[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

摘要

一种多射频多信道无线Mesh网络资源跨层优化方法,研究了无线Mesh网络的无线资源跨层优化问题。对于多信道多射频无线Mesh网络，考虑了信道分配、路由分配和速率分配三者之间的跨层优化，将以上复杂的通信问题转化为凸优化问题，同时利用拉格朗日对偶方法将起初的优化问题分解为三个子问题，这些简化的问题在无线Mesh网络中得到分布式解决，从而得到全局最优解。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。

主权项

1.一种多射频多信道无线Mesh网络资源跨层优化方法，其特征在于该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、信道分配假设无线Mesh网络中存在个节点，网络拓扑相对稳定，为其中任一节点，为节点的有效传输范围内的节点集合，为节点干扰范围内的节点集合，节点中配有多个无线射频设备，能够同时使用不同的信道进行数据的发送或接收，为节点的射频数量；为节点和节点之间的链路；为网络中所有正交信道的集合；对任意链路和任意信道,允许在两个邻居节点之间建立多条链路通信，这些链路工作在不同的信道上，因此能够最大化网路的资源利用率；任何信道分配都必须符合下列约束条件：射频约束条件：在任何时候，一个节点最多使用个不同的信道发送数据包：；干扰约束条件：在任何时候，两条干扰链路不能活跃在同一条信道中：任意节点用于与此节点邻居建立链路的信道数目必须小于此节点射频数目；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，表示链路在信道c上的数据传输速率，表示物理层链路带宽，表示与链路(s,d)相互干扰的链路集合；第2.3、路由定义链路在信道c上的冲突概率是,这条链路上成功传输数据包的期望传输次数为：其中，是802.11标准中重传的上限；在同一路径上同一信道上总ETT值表示为定义路径传输时间限制如下：其中，是一个用于限制路径传输时间的可调参数；设置使得路由算法为每个业务流找到最短传输时间路径,表示任意业务流k的传输路径长度,ETT表示重传期望总时间，网络优化目标是：；第3、跨层资源优化机制第3.1、优化方法当信道分配方案S(X)确定时，利用拉格朗日理论，对任意节点和业务流k引入拉格朗日变量，将流量平衡约束式放宽到优化目标得到拉格朗日函数如下：为引入的拉格朗日乘子，是链路对业务流k的拥塞因子；传输层：每个节点以分布式的控制周期为周期，使用联合设计算法分布式地更新拥塞价格并调整业务流速率；然后将新的价格信息传递给链路层并广播给此节点的邻居节点；链路层信道根据分配方案S (X )，并收集邻居节点的价格信息p，用分布式调度算法进行速率分配，然后将链路速率分配信息R传递给传输层和网络层；网络层：根据链路速率分配信息R能够得到业务流的传输路径；网关节点：通过信令收集其它节点的速率分配信息R和价格信息p，以干扰代价最小的信道分配算法集中式地分配信道；如果需要更新则将新的信道分配方案广播给其他节点；第3.2、干扰代价最小的信道分配算法当网络首次分配信道时，将信道c分配给所有的链路；在初始信道分配方案S (X )下，网关节点首先周期性的收集每条链路的速率分配信息R和价格信息p；这些信息反映了各层之间的资源供需关系，所以网关能够利用其它节点多个层的信息来进行优化的信道分配；第3.3、联合设计算法在时隙t，每个节点对任意业务流k定时更新价格，并将价格信息p广播给所有邻居；对任意业务流k，其源节点调整传输速率；任意节点从其邻居节点收集价格信息，求，将差分价格广播给的邻居节点；节点收集其邻居节点在上个时隙的差分价格信息，在时隙t开始时利用的分布式调度算法分配速率给链路（m,n），使得满足的限制；由每条链路分配给每个业务流的速率能够得到业务流的传输路径分配传输业务流。