[發明專利]MIMO無線多跳網絡的分布式跨層優化方法

有效

• 申請號: 201510612480.1
• 申請日: 2015-09-23
• 公開（公告）號: CN105163380B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發明（設計）人: 徐偉強;袁文初;史清江
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: H04W52/26
• 分類號: H04W52/26;H04W52/34;H04W52/46
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種MIMO無線多跳網絡的分布式跨層優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步：設定MIMO無線多跳網絡中的總功率約束目標鏈路帶寬信道干擾矩陣信道矩陣網絡中的會話流數F，其中s_l表示次用戶(SU)鏈路，p_j表示主用戶(PU)鏈路；并初始化如下變量：迭代次數k₁＝0，拉格朗日對偶變量

第二步：MIMO無線多跳網絡中的每條會話的流量需求為則根據節點流守恒定律，可以得到：

其中表示會話f在鏈路s_l的分配的流量，表示次用戶(SU)節點n_s作為接收節點的所有鏈路集合，表示節點n_s的所有發送鏈路的集合，的表達式如下所示：

其中src(f)表示會話f的發送節點，dst(f)表示會話f的目的節點；

在每個會話流f的發送節點src(f)處通過求解網絡傳輸層子問題：

maxs,xfUf(sf)-Σsl=1Luslxslf]]>

xslf≥0,sf≥0∀sl]]>

得到最優解即網絡傳輸層的路由選擇；其中，定義U_f(s_f)代表會話f的效用公平函數，表示在鏈路s_l對應的拉格朗日因子，而L表示網絡拓撲中的總鏈路數；對于網絡傳輸層子問題，獲取對偶信息后，每條會話f的發送節點src(f)在本地計算網絡傳輸層子問題后更新流速率信息s_f與路由信息x_f，每個中間節點根據發送節點的路由信息x_f來中繼發送數據流s_f；

第三步：節點n_s的發送功率約束限制可表示為：

其中表示鏈路s_l的發送向量的協方差矩陣，也就是，是埃爾米特共軛矩陣且是半正定(PSD,positive semi-definite)矩陣；物理上表示鏈路s_l的發送節點分配給鏈路s_l的各個天線的功率；為小于1的固定常數，其表示節點實際可以使用的功率與總功率的比例；表示網絡中節點n_s的最大發送功率；

鏈路s_l的信道容量如下所示：

Φsl(Wsl,Qsl)=ΔWsllog|NpjWslI+HpjslQpj*HpjslH+HslQslHslH||NpjWslI+HpjslQpj*HpjslH|]]>

在上式中，表示在PU節點p_j處的噪聲功率普密度，I為單位矩陣，表示來自PU的干擾，其中表示分配給鏈路s_l的帶寬，與共同影響著也就是說帶寬分配與多天線的功率分配對提高信道容量起著重要作用；

節點n_s的所有發送鏈路的帶寬之和不能超過PU分配給節點n_s使用的帶寬

依據對偶分解和上述約束可得到物理鏈路層子問題如下：

其中

在每個節點n_s處通過交替迭代更新算法來求解物理鏈路層問題，即物理層的多天線功率控制與鏈路層的帶寬分配，得到可行解

第四步：令k₁＝k₁+1，在每個節點n_s處通過下式更新拉格朗日對偶變量循環從第二步開始執行，直至結果收斂，得到整個MIMO無線多跳網絡跨層優化問題的解，在實際MIMO無線多跳網絡中，各個節點根據得出的解設定的值運行，可以保障網絡中各個節點的數據傳輸率和網絡效用的同時，減少網絡中的能量損耗；

usl(k1+1)=[usl(k1)-βsl(k1)dsl(k1)]+]]>

其中[z]⁺＝max(0,z)，表示正數步長，表示次梯度且通過下式獲得：

dsl(k1)=Φsl(Wsl*(usl(k1)),Qsl*(usl(k1)))-Σf=1F(xslf(usl(k1)))*,∀sl]]>

其中與分別為第二步的網絡傳輸層子問題和第三步物理鏈路層子問題的解。

2.根據權利要求1所述一種MIMO無線多跳網絡的分布式跨層優化方法，其特征在于，在第k₁次迭代時，每個節點n_s通過交替迭代更新算法來求解物理鏈路層子問題得到可行解在每個節點n_s上具體包括以下子步驟：

步驟3-1、初始化如下變量：迭代次數k₂＝0，鏈路帶寬功率協方差矩陣

步驟3-2、固定為物理鏈路層子問題只剩下變量其轉化為凸問題；通過求解該問題得到

步驟3-3、固定為物理鏈路層子問題只剩下變量其轉化為線性規劃問題；通過求解該問題得到

步驟3-4、令k₂＝k₂+1，循環執行步驟3-2和步驟3-3，直至結果收斂，得到物理鏈路層子問題的解。