专利名称：：网络中基于博弈论模型的功率控制结构及其方法网络中基于博弈论模型的功率控制结构及其方法
技术领域：
：本发明是关于一种网络中基于博弈论模型的功率控制结构及其方法，更明确而言，是关于一种应用于AdHoc网络中基于博弈论模型的功率控制结构及其方法。
背景技术：
：功率控制作为无线Adhoc网络中的一项关键技术，对于有效地使用和管理无线资源起着不可替代的作用。目前在功率控制方面，已经提出了许多算法和协议。在无线Adhoc网络中，由于节点的发射功率的大小决定了网络中那些节点能够收到信号，从而影响到网络的连通性，同时由于隐终端的存在，节点的发射功率的大小还影响到由于隐终端所带来的干扰的大小，因此对节点的发射功率进行调整将会对整个网络的性能产生重要的影响，在设计功率控制算法的同时，必须对由此带来的对网络性能的影响加以考虑。在Adhoc网络中，功率控制其实质就是如何在节点能量受限，信道存在衰减，共享信道等条件下，利用有限的网络信息，通过调整节点的发射功率，使网络满足连通性、容量最大化、网络半径最小的目标，这是一个非常难的问题。若用Ci表示链路li(liGE')的容量或传输速率，则网络容量或者其瓶颈带宽可以表示为e-想"0^，若节点i与节点j间的距离可以用跳数hij表示，用H表示节点间跳数集合，H二W，i，jGV，则网络半径Re可以表示为Re=min(H)，ei表示节点i的剩余能量，则功率控制问题的数学模型可以描述为/c(P)=mp+ji{c,,})(1)/H(P),n(A)■s."0<"20",W腿,!.",…,l"其中，e。为节点剩余能量门限，当节点剩余能量小于该值时，节点将关闭其无线接收模块。目前大多数的功率控制算法或协议研究的热点都集中在通过减小节点发射报文功率的方法来达到节能的目的，并且认为通过减少节点发射功率可以降低节点间相互干扰并增大网络容量的目的。但近来的研究表明并非如此。文献Behzad，A.，Rubin，I..Impactofpowercontrolontheperformanceofadhocwirelessnetworks,inProc.INFOCOM2005，Miami,FL，USA.2005.102-113中，Behzad和Rubin对Adhoc网络中功率控制对网络最大吞吐量的影响进行了研究，并得出源节点与目的节点间的吞吐量与节点分布、业务负荷和业务模式无关，通过增加节点发射功率可以使源节点与目的节点间获得最大的吞吐量。文献QiangSun，LayuanLi，NianshengChen，SadiaAziz，ImpactofPowerControlonWirelessAdHocNetworkCapacity.WorkshopProceedingsoftheThirdIEEEInternationalConferenceonDistributedComputinginSensorSystems(DC0SS07)，SantaFe，NewMexico，USA.2007，pp.73-82.中分析了节点发射报文所产生的干扰对网4络容量的影响。结果显示增加节点的发射功率不仅可以减小节点干扰而且可以提高网络容量。由于Adhoc网络没有基站的支持，通讯方式采用多跳的方法，而且网络拓扑结构动态变化，节点很难获得网络中其它节点的相关信息，因此，很自然的每个节点将采用能使其收益最大化的策略。综上，现有技术存在以下缺点和不足(1)没有考虑到Adhoc网络全分布式的结构特点，而采用集中式算法来实现功率控制；(2)没有考虑功率控制对网络连通，网络容量等网络性能的影响；(3)收益函数根据特定的信道模型(如正交CDMA或正交FDMA信道)提出的，不能通用。近年来博弈论作为一种工具被用来对计算机网络和无线通信网络的不同方面进行研究，并且已经用来解决传统有线网络中的问题。由于在无线蜂窝网络中，网络的全局信息可以通过基站获得，因此可以采用集中式算法。而对于Adhoc网络而言，其动态变化的网络环境，使得节点要获得网络全局信息是非常困难的，以至于是不现实的。因此，移动节点只能根据网络的局部信息(其相邻节点的信息)来决定自己当前应采取何种行为，移动节点的某种行为必定会对自身或对整个网络带来某种结果。如果我们用效用表示这种结果，那么Adhoc网络中各节点间的相互作用可以用非合作博弈模型来描述，即各节点根据当前网络环境，选择一种行动使自己收益最大化。因此，本发明提出一种应用非合作博弈理论来解决Adhoc网络中的功率控制问题。
发明内容本发明的目的是提供一种网络中基于博弈论模型的功率控制结构及其方法，其满足网络容量最大化和网络半径最小的前提下，尽量减少节点的发射功率，从而减少节点的能量消耗，延长网络的生存时间，且具有通用性。为实现本发明的前述目的，本发明提供一种网络中基于博弈论模型的功率控制结构，用于计算一节点向一相邻节点发送报文应采用的发射功率，该结构包括位于物理层的SNR计算模块和功率控制模块、以及网络层的收到报文处理模块，其特征在于该结构的信息交流是跨层信息交流，该结构还包括位于网络层的相邻节点信息表，用于记录所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值、相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益；SNR计算模块判断相邻节点发送给该节点的报文是否为有效报文，若为有效报文，则将报文帧上传；收到报文处理模块用以解析报文中的所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值、相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益的信息，并将解析到的信息存储至相邻节点信息表；功率控制模块根据该相邻节点的干扰功率值以及相邻节点与该节点间的距离值计算该节点向相邻节点发送报文应采用的发射功率。本发明还提供一种网络中基于博弈论模型的功率控制方法，用于计算网络中一节点向相邻节点发送报文应采用的发射功率，其特征在于该方法包括以下步骤在网络层建立相邻节点信息表，用于记录所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值、相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益；当节点向所述相邻节点发送报文时，根据相邻节点信息表，获得采用此发射功率发送报文的收益的最大值所对应的该相邻节点的干扰值与相邻节点与该节点间的距离值，并采用如下方程式计算应采用的发射功率的大小其中ii为收益系数，pinfCTj表示该相邻节点的干扰功率值，跳数表示该节点与所述相邻节点间的距离，o(t)2表示热噪声功率。相较于现有技术，本发明网络中基于博弈论模型的功率控制结构及其方法是针对网络容量和网络半径两个指标的优化所设计。本发明在满足网络容量最大化和网络半径最小的前提下，尽量减少节点的发射功率，从而减少节点的能量消耗，延长网络的生存时间。本发明采用了分布式算法，只需要局部的信息就可以工作，从而可以很好的适应Adhoc网络全分布式的特点，克服了集中式算法的不足；本发明采用了不依赖底层调制方式的收益函数，因而具有通用性；本发明将网络连通与网络容量因素引入到收益函数的设计中，从而实现了对信道容量、网络半径和节点发射功率优化。提高了网络容量，延长了节点和网络的生存时间。为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，配合所附图式，作详细说明如下附图1是本发明网络中基于博弈论模型的功率控制结构的示意图；附图2是本发明网络中基于博弈论模型的功率控制结构的相邻节点信息表的示意图。具体实施方式以下将参照所附图式详细说明本发明的技术内容。请参照图l，本发明一种网络中基于博弈论模型的功率控制结构100，用于计算Adhoc网络中一节点向一相邻节点发送报文应采用的发射功率，该结构包括位于物理层1的SNR计算模块11、干扰计算模块12和功率控制模块13、MAC层2以及网络层3的相邻节点信息表31、本地节点信息表32、收到报文处理模块33以及发送报文处理模块34，本发明网络中基于博弈论模型的功率控制结构100的信息交流是跨层信息交流。Adhoc网络中包括很多节点，例如当一节点i收到一相邻节点j发来的报文帧时，SNR计算模块11通过计算该报文帧的信噪比判断该报文帧是否为有效报文。例如，如果该报文帧的信噪比SNR(T)大于等于一信噪比门限值Y。，则认为该报文帧是有效报文。若为有效报文，则将报文帧送至上层处理，并计算出本节点i与发送报文帧的相邻节点j的距离，将其送至网络层3。否则，如果该报文帧的信噪比SNR(t)小于该信噪比门限值Y。，则该报文帧为干扰信号，节点i将报文帧丢弃，并运行干扰计算模块12，用以计算获得该节点i收到的干扰功率值。请参照图2，相邻节点信息表31用于记录所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值、相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益。本地节点信息表32的形式如图1所示，用以记录网络中每个节点本身收到的干扰的干扰功率值，例如，储存干扰计算模块12计算所得的节点i收到的干扰功率值。节点i作为发送节点向相邻节点j发送报文时，会在发送报文加入该节点i本身的干扰功率值。同理，相邻节点j作为发送节点向节点i发送报文时，也会在发送报文加入该节点j本身的干扰功率值。收到报文处理模块33用以解析报文中的相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值、相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益的信息，将解析到的信息存储至相邻节点信息表31。发送报文处理模块34用以从相邻节点信息表31内获得该相邻节点的干扰功率值以及相邻节点与该节点间的距离值，并且发送给该功率控制模块13。在另一实施例中，SNR计算模块11可以通过计算直接获得所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值和相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益的信息，上传至网络层3，储存在相邻节点信息表31内。功率控制模块13根据该相邻节点的干扰功率值以及相邻节点与该节点间的距离值计算该节点向相邻节点发送报文应采用的发射功率。本发明一种网络中基于博弈论模型的功率控制方法，用于计算网络中一节点向相邻节点发送报文应采用的发射功率，本发明网络中基于博弈论模型的功率控制方法首先需要在网络层3建立相邻节点信息表31。相邻节点j通过周期向节点i发送HELLO报文建立相邻节点信息表31。建立相邻节点信息表31包括以下步骤步骤一设定每个节点的初始发射功率Pi为最大功率Pmax，并以此最大功率Pmax发送初始报文，初始报文中节点本身的干扰功率PinfCTi值为零，初始化相邻节点信息表31。步骤二当节点i收到相邻节点j发来的报文帧时，SNR计算模块11判断该报文帧是否为有效报文。若为有效报文，则将报文帧上传，进行步骤三，否则，该报文帧为干扰信号，节点i将报文帧丢弃，进行步骤四。步骤三网络层3的报文处理模块33解析报文，获得相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值和相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益的信息，并且将解析到的信息存储至相邻节点信息表31。步骤四运行干扰计算模块12，计算获得该节点i收到干扰的干扰功率值，上传至网络层的本地节点信息表32。其中，节点i采用此发射功率发送报文的收益根据下式计算Ui=ii1og2(l+SIRi)-c(Pi)(1)计算节点i采用此发射功率发送报文的收益，并更新相邻节点信息表31，其中c(Pi)为发送功率的线性代价函数，SIRi为该节点的信干比，其值由下式求得呵(0-^f^(2)p她/表示该节点i收到的干扰信号的干扰功率值，有K,卜2^。A(0p'W，k表示干扰节点。无线网络的质量往往受到节点采用的信号调制方法、编码方式等因素的影B向，不同类型的调制方法和编码方式都会对信道产生不同的影响。本发明网络中基于博弈论模型的功率控制方法的收益函数式(1)简化了收益函数的设计，不依赖于节点物理层信号处理7方式。c(Pi)为发送功率的线性代价函数。本发明网络中基于博弈论模型的功率控制方法引入代价函数可以改善系统的性能，代价函数通常定义为用户发射功率的增函数，代价函数通常分为线性成本函数和非线性成本函数两大类。线性成本函数有形式简单，计算复杂度低，可以采用分布式算法实现等优点，但通常不能达到全局最优。非线性成本函数能够实现全局最优，但其运算比较复杂，且只能采用集中式解法实现，因而并不适合Adhoc网络。因此本发明网络中基于博弈论模型的功率控制方法在此使用线性成本函数。考虑到网络半径我们采用如下形式的成本函数c(A)—P,其中hi为节点以功率Pi发射时路径增益，通常用发射节点与接收节点的距离表示。若将Adhoc网络中节点的功率控制问题看作非合作博弈问题，则可以采用博弈基本式表示为r=〈N，A，{Ui}>。在功率控制问题中，每个节点的策略空间表示为Ai=。N={l，2，...，n}表示网络中的所有节点，{Ui}表示节点期望的收益用收益函数集合。网络中每个节点根据收益函数确定使自己收益最大的策略，即=",.(a,P-,)，''=1，2,".，"Pi表示节点i选择的发射功率，p—i表示除i之外的其他节点的选择的发射功率。利用本发明网络中基于博弈论模型的功率控制方法，当节点i向所述相邻节点j发送报文时，发送报文处理模块32从相邻节点信息表31内获得获得采用此发射功率发送报文的收益的最大值，选取该收益的最大值所对应的该相邻节点的干扰值与相邻节点与该节点间的距离值，并且发送给该功率控制模块13。该功率控制模块13采用如下方程式计算应采用的发射功率的大小4-,，(3)其中ii为收益系数，pinfCTj表示该相邻节点j的干扰功率值，跳数表示该节点i与所述相邻节点j间的距离，o(t)2表示热噪声功率。节点i作为发送节点向相邻节点j发送报文时，每个报文中包括一个保存节点本身的干扰功率值的域。例如，每个HELLO报文中包括一个保存节点本身的干扰功率值的域。发送报文处理模块32从本地节点信息表32内获得节点i本身的干扰功率值，在发送报文加入该节点i本身的干扰功率值。同理，相邻节点j作为发送节点向节点i发送报文时，也会在发送报文加入该节点j本身的干扰功率值。通过如下原理得到本发明的发射功率的计算方程式由于每个节点的策略空间定义在区间上，因此，策略空间A为欧几里德空间中非空的、闭的、有界的凸集。Ui(p)在p上连续，且有s",(j9,,p.,)=____1-6±W-4ac&—/"2(,2+/4々)+~(輔)；~~~^^根据极大值定理得到节点I的发射功率计算方法(3)本发明网络中基于博弈论模型的功率控制方法描述如下PROCEDUREInitwhilet=0doPi=Pmax。^^=0Initialize(other_table)(初始化相邻节点信息表)endwhilePROCEDUREHandleMessage(HELLO)whileireceivesHELLOdorefresh(other_table)(更新相邻节点信息表)endwhilePROCEDURESend(M)whileisendsMdou—find_pay0ff(0ther_table)(从相邻节点信息表内获得最大增益)Pi—compute_trans_power(u)(计算发射功率)ifM=HELLOthenadd_infer_field(p^J(加入本地节点的干扰功率植)endifendwhile本发明网络中基于博弈论模型的功率控制结构及其方法是针对网络容量和网络半径两个指标的优化所设计。本发明在满足网络容量最大化和网络半径最小的前提下，尽量减少节点的发射功率，从而减少节点的能量消耗，延长网络的生存时间。本发明采用了分布式算法，只需要局部的信息就可以工作，从而可以很好的适应Adhoc网络全分布式的特点，克服了集中式算法的不足；本发明采用了不依赖底层调制方式的收益函数，因而具有通用性；本发明将网络连通与网络容量因素引入到收益函数的设计中，从而实现了对信道容量、网络半径和节点发射功率优化。提高了网络容量，延长了节点和网络的生存时间。9权利要求一种网络中基于博弈论模型的功率控制方法，用于计算网络中一节点向相邻节点发送报文应采用的发射功率，其特征在于，该方法包括以下步骤在网络层建立相邻节点信息表，用于记录所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值、相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益；当节点向所述相邻节点发送报文时，根据相邻节点信息表，获得采用此发射功率发送报文的收益的最大值所对应的该相邻节点的干扰值与相邻节点与该节点间的距离值，并采用如下方程式计算应采用的发射功率的大小<mrow><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>μh</mi><mi>ij</mi></msub><mrow><mi>ln</mi><mn>2</mn></mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mrow><mi>σ</mi><msup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msubsup><mi>p</mi><mi>infer</mi><mi>j</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mi>ij</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>其中μ为收益系数，pinferj表示该相邻节点的干扰功率值，跳数hij表示该节点与所述相邻节点间的距离，σ(t)2表示热噪声功率。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于设定每个节点的初始发射功率为最大功率，并以此最大功率发送初始报文，初始报文中节点本身的干扰功率值为零。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在物理层提供一SNR计算模块，当节点收到所述相邻节点发送的报文帧时，利用SNR计算模块判断该报文是否为有效报文，若为有效报文，则将报文帧上传。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在物理层提供一SNR计算模块，当节点收到所述相邻节点发送的报文帧时，利用SNR计算模块判断该报文是否为有效报文，若为有效报文，直接通过计算获得所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值和相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益的信息，上传至网络层，储存在相邻节点信息表内。5.如权利要求3所述的方法，其特征在于还包括在物理层提供一干扰计算模块，若SNR计算模块判断该报文是干扰信号，将该干扰信号传送到干扰计算模块，通过干扰计算模块计算获得该节点收到该干扰信号的干扰功率值。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于当该节点收到报文，则根据式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>计算节点采用此发射功率发送报文的收益并更新相邻节点信息表，其中c(p》为发送功率的线性代价函数，为该节点的信干比，其值由下式求得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>P旭J表示该节点收到的干扰的干扰功率值。7.如权利要求5所述的方法，其特征在于还包括在网络层提供一本地节点信息表，用以记录所述节点与相邻节点中每个节点本身收到干扰的干扰功率值。8.如权利要求5所述的方法，其特征在于如果该节点作为发送节点向相邻节点发送报文，或者如果所述相邻节点作为发送节点向该节点发送报文，在报文中加入发送节点本身的干扰功率值。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于每个报文中包括一个保存节点本身的干扰功率值的域。10.如权利要求3所述的方法，其特征在于还包括在网络层提供一收到报文处理模块，用以解析报文，所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值和相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益的信息通过解析报文获得，收到报文处理模块将解析到的信息存储至相邻节点信息表。11.如权利要求1至10中的任意一项所述的方法，其特征在于所述相邻节点通过周期向所述节点发送HELLO报文建立相邻节点信息表。12.如权利要求ll所述的方法，其特征在于还包括在物理层提供一功率控制模块，根据该相邻节点的干扰功率值以及相邻节点与该节点间的距离值计算该节点向相邻节点发送报文应采用的发射功率。13.如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括在网络层提供一发送报文处理模块，从相邻节点信息表内获得该相邻节点的干扰功率值以及相邻节点与该节点间的距离值，并且发送给该功率控制模块。14.一种网络中基于博弈论模型的功率控制结构，用于计算一节点向一相邻节点发送报文应采用的发射功率，该结构包括位于物理层的SNR计算模块和功率控制模块、以及网络层的收到报文处理模块，其特征在于该结构的信息交流是跨层信息交流，该结构还包括位于网络层的相邻节点信息表，用于记录所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值、相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益；SNR计算模块判断相邻节点发送给该节点的报文是否为有效报文，若为有效报文，则将报文帧上传；收到报文处理模块用以解析报文中的所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值、相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益的信息，并将解析到的信息存储至相邻节点信息表；功率控制模块根据该相邻节点的干扰功率值以及相邻节点与该节点间的距离值计算该节点向相邻节点发送报文应采用的发射功率。15.如权利要求14所述的结构，其特征在于物理层设置有一干扰计算模块，与SNR计算模块连接，若SNR计算模块判断该报文是干扰信号，将该干扰信号传送到干扰计算模块，干扰计算模块用以计算获得该节点收到的干扰功率值。16.如权利要求15所述的结构，其特征在于网络层设置有一本地节点信息表，用以记录所述节点与相邻节点中每个节点本身收到的干扰的干扰功率值。17.如权利要求16所述的结构，其特征在于网络层设置有一发送报文处理模块，从相邻节点信息表内获得该相邻节点的干扰功率值以及相邻节点与该节点间的距离值，并且发送给该功率控制模块。全文摘要一种网络中基于博弈论模型的功率控制结构及其方法，用于计算网络中一节点向相邻节点发送报文应采用的发射功率，该结构包括物理层的SNR计算模块和功率控制模块、及网络层的收到报文处理模块和相邻节点信息表。该方法包括建立相邻节点信息表，记录所述相邻节点ID、相邻节点的干扰功率值、相邻节点与该节点间的距离及采用此发射功率发送报文的收益；当节点发送报文时，根据相邻节点信息表，获得采用此发射功率发送报文收益的最大值所对应的该相邻节点的干扰值与相邻节点与该节点间的距离值，计算应采用的发射功率。本发明在满足网络容量最大化和网络半径最小的前提下，尽量减少节点的发射功率，从而减少节点的能量消耗，延长网络的生存时间。文档编号H04L12/56GK101729105SQ20081020137公开日2010年6月9日申请日期2008年10月17日优先权日2008年10月17日发明者孙强,曾宪文,贾铁军申请人:上海电机学院