延长网络生存时间的簇头规划及功率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种延长网络生存时间的簇头规划及功率控制方法，所述方法包括以下步骤：计算各设备担任簇头的最佳轮数以最大化网络FED时间；建立簇头索引表；明确当前轮传输的簇头设备；计算各设备的最优发送功率以最小化网络每轮能量消耗；各设备根据其最优发送功率传输数据包，完成当前轮数据传输。该方法以最大化网络FED时间为目标，以设备能量为约束建立优化问题，求得了每个设备担任簇头的最佳轮数。此外，还研究了设备传输时间约束下的最小化网络能量消耗的功率控制方法，显著地延长了海量MTC网络的FED时间，并且应用所提功率控制方法可进一步降低网络能量消耗、延长网络生存时间，具有工程实际应用价值。具有工程实际应用价值。具有工程实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】
延长网络生存时间的簇头规划及功率控制方法


[0001]本专利技术涉及簇头规划方法，具体涉及延长网络生存时间的簇头规划及功率控制方法，属于无线通信

技术背景
[0002]作为第五代移动通信的重要应用场景之一，海量机器类型通信(massive Machine Type Communication,mMTC)受到了广泛关注。由于未来蜂窝网络中MTC设备数将呈现爆发式增长，海量的无线接入请求会导致系统过载、网络拥塞。此外，MTC设备一般由电池供电，且部署后通常几年甚至十几年都不会进行人工充电的操作，因此设备能耗需尽可能降低。分簇是缓解MTC网络接入拥塞、减小设备能耗的重要途径，主要包括簇数目规划、簇形成以及簇头规划等关键技术。其中簇头规划与整个网络生存时间息息相关。在簇结构中，簇头是连接基站和簇成员通信的桥梁，选择一个低功耗高可靠的MTC设备作为簇头对于整个传输起着重要的作用。
[0003]簇头规划方法可以根据其是否进行簇头轮换分为两类，其中不进行簇头轮换的簇头规划方法注重在各自通信场景下的最优簇头规划方法，只着眼于当下的网络情况，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.延长网络生存时间的簇头规划及功率控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1计算各设备担任簇头的最佳轮数以最大化网络FED时间；S2建立簇头索引表；S3明确当前轮传输的簇头设备；S4计算各设备的最优发送功率以最小化网络每轮能量消耗；S5各设备根据其最优发送功率传输数据包，完成当前轮数据传输；其中，步骤S5中，簇成员设备将数据包发送给簇头设备，然后簇头设备将收集到的所有数据包转发给基站。2.根据权利要求1所述的延长网络生存时间的簇头规划及功率控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括：网络FED时间可等价为每个簇FED时间的函数：其中，为第j个簇的FED时间，为第j个簇中第i个设备的生存时间；最大化MTC网络的FED时间等价于最大化MTC网络中每个簇的FED时间；对于任意簇将簇内所有MTC设备定义为集合ψ,且|ψ|＝M，簇内M个MTC设备均以“轮”的形式周期性传输数据包；设簇内首个设备能量耗尽的轮数为L，在此L轮内第i(i∈ψ)个设备担任CH的轮数为n
i
(n
i
≥0)，则其余的L
‑
n
i
轮设备i作为CM；该簇的FED时间可以表示为：基于此，建立最大化FED时间且考虑每个设备在FED时间内能量消耗约束的优化模型如下：其中，Z表示正数集合，E为设备初始电池电量，为设备i在周期T内作为CH的能量消耗，为设备i在周期T内作为CM的能量消耗，约束条件C1保证了各设备在L轮内的能量不被耗尽，约束条件C2保证了各设备当选簇头的轮数为整数且最少为0轮。3.根据权利要求1所述的延长网络生存时间的簇头规划及功率控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：以簇心代表簇头，并且簇间干扰距离等效为其他簇簇心到本簇簇心的距离，获得和分别为：
其中，t
h,i
和t
m,i
分别为设备i作为CH和CM传输数据包的时间；求得簇内各设备当选簇头的最优轮数(n1,n2...n
M
)
*
后，制定各设备当选簇头的先后顺序，并构建簇头索引表order如下：其中，1、2等表示用户身份索引，表示用户1担任簇头轮数；disorder[
·
]表示对数组[
·
]内的元素顺序进行随机打乱操作，目的是为了避免同一个设备一直担任簇头以保证簇内设备能量消耗的动态平衡。4.根据权利要求1所述的延长网络生存时间的簇头规划及功率控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括：簇c可以根据簇头索引表order确定当前“轮”传输的簇头设备，记作k，其余的设备组成簇成员设备集，记作记作簇c每轮传输的总能量消耗E
Σ
可以通过下式求得：由于网络簇结构形成之后不再发生改变，所以最小化网络能量消耗等价于最小化每个簇的总能量消耗；在保证各设备传输时间的约束下，构建优化问题如下：s.t.C1:t
h,k
≤TC3:0≤P
h,k
≤P
H
其中，P
h,k
为簇头设备k的发送功率，P
H
为簇头设备k的最大发送功率，P
m,j
为簇成员设备j的发送功率，P
M
为簇成员设备j的最大发送功率；约束条件C1和C2确保了簇头设备k和任意簇成员设备j在传输周期T内可完成数据传输，约束条件C3和C4规定...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锐，张欣怡，阮玉晗，李勇朝，刘为，袁宏伟，姜小宇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：