CN105120501A - 一种能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法，属于无线通讯技术领域。本发明包括：将网络中的每条数据流看做由多条单位流组成，单位流的数量决定数据流的流速率，单位流的传输路径决定数据流的路由路径。为网络中的每一条链路构造了一个与能耗成正比，与电池电量水平成反比的链路权值。使用Dijkstra算法求出所有数据流的最短路径，找出最短路径权值和最小的一条单位流，为其分配路由。然后更新链路速率，并重新计算链路权值，寻找下一条最短路径权值和最小的单位流，直到所有的单位流分配完毕为止。本发明可以大大减少路由、速率和功率联合控制的计算时间，避免网络时延过大而使信息传输失败等问题的发生，可以有效提高可再生能源的利用率。

Description

一种能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，更具体地，涉及一种能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的飞速发展，无线网络技术也取得了高速的发展，例如：无线通信技术推陈出新、无线网络标准不断更新以及新的无线网络架构和技术不断提出。CDMA、MIMO、OFDM等技术不断创新，WLAN网络、WiMax网络、3G网络、LTE网络不断演进，正朝大数据速率高吞吐量方向发展，而无线Mesh网络(WirelessMeshNetwork，WMN)正是在这样的背景下发展起来的。

与传统的无线局域网(WLAN)、AdHoc网络相比，无线Mesh网络具有巨大的优势。无线Mesh网络的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号，传统的WLAN一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题迎刃而解。在WLAN中，每个客户端均通过一条与接入点(AccessPoint，以下简称AP)相连的无线链路来访问网络，如果用户之间要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的AP，然后通过AP的连接和协调进行通信。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞，数据包可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直至到达最终目的地为止，这是传统无线网络不具备的。另外，在无线Mesh网络里，如果要添加新的设备，只需要简单地接上电源，就可以自动进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径，这也是传统无线网络无法实现的。

无线Mesh网络的巨大优势使得人们对其研究和技术投入越来越多，有关无线Mesh网络的应用也越来越普遍，这要求进一步提高无线Mesh网络的性能来满足日益纷繁的应用需求。另一方面，网络传输消耗的能量越来越大，大量的能量由于路由分配的不合理而浪费，能量危机的出现促使人们关心网络节能问题，于是将可再生能源应用于无线Mesh网络供电，针对无线Mesh网络的吞吐率优化和能量优化问题逐渐提上日程。太阳能供电的无线Mesh网络节点结构如图1所示。每一个路由节点都配备一个大型太阳能电池板，用于接收太阳能并将其转换为电能。由于可再生能源来源不稳定，为了无线路由节点能够稳定的得到电能供应，还为每一个节点配备一个电池组。太阳能通过太阳能电池板转化为电能，然后电能经过能量控制中心存储到电池组中，最后被用来给接入点AP供电。太阳能电池板始终通过能量控制中心与电池组相连接，而无线Mesh网络节点AP则通过能量控制中心与电池组连接，但能量控制中心可断开AP与电池组的连接，这样AP将进入休眠状态而无法工作，电池组则可以补充可再生能源。

然而，由于可再生能源的来源不稳定，其路由调度和功率分配问题仍然制约着其使用范围。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法，即能量感知多径路由算法，利用本发明可以大大减少路由、速率和功率联合控制的计算时间，避免网络时延过大而使信息传输失败等问题的发生，提高可再生能源的利用率。

本发明提供一种能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法，包括以下步骤：

步骤1将网络中的每条数据流划分为由多条单位流组成，所述单位流的数据速率大小固定，且不可进行分支；

步骤2为网络中的每一条链路构造一个与能耗成正比，与电池电量水平成反比的链路权值v_l：

$v_l\≥\frac{\left(\right(2^{(r_l+\mathrm{\δ})/W_l}-1)\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{G_l}+P_{rec})\·T}{A_i{A}_j},i=s\left(l\right),j=d\left(l\right);$

其中，r_l表示链路l的速率；δ表示单位流的数据速率；σ²表示周围环境的高斯噪声功率；W_l和G_l分别表示链路的带宽和信道增益；P_rec表示节点的接受功率；T表示每一时隙的长度；表示节点的剩余能量水平；B_i表示节点i的剩余电池能量；M表示节点的总数；s(l)和d(l)分别表示链路的起始端节点和终止端节点；

步骤3每一时隙开始的时候，设定所有链路的数据速率都为0，然后计算各链路权值，使用Dijkstra算法计算每一条数据流的最短路径，并分配单位流；

步骤4判断所有的单位流是否分配完毕，是则流程结束，否则执行步骤2。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明可以大大减少路由、速率和功率联合控制的计算时间，避免网络时延过大而使信息传输失败等问题的发生，且计算精度可控，算法复杂度较低，更适合于在实践中广泛应用。

附图说明

图1为为现有技术中太阳能供电的无线Mesh网络节点结构示意图；

图2为本发明能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2所示为本发明能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法的流程图，具体包括以下步骤：

步骤1将网络中的每条数据流分成多条单位流，单位流的数量决定数据流的流速率，单位流的传输路径决定数据流的路由路径。其中，单位流是一种抽象的数据流，其数据速率大小固定，且不可进行分支，即所有的单位流都是单径的，且具有相同的数据速率。在本发明实施例中，把每一条数据流看做由多条单位流组成，数据流的流速率等于组成该数据流的单位流的条数乘以单位流的数据速率，把数据流沿着不同路径进行多径传输看做组成该数据流的不同单位流沿着相应路径进行传输。用δ表示单位流的数据速率，若数据流f拥有N(f)条单位流，则数据流f的流速率为：

r(f)＝δ·N(f)(1)

如此，对数据流的路由分配问题变成了对单位流的最短路径分配问题，而单位流是不可分支的，可以使用例如Dijkstra算法寻找最短路径。对数据流的速率分配问题变成了单位流经过各链路的条数问题。确定了组成数据流的所有单位流的路径，就确定了数据流的路由和数据流在各条链路上的数据速率。

步骤2为每条链路构造权值。众所周知，利用Dijkstra算法可以求出带权有向图中从一点到另一点的最短路径。因此，只要为无线Mesh网络中的每一条潜在链路构造一个权值，即可求出任意一条数据流从起点到终点的最短路径。在本发明实施例中，考虑到联合调度的目标，要求链路权值具有如下特性：

(1)链路的权值能反映数据在该链路上传输时的能耗情况；

(2)链路的权值应与该链路对应节点剩余能量成反比，即节点剩余能量越多，对应链路权值越小。

以上两条属性反映了选择路由的方式：优先选择消耗能量少且其剩余能量较多的链路进行传输。根据以上权值属性，链路的权值可以设计为：

$v_l=\frac{(P_l+P_{rec})\·T}{A_i{A}_j},i=s\left(l\right),j=d\left(l\right)---\left(2\right)$

其中，P_l表示节点发射功率；P_rec表示节点的接受功率；T表示每一时隙的长度；表示节点的剩余能量水平；B_i表示节点i的剩余电池能量；M表示AP节点的总数；s(l)和d(l)分别表示链路的起始端节点和终止端节点。如此，公式(2)中分子表示能量消耗量，分母表示节点剩余能量水平，因此权值v_l能够反映数据在该链路上传输时的能耗情况，同时链路l对应节点的电池能量水平A_i和A_j也会对链路l的权值产生影响。用这种权值求得的网络中的一条最短路径，就是两个节点间的传输耗能较小且避开了电池能量较少的节点的最优路由。

如公式(2)所示，为了获得链路权值，需计算发射功率。由香农公式变换得：

$P_l\≥(2^{r_l^{\′}/W_l}-1)\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{G_l}---\left(3\right)$

其中，r′_l＝r_l+δ表示当速率为r_l的链路l再分配一个单位流后的预期链路速率；δ表示单位流的数据速率；σ²表示周围环境的高斯噪声功率；W_l和G_l分别表示链路的带宽和信道增益。合并公式(2)和(3)得：

$v_l\≥\frac{\left(\right(2^{(r_l+\mathrm{\δ})/W_l}-1)\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{G_l}+P_{rec})\·T}{A_i{A}_j},i=s\left(l\right),j=d\left(l\right)---\left(4\right)$

使用公式(4)计算每一条链路的权值，表示链路成功分配一个单位流后的能耗与电池能量水平的比值。

步骤3分配单位流。有了链路权值后，就可以使用Dijkstra算法计算每一条数据流的最短路径了。

每一时隙开始的时候，设定所有链路的数据速率都为0，根据公式(4)计算各链路权值，然后求每条数据流的最短路径。假如网络中有s条数据流，求出的各条数据流的最短路径分别为{Path₁,Path₂,...,Path_f,...,Path_s}，接下来求各条数据流最短路径的链路权值之和，并找出其中最小的一个，假如Path_f的链路权值之和最小，则为路径Path_f分配一条数据流f的单位流，数据流f拥有的单位流数量减1。最后，更新Path_f上所有链路的数据速率，重新计算其链路权值。接下来进入下一次循环，每次循环分配一个单位流，直到所有数据流的单位流分配完毕为止。

分配完单位流后，统计归纳属于同一条数据流的单位流，即可获得该数据流的路由和在各链路上的数据速率。由于属于同一条数据流的单位流可能流经不同的路径，这条数据流就表现为多径，其在各链路上的速率大小由各链路上的单位流数量决定。每当链路分配一条单位流后，其链路速率增加了，链路权值也将相应变化。因此，必须在每分配一个单位流后，重新为分配单位流的链路计算链路权值。

在本发明实施例中，用B_i(t)表示节点i在时隙第t时隙的电池能量，R_i(t)表示节点i在第t时隙补充的可再生能源，E_i(t)表示节点i在第t时隙消耗的能量，B_outage表示节点电池能量的阀值(电池中的能量值下降到阀值B_outage时，充电控制系统将断开电池与AP的连接，以保护电池。这时，电池仍可继续补充可再生能源，而无线Mesh节点将进入休眠状态，不再进行数据的发送和接收。随着可再生能源的补充，当电池能量大于B_outage时，充电控制系统连接电池和AP，无线Mesh节点退出休眠状态，又可以进行数据发送和接收)，B_max表示节点电池能量的最大值，则在第t+1时隙，节点i的剩余能量为：

$B_i(t+1)=\min \{max\[B_i\left(t\right)+R_i\left(t\right)-E_i\left(t\right),B_{outage}\],B_{max}\},\∀i\∈M---\left(5\right)$

通过公式(5)，可以根据每一时隙能量的消耗量和补充量来计算下一时隙各节点的电池能量，把各节点的电池电量看做每一时隙的初始状态，则公式(5)是各时隙之间的状态转移方程。

由香农公式知，对每一条链路l，其信道容量为：

$c_l=W_l{\log }_2(1+\frac{P_l{G}_l}{{\mathrm{\σ}}^2}),\∀l\∈L---\left(6\right)$

其中，c_l、W_l和G_l分别表示链路l的信道容量、带宽和信道增益；σ²表示周围环境的高斯噪声功率；L表示无线链路的集合。显然当传输功率使用最大值P_max时，对应的最大信道容量为：

$c_l^{\max }=W_l{\log }_2(1+\frac{P_{max}{G}_l}{{\mathrm{\σ}}^2}),\∀l\∈L---\left(7\right)$

由于每一条链路的数据速率不能超过其信道容量，则有：

$\underset{f\∈F}{\Σ}{r}_l\left(f\right)\≤c_l,\∀l\∈L---\left(8\right)$

合并公式(5)和(7)，可以得到如下数据速率和功率关系：

$\underset{f\∈F}{\Σ}{r}_l\left(f\right)\≤W_l{\log }_2(1+\frac{P_l{G}_l}{{\mathrm{\σ}}^2}),\∀l\∈L---\left(9\right)$

最后，根据公式(9)可以求出各条链路的最小发射功率。值得注意的是，必须考虑每条链路的信道容量上限，保证每条链路的链路速率不超过该链路的信道容量最大值。根据公式(7)可以获得链路l所允许的最大信道容量当分配完一条单位流进入下一次循环前，必须判断刚分配单位流的链路是否可以再分配一条单位流，若链路l的链路速率r_l与单位流速率δ之和大于最大信道容量则说明链路l已达容量上限，无法再分配单位流，需将链路l从网络中移除，即在该时隙内，当前情况之后的单位流分配中，链路l将不再参与路由分配。

由于数据流的速率一定时，单位流的速率δ大小直接关系到单位流的条数，因而影响求最短路径的循环次数。δ取值越小，数据速率分配精度越高，路由、速率和功率分配效果越好，但计算次数增多，消耗时间增长；δ取值越大，数据速率分配精度越底，路由、功率和速率分配效果越差，但计算次数减少，消耗时间越短。具体δ的取值可根据网络规模以及计算精度和复杂度需求而适当调节。

本步骤利用Dijkstra算法寻找最短路径，Dijkstra算法的时间复杂度为O(n²),而解线性优化问题的常见算法(例如单纯形法)的时间复杂度一般为指数级的,因此时间复杂度大大降低。

步骤4判断所有的单位流是否分配完毕，是则流程结束，否则执行步骤2。

设网络中的数据流f∈F及各条数据流的单位流数量为N(f)，已分配单位流数量为num(f)，若对任意数据流f∈F，都满足num(f)＝N(f)，则合并所有的单位流及其路径，获得每条数据流的传输路由及速率分配，根据每条链路的速率大小按照公式(9)计算各链路对应最小发射功率。若不满足，则继续从步骤2开始执行。

下面提供一实施例具体说明本发明的过程。在实际应用中，根据实际网络的部署结构，具体包括以下步骤：

步骤1初始化：网络中的数据流f∈F及各条流的单位流数量N(f)，利用公式(5)计算该时隙各节点电池能量B_i,i∈M，令链路速率r_l＝0，已分配单位流数量num(f)＝0；

步骤2从网络G中移除所有剩余能量小于B_outage的节点及对应链路，构造网络G′；

步骤3根据公式(7)计算每条链路的最大允许信道容量

步骤4若对任意流f∈F，都满足num(f)＝N(f)，则执行第九步，否则继续执行步骤5；

步骤5去除G′中链路速率达到链路最大允许信道容量(即满足)的边；

步骤6根据公式(4)计算各条链路权值w_l，使用Dijkstra算法求各条数据流的最短路径{Path₁,Path₂,...,Path_f,...,Path_s}；

步骤7选择{Path₁,Path₂,...,Path_f,...,Path_s}中链路权值和最小的一个，为其对应的数据流分配一个单位流，例如Path_f的权值和最小，则为数据流f分配一个速率为δ、路径为Path_f的单位流；

步骤8更新链路速率r_l和已分配单位流数量num(f)(即对所有l∈Path_f，有r_l＝r_l+δ，并且num(f)＝num(f)+1)，执行步骤4；

步骤9合并所有的单位流及其路径，获得每条流的传输路由及速率分配，根据每条链路的速率大小按照公式(9)计算各链路对应最小发射功率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法，其特征在于，包括：

步骤1将网络中的每条数据流划分为由多条单位流组成，所述单位流的数据速率大小固定，且不可进行分支；

步骤2为网络中的每一条链路构造一个与能耗成正比，与电池电量水平成反比的链路权值v_l：

$v_l\≥\frac{\left(\right(2^{(r_l+\mathrm{\δ})/W_l}-1)\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{G_l}+P_{rec})\·T}{A_i{A}_j},i=s\left(l\right),j=d\left(l\right);$

其中，r_l表示链路l的速率；δ表示单位流的数据速率；σ²表示周围环境的高斯噪声功率；W_l和G_l分别表示链路的带宽和信道增益；P_rec表示节点的接受功率；T表示每一时隙的长度；表示节点的剩余能量水平；B_i表示节点i的剩余电池能量；M表示节点的总数；s(l)和d(l)分别表示链路的起始端节点和终止端节点；

步骤3每一时隙开始的时候，设定所有链路的数据速率都为0，然后计算各链路权值，使用Dijkstra算法计算每一条数据流的最短路径，并分配单位流；

步骤4判断所有的单位流是否分配完毕，是则流程结束，否则执行步骤2。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中数据流f的流速率为：

r(f)＝δ·N(f)

其中，δ表示单位流的数据速率；N(f)表示数据流f拥有的单位流条数。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中分配单位流的方法为：求出各条数据流的最短路径分别为{Path₁,Path₂,...,Path_f,...,Path_s}，s表示网络中的数据流条数，再求各条数据流最短路径的链路权值之和，并找出其中最小的一个，假如路径Path_f的链路权值之和最小，则为所述路径Path_f分配一条数据流f的单位流，数据流f拥有的单位流数量减1，然后更新所述路径Path_f上所有链路的数据速率，重新计算其链路权值，并进入下一次循环，每次循环分配一个单位流，直到所有数据流的单位流均分配完毕为止。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3还包括：当分配完一条单位流进入下一次循环前，判断刚分配单位流的链路是否可以再分配一条单位流，若该链路的链路速率与单位流速率之和大于最大信道容量，则将该链路从网络中移除。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述最大信道容量为：

$c_l^{\max }=W_l{\log }_2(1+\frac{P_{\max }{G}_l}{{\mathrm{\σ}}^2}),\∀l\∈L$

其中，W_l和G_l分别表示链路l的带宽和信道增益；P_max表示传输功率最大值。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，当无线Mesh网络节点的电池组中的能量值下降到阀值B_outage时，能量控制中心将断开电池组与接入点的连接，所述节点进入休眠状态，不再进行数据的发送和接收，该电池组继续补充可再生能源，当该电池组能量大于所述阈值B_outage时，所述能量控制中心连接该电池组和接入点，所述节点退出休眠状态，继续进行数据发送和接收。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，记已分配单位流数量为num(f)，若对任意数据流f，都满足num(f)＝N(f)，其中N(f)表示数据流f拥有的单位流条数，则合并所有的单位流及其路径，获得每条数据流的传输路由及速率分配，若不满足num(f)＝N(f)，则执行所述步骤2。