[發明專利]一種多射頻多信道無線Mesh網絡資源跨層優化方法

有效

• 申請號: 201310256600.X
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103369599A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 張德干;李光;李文杰
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: H04W28/08
• 分類號: H04W28/08;H04W28/22;H04W72/04
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

1.一種多射頻多信道無線Mesh網絡資源跨層優化方法，其特征在于該方法的具體步驟包括：

第1、凸集、凸函數、凸優化的相關定義

凸集：???????????????????????????????????????????????是實數或復數向量空間的集合,對于所有的和所有的，有，即倘若中的任何兩點的連線仍然屬于,則是凸集，凸集是連通的；

凸函數：假設是定義在閉區間上的函數，若是對任意的和，有，則是在上的凸函數；

凸優化：優化問題即是在凸集上求凸函數的最小點，這類問題統稱為凸優化問題；如果凸優化問題的優化函數是一個嚴格的凸函數，且存在極小值，那么該極小值就是最小值且是唯一的；

在此將網絡建模為一個數學問題，并且使用拉格朗日對偶分解技術，將該數學問題分解為幾個子問題，網絡協議棧的每個層對應于一個分解后的子問題，協調各個子問題的優化變量成為了各層之間的接口，其中，拉格朗日對偶分解法：

?

目標函數是，約束條件是和；一般是引入拉格朗日算子，用和表示，拉格朗日公式

定義下面的函數：

假設和，通過調整和使得有最大值且為正無窮；當和滿足上述約束條件時，為，因此原來的問題轉化為的問題:；然后對，，求偏導，使偏導數等于0，最終得出，，；引入拉格朗日算子的原因是的變化方向與的梯度垂直才能獲得極值；

第2、MRMC-WMN資源優化算法

第2.1、信道分配

假設無線Mesh網絡中存在個節點，網絡拓撲相對穩定，為其中任一節點，為節點的有效傳輸范圍內的節點集合，為節點干擾范圍內的節點集合，節點中配有多個無線射頻設備，能夠同時使用不同的信道進行數據的發送或接收，為節點的射頻數量；為節點和節點之間的鏈路；為網絡中所有正交信道的集合；

對任意鏈路和任意信道,允許在兩個鄰居節點之間建立多條鏈路通信，這些鏈路工作在不同的信道上，因此能夠最大化網路的資源利用率；任何信道分配都必須符合下列約束條件：

射頻約束條件：在任何時候，一個節點最多使用個不同的信道發送數據包：

；

干擾約束條件：在任何時候，兩條干擾鏈路不能活躍在同一條信道中：

任意節點用于與此節點鄰居建立鏈路的信道數目必須小于此節點射頻數目；

第2.2、速率分配

采用基于IEEE802.11的CSMA接入方法，存在速率分配限制：

其中，表示鏈路在信道c上的數據傳輸速率，表示物理層鏈路帶寬，表示與鏈路(s,d)相互干擾的鏈路集合；

第2.3、路由

定義鏈路在信道c上的沖突概率是,這條鏈路上成功傳輸數據包的期望傳輸次數為：

其中，是802.11標準中重傳的上限；

在同一路徑上同一信道上總ETT值表示為

定義路徑傳輸時間限制如下：

其中，是一個用于限制路徑傳輸時間的可調參數；設置使得路由算法為每個業務流找到最短傳輸時間路徑,表示任意業務流k的傳輸路徑長度,ETT表示重傳期望總時間，

網絡優化目標是：；

第3、跨層資源優化機制

第3.1、優化方法

當信道分配方案S(X)確定時，利用拉格朗日理論，對任意節點和業務流k引入拉格朗日變量，將流量平衡約束式放寬到優化目標得到拉格朗日函數如下：

為引入的拉格朗日乘子，是鏈路對業務流k的擁塞因子；

傳輸層：每個節點以分布式的控制周期為周期，使用聯合設計算法分布式地更新擁塞價格并調整業務流速率；然后將新的價格信息傳遞給鏈路層并廣播給此節點的鄰居節點；

鏈路層信道根據分配方案S?(X?)，并收集鄰居節點的價格信息p，用分布式調度算法進行速率分配，然后將鏈路速率分配信息R傳遞給傳輸層和網絡層；

網絡層：根據鏈路速率分配信息R能夠得到業務流的傳輸路徑；

網關節點：通過信令收集其它節點的速率分配信息R和價格信息p，以干擾代價最小的信道分配算法集中式地分配信道；如果需要更新則將新的信道分配方案廣播給其他節點；

第3.2、干擾代價最小的信道分配算法

當網絡首次分配信道時，將信道c分配給所有的鏈路；在初始信道分配方案S?(X?)下，網關節點首先周期性的收集每條鏈路的速率分配信息R和價格信息p；這些信息反映了各層之間的資源供需關系，所以網關能夠利用其它節點多個層的信息來進行優化的信道分配；

第3.3、聯合設計算法

在時隙t，每個節點對任意業務流k定時更新價格，并將價格信息p廣播給所有鄰居；對任意業務流k，其源節點調整傳輸速率；任意節點從其鄰居節點收集價格信息，求，將差分價格廣播給的鄰居節點；節點收集其鄰居節點在上個時隙的差分價格信息，在時隙t開始時利用的分布式調度算法分配速率給鏈路（m,n），使得滿足的限制；由每條鏈路分配給每個業務流的速率能夠得到業務流的傳輸路徑分配傳輸業務流。