網(wǎng)絡(luò)定位中基于聯(lián)盟博弈的功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)定位中基于聯(lián)盟博弈的功率分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上通過延伸和擴(kuò)展至"物-物"之間的信息交互和通訊的 新型網(wǎng)絡(luò)。由于物聯(lián)網(wǎng)中對"物"的信息感知和采集、跟蹤、操控以及信息交互均與節(jié)點(diǎn)的地 理位置信息緊密相關(guān)，故以實現(xiàn)精準(zhǔn)位置信息獲取的定位技術(shù)理所當(dāng)然的成為了一個非常 重要的研宄課題，是物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。除此之外，許多其他技術(shù)往往也需借助定位技 術(shù)獲取物體的即時位置信息，由此衍生出了一系列基于位置信息的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。如在交通、 物流等領(lǐng)域，由于目標(biāo)物體的位置實時變化，感知設(shè)備采集的其他信息通常要與位置信息 關(guān)聯(lián)才有價值，"物"節(jié)點(diǎn)采集信息以及相應(yīng)的信息交互過程都與節(jié)點(diǎn)位置信息密切相關(guān)， 因此，定位技術(shù)也是智能交通、物流等領(lǐng)域的重要技術(shù)基礎(chǔ)，并在這些領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng) 用和發(fā)展。
[0003] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，簡稱WSN)是將分散且獨(dú)立的傳感器 節(jié)點(diǎn)通過無線方式連接起來組成的分布式網(wǎng)絡(luò)，其中的每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分別通過雙向無線傳 輸與一個或多個傳感器進(jìn)行通信以完成各種參數(shù)的感知測量。一般的傳感器節(jié)點(diǎn)包括傳感 器模塊、處理器模塊和無線通信模塊，如圖1所示。其中，傳感器模塊包括傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換模塊，傳感器模塊用于收集并實時檢測環(huán)境中的數(shù)據(jù)，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；處理 器模塊包括處理器和存儲器，用于保存并處理接收到的數(shù)據(jù)；傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過無線通 信模塊進(jìn)行通信，完成信息的交互；傳感器節(jié)點(diǎn)通常使用微型電池進(jìn)行能量供應(yīng)。
[0004] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)"全面感知"的重要技術(shù)手段，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中發(fā) 揮著非常重要的作用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有移動性、電池能量有限、通信帶寬低、大規(guī)模部 署、使用壽命有限等特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理可以描述如下：從網(wǎng)絡(luò)中感應(yīng)、測量 和采集信息；基于相應(yīng)的決策過程，把得到的信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)；然后由匯聚節(jié)點(diǎn)接收 到的這些信息進(jìn)行相應(yīng)處理并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，為用戶的操作提供數(shù)據(jù)支持。
[0005] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照節(jié)點(diǎn)位置信息可以分為已知與未知兩類。其中，已 知位置的節(jié)點(diǎn)稱為源節(jié)點(diǎn)或錨節(jié)點(diǎn)，位置未知的節(jié)點(diǎn)稱為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)的位置信息通 常可以利用GPS等定位系統(tǒng)或其他方法預(yù)先確定，而目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息需要借助于錨節(jié) 點(diǎn)的已知位置信息來估計。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用中，往 往只有少數(shù)功能較為強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為錨節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)均屬于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，因此確定無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需具備的一項基本功能。因為基 于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用一般都需要知道傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，否則感知的對象信息常 常無效，故目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用的基礎(chǔ)。
[0006] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置信息的估計可通過無線定位的方式來實現(xiàn)。無線定位 是指利用無線電波信號的信號強(qiáng)度、到達(dá)角度、信號相位、信號傳播延遲等特征參數(shù)并借助 于適當(dāng)?shù)乃惴▉慝@取物體在某種參考系中的位置信息。目前，在無線定位系統(tǒng)的定位算法、 精度及其他性能方面的研宄已經(jīng)取得了一系列重要的研宄成果，并在實際中得到了廣泛的 應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。常用的無線定位系統(tǒng)有GPS定位系統(tǒng)、北斗定位系 統(tǒng)、A-GPS定位系統(tǒng)、基于蜂窩基站的定位系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)等。其中，網(wǎng)絡(luò)定位尤其 適合于無中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等，其特點(diǎn)是可基于少數(shù)已知位置信息 的錨節(jié)點(diǎn)，通過逐步演進(jìn)的方式，從而確定網(wǎng)絡(luò)中其他目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息。
[0007] 由于在大多數(shù)應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的能量來源主要來自于所裝備的電 池，能量及其有限，且很難實現(xiàn)對耗盡的電池進(jìn)行更換，因此設(shè)計能耗高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算 法一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研宄的熱點(diǎn)之一。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實施位置信息估計時， 不僅在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間通信時需要耗費(fèi)能量，而且在利用某種算法進(jìn)行位置信息估計時也需要 耗費(fèi)能量。因此如何有效降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在位置信息估計階段的能耗，對于延長 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期，進(jìn)而促進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際部署應(yīng)用具有重要的理論和 實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提出一種網(wǎng)絡(luò)定位中基于聯(lián)盟博弈的功率分配方法，該方法基 于合作博弈論的方法，通過構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位時節(jié)點(diǎn)功率分配的優(yōu)化模型、求解聯(lián) 盟和設(shè)計分布式測量方法，從而有效降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置信息估計階段所需的能 耗。
[0009] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0010] 網(wǎng)絡(luò)定位中基于聯(lián)盟博弈的功率分配方法，包括如下步驟：
[0011] Sl建立基于聯(lián)盟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位功率消耗優(yōu)化模型
[0012] 定義聯(lián)盟：設(shè)N = {1，2,…N}表示傳感網(wǎng)中的源節(jié)點(diǎn)集，其中N表示源節(jié)點(diǎn)的數(shù) 目，N的任意一個非空子集稱為N的一個聯(lián)盟；只包含一個節(jié)點(diǎn)的聯(lián)盟稱為單聯(lián) 盟；
s e {〇, 1}?表示；用于定位第k個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的非空的源節(jié)點(diǎn)的集合是一個聯(lián)盟，記為Sk;
，SJ為N的一個聯(lián)盟結(jié)構(gòu)；記N所有的聯(lián)盟結(jié)構(gòu)的集合為T ;在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位 中，聯(lián)盟Sk中的所有源節(jié)點(diǎn)通過發(fā)射包含自身位置信息的信號至第k個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，設(shè)第i 個源節(jié)點(diǎn)消耗的功率為P i，其中PiE [0, P]，P為源節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率；設(shè)記錄測量值 所需的時間為Ts，故其消耗的能量為PiT s，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次測量所需耗費(fèi)的能量為
[0015] 基于聯(lián)盟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位功率消耗優(yōu)化模型可表示為：
[0017] 其中，P = (Pl，WpN)T為功率的分配向量，目標(biāo)函數(shù)是某個聯(lián)盟結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)所 耗費(fèi)的功率之和，是定位時所需滿足的定位精度值，GDOP k為對S k聯(lián)盟而說的幾何精度 因子，P' i為第i個源節(jié)點(diǎn)分配得到的功率的上限；約束條件表明該聯(lián)盟的幾何精度因子不 超過G.即定位誤差控制在一定范圍內(nèi)；
[0018] 假設(shè)節(jié)點(diǎn)組成了聯(lián)盟結(jié)構(gòu)Y，節(jié)點(diǎn)的功率分配向量為p，如果所有的傳感器無法形 成聯(lián)盟0 Y使得節(jié)點(diǎn)的功率減小，則稱功率分配向量p是公平的；因此功率分配向量p 是公平的當(dāng)且僅當(dāng)其滿足：
[0022] 如果可行集為空，則設(shè)G(S'k);在滿足公平性條件即式（2)的前提下求解優(yōu) 化模型即式（1)可得到最優(yōu)的功率分配方案；
[0023] s2幾何精度因子的計算
[0024] 假設(shè)一個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過含噪聲的距離P 測量來估計它的位置，即：
[0025] A ~N(p,.(x)，<) ⑷
[0026] 其中，觀察值的標(biāo)準(zhǔn)差\依賴于TOA算法測量的標(biāo)準(zhǔn)差，即：
[0028] 其中，c為光速常量，力嗎為TOA測量中的標(biāo)準(zhǔn)差，因數(shù)4表示從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié) 點(diǎn)兩個來回，上述變量通過對稱雙面雙向測距協(xié)議用來獲得距離估計；
[0029] 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置通過最小二乘法估計得到，X表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的實際位置坐標(biāo)，X: 表示第i個源節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)估計值x是使得均方差最小的坐標(biāo)：
[0031] 這個優(yōu)化問題基于一個摩爾一彭若斯廣義逆矩陣的閉合解為：
[0037] 其中，N為源節(jié)點(diǎn)集合N的基數(shù)，即對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)測量的次數(shù)；求解式（7)需要初始 化未知的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，記作x°;式（7)中的最小二乘解與以下方差矩陣有關(guān)：
[0038] Ci =(h' I 1 Hj (10)
[0039] 其中，對角矩陣E為：
[0040] H = ，…cr,、.） (11)
[0041] 式（11)等式右邊括號內(nèi)的各個參數(shù)是式（3)中每一次距離測量時的方差；
[0042] 幾何精度因子定義如下：
[0044] 其中TH ?}表示跡算子，平均的克拉姆-拉奧下界的計算公式為以下不等式右側(cè) 的表達(dá)式：
[0046] 其中，B是彳目號帶寬，Ts是彳目號的持續(xù)時間，f。是中心頻率，Li= ( A/4jtp J2是 路徑損失，P 距離，X為頻率，P i是第i個源節(jié)點(diǎn)的傳輸功率，N ^是噪聲的密度；
[0047] S3聯(lián)盟博弈的形成算法
[0048] 一個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和多個源節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)中源節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟的形成算法如下：
[0049] 考慮只有一個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的情況，聯(lián)盟S中的所有源節(jié)點(diǎn)用于發(fā)射信號至該目標(biāo)節(jié) 點(diǎn)，將所有的源節(jié)點(diǎn)都加入到聯(lián)盟S中，即源節(jié)點(diǎn)數(shù)量a = N，對所有的源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸功 率的分配求最優(yōu)分配，當(dāng)一個源節(jié)點(diǎn)分配到的功率等于〇時表示該源節(jié)點(diǎn)不在該聯(lián)盟中， 即可求得定位該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的源節(jié)點(diǎn)的聯(lián)盟，這時候相當(dāng)于所有的源節(jié)點(diǎn)組成了一個大聯(lián) 盟；這時候的源節(jié)點(diǎn)功率分配問題可用一個三元組r (N，F(xiàn)，u)來表示，其中各元素表示 如下：
[0050] (I) N是N個博弈對象的集合，即無線傳感網(wǎng)中的源節(jié)點(diǎn)的聯(lián)盟；
[0051] (2) F是博弈的策略集，p = (/;Ppn./e P^R'y是所采用的功率分配策略， 即各源節(jié)點(diǎn)的功率分配，其中第i個源節(jié)點(diǎn)消耗的功率為Pi，PiE [0，P]，P為節(jié)點(diǎn)的最大 發(fā)射功率限制，令P_i表示除了第i個源節(jié)點(diǎn)以外的其他源節(jié)點(diǎn)的功率分配；
[0052] (3)Vi是第i個源節(jié)點(diǎn)的效用函數(shù)，表示對給定的功率分配策略，第i個源節(jié)點(diǎn)的 收益，u = IvJi ￡N是N個源節(jié)點(diǎn)效用函數(shù)的集合；
[0053] 用幾何精度因子GDOP的絕對值和第i個源節(jié)點(diǎn)分配到的功率值Pi來表示效用函 數(shù)；定義以下的效用函數(shù)以滿足上述變量之間的變化關(guān)系：
[0055] 其中，0 <a< 1表示在功率和誤差之間的權(quán)衡，即功率對效用函數(shù)的影響所占的 比例，每一個源節(jié)點(diǎn)均通過自身的電池的狀態(tài)控制這個參數(shù)的值;A多1表示對效用函數(shù)的 值的修正，g(P)=(⑶OP(P))2表示⑶OP的平方；博弈的類型是通過效用函數(shù)定義的，如果 效用函數(shù)滿足超模性，則該博弈就可以稱為超模博弈；
[0056] s4聯(lián)盟博弈的擴(kuò)展
[0057] 當(dāng)聯(lián)盟內(nèi)有多個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，效用函數(shù)和特征函數(shù)有所不同；依然考慮三元組 r (N，F(xiàn)，！〇,此時效用函數(shù)如下式（15)，此時效用函數(shù)依然滿足超模性；
[0064] 把優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)寫成聯(lián)盟的特征函數(shù)的累加和，在求解時先求解聯(lián)盟的分 解，然后得出每個聯(lián)盟的特征函數(shù)，最后求解優(yōu)化模型；上述的優(yōu)化模型使用的是特征函 數(shù)；
[0066] 則當(dāng)特征函數(shù)的值越大時，式（18)的值越小，故把優(yōu)化模型改寫為：
[0068] s6基于超模博弈的功率分配和聯(lián)盟形成算法，算法的具體步驟如下：
[0069] s61、初始化，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送測距請求信息. s
[0070] S62、迭代次數(shù)記為n = 1，總共所需的迭代次數(shù)為Nit ? Ikl次；
[0071] s63、當(dāng)n的值小于迭代次數(shù)且沒有收到測距終止信號/時，執(zhí)行步驟s64,否 則執(zhí)行步驟s611 ;
[0072] s64、i為收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)幀的順序標(biāo)志，收到請求信息的第i個源節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀/^/ ? 其中包含如下信息：（1)該源節(jié)點(diǎn)得到的功率值Pi; (2)n = 1時，即初始化時包含初始源節(jié) 點(diǎn)坐標(biāo)信息，當(dāng)3 < i < k時記錄定位該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)盟的向量的值為1，即Si= 1，計算 更新gi (P)值；
[0073] s65、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)的測距響應(yīng)幀后，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)幀(.? ;
[0074] s66、源節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)響應(yīng)幀.? (.5/;
[0075] s67、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到確認(rèn)響應(yīng)幀后，計算出距離估計值P i，收到的最大的i值即為 目前收到的幀數(shù)，