基於局部信道狀態估計的功率控制方法
2023-06-02 13:53:21 1
基於局部信道狀態估計的功率控制方法
【專利摘要】基於局部信道狀態估計的功率控制方法,本發明旨在提出適用於傳感器網絡的能感知鏈路狀態變化的實用化無線傳感網功率控制算法；本發明包括以下三個方面內容，1)基於訓練序列的分布式信道估計算法；2)功率控制技術對主要網絡性能指標的影響機理；3)基於非合作博弈模型的功率控制算法。
【專利說明】基於局部信道狀態估計的功率控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於無線傳感領域，具體涉及基於局部信道狀態估計的功率控制領域。
【背景技術】
[0002]隨著集成電路技術的發展和無線傳感器網絡相關技術研究的不斷深入，大規模部署傳感器網絡應用於軍事、環境監測和預報、城市交通以及工業安全監測等領域已經初現端倪。無線傳感器網絡大規模、自組織、隨機部署、應用環境複雜、節點資源有限、網絡拓撲多變的特點決定了功率控制技術在無線傳感器網絡關鍵技術研究中的重要意義。為了保證網絡對監控區域的覆蓋性和網絡的連通性，增大網絡吞吐量，降低通信延遲，延長網絡的生命周期，採用功率控制技術對傳感器節點的發射功率進行動態調節具有重要的研究價值。
[0003]針對無線傳感器網絡的功率控制技術，近年來國內外的研究人員開展了大量的研究工作，並取得了大量研究成果，但這些研究成果在實際應用中還存在較大的局限性。目前，實用化的無線傳感器網絡功率控制技術研究還處於初步的探索階段，要形成最終成熟的可應用於複雜環境的功率控制技術，還存在以下基礎性問題和關鍵技術需要進一步的研究和完善:
[0004]I)實時、準確的對節點間的無線鏈路狀態進行刻畫。
[0005]無線傳感器網絡進行功率控制，需以實時的信道狀態信息作為基礎。然而，無線傳感器網絡通常應用於複雜的環境中，無線信號不僅會隨著傳播距離的增加產生路徑損耗，還會受到地形、障礙物的遮掩而產生陰影效應。總之，無線鏈路會受到時空域各種因素的幹擾，這使得網絡節點間的信道狀態具有不穩定性。此外，傳感器網絡中節點的移動、加入、失效均會造成網絡拓撲結構的動態變化，從而使網絡節點間的鏈路狀態發生改變。當前對功率控制的研究，廣泛採用的無線信道模型是對數距離路徑損耗模型，並且假設全網具有理想化的、統一的路徑損耗指數，與節點間的真實鏈路狀況差距較大。因此，如何在複雜環境應用背景下，快速、準確、實時地對局部節點間無線鏈路狀態特徵進行刻畫，是建立能感知環境與網絡拓撲動態變化的自適應功率控制策略需要解決的首要問題。
[0006]2)適用於特定應用背景的實用化功率控制方法設計。
[0007]傳感器網絡通常都有其獨特的應用背景，不同的應用背景所追求的網絡性能也會存在差異。然而，功率控制技術對傳感器網絡多項性能指標均有影響，屬於多目標優化問題，很難設計一種方法能夠兼顧網絡的所有性能指標。此外，傳感器節點通常能量受限，計算、通信能力受限，要求功率控制方法具有較低的複雜度。
[0008]文獻「一種基於節點度數的無線傳感器網絡功率控制方法」(申請號:CN201310195035)提出一種基於節點度的無線傳感器網絡功率控制方法，通過節點度數來進行發射功率的控制。並提出了剩餘電量分級調整的概念，針對不同時間段內，節點電量的剩餘情況，確定合理的期望節點度，不同於採用傳統基於節點度的算法，能夠更好地確保在網絡連通的情況下儘可能延長節點生存壽命。同時又將控制理論中的PID閉環控制算法引入功率控制，將確定好的期望節點度作為閉環控制系統輸入量來動態調節節點的一跳鄰居數，這樣做的優點是可以更加迅速地調整至期望節點度數，以達到功率控制的目標，同時，響應時間快，振蕩小，穩定性好。功率控制流程圖如圖1所示。
[0009]該技術的不足主要是並未考慮複雜環境節點間鏈路狀態情況對功率控制的影響。無線傳感器網絡通常部署在複雜的網絡環境中，對網絡節點進行功率控制，需以實時的信道狀態信息作為基礎。然而，傳感器節點本身的移動性和複雜網絡環境中各種障礙物的存在，導致網絡節點間的無線信道是多變且難以控制的，信號通過無線信道時，就會受到各種衰落的影響。
【發明內容】
[0010]發明目的:1)分析複雜環境下時空域因素對無線鏈路傳輸質量的影響機理，使用基於訓練序列的分布式信道估計方法確定網絡節點間的信道鏈路增益，以準確、實時地刻畫網絡中局部區域節點對間的無線鏈路狀態。2)建立功率控制非合作博弈模型，結合上述信道模型參數估計結果，提出一種能感知環境與網絡動態變化的滿足應用場景需求的分布式功率控制方法，優化網絡性能，為複雜環境下尋求優化網絡性能的手段開闢新途徑，並為功率控制技術實用化提供關鍵技術支撐。
[0011]技術方案:提出適用於傳感器網絡的能感知鏈路狀態變化的實用化無線傳感網功率控制方法。本發明包括以下三個方面內容，如圖2所示:1)基於訓練序列的分布式信道估計方法；2)功率控制技術對主要網絡性能指標的影響機理；3)基於非合作博弈模型的功率控制方法。
[0012]圖2中內容1:基於訓練序列的分布式信道估計方法。
[0013]I)研究了複雜環境下時空域因素對無線鏈路傳輸質量的影響機理，分析影響無線傳感器網絡鏈路增益的主要因素，確定網絡節點間信道增益先驗模型；
[0014]2)研究了基於訓練序列的分布式信道估計方法，利用信道的先驗信息和訓練序列探測技術來估計信道鏈路增益，對節點間的無線信道特性進行了實時、準確的描述。
[0015]圖2中內容2:功率控制技術對主要網絡性能指標的影響機理。
[0016]分析了功率控制技術對無線傳感器網絡主要性能指標(生存時間、吞吐量、網絡延遲)的影響機制，建立了相應的數學模型，為設計博弈模型的效益函數奠定基礎。
[0017]圖2中內容3:提出基於非合作博弈模型的功率控制方法。
[0018]I)依據特定網絡優化目標，結合實時信道狀態估計信息，設計了功率控制的非合作博弈模型，並確定模型的效益函數及代價函數；
[0019]2)基於非合作博弈模型，提出了能感知鏈路狀態變化的滿足應用場景需求的分布式功率控制方法。
[0020]本發明為實現上述發明目的採用如下技術方案，如下圖3所示。該技術方案包括兩個階段:階段一主要任務是分析複雜環境下時空域因素對無線鏈路傳輸質量的影響機理，確定網絡節點間信道增益先驗模型，研究基於訓練序列的分布式信道估計方法，實現對節點間無線信道特性實時、準確的刻畫，為設計能感知鏈路狀態變化的功率控制方法奠定基礎；階段二主要任務是分析功率控制技術對無線傳感器網絡主要性能指標的影響機理，設計功率控制的非合作博弈模型，提出輕量級的能感知鏈路狀態變化的滿足應用場景需求的分布式功率控制方法。
[0021]有益效果:本專利使無線傳感器網絡功率控制技術與複雜網絡環境下的節點間的無線鏈路狀態緊密耦合，可為無線傳感器網絡功率控制技術走向實際應用提供關鍵技術支撐，進一步促進無線傳感器網絡的實用化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1功率控制流程圖
[0023]圖2基於訓練序列的分布式信道估計方法
[0024]圖3項目研究方案
【具體實施方式】
[0025]原理:分析功率控制策略對主要網絡性能指標的影響機制，尋求輕量級的智能優化方法，針對具體的應用背景與節點能力，使網絡在滿足特定應用目標的前提下追求理想的性能效果，是設計實用化功率控制策略的核心問題。針對【背景技術】中的相關問題，本專利將首先分析複雜環境下時空域因素對路徑損耗與鏈路傳輸質量的影響機理，使用基於訓練序列的分布式信道估計方法預測網絡節點間的信道鏈路增益，快速、準確地實現對網絡節點間無線鏈路特徵的刻畫；接下來，在上述研究的基礎上，分析功率控制技術對無線傳感器網絡主要性能指標的影響機制，設計相應的數學模型，並結合實時鏈路狀態信息建立面向多目標優化的功率控制的非合作博弈模型，提出一種基於實時鏈路狀態信息的分布式自適應功率控制方法。本專利可為無線傳感器網絡功率控制技術走向實際應用提供關鍵技術支撐，進一步促進無線傳感器網絡的實用化。針對「一種基於節點度數的無線傳感器網絡功率控制方法」(申請號:CN201310195035)，研究複雜環境下時空域因素對無線鏈路傳輸質量的影響機理，準確刻畫網絡中任意節點對間的無線鏈路狀態，對設計實用化的自適應功率控制方法至關重要。
[0026]基於局部信道狀態估計的功率控制方法，步驟如下:
[0027]第一步:分析複雜環境下時空域因素對無線鏈路傳輸質量的影響機理，確定網絡節點間信道增益先驗模型，研究基於訓練序列的分布式信道估計方法，實現對節點間無線信道特性實時、準確的刻畫，為設計能感知鏈路狀態變化的功率控制方法奠定基礎；
[0028]第二步:分析功率控制技術對無線傳感器網絡主要性能指標的影響機理，設計功率控制的非合作博弈模型，提出輕量級的能感知鏈路狀態變化的滿足應用場景需求的分布式功率控制方法。
[0029]輕量級的能感知鏈路狀態變化的滿足應用場景需求的分布式功率控制方法包括三個步驟:
[0030]I)基於訓練序列的分布式信道估計方法；
[0031]2)功率控制技術對主要網絡性能指標的影響機理；
[0032]3)基於非合作博弈模型的功率控制方法。
[0033]基於訓練序列的分布式信道估計方法的步驟方法如下；
[0034]步驟1:使用理論分析和部署真實傳感器網絡進行測試實驗的方法分析複雜環境下時空域因素對鏈路傳輸質量的影響機理；
[0035]步驟2:確定網絡節點間信道增益的先驗模型，可表示為P(d) =d_nS(d)，其中d表示接收端與發送端的距離，d_n表示自由空間的路徑損耗，η為路徑損耗指數，S(d)表示陰影衰落；
[0036]步驟3:在網絡中設置N個錨節點，並假設h: = [hi, j I i, j e {1,2, - ,N}, i<j]是所部署錨節點間信道鏈路增益的集合，其中hi，j是錨節點i和錨節點j之間的信道鏈路增益；
[0037]步驟4:通過概率圖模型中的因子圖上的消息傳遞來模擬實際無線傳感器網絡中節點間的訓練序列發送，即在每一個離散時刻中，每一個錨節點依次輪流發送預定的訓練序列，網絡中其他錨節點則在此時接收訓練序列；
[0038]步驟5:錨節點之間通過輪流發送訓練序列並應用期望傳播方法來估計網絡中錨節點間的信道增益，從而實現對無線鏈路狀態信息的實時、準確的刻畫。
[0039]功率控制技術對主要網絡性能指標的影響機理的內容，分析了功率控制技術對無線傳感器網絡主要性能指標包括生存時間、吞吐量、網絡延遲的影響機制，建立了相應的數學模型，為設計博弈模型的效益函數奠定基礎。
[0040]基於非合作博弈模型的功率控制方法如下:
[0041]步驟1:採用仿真工具、實驗測試平臺分析功率控制技術對網絡主要性能指標(網絡生存時間、網絡吞吐量和網絡延遲)的影響機理；
[0042]步驟2:結合實時的鏈路狀態信息，針對不同的網絡性能指標構建博弈模型Γ =(N, {p^ujp^cjpi)〉，其中N表示網絡中的節點集合，{Pi}表示每個節點的策略空間，Pi屬於區間[0，Pniax]，p_節點的最大發射功率，Ui(Pi)表示效益函數，Ci(Pi)表示代價函數；
[0043]步驟3:每個節點將根據效益函數和代價函數確定使自己收益最大的策略(發射功率)。具體說來，操作如下:
[0044](a)每一個節點初始化節點發射功率P ;
[0045](b)與其鄰節點進行信息交互，並根據步驟2所構建博弈模型，計算效益函數值
U(P)；
[0046](c)節點遍歷其發射功率集合,並計算效益函數值U(p),調整節點發射功率,使效益函數值最大。
【權利要求】
1.一種基於局部信道狀態估計的功率控制方法，其特徵在於， 第一步:分析複雜環境下時空域因素對無線鏈路傳輸質量的影響機理，確定網絡節點間信道增益先驗模型，研究基於訓練序列的分布式信道估計方法，實現對節點間無線信道特性實時、準確的刻畫； 第二步:分析功率控制技術對無線傳感器網絡主要性能指標的影響機理，設計功率控制的非合作博弈模型，提出輕量級的能感知鏈路狀態變化的滿足應用場景需求的分布式功率控制方法。
2.根據權利要求1所述的一種基於局部信道狀態估計的功率控制方法，其特徵在於，輕量級的能感知鏈路狀態變化的滿足應用場景需求的分布式功率控制方法包括三個步驟: 1)基於訓練序列的分布式信道估計方法； 2)功率控制技術對主要網絡性能指標的影響機理； 3)基於非合作博弈模型的功率控制方法。
3.根據權利要求2所述的基於局部信道狀態估計的功率控制方法，其特徵在於，步驟I基於訓練序列的分布式信道估計方法的步驟方法如下； 步驟1:使用理論分析和部署真實傳感器網絡進行測試實驗的方法分析複雜環境下時空域因素對鏈路傳輸質量的影響機理； 步驟2:確定網絡節點間信道增益的先驗模型，可表示為P(d) =(^((1)，其中(1表示接收端與發送端的距離，d_n表示自由空間的路徑損耗，η為路徑損耗指數，S(d)表示陰影衰落； 步驟3:在網絡中設置N個錨節點，並假設h: = [hi, j I i, j e {I, 2，…，N}，i〈j]是所部署錨節點間信道鏈路增益的集合，其中hi，j是錨節點i和錨節點j之間的信道鏈路增益； 步驟4:通過概率圖模型中的因子圖上的消息傳遞來模擬實際無線傳感器網絡中節點間的訓練序列發送，即在每一個離散時刻中，每一個錨節點依次輪流發送預定的訓練序列，網絡中其他錨節點則在此時接收訓練序列； 步驟5:錨節點之間通過輪流發送訓練序列並應用期望傳播方法來估計網絡中錨節點間的信道增益，從而實現對無線鏈路狀態信息的實時、準確的刻畫。
4.根據權利要求2或3所述的基於局部信道狀態估計的功率控制方法，其特徵在於，功率控制技術對主要網絡性能指標的影響機理的內容，分析了功率控制技術對無線傳感器網絡主要性能指標包括生存時間、吞吐量、網絡延遲的影響機制，建立了相應的數學模型，為設計博弈模型的效益函數奠定基礎。
5.根據權利要求2或3所述的基於局部信道狀態估計的功率控制方法，其特徵在於，基於非合作博弈模型的功率控制方法如下: 步驟1:採用仿真工具、實驗測試平臺分析功率控制技術對網絡主要性能指標(網絡生存時間、網絡吞吐量和網絡延遲)的影響機理； 步驟2:結合實時的鏈路狀態信息，針對不同的網絡性能指標構建博弈模型Γ =(N, {p^ujp^cjpi)〉，其中N表示網絡中的節點集合，{Pi}表示每個節點的策略空間，Pi屬於區間[O，Pniax]，p_節點的最大發射功率，Ui(Pi)表示效益函數，Ci(Pi)表示代價函數； 步驟3:每個節點將根據效益函數和代價函數確定使自己收益最大的策略(發射功率)。具體說來，操作如下: (a)每一個節點初始化節點發射功率P;(b)與其鄰節點進行信息交互，並根據步驟2所構建博弈模型，計算效益函數值U(P)； (c)節點遍歷其發射功率集合，並計算效益函數值U(P)，調整節點發射功率，使效益函數值最大。
【文檔編號】H04L25/02GK104301983SQ201410414493
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月21日 優先權日:2014年8月21日
【發明者】趙學健, 孫知信, 劉旭, 許斌 申請人:南京郵電大學