[发明专利]一种多射频多信道无线Mesh网络资源跨层优化方法

说明书

技术领域

 本发明属于计算机应用与移动互联网结合的技术领域。

背景技术

物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。随着对传感网研究的深入，人们对物联网的认识及应用都提升高度，认为物联网将是未来10年最重要的产业大趋势，是下一个经济发展的增长点和支撑点。由于存在着极大的发展需求和市场需求，物联网是现在研究的热点。

物联网的基础架构应该建立在一个集成了从有线到无线等多种网络通信技术的透明的、可无缝连接的网络基础构架之上。无线Mesh网络是一种新型的宽带无线网络结构，是一种高容量、高速率的分布式无线网络。无线Mesh网络具有骨干路由节点静止和其能量无拘束等特征使其在扩增无线网络覆盖，支持多频段无线设备等方面有很大的优势。

随着客户端对数据传输速率的要求日益提高，同时也为减少信道冲突，多射频多信道无线Mesh网络的路由节点装有多个射频接口且采用不同的信道通信，多射频多信道技术可允许单个路由器同时进行数据的收发，而单射频单信道无线Mesh网络的信道是固定的，切换频率不能过快，这会增加端到端时延，影响网络吞吐量，无法满足用户的网络需求。当前无线Mesh网络采用的AODV、DSDV、DSR等路由协议一般偏向于选择网络中跳数最小的路径，在网络拓扑结构变化时对路由进行维护，提供尽力而为的业务服务。但是这些路由协议不能满足物联网中各种不同应用的要求，因此新的路由协议和算法的研究还是十分迫切的。

多射频多信道无线Mesh网络的资源优化涉及较多问题，包括信道分配、路由分配、速率控制、拥塞控制、链路调度和QOS等。这就需要我们进行统一的考虑，对各种参数进行跨层优化。无线Mesh网络的跨层设计的目的是联合设计和信息共享。联合设计忽略各个协议间层的界限，忽略各网络层的功能，把整个网络机制看成整体单一的优化算法问题。

很多研究学者对跨层优化算法只是考虑了最大吞吐量的问题，路由选择不够灵活，同时因为考虑因素较多，算法设计过于复杂。所以，本发明的意义在于弥补现有多射频多信道无线Mesh网络资源优化算法的不足，突破现有路由判据分层结构设计方法，互通各层消息，进行综合考虑，利用多射频多信道无线Mesh网络的潜在优势，以全局的观点看待各层的参数和信息，从而实现更加可靠高效的路由判据，提高多射频多信道无线Mesh网路性能。

发明内容

本发明的目的是解决现有多射频多信道无线Mesh网路的性能不能满足日益增长的需求，提出一种考虑信道分配、路由分配和速率分配的多射频多信道无线Mesh网络资源跨层优化方法，同时建立凸优化模型，采用拉格朗日对偶分解法分布式求解全网最优解，更加合理的均衡了网络资源，使得网络性能得到提高，保证了网络通信通畅。

近些年已有很多研究学者开展了相关的研究并取得一定进展。本发明借鉴其经验分析其不足，对典型的WMN路由协议进行了对比分析和总结，结合跨层优化理论，提出一种适用于物联网综合环境的基于综合判据的路由协议。

本发明提供的多射频多信道无线Mesh网络资源跨层优化方法的具体步骤包括：

第1、凸集、凸函数、凸优化的相关定义

凸集：                                               是实数或复数向量空间的集合,对于所有的和所有的，有，即倘若中的任何两点的连线仍然属于,则是凸集，凸集是连通的；

凸函数：假设是定义在闭区间上的函数，若是对任意的和，有，则是在上的凸函数；

凸优化：优化问题即是在凸集上求凸函数的最小点，这类问题统称为凸优化问题；如果凸优化问题的优化函数是一个严格的凸函数，且存在极小值，那么该极小值就是最小值且是唯一的；

在此将网络建模为一个数学问题，并且使用拉格朗日对偶分解技术，将该数学问题分解为几个子问题，网络协议栈的每个层对应于一个分解后的子问题，协调各个子问题的优化变量成为了各层之间的接口，其中，拉格朗日对偶分解法：

 

目标函数是，约束条件是和；一般是引入拉格朗日算子，用和表示，拉格朗日公式

定义下面的函数：

假设和，通过调整和使得有最大值且为正无穷；当和满足上述约束条件时，为，因此原来的问题转化为的问题:；然后对，，求偏导，使偏导数等于0，最终得出，，；引入拉格朗日算子的原因是的变化方向与的梯度垂直才能获得极值；

第2、MRMC-WMN资源优化算法

第2.1、信道分配