一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的聯(lián)合協(xié)作路由與信道分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作路由和信道分配技術(shù)，特別是指在多并發(fā)流無線網(wǎng)狀 網(wǎng)中的聯(lián)合協(xié)作路由和信道分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線網(wǎng)狀網(wǎng)是一種動態(tài)自組織的多跳網(wǎng)絡(luò)，它能夠在城市環(huán)境中為用戶提供廉價 的高帶寬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。但由于密集的樓宇和復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)使得無線網(wǎng)狀網(wǎng)面臨嚴(yán)重的多徑 衰減效應(yīng)，極大影響了無線信號的傳輸質(zhì)量。協(xié)作通信技術(shù)作為一種克服信道衰落，提高無 線傳輸容量和降低傳輸能耗的有效方法，近年來得到越來越多地關(guān)注，將其與無線網(wǎng)狀網(wǎng) 融合成為未來無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一種趨勢。
[0003] 協(xié)作通信技術(shù)通過將多用戶環(huán)境下的單天線用戶組成虛擬的MM0系統(tǒng)來取得空 間分集增益。協(xié)作路由則是將物理層協(xié)作通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層路由選擇結(jié)合起來的跨層路由 方案，它通過選擇合適的協(xié)作中繼結(jié)點(diǎn)參與路由中的某一跳或某幾跳傳輸，提高無線傳輸 的容量或降低傳輸?shù)哪芎?，為無線用戶提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
[0004] 舉例說明協(xié)作通信的基本思想：協(xié)作通信的本質(zhì)是發(fā)射端將同一信息的多個復(fù)本 通過不同的路徑發(fā)送給接收端來獲取分集增益。圖1顯示了經(jīng)典的三點(diǎn)協(xié)作傳輸模型，S，R 和D分別表示發(fā)送結(jié)點(diǎn)，中繼協(xié)作結(jié)點(diǎn)和接收結(jié)點(diǎn)。S在向D發(fā)送信號過程中，R會監(jiān)聽到 同樣的信號，然后R也會將發(fā)送給D，最終，D會將來自S和R的兩路信號按照最大比率組合 的方式合成一束更強(qiáng)的信號。因此，協(xié)作通信在發(fā)送功率固定的情況下，可以帶來更高的鏈 路傳輸速率。協(xié)作通信有多種實(shí)現(xiàn)方式，其中，相比其它協(xié)作通信實(shí)現(xiàn)方式，AF-RAKE可以 在提升鏈路傳輸容量同時最小化同信道干擾，因此，本發(fā)明也采用基于AF-RAKE的協(xié)作傳 輸模式。此外，由于協(xié)作中繼結(jié)點(diǎn)的參與，協(xié)作通信除了能提高無線傳輸速率以外，還會增 加傳輸?shù)母蓴_范圍。在直接傳輸中，只有源結(jié)點(diǎn)S和目的結(jié)點(diǎn)D參與傳輸，整個傳輸?shù)母蓴_ 范圍是S和D的干擾范圍的并集，如圖2 (a)。而在協(xié)作傳輸中，整個傳輸?shù)母蓴_范圍是S， R和D三個結(jié)點(diǎn)的干擾范圍的并集，如圖2(b)。因此，在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，相較于直接傳 輸，協(xié)作傳輸?shù)母蓴_范圍會有所擴(kuò)大。
[0005] 相對于傳統(tǒng)路由，協(xié)作路由在增強(qiáng)無線網(wǎng)絡(luò)性能方面具有諸多優(yōu)勢，但是，無線傳 輸?shù)耐诺栏蓴_引起的傳輸沖突會造成數(shù)據(jù)的丟失和重傳，嚴(yán)重制約了協(xié)作路由對多跳無 線網(wǎng)狀網(wǎng)吞吐量的提高。而多射頻多信道技術(shù)可以降低同信道干擾，將其與協(xié)作通信技術(shù) 相結(jié)合，可以在充分利用協(xié)作通信帶來的分集增益同時，降低無線傳輸?shù)耐诺栏蓴_，提升 網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量。此外，隨著無線網(wǎng)卡成本的降低和對高網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，配置多射頻路由 結(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)開始被大量部署，因此，研究多射頻多信道下的協(xié)作路由對于提高無線 網(wǎng)狀網(wǎng)中的吞吐量具有重要理論意義和應(yīng)用價值。
[0006] 在多射頻無線網(wǎng)狀網(wǎng)中，協(xié)作路由和信道分配策略的選擇決定了網(wǎng)絡(luò)的性能?，F(xiàn) 有的協(xié)作路由方法沒有考慮結(jié)點(diǎn)射頻和信道數(shù)量限制下的信道分配問題，無法充分利用多 射頻多信道的優(yōu)勢，而已有的信道分配方法主要是針對直接傳輸網(wǎng)絡(luò)，沒有考慮協(xié)作傳輸 的特性，無法直接擴(kuò)展到協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)。因此，如何在兩者之中取得一個平衡是將協(xié)作通信 技術(shù)應(yīng)用到無線網(wǎng)狀網(wǎng)中需要解決的重要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的聯(lián) 合協(xié)作路由與信道分配方法，通過為每條業(yè)務(wù)流確定最優(yōu)的協(xié)作路由和信道分配方案來最 大化網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的聯(lián)合協(xié) 作路由與信道分配方法，包括以下步驟：
[0009] 1)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的廣播信息，獲取整個網(wǎng)絡(luò)的原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈路狀態(tài)信息；
[0010] 2)根據(jù)協(xié)作模塊虛擬化的方法構(gòu)建基于虛擬結(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路的新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)。
[0011] 3)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D建立多并發(fā)流下無線網(wǎng)狀網(wǎng)中各條業(yè)務(wù)流滿意度之和的目標(biāo) 函數(shù)模型，初步確定業(yè)務(wù)流的協(xié)作傳輸路徑和傳輸路徑上鏈路的工作信道；
[0012] 4)對步驟3)的結(jié)果進(jìn)行局部的信道調(diào)整，使得所有的結(jié)點(diǎn)分配到的信道數(shù)量都 不超過其配置的射頻數(shù)量，并為業(yè)務(wù)流確定最終的協(xié)作路由和信道分配方案。
[0013] 本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)過程如下：
[0014] 1)用G(V，E)表示一個無線網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)鋱D，V表示結(jié)點(diǎn)集合，E表示鏈路集合；
[0015] 2)利用基于協(xié)作通信模塊虛擬化的方法，將每個協(xié)作通信模塊可能發(fā)生的協(xié)作傳 輸鏈路加入到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中，為G中的每個協(xié)作通信模塊增加虛擬結(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路，構(gòu)建 新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG' ；
[0016] 3)基于新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG'建立多并發(fā)流下無線網(wǎng)狀網(wǎng)中各條業(yè)務(wù)流滿意度之和 的目標(biāo)函數(shù)模型：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的聯(lián)合協(xié)作路由與信道分配方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的廣播信息，獲取整個網(wǎng)絡(luò)的原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈路狀態(tài)信息； 2) 根據(jù)協(xié)作模塊虛擬化的方法構(gòu)建基于虛擬結(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路的新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D； 3) 新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D建立多并發(fā)流下無線網(wǎng)狀網(wǎng)中各條業(yè)務(wù)流滿意度之和的目標(biāo)函數(shù) 模型，初步確定業(yè)務(wù)流的協(xié)作傳輸路徑和傳輸路徑上鏈路的工作信道； 4) 對步驟3)的結(jié)果進(jìn)行局部的信道調(diào)整，使得所有的結(jié)點(diǎn)分配到的信道數(shù)量都不超 過其配置的射頻數(shù)量，并為業(yè)務(wù)流確定最終的協(xié)作路由和信道分配方案。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的聯(lián)合協(xié)作路由與信道分配方法，其特征在 于，該方法具體實(shí)現(xiàn)過程如下： 1) 用G(V，E)表示一個無線網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)鋱D，V表示結(jié)點(diǎn)集合，E表示鏈路集合； 2) 利用基于協(xié)作通信模塊虛擬化的方法，將每個協(xié)作通信模塊可能發(fā)生的協(xié)作傳輸鏈 路加入到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中，為G中的每個協(xié)作通信模塊增加虛擬結(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路，構(gòu)建新的 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG' ； 3) 基于新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG'建立多并發(fā)流下無線網(wǎng)狀網(wǎng)中各條業(yè)務(wù)流滿意度之和的目 標(biāo)函數(shù)模型：
其中，s. t表示約束條件；ch (u, V，k, c)表示鏈路（u, V)在信道c上業(yè)務(wù)流k的速率， s(k)表示業(yè)務(wù)流k的源結(jié)點(diǎn)，d(k)表示業(yè)務(wù)流k的目的結(jié)點(diǎn),r(k)表示業(yè)務(wù)流k最終的轉(zhuǎn)發(fā) 速率，C (u，V)表示鏈路（u，V)的傳輸速率：C (t，w)表示鏈路（t，w)的傳輸速率；CH表示正 交信道集合；F表示業(yè)務(wù)流集合；I (u)表示結(jié)點(diǎn)配置的射頻數(shù)量；IR(u, V)表示鏈路（u, V) 干擾范圍內(nèi)的鏈路集合；VS表示虛擬結(jié)點(diǎn)集合，E s表示虛擬鏈路集合； 4) 對上述目標(biāo)函數(shù)模型求最優(yōu)解，如果最優(yōu)解中ch (u, V，k, c) >0,就代表鏈路（u, V)使 用信道c為業(yè)務(wù)流k的數(shù)據(jù)，通過ch(U，V，k，c)的解得到每條業(yè)務(wù)流的傳輸鏈路以及使用 的正交信道，從而確定業(yè)務(wù)流的協(xié)作路由和信道分配初步方案； 5) 對于初步方案中分配到的信道數(shù)量超過其配置的射頻數(shù)量的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部信道調(diào) 整，具體過程為： (a) 選擇出境速率最大并且信道數(shù)量超過射頻數(shù)量的結(jié)點(diǎn)u ; (b) 從u的信道列表中，選擇兩個信道C1, C2進(jìn)行合并：用_〃夂)表示Ec(U)中的鏈路 在信道C上的使用率之和，即：
C1, C2就是值最小的兩個信道，將相關(guān)鏈路的信 道從C1調(diào)整成C2; (C)如果網(wǎng)絡(luò)中還有結(jié)點(diǎn)的信道數(shù)量超過射頻數(shù)量，重復(fù)步驟（a)和步驟（b)，直至所 有結(jié)點(diǎn)的信道數(shù)量不超過射頻數(shù)量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的聯(lián)合協(xié)作路由與信道分配方法，包括以下步驟：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的廣播信息，獲取整個網(wǎng)絡(luò)的原始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈路狀態(tài)信息；根據(jù)協(xié)作模塊虛擬化的方法構(gòu)建基于虛擬結(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路的新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D建立多并發(fā)流下無線網(wǎng)狀網(wǎng)中各條業(yè)務(wù)流滿意度之和的目標(biāo)函數(shù)模型，初步確定業(yè)務(wù)流的協(xié)作傳輸路徑和傳輸路徑上鏈路的工作信道；對結(jié)果進(jìn)行局部的信道調(diào)整，使得所有的結(jié)點(diǎn)分配到的信道數(shù)量都不超過其配置的射頻數(shù)量，并為業(yè)務(wù)流確定最終的協(xié)作路由和信道分配方案。本發(fā)明的方法在充分利用協(xié)作通信帶來的空間分集增益的同時，能有效降低同信道干擾，達(dá)到最大化網(wǎng)路整體吞吐量的目的。
【IPC分類】H04W72-04, H04W40-24
【公開號】CN104684045
【申請?zhí)枴緾N201510069482
【發(fā)明人】張大方, 喬宏, 謝鯤, 何施茗, 張繼
【申請人】湖南大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月10日