低的接收波束分配功率。
4.根据权利要求1所述的定向自组网动态功率分配方法，其特征在于，假设步骤3中节点A在发送时隙j需要为k个接收波束B1、B2、...、Bk分配功率，其中k≤n，k个接收波束的功率需求分别为Pd1、Pd2、...、Pdk，则在该发送时隙j为接收波束B1、B2、...、Bk分配的功率占比为1/Pd1、1/Pd2、...、1/Pdk。
5.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1-4任意一项所述的定向自组网动态功率分配方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1-4任意一项所述的定向自组网动态功率分配方法的各个步骤。
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