一种基于博弈理论的自组网速率最大化的优化方法及装置

本发明涉及信息通信，尤其涉及一种基于博弈理论的自组网速率最大化的优化方法及装置。

背景技术：

1、在对抗环境中，侦察和监视任务依赖于健壮的通信网络。预部署的固定通信设施经常由于敌方攻击和恶意干扰而被破坏，不能为合法通信节点提供满意的通信服务。自组网具有灵活部署和快速移动的优点，可以在对抗环境中提供高效的网络连接。特别是分层联盟自组织网络(hierarchical coalition-based ad-hoc network，hcan)是一种很有前途的网络架构。在hcan中，通信节点被划分为多个负责执行特殊任务的联盟。每个联盟由一个联盟头(coalition head，ch)和几个联盟成员(coalition members,cms)组成。如图1所示。

2、然而，在对抗性的环境中，hcan仍然有一些具有挑战性的问题需要解决。首先，拥塞的频谱资源和严重的共信道相互干扰大大降低了传输速率。其次，敌对设备可以对节点进行一系列的电磁干扰攻击，从而使hcan失效，导致频繁的通信中断。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于博弈理论的自组网速率最大化的优化方法及装置，解决分层联盟自组织网络在对抗性的环境中存在传输速率低和通信中断的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种基于博弈理论的自组网速率最大化的优化方法，包括：

4、在分层联盟自组织网络场景中，构建各联盟的链路传输速率模型；

5、基于所述链路传输速率模型，以所有联盟的链路传输速率总和最大化为优化目标，以联盟成员和断联节点与联盟头的关联策略为变量，构建优化模型；

6、基于所述优化模型，采用联盟形成博弈的分布式联盟成员优化算法，进行联盟成员和联盟头的关联优化；

7、基于所述优化模型，采用双边匹配博弈的链路重构算法，进行断联节点和联盟头的关联优化。

8、可选的，所述链路传输速率模型为：

9、

10、式中，bn为第n个联盟的带宽，amn＝1表示第m个联盟成员接入第n个联盟，amn＝0表示第m个联盟成员未接入第n个联盟；γm,n、rm,n为第m个联盟成员在第n个联盟中链路的信干噪比和传输速率；

11、

12、式中，pm,n、im,n为第m个联盟成员在第n个联盟中链路传输功率和受到的干扰信号，hm,n为第m个联盟成员在第n个联盟中与联盟头之间的端对端信道增益；为加性高斯白噪声。

13、可选的，所述干扰信号im,n为：

14、

15、

16、

17、式中，为第m个联盟成员在第n个联盟中受到的链路互干扰信号和干扰机干扰信号，pi,n、pj,n为第i个联盟成员和第j个干扰机到第n个联盟联盟头的传输功率，hi,n、hj,n为第i个联盟成员和第j个干扰机与第n个联盟联盟头之间的端对端信道增益；

18、所述端对端信道增益hm,n为：

19、

20、

21、

22、式中，为第m个联盟成员在第n个联盟中与联盟头之间的距分量和非视距分量，ξ、k为莱斯因子和多径数目，zk＝0表示第k条多径分量被阻塞，zk＝1表示第k条多径为有效非视距分量；和为距分量和非视距分量，β0、dm,n、χ为参考距离为1米时的信道增益、通信距离以及路径损耗因子。

23、可选的，所述优化模型为：

24、

25、

26、式中，γth为信干噪比阈值，nmax为联盟能够容纳的联盟成员最大数量，nn,c为第n个联盟中联盟成员数量。

27、可选的，所述采用联盟形成博弈的分布式联盟成员优化算法，进行联盟成员和联盟头的关联优化包括：

28、初始化各联盟成员，各所述联盟成员随机选择通信范围内的联盟进行接入；

29、重复执行以下步骤，直至达到预设的最大迭代次数t1：

30、随机选择一个联盟成员作为目标联盟成员，计算其接入的联盟的形成效用；

31、令所述目标联盟成员重新选择通信范围内的另一联盟，并计算其重新选择的联盟的形成效用；

32、若其重新选择的联盟的形成效用大于其接入的联盟的形成效用，则令所述目标联盟成员离开其接入的联盟并接入重新选择的联盟。

33、可选的，所述形成效用为：

34、um(con)＝r[con]-r[con\mm]

35、式中，r[con]、r[con\mm]为第m个联盟成员mm从第n个联盟con中去除先后的链路传输速率总和；um(con)为第m个联盟成员mm在第n个联盟con中的形成效用。

36、可选的，所述采用双边匹配博弈的链路重构算法，进行断联节点和联盟头的关联优化包括：

37、基于各断联节点在各联盟中链路的信干噪比，构建各所述断联节点对联盟头的偏好列表；

38、重复执行以下步骤，直至达到预设的最大迭代次数t2：

39、随机选择一个未匹配断联节点作为目标断联节点，令所述目标断联节点对其偏好列表中首个联盟头发送匹配请求；

40、若首个联盟头对应的联盟中联盟成员数量nn,c＝0，则所述目标断联节点与首个联盟头匹配成功；

41、若首个联盟头对应的联盟中联盟成员数量0<nn,c<nmax，则计算所述目标断联节点接入首个联盟头对应的联盟前后的链路传输速率总和；若接入后的所述链路传输速率总和大于接入前的所述链路传输速率总和，则所述目标断联节点与首个联盟头匹配成功，否则将首个联盟头从所述目标断联节点的偏好列表中删除；nmax为联盟能够容纳的联盟成员最大数量；

42、若首个联盟头对应的联盟中联盟成员数量nn,c＝nmax，则将首个联盟头对应的联盟中的一个联盟成员替换成所述目标断联节点组成nmax种新联盟，计算首个联盟头对应的联盟和nmax种新联盟的链路传输速率总和，若首个联盟头对应的联盟的链路传输速率总和最大，则将首个联盟头从所述目标断联节点的偏好列表中删除；若nmax种新联盟中第s个新联盟的链路传输速率总和最大，则所述目标断联节点与首个联盟头匹配成功，去除第s个新联盟对应的所述目标断联节点替换的联盟成员；将去除的所述联盟成员作为断联节点，构建其对联盟头的偏好列表。

43、可选的，所述进行断联节点和联盟头的关联优化还包括：

44、重复执行以下步骤，直至达到预设的最大迭代次数t3：

45、随机选择两组匹配成功的断联节点和联盟头(mm1,nn1)、(mm2,nn2)；

46、若满足：

47、r[con1\mm1∪mm2]+r[con2/mm2∪mm1]>r[con1]+r[con2]

48、则，重新断联节点和联盟头为(mm1,nn2)、(mm2,nn1)；

49、式中，r[con1\mm1∪mm2]为去除第m1个联盟成员mm1并加入第m2个联盟成员mm2后的第n1个联盟con1的链路传输速率总和；r[con2\mm2∪mm1]为去除第m2个联盟成员mm2并加入第m1个联盟成员mm1后的第n2个联盟con2的链路传输速率总和；r[con1]、r[con2]为第n1个联盟con1、第n2个联盟con2的链路传输速率总和。

50、第二方面，本发明提供了一种基于博弈理论的自组网速率最大化的优化装置，所述装置包括：

51、速率模型构建模块，用于在分层联盟自组织网络场景中，构建各联盟的链路传输速率模型；

52、优化模块构建模块，用于基于所述链路传输速率模型，以所有联盟的链路传输速率总和最大化为优化目标，以联盟成员和断联节点与联盟头的关联策略为变量，构建优化模型；

53、成员分布优化模块，用于基于所述优化模型，采用联盟形成博弈的分布式联盟成员优化算法，进行联盟成员和联盟头的关联优化；

54、链路重构优化模块，用于基于所述优化模型，采用双边匹配博弈的链路重构算法，进行断联节点和联盟头的关联优化。

55、第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时，实现上述方法的步骤。

56、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

57、本发明提供的一种基于博弈理论的自组网速率最大化的优化方法及装置，方法可分为两个阶段，前一阶段进行联盟成员组成优化，以获得稳定的联盟划分，以减轻同频互干扰和敌方恶意干扰，后一阶段利用双边匹配博弈来重构断联链路。与现有的工作相比，所提出的基于博弈论的链路接入方法能够以分布式的方式提高自组网的和速率，并保证通信的稳定。