[發(fā)明專利]一種無線自組網(wǎng)并發(fā)傳輸協(xié)議聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110364943.2
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113115422B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 雷磊;馮志剛;陳金勇;路志勇;范兼睿;茹賽穎;趙宏宇;楊承弘;趙巖
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué);中國電子科技集團公司第五十四研究所
• 主分類號: H04W52/24
• 分類號: H04W52/24;H04W72/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種無線自組網(wǎng)并發(fā)傳輸協(xié)議聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計方法，具體包括以下步驟：

步驟1：分析基于聯(lián)合調(diào)度與功率控制的無線自組網(wǎng)并發(fā)傳輸方案，給出模型結(jié)構(gòu)，計算通信鏈路相應(yīng)的信干噪比值SINR，給出網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)，具體方法為：

步驟1-1：為每個通信節(jié)點設(shè)計一種信息表來記錄鄰居節(jié)點的信息，稱為鄰居節(jié)點信息表(Neighbor Note List，NNL)，NNL(i)中記錄著節(jié)點i周圍即將發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的節(jié)點的信息，包括：

1)節(jié)點u的地址；

2)節(jié)點i與u之間的信道增益：d_iu表示節(jié)點i與節(jié)點u之間的距離，對應(yīng)的信道增益為h_iu＝cd_iu^-α，其中c為常數(shù)，α為路徑損耗指數(shù)；

3)節(jié)點u的目標(biāo)干擾功率：I_u(t)表示節(jié)點u接收信息時可以承受的最大干擾；

4)節(jié)點u和節(jié)點v之間的數(shù)據(jù)傳輸時間和ACK應(yīng)答時間；

步驟1-2：設(shè)定多個節(jié)點隨機分布在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，這些節(jié)點都是使用同一個無線信道來進行信息傳輸，d_lk表示鏈路l的發(fā)送節(jié)點到鏈路k的目的節(jié)點之間的距離，計算時隙t時被調(diào)度鏈路l目的節(jié)點處的信干噪比值SINR為：

其中N₀為背景噪聲功率，∑_l≠kP_lth_kl為時隙t時鏈路l目的節(jié)點處所受到的干擾功率，P_lt為鏈路l的發(fā)送節(jié)點在時隙t時的傳輸功率水平，h_ll為鏈路l發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點之間的信道增益；

步驟1-3：計算被調(diào)度鏈路l的發(fā)送節(jié)點和目的節(jié)點在時隙t時的能耗之和：

τ_lt＝(2ξ_c+sP_lt) (2)

其中ξ_c+sP_lt為節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)時的功率消耗，s為放大器功效的倒數(shù)，節(jié)點處于接收或者空閑時功率消耗也為ξ_c；

步驟1-4：得出網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)：

s.t.R_l≤R_{l max}，E_l≤E_{l max}，l∈{1，2，3，...，L} (3)

其中R_l表示鏈路l的平均數(shù)據(jù)速率，E_l表示鏈路l每傳輸一比特數(shù)據(jù)所消耗的平均能量，R_{l max}表示鏈路l所要求的最大數(shù)據(jù)速率，E_{l max}表示鏈路l約束的每傳輸一比特數(shù)據(jù)的最大能量消耗，并發(fā)傳輸協(xié)議聯(lián)合優(yōu)化方案的目標(biāo)是找到一個最優(yōu)的鏈路調(diào)度集合和傳輸功率；

步驟2：分析理想網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的各項參數(shù)，包括：無限大對稱網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中干擾鏈路的源節(jié)點到其相鄰鏈路的目的節(jié)點之間的距離d，無限大對稱網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中目標(biāo)節(jié)點處的信干噪比SINR，無限大對稱網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中單條鏈路所占據(jù)的區(qū)域大小S，無限大對稱網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中每傳輸一比特數(shù)據(jù)所消耗的能量E；以理想無限大對稱網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中的能耗和信干噪比為約束條件來求解基本的網(wǎng)絡(luò)容量，具體方法為：

步驟2-1：考慮一個無限大的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，分析網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中存在的通信鏈路彼此間產(chǎn)生的干擾量，網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，通信鏈路對稱分布，假設(shè)每條通信鏈路在空間上都占據(jù)一個半徑為r的圓形區(qū)域，鏈路的發(fā)送節(jié)點與目的節(jié)點之間的距離為d，計算網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中一條干擾鏈路的源節(jié)點到中心鏈路的目的節(jié)點之間的距離：

其中，(x，y)∈{...，-1，0，1，...}²，(x，y)≠(0，0)，對于不同的鏈路位置，x和y的值也不同；

步驟2-2：計算目的節(jié)點處的信干噪比SINR，假定干擾功率I遠遠大于背景噪聲功率N₀，可得出：

其中本方法假定理想狀態(tài)下，發(fā)送節(jié)點都采用功率P進行數(shù)據(jù)傳輸，為一條鏈路的目的節(jié)點所受到的周圍所有鏈路發(fā)送節(jié)點的干擾總和，c為常數(shù)，α為路徑損耗指數(shù)；

步驟2-3：計算一條通信鏈路所占據(jù)的空間：

S＝πr² (6)

其中，r為鏈路所占圓形區(qū)域的半徑；

步驟2-4：計算單位網(wǎng)絡(luò)中總的數(shù)據(jù)速率(bit/s/Hz)：

其中，S為鏈路所占區(qū)域面積，P為節(jié)點發(fā)射功率，d為鏈路中發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離；

步驟2-5：計算網(wǎng)絡(luò)中每傳輸一比特數(shù)據(jù)所消耗的能量：

其中，R為單位網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)速率，ξ_c為電路的功率消耗，s為放大器功效的倒數(shù)，P為節(jié)點發(fā)射功率；

步驟2-6：轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)，以能耗和信干噪比為約束條件來最大化每單位網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的總數(shù)據(jù)速率：

其中，E_{l max}為鏈路l約束的每傳輸一比特數(shù)據(jù)的最大能量消耗，SINR_min為信息傳輸成功完成時目標(biāo)節(jié)點在調(diào)度鏈路中所需的最小信干噪比；從網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)中可以看出，尋求最優(yōu)的調(diào)度和傳輸功率控制，也是在求解一個最佳的鏈路區(qū)域大小和發(fā)射功率大小，在滿足目的節(jié)點正常接收信息的前提下，采用較小的發(fā)射功率可以降低鏈路之間的干擾，從而多條通信鏈路在空間上的距離也可以更近，使得同一時刻能在同一網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中調(diào)度出更多的鏈路進行并發(fā)傳輸；

步驟3：在理想網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)上引入實際雙鏈路通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，計算實際無線自組網(wǎng)中通信節(jié)點間的相互干擾，以能耗及所需信干噪比為約束條件，計算最優(yōu)的功率值，具體方法為：

步驟3-1：分析雙鏈路通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，獲取調(diào)度鏈路時所要求的約束條件，在雙鏈路通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，兩條通信鏈路隨機分布在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，鏈路中發(fā)送節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點之間的距離也會動態(tài)變化，兩條鏈路在傳輸信息時，其各自的發(fā)送節(jié)點都會給對方鏈路的接收節(jié)點產(chǎn)生干擾，要調(diào)度出這兩條通信鏈路進行并發(fā)傳輸，其干擾功率的約束條件為：

其中，I_l為鏈路l目的節(jié)點處所受到的鏈路k發(fā)送節(jié)點對其產(chǎn)生的實際干擾功率，P_k為鏈路k發(fā)送節(jié)點的傳輸功率，d_lk為鏈路l目的節(jié)點到鏈路k發(fā)送節(jié)點之間的距離，I_l(*)為鏈路l的最佳目標(biāo)干擾功率，(l，k)∈{(1，2)，(2，1)}，鏈路間產(chǎn)生的干擾功率越接近此目標(biāo)干擾功率，則就能調(diào)度出在空間上距離更近的兩條鏈路，同一網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的并發(fā)效率也就隨之提高；

步驟3-2：計算鏈路l目的節(jié)點到鏈路k發(fā)送節(jié)點之間的距離：

其中，d_ss為兩條鏈路中發(fā)送節(jié)點之間的距離，d_kk為鏈路k的發(fā)送節(jié)點到其目的節(jié)點之間的距離，β_k為鏈路k發(fā)送節(jié)點到其目的節(jié)點與鏈路k發(fā)送節(jié)點到鏈路l發(fā)送節(jié)點之間所形成夾角的角度大小；

步驟3-3：根據(jù)對雙鏈路通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)干擾功率的分析，定義函數(shù)F(r，d)＝SINR，即信干噪比SINR的大小與鏈路所占區(qū)域以及通信距離大小有關(guān)，同時借助雙鏈路通信架構(gòu)中所得的實際干擾功率I_l，轉(zhuǎn)換得出鏈路l的數(shù)據(jù)速率：

其中，R_l為鏈路l的發(fā)射功率，I_l為鏈路l目的節(jié)點所受到的干擾功率，d_ll為鏈路l中發(fā)送節(jié)點到目的節(jié)點的距離；式(12)便是實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的目標(biāo)函數(shù)，在約束條件下最大化此網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)來獲取最優(yōu)的傳輸及目標(biāo)干擾功率；

步驟3-4：計算雙鏈路通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下鏈路l每傳輸一比特數(shù)據(jù)的能量消耗：

其中，P_l為鏈路l的發(fā)射功率，I_l為鏈路l目的節(jié)點處所受到的干擾功率，d_ll為鏈路l發(fā)送節(jié)點與目的節(jié)點之間的距離；

步驟3-5：確定雙鏈路通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下最優(yōu)的傳輸功率和目標(biāo)干擾功率：

其中P_l(*)和I_l(*)為最優(yōu)的傳輸及目標(biāo)干擾功率；對于每個鏈路，添加約束條件P_l×I_l＝ρ，通過使二者乘積保持固定值，可以確保當(dāng)源節(jié)點的發(fā)送功率較小時，提高目標(biāo)干擾功率，這樣可以調(diào)度出彼此間距離更近的兩條鏈路同時進行數(shù)據(jù)傳輸，以使目標(biāo)節(jié)點處的實際干擾功率更加接近所求得的目標(biāo)干擾功率；

步驟4：表述主/從傳輸概念，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息確定主/從傳輸鏈路，基于最優(yōu)解，給出通信鏈路調(diào)度規(guī)則，主傳輸調(diào)度從傳輸鏈路，確定相應(yīng)的并發(fā)傳輸集合，實現(xiàn)節(jié)能高效的并發(fā)傳輸，具體方法為：

步驟4-1：確定主傳輸，如果某條通信鏈路的發(fā)送節(jié)點S和目的節(jié)點D在分別發(fā)送RTS和CTS幀時，其相鄰的通信節(jié)點中沒有要發(fā)送/接收數(shù)據(jù)或者正在傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點，則將此條通信鏈路定義為主傳輸鏈路，并且此方法只要求主傳輸鏈路的發(fā)送節(jié)點和目的節(jié)點在交換控制消息期間，其對應(yīng)的鄰居節(jié)點信息表NNL為空，并不需要它們的NNL始終保持為空；

步驟4-2：確定從傳輸，如果某條通信鏈路的發(fā)送節(jié)點S和目的節(jié)點D在交換控制消息時，其周圍存在著數(shù)據(jù)傳輸請求，即發(fā)送節(jié)點和目的節(jié)點的鄰居節(jié)點信息表NNL中至少存在一個不是空的，則將此條鏈路定義為從傳輸鏈路；

步驟4-3：鏈路調(diào)度規(guī)則，當(dāng)時隙t時鏈路l的發(fā)射功率不小于最佳發(fā)射功率，此時的實際干擾功率不大于目標(biāo)干擾功率，并且此時的數(shù)據(jù)速率也不大于鏈路l所要求的最大數(shù)據(jù)速率，這是調(diào)度出該條鏈路的條件，即：

P_lt≥P_l(*)，I_lt≤I_l(*)，R_lt≤R_{l max} (15)

其中，P_lt表示時隙t時鏈路l發(fā)送節(jié)點處實際傳輸功率，并且此鏈路所產(chǎn)生的干擾也不會破壞之前調(diào)度出的鏈路，I_lt表示時隙t時鏈路l受到的實際干擾功率，R_lt表示時隙t時鏈路l的平均數(shù)據(jù)速率；調(diào)度出鏈路l的規(guī)則為：

s.t.P_lt≥P_l(*)，I_lt≤I_l(*)，R_lt≤R_{l max} (16)

其中，實際干擾功率與目標(biāo)干擾功率之比I_lt/I_l(*)和最佳傳輸功率與鏈路l的傳輸功率之比P_l(*)/P_lt，這兩個比值共同決定了所調(diào)度出的鏈路在空間上與主傳輸鏈路之間的距離，其比值越大，代表著二者相對占用空間就越小，即可以調(diào)度出同一網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中更多的鏈路實現(xiàn)并發(fā)傳輸；因此，在調(diào)度鏈路的過程中基于最大化這兩個比率的乘積來調(diào)度從傳輸鏈路；

步驟4-4：順序調(diào)度機制，主傳輸鏈路確定后，會在其數(shù)據(jù)傳輸前引入一段時隙，在此時隙中主傳輸鏈路根據(jù)其所對應(yīng)的鄰居節(jié)點信息表NNL中的數(shù)據(jù)信息來計算并調(diào)度能夠進行并發(fā)傳輸?shù)膹膫鬏旀溌罚罁?jù)給出的調(diào)度目標(biāo)函數(shù)，主傳輸鏈路將順序地調(diào)度其周圍滿足要求的從傳輸鏈路，在遍歷主傳輸?shù)乃邢噜忔溌分埃@一輪調(diào)度不會結(jié)束，直到找到所有滿足要求的從傳輸鏈路，然后執(zhí)行并發(fā)傳輸；對于此輪中不可調(diào)度的從傳輸鏈路，將及時更新其所對應(yīng)的鄰居節(jié)點信息表NNL，對于成功進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌罚湎鄳?yīng)的發(fā)送節(jié)點和目的節(jié)點可以在發(fā)送DATA/ACK消息后及時更新相應(yīng)的NNL；對于不進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點，在其收到其他節(jié)點的DATA/ACK數(shù)據(jù)后，再更新其所對應(yīng)的NNL；第一輪并發(fā)傳輸完成后將啟動新一輪的調(diào)度。