一种基于节点行为的协作传输性能优化方法及系统转让专利
申请号 : CN201910738839.8
文献号 : CN110417443B
文献日 : 2020-09-15
发明人 : 张婧 , 冯欣 , 雷立 , 孙庚
申请人 : 长春理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于节点行为的协作传输性能优化方法,其特征在于,包括:获取利用波束成形技术进行节点数据传输时所产生的能量消耗以及最大传输距离;所述能量消耗包括发射电路的能量损耗以及传输所述节点数据时的能量消耗;所述最大传输距离为节点以最大发射功率发射所述节点数据时所能传输的最大距离;
根据所述能量消耗以及所述最大传输距离确定最小合作节点数;所述根据所述能量消耗以及所述最大传输距离确定最小合作节点数,具体包括:根据公式 确定在最小能量消耗的情况下所需的
阵列节点的最佳数量;其中,Nenergy_best为在最小能量消耗的情况下所需的阵列节点的最佳数量;Etransmit为传输所述节点数据时的能量消耗,Etransmit=εfsdt2;Eelec为发射电路的能量损耗;εfs为自由空间模型功率放大所需要的能量;dt为簇头到目标基站的距离;
根据公式 确定最小参
与合作的节点个数;其中,Ndis_best为最小参与合作的节点个数;Et_max为节点以最大功率发射1比特数据时发射消耗的能量;dmax为节点以最大发射功率发射数据所能传输的最大距离;
根据所述阵列节点的最佳数量以及所述最小参与合作的节点个数确定最小合作节点数;
获取传输预期方向的零陷角度以及目标零陷深度;
根据所述零陷角度以及所述目标零陷深度构建目标函数;所述根据所述零陷角度以及所述目标零陷深度构建目标函数,具体包括:根据公式 构建目标函
数;其中,Fitness为目标函数;φNULL为预期方向的零陷角度;φSL为旁瓣方向角;φML为主瓣方向角;NULLobj为 方向上的目标零陷深度;k1和k2为权重因子;AF为阵因子公式,N个节点组成的天线阵在x-y平面上的阵因子为 其中,W为每个节点在波束图中所占的权重;wk为节点k的权重值;(rk,ψk)为节点k的极坐标;λ为载波的波长;φ0为主瓣方向角;φ为波束到其他方向的角度φ∈[-π,π];j为复数;
根据所述最小合作节点数以及所述目标函数确定合作节点集合;
根据所述目标函数确定合作节点权重;
判断所述节点数据是否传输至目标基站,得到第一判断结果;
若所述第一判断结果表示为所述节点数据传输至目标基站,根据所述合作节点集合以及所述合作节点权重优化所述波束成形技术,并利用优化的波束成形技术传输所述节点数据;
若所述第一判断结果表示为所述节点数据未传输至目标基站,获取所述节点数据的数据源节点;
根据所述数据源节点确定中继簇;
根据所述中继簇将所述节点数据传输至目标基站。
2.根据权利要求1所述的基于节点行为的协作传输性能优化方法,其特征在于,所述根据所述最小合作节点数以及所述目标函数确定合作节点集合,具体包括:利用遗传算法,根据所述最小合作节点数以及所述目标函数确定合作节点集合。
3.根据权利要求1所述的基于节点行为的协作传输性能优化方法,其特征在于,所述根据所述目标函数确定合作节点权重,具体包括:利用鲸鱼优化算法,根据所述目标函数确定合作节点权重。
4.根据权利要求1所述的基于节点行为的协作传输性能优化方法,其特征在于,所述根据所述数据源节点确定中继簇,具体包括:获取最小传播阈值;
根据所述数据源节点确定裁剪区域;
在所述裁剪区域内,当所述最大传输距离大于所述最小传播阈值时,在以所述最小传播阈值为内半径,所述最大传输距离为外半径的圆环内确定中继簇并选择中继的簇头;
在所述裁剪区域内,当所述最小传播阈值大于所述最大传输距离时,簇内节点数不足,在以所述最大传输距离为半径的圆内确定中继簇并选择中继的簇头。
5.一种基于节点行为的协作传输性能优化系统,其特征在于,包括:传输参数获取模块,用于获取利用波束成形技术进行节点数据传输时所产生的能量消耗以及最大传输距离;所述能量消耗包括发射电路的能量损耗以及传输所述节点数据时的能量消耗;所述最大传输距离为节点以最大发射功率发射所述节点数据时所能传输的最大距离;
最小合作节点数确定模块,用于根据所述能量消耗以及所述最大传输距离确定最小合作节点数;所述最小合作节点数确定模块具体包括:阵列节点的最佳数量确定单元,用于根据公式 确定
在最小能量消耗的情况下所需的阵列节点的最佳数量;其中,Nenergy_best为在最小能量消耗的情况下所需的阵列节点的最佳数量;Etransmit为传输所述节点数据时的能量消耗,Etransmit=εfsdt2;Eelec为发射电路的能量损耗;εfs为自由空间模型功率放大所需要的能量;dt为簇头到目标基站的距离;
最小参与合作的节点个数确定单元,用于根据公式
确定最小参与合作的节点
个数;其中,Ndis_best为最小参与合作的节点个数;Et_max为节点以最大功率发射1比特数据时发射消耗的能量;dmax为节点以最大发射功率发射数据所能传输的最大距离;
最小合作节点数确定单元,用于根据所述阵列节点的最佳数量以及所述最小参与合作的节点个数确定最小合作节点数;
零陷参数获取模块,用于获取传输预期方向的零陷角度以及目标零陷深度;
目标函数构建模块,用于根据所述零陷角度以及所述目标零陷深度构建目标函数;所述目标函数构建模块具体包括:目标函数构建单元,用于根据公式
构建目标函数;其中,
Fitness为目标函数;φNULL为预期方向的零陷角度;φSL为旁瓣方向角;φML为主瓣方向角;
NULLobj为 方向上的目标零陷深度;k1和k2为权重因子;AF为阵因子公式,N个节点组成的天线阵在x-y平面上的阵因子为 其中,W为每个节点在波束图中所占的权重;wk为节点k的权重值;(rk,ψk)为节点k的极坐标;λ为载波的波长;
φ0为主瓣方向角;φ为波束到其他方向的角度φ∈[-π,π];j为复数;
合作节点集合确定模块,用于根据所述最小合作节点数以及所述目标函数确定合作节点集合;
合作节点权重确定模块,用于根据所述目标函数确定合作节点权重;
第一判断模块,用于判断所述节点数据是否传输至目标基站,得到第一判断结果;
节点数据传输模块,用于若所述第一判断结果表示为所述节点数据传输至目标基站,根据所述合作节点集合以及所述合作节点权重优化所述波束成形技术,并利用优化的波束成形技术传输所述节点数据;
数据源节点确定模块,用于若所述第一判断结果表示为所述节点数据未传输至目标基站,获取所述节点数据的数据源节点;
中继簇确定模块,用于根据所述数据源节点确定中继簇;
中继传输模块,用于根据所述中继簇将所述节点数据传输至目标基站。
6.根据权利要求5所述的基于节点行为的协作传输性能优化系统,其特征在于,所述合作节点集合确定模块具体包括:合作节点集合确定单元,用于利用遗传算法,根据所述最小合作节点数以及所述目标函数确定合作节点集合。
说明书 :
一种基于节点行为的协作传输性能优化方法及系统
技术领域
背景技术
发明内容
其中,W为每个节点在波束图中所占的权重;wk为节点k的权重值;(rk,ψk)为节点k的极坐标;
λ为载波的波长;φ0为主瓣方向角;φ为波束到其他方向的角度φ∈[-π,π];j为复数。
dt为簇头到目标基站的距离;
个数;其中,Ndis_best为最小参与合作的节点个数;Et_max为节点以最大功率发射1比特数据时发射消耗的能量;dmax为节点以最大发射功率发射数据所能传输的最大距离;
Fitness为目标函数;φNULL为预期方向的零陷角度;φSL为旁瓣方向角;φML为主瓣方向角;
NULLobj为 方向上的目标零陷深度;k1和k2为权重因子;AF为阵因子公式,N个节点组成的天线阵在x-y平面上的阵因子为 其中,W为每个节
点在波束图中所占的权重;wk为节点k的权重值;(rk,ψk)为节点k的极坐标;λ为载波的波长;
φ0为主瓣方向角;φ为波束到其他方向的角度φ∈[-π,π];j为复数。
附图说明
具体实施方式
[0166] 2)当dmax2[0167] A)根据d4[0168] B)判断簇头CH5和CH6所在候选簇内的节点数量是否满足所需最小节点数Nmin(公式6),如果候选簇都满足上述条件,则执行步骤C);
[0169] C)根据h3[0170] 其中,d1-d6为簇头之间的距离。[0171] 步骤211:根据所述中继簇将节点数据传输至目标基站。[0172] 在上述两种情况中,将选择CH2和CH5作为中继簇,CH2和CH5的簇头将分别接收CH1和CH4簇内合作节点发送的数据包,然后对数据进行处理,进一步根据本发明提出的算法选择合作节点,CH2和CH5簇头将处理后的数据发送给簇内合作节点,由这些合作节点把数据传输至目标基站。通过中继簇将无法直接传输到目标基站的数据传输到目标基站,提高数据包传输的成功率,多节点合作传输提高传输链路的稳定性。[0173] 图4为本发明所提供的基于节点行为的协作传输性能优化系统结构图,如图4所示,一种基于节点行为的协作传输性能优化系统,包括:[0174] 传输参数获取模块401,用于获取利用波束成形技术进行节点数据传输时所产生的能量消耗以及最大传输距离;所述能量消耗包括发射电路的能量损耗以及传输所述节点数据时的能量消耗;所述最大传输距离为节点以最大发射功率发射所述节点数据时所能传输的最大距离。[0175] 最小合作节点数确定模块402,用于根据所述能量消耗以及所述最大传输距离确定最小合作节点数。[0176] 所述最小合作节点数确定模块402具体包括:阵列节点的最佳数量确定单元,用于根据公式 确定在最小能量消耗的情况下所需的阵列节点的最佳数量;其中,Nenergy_best为在最小能量消耗的情况下所需的阵列节点的最佳数量;
Etransmit为传输所述节点数据时的能量消耗,Etransmit=εfsdt2;Eelec为发射电路的能量损耗;
εfs为自由空间模型功率放大所需要的能量;dt为簇头到目标基站的距离;最小参与合作的节点个数确定单元,用于根据公式
确定最小参与合作的节点个数;其中,Ndis_best为最小参与合作的节点个数;Et_max为节点以最大功率发射1比特数据时发射消耗的能量;dmax为节点以最大发射功率发射数据所能传输的最大距离;最小合作节点数确定单元,用于根据所述阵列节点的最佳数量以及所述最小参与合作的节点个数确定最小合作节点数。
[0177] 零陷参数获取模块403,用于获取传输预期方向的零陷角度以及目标零陷深度。[0178] 目标函数构建模块404,用于根据所述零陷角度以及所述目标零陷深度构建目标函数。[0179] 所述目标函数构建模块404具体包括:目标函数构建单元,用于根据公式构建目标函数;其中,Fitness为目标函数;φNULL为预期方向的零陷角度;φSL为旁瓣方向角;φML为主瓣方向角;
NULLobj为 方向上的目标零陷深度;k1和k2为权重因子;AF为阵因子公式,N个节点组成的天线阵在x-y平面上的阵因子为 其中,W为每个节
点在波束图中所占的权重;wk为节点k的权重值;(rk,ψk)为节点k的极坐标;λ为载波的波长;
φ0为主瓣方向角;φ为波束到其他方向的角度φ∈[-π,π];j为复数。
[0180] 合作节点集合确定模块405,用于根据所述最小合作节点数以及所述目标函数确定合作节点集合。[0181] 所述合作节点集合确定模块405具体包括:合作节点集合确定单元,用于利用遗传算法,根据所述最小合作节点数以及所述目标函数确定合作节点集合。[0182] 合作节点权重确定模块406,用于根据所述目标函数确定合作节点权重。[0183] 第一判断模块407,用于判断所述节点数据是否传输至目标基站,得到第一判断结果。[0184] 节点数据传输模块408,用于若所述第一判断结果表示为所述节点数据传输至目标基站,根据所述合作节点集合以及所述合作节点权重优化所述波束成形技术,并利用优化的波束成形技术传输所述节点数据。[0185] 数据源节点确定模块409,用于若所述第一判断结果表示为所述节点数据未传输至目标基站,获取所述节点数据的数据源节点。[0186] 中继簇确定模块410,用于根据所述数据源节点确定中继簇。[0187] 中继传输模块411,用于根据所述中继簇将节点数据传输至目标基站。[0188] 本发明在进行协作传输性能优化时,考虑了节点行为对数据传输性能的影响,从而最大化网络资源的利用率;基于分簇结构提出一种考虑节点行为的协作传输性能优化算法。首先提出一种改进的遗传算法在真实节点集合中选取最佳协作节点组合集合,进一步提出一种混合改进的鲸鱼优化算法优化合作节点的权重,结合上述两步最大限度降低波束中旁瓣电平;[0189] 针对节点不良行为导致合作节点数量不足的情况,提出基于区域裁剪的中继簇选取策略,通过中继节点的建立,完成数据远距离协作传输到目标基站,提高通信效率;考虑节点行为对协作传输性能的影响,对单跳协作传输和中继协作传输进行性能分析,并给出单跳协作传输策略与中继协作传输策略的适用条件。[0190] 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。[0191] 本发明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。
[0170] 其中,d1-d6为簇头之间的距离。[0171] 步骤211:根据所述中继簇将节点数据传输至目标基站。[0172] 在上述两种情况中,将选择CH2和CH5作为中继簇,CH2和CH5的簇头将分别接收CH1和CH4簇内合作节点发送的数据包,然后对数据进行处理,进一步根据本发明提出的算法选择合作节点,CH2和CH5簇头将处理后的数据发送给簇内合作节点,由这些合作节点把数据传输至目标基站。通过中继簇将无法直接传输到目标基站的数据传输到目标基站,提高数据包传输的成功率,多节点合作传输提高传输链路的稳定性。[0173] 图4为本发明所提供的基于节点行为的协作传输性能优化系统结构图,如图4所示,一种基于节点行为的协作传输性能优化系统,包括:[0174] 传输参数获取模块401,用于获取利用波束成形技术进行节点数据传输时所产生的能量消耗以及最大传输距离;所述能量消耗包括发射电路的能量损耗以及传输所述节点数据时的能量消耗;所述最大传输距离为节点以最大发射功率发射所述节点数据时所能传输的最大距离。[0175] 最小合作节点数确定模块402,用于根据所述能量消耗以及所述最大传输距离确定最小合作节点数。[0176] 所述最小合作节点数确定模块402具体包括:阵列节点的最佳数量确定单元,用于根据公式 确定在最小能量消耗的情况下所需的阵列节点的最佳数量;其中,Nenergy_best为在最小能量消耗的情况下所需的阵列节点的最佳数量;
Etransmit为传输所述节点数据时的能量消耗,Etransmit=εfsdt2;Eelec为发射电路的能量损耗;
εfs为自由空间模型功率放大所需要的能量;dt为簇头到目标基站的距离;最小参与合作的节点个数确定单元,用于根据公式
确定最小参与合作的节点个数;其中,Ndis_best为最小参与合作的节点个数;Et_max为节点以最大功率发射1比特数据时发射消耗的能量;dmax为节点以最大发射功率发射数据所能传输的最大距离;最小合作节点数确定单元,用于根据所述阵列节点的最佳数量以及所述最小参与合作的节点个数确定最小合作节点数。
[0177] 零陷参数获取模块403,用于获取传输预期方向的零陷角度以及目标零陷深度。[0178] 目标函数构建模块404,用于根据所述零陷角度以及所述目标零陷深度构建目标函数。[0179] 所述目标函数构建模块404具体包括:目标函数构建单元,用于根据公式构建目标函数;其中,Fitness为目标函数;φNULL为预期方向的零陷角度;φSL为旁瓣方向角;φML为主瓣方向角;
NULLobj为 方向上的目标零陷深度;k1和k2为权重因子;AF为阵因子公式,N个节点组成的天线阵在x-y平面上的阵因子为 其中,W为每个节
点在波束图中所占的权重;wk为节点k的权重值;(rk,ψk)为节点k的极坐标;λ为载波的波长;
φ0为主瓣方向角;φ为波束到其他方向的角度φ∈[-π,π];j为复数。
[0180] 合作节点集合确定模块405,用于根据所述最小合作节点数以及所述目标函数确定合作节点集合。[0181] 所述合作节点集合确定模块405具体包括:合作节点集合确定单元,用于利用遗传算法,根据所述最小合作节点数以及所述目标函数确定合作节点集合。[0182] 合作节点权重确定模块406,用于根据所述目标函数确定合作节点权重。[0183] 第一判断模块407,用于判断所述节点数据是否传输至目标基站,得到第一判断结果。[0184] 节点数据传输模块408,用于若所述第一判断结果表示为所述节点数据传输至目标基站,根据所述合作节点集合以及所述合作节点权重优化所述波束成形技术,并利用优化的波束成形技术传输所述节点数据。[0185] 数据源节点确定模块409,用于若所述第一判断结果表示为所述节点数据未传输至目标基站,获取所述节点数据的数据源节点。[0186] 中继簇确定模块410,用于根据所述数据源节点确定中继簇。[0187] 中继传输模块411,用于根据所述中继簇将节点数据传输至目标基站。[0188] 本发明在进行协作传输性能优化时,考虑了节点行为对数据传输性能的影响,从而最大化网络资源的利用率;基于分簇结构提出一种考虑节点行为的协作传输性能优化算法。首先提出一种改进的遗传算法在真实节点集合中选取最佳协作节点组合集合,进一步提出一种混合改进的鲸鱼优化算法优化合作节点的权重,结合上述两步最大限度降低波束中旁瓣电平;[0189] 针对节点不良行为导致合作节点数量不足的情况,提出基于区域裁剪的中继簇选取策略,通过中继节点的建立,完成数据远距离协作传输到目标基站,提高通信效率;考虑节点行为对协作传输性能的影响,对单跳协作传输和中继协作传输进行性能分析,并给出单跳协作传输策略与中继协作传输策略的适用条件。[0190] 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。[0191] 本发明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。
Etransmit为传输所述节点数据时的能量消耗,Etransmit=εfsdt2;Eelec为发射电路的能量损耗;
εfs为自由空间模型功率放大所需要的能量;dt为簇头到目标基站的距离;最小参与合作的节点个数确定单元,用于根据公式
确定最小参与合作的节点个数;其中,Ndis_best为最小参与合作的节点个数;Et_max为节点以最大功率发射1比特数据时发射消耗的能量;dmax为节点以最大发射功率发射数据所能传输的最大距离;最小合作节点数确定单元,用于根据所述阵列节点的最佳数量以及所述最小参与合作的节点个数确定最小合作节点数。
NULLobj为 方向上的目标零陷深度;k1和k2为权重因子;AF为阵因子公式,N个节点组成的天线阵在x-y平面上的阵因子为 其中,W为每个节
点在波束图中所占的权重;wk为节点k的权重值;(rk,ψk)为节点k的极坐标;λ为载波的波长;
φ0为主瓣方向角;φ为波束到其他方向的角度φ∈[-π,π];j为复数。