CN105813135B - 一种适用于无线Mesh网的链路功率、速率和负载长度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于无线Mesh网络的链路功率、速率和负载长度控制的方法,包括如下步骤:首先,求解节能型网络效用最大化问题对应的拉格朗日目标函数得到速率和帧长的计算公式,并应用梯度法求解得到功率的迭代公式;然后,将节能型网络效用最大化问题转化为对偶问题,并按照源节点和链路分解为两个子问题分布式求解,分别得到其拉格朗日乘子的迭代公式;最后,节点收集并广播拉格朗日乘子,计算信噪比和链路容量,更新速率、帧长和功率,直到满足误差条件。与其他方法相比,本发明通过构建并求解凸优化问题的方法,将网络效用和能耗联系起来,能在兼顾网络效用的同时最大程度上节能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域研究,具体涉及到一种适用于无线Mesh网的链路功率、速率和负载长度控制方法。
背景技术
无线Mesh网又称作无线网状网,是一种新型无线移动通信技术。与传统WLAN相比,无线Mesh部署分配简单,只需接上电源;通过节点多跳和数据转发获得更大的覆盖范围;由于无线通信的特点决定了其高带宽的特点。无线Mesh网络以其广泛的应用前景和突出的优点,成为近年来研究的热点。与Ad Hoc网络一样,无线Mesh网络以其移动性使得能耗问题成为制约其应用和发展的重要障碍。
目前在降低功耗方面的技术主要有以下几类:
第一类,主要是改进MAC层协议,通过发送探测帧(RTS-CTS握手)的方式获取链路的SINR和误帧率,来设计帧的最佳发送速率和功率。例如Monks,J.P.和Bharghavan,V.在如下文献中提出的方法:
Apower controlled multiple access protocol for wireless packetnetworks,in INFOCOM 2001.Twentieth Annual Joint Conference of the IEEEComputer and Communications Societies.Proceedings.IEEE,vol.1,no.,pp.219-228vol.1,2001.
第二类,通过MAC层和PHY层联合优化发送速率和功率,例如Tran,N.H.和ChoongSeon Hong在如下文献中提出的方法:
Joint Rate and Power Control in Wireless Network:ANovel SuccessiveApproximations Method,in Communications Letters,IEEE,vol.14,no.9,pp.872-874,September 2010.
以上算法都在一定程度上起到了降低发送功率和调整速率的作用,但第一类方法通过在引入RTS-CTS握手的同时会增加网络开销,降低整个网络的效用;第二类方法通过跨层优化的方式使得网络效用达到最大值,但这也导致了一定程度上带宽和能量资源的浪费。此外,这两种方法都没有考虑到负载长度对于网络效用和能量消耗的影响。
综上所述,需要一种适用于无线Mesh网中的自适应调整链路功率、速率和负载长度的方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于无线Mesh网的链路功率、速率和负载长度控制方法,以自适应调整链路功率、速率和负载长度,在保证网络能效的同时最大程度上减小能耗的方法。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种适用于无线Mesh网的链路功率、速率和负载长度控制方法,包括以下步骤:
(1)充分考虑节点发送功率、速率和负载长度对网络效用和能耗的影响,定义网络效用函数为
其中rate表示速率;len表示负载长度;power表示发送功率;s表示源节点s;l表示链路l;A为权重,反映两目标的相对重要性;
(2)利用凸优化理论对步骤(1)中的网络效用函数做变换并建立模型,使上述问题满足凸优化及可分离条件:
其中lens′=lnlens;并对其做归一化:
得到新的问题:
(3)确定节点的发送功率、速率和负载长度。
所述步骤(3)的具体步骤为:
步骤1:每个节点都维护一个路径损耗矩阵G,节点通过Beacon帧获取链路中节点之间的距离,并利用传输模型powerrx=powertxd-α计算得到,其中d为链路长度,α为路径衰减指数;
步骤2:源节点分别获取相关链路的功率,并结合路径损耗矩阵G来计算本链路的信噪比SINR,同时计算链路容量C;
步骤3:判断乘子b的梯度是否满足误差条件,若满足则执行步骤4;否则按照公式bl(n+1)=[bl(n)-Kb(lnSINRl-lnSINRmin)]+更新乘子;
步骤4:判断乘子c的梯度是否满足误差条件,若满足则执行步骤5;否则按照公式cs(n+1)=[cs(n)-Kc(ln(1.5×10-3)+lnrate′s-len″)]+更新乘子;
步骤5:判断乘子a的梯度是否满足误差条件,若满足则迭代结束;否则按照公式更新乘子,并将乘子a通过Beacon帧广播给其他节点;
步骤6:节点在获取更新后的乘子a、b、c,以及通过Beacon帧得到的其他节点的乘子a后更新节点发送速率、功率和负载长度,并通过Beacon将本节点的发送功率通知链路上的其他节点,更新公式为
步骤2中,信噪比计算公式为其中η为噪声,链路容量计算公式为C=Wlog(1+SINR)。
有益效果:本发明的方法与现有技术相比,具有以下优点:
本方法在Tran,N.H.和Choong Seon Hong等人提出的算法技术上在优化目标中引入关于发送信号功率的凹函数,并通过权重因子调节网络效用和消耗能量之间的相对重要关系。这样做使得网络效用不至于无限量的增加而浪费了频带资源,同时也增加了功耗。除此之外,本方法建立的模型中增加了对于负载长度的约束,使负载长度在满足无线Mesh网络要求的基础上(即发送每一个数据帧都不会超过无线Mesh网络1个MAS的长度),对网络效用的贡献达到最大。这样做增加了发送信号的占空比,增加了网络的吞吐量,同时降低了功耗。总之,本方法在保证网络效用的基础上,使结点功耗降到最低,以延长无线Mesh网络的工作时间。
附图说明
图1是场景仿真图;
图2是拉格朗日乘子迭代图,其中图2a是乘子a迭代图,图2b是乘子b迭代图,图2c是乘子c迭代图;
图3是发送速率迭代图;
图4是负载迭代图;
图5是发送功率迭代图;
图6是接受端信噪比与目标信噪比对比图;
图7是优化目标迭代图;
图8是算法推导流程图。
图9是算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明的应用于无线Mesh网中的自适应调整链路功率、速率和负载长度方法,包括如下步骤:
1)建立无线Mesh网络关于发送速率、发送功率和负载长度的节能型网络效用最大化问题:
式中,rate表示速率;len表示负载长度;power表示发送功率;s表示源节点s;l表示链路l;A为权重,反映两目标的相对重要性;ratemin≤rates≤ratemax表示节点速率受限范围;lenmin≤lens≤lenmax表示节点负载长度受限范围;powermin≤powerl≤powermax表示节点发送功率受限范围;表示同一链路上节点发送数据的总速率小于其链路容量;SINRl≥SINRmin表示接受端信噪比要大于其接受门限。
2)利用凸优化理论对所述步骤1)中模型做变换,使上述问题满足凸优化及可分离条件:
其中lens′=lnlens,并对其做归一化:
得到新的问题:
3)对于步骤2)中提出的问题将其转化为对偶问题,首先求得其拉格朗日目标函数:
其中,a≥0,b≥0,c≥0为拉格朗日乘子矢量。运用对偶理论将问题转化为对偶问题来求解,其拉格朗日对偶函数为:
Dual(a,b,c)=maxL(rate′,len″,power′;a,b,c)
rate'min≤rate's≤1
len″min≤len″s≤1
power′min≤powers′≤1
对于原问题转化后成为了一个严格的凸优化问题,又限制条件均严格大于0,于是原问题的限制条件均有严格可行解,所以slater条件成立,所以原问题和其对偶问题之间无对偶间隙,即对偶问题的最优解为原问题的最优解。其对偶问题为:
minimize Dual(a,b,c)
subject to a≥0
b≥0
c≥0
4)步骤3)中提出的对偶问题是一个无约束的非线性规划问题。本方法中通过最速下降法来求解,即拉格朗日乘子按照梯度的负方向调整。得到乘子的更新公式:
bl(n+1)=[bl(n)-Kb(lnSINRl-lnSINRmin)]+
cs(n+1)=[cs(n)-Kc(ln(1.5×10-3)+lnrate's-len″)]+
其中[z]+=max{0,z},取[z]+是由约束条件拉格朗日乘子均不小于0决定的。Ka、Kb和Kc分别为拉格朗日乘子al、bl和cs的迭代步长,n为迭代步数。
5)观察步骤3)中提出的拉格朗日对偶函数,可以将其分解为以下两个问题:
问题一:
问题二:
6)对于步骤5)中提出的问题一,该问题对应的拉格朗日函数L1(rate's,len″s;al,cs)为凹函数。因此如果存在rate*和len*使目标函数取到最大值,那么在rate*和len*处对L1(rates,lens;al,cs)的偏导数为0,即:
求解得到速率和负载的更新公式:
其中n为迭代次数。
对于问题二,由于函数L2(powerl′;bl)的二阶导数可能等于0,即函数不一定是严格凹函数,通过梯度法来求解链路功率问题:
7)每个节点都维护一个路径损耗矩阵G。节点通过Beacon帧获取链路中节点之间的距离,并利用传输模型powerrx=powertxd-α计算得到,其中d为链路长度,α为路径衰减指数。
8)在问题求解完毕后节点首先获取相关链路的功率,并结合路径损耗矩阵G计算本链路的信噪比SINR,计算链路容量C。
9)根据步骤4)中推导出的乘子迭代公式,更新拉格朗日乘子。若乘子梯度满足误差,则算法结束;否则分别计算出发送功率、速率和负载长度,重新跳转到步骤7),算法继续。
10)进一步地步骤8)中信噪比计算公式为其中η为噪声,链路容量计算公式为C=W log(1+SINR)。
实施例
将本发明的适用于无线Mesh网中的自适应调整发送速率、负载和发送功率的方法并在MATLAB下仿真,场景图见图1,包括如下步骤:
1)场景设置:无线Mesh网络中设置随机分布的30个节点,并设置源节点21有数据发送给目的节点1,假设链路21→27→16→8→23→20→1为路由选择选择链路。设置节点单跳最远传输距离为796m,具体参数如表1所示。
表1仿真参数
2)每个节点都维护一个路径损耗矩阵G。节点通过Beacon帧获取链路中节点之间的距离,并利用传输模型powerrx=powertxd-α计算得到,其中d为链路长度,α为路径衰减指数。
3)源节点分别获取相关链路的功率,并结合路径损耗矩阵G来计算本链路的信噪比SINR,同时计算链路容量C;
4)判断乘子b的梯度是否满足误差条件,若满足则执行步骤5);否则按照公式bl(n+1)=[bl(n)-Kb(ln SINRl-ln SINRmin)]+更新乘子;
5)判断乘子c的梯度是否满足误差条件,若满足则执行步骤6);否则按照公式cs(n+1)=[cs(n)-Kc(ln(1.5×10-3)+ln rate′s-len″)]+更新乘子;
6)判断乘子a的梯度是否满足误差条件,若满足则迭代结束;否则按照公式更新乘子,并将乘子a通过Beacon帧广播给其他节点;
7)节点在获取更新后的乘子a、b、c,以及通过Beacon帧得到的其他节点的乘子a后更新节点发送速率、功率和负载长度,并通过Beacon将本节点的发送功率通知链路上的其他节点,更新公式为
仿真结果表明,如图2所示,在迭代150次后每个节点的拉格朗日乘子均达到收敛值,此时乘子a、b、c为对偶问题minimize Dual(a,b,c)的最优解。又原问题与对偶问题之间无对偶间隙,即发送速率、功率、负载长度也达到收敛值,原问题取到最优解,如图3、4、5所示。从图6可以看出发送功率并没有收敛到最小值,这是由于整个问题对发送速率和功率之间的内在约束决定的。即在保证网络效用最大的情况下,使得网络消耗的功率最小。与此同时,负载长度收敛到最大,保证了占空比,提升了网络效用,也减小了能量消耗。
表1仿真结果
综上所述,这种方法就是充分考虑发送速率和负载长度对网络效用和功耗的影响,在保证网络效用的同时降低发送功率以减小功耗。仿真结果表明,这种方法行之有效。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和等同替换,这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案,均落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种适用于无线Mesh网的链路功率、速率和负载长度控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)充分考虑节点发送功率、速率和负载长度对网络效用和能耗的影响,定义网络效用函数为
其中rate表示速率;len表示负载长度;power表示发送功率;s表示源节点s;l表示链路l;A为权重,反映两目标的相对重要性;
(2)利用凸优化理论对步骤(1)中的网络效用函数做变换并建立模型,使上述问题满足凸优化及可分离条件:
其中lens′=lnlens;并对其做归一化:
得到新的问题:
subject to rate′min≤rate′s≤rate′max
len″min≤len″s≤len″max
power′min≤powerl′≤power″max
lnSINRl≥lnSINRmin
lens′≤ln(1.5×10-3)+lnrate′s
其中,rate′s表示rates的导数;rate′min、rate′max分别为rate′s的最小和最大值;len″s为lens′的导数;len″min、len″max分别为len″s的最小和最大值;powerl′为powerl的导数,power′min、power′max分别为powerl′的最小和最大值;Cl为链路容量计算公式,其中,C=Wlog(1+SINR);B为归一化常数;SINRmin为最小信噪比;
(3)确定节点的发送功率、速率和负载长度,所述负载长度是指数据帧长度。
2.如权利要求1所述的适用于无线Mesh网的链路功率、速率和负载长度控制方法,其特征在于:所述步骤(3)的具体步骤为:
步骤1:每个节点都维护一个路径损耗矩阵G,节点通过Beacon帧获取链路中节点之间的距离,并利用传输模型powerrx=powertxd-α计算得到,其中d为链路长度,α为路径衰减指数;
步骤2:源节点分别获取相关链路的功率,并结合路径损耗矩阵G来计算本链路的信噪比SINR,同时计算链路容量C;
步骤3:判断乘子b的梯度是否满足误差条件,若满足则执行步骤4;否则按照公式bl(n+1)=[bl(n)-Kb(lnSINRl-lnSINRmin)]+更新乘子;
步骤4:判断乘子c的梯度是否满足误差条件,若满足则执行步骤5;否则按照公式cs(n+1)=[cs(n)-Kc(ln(1.5×10-3)+lnrate′s-len″)]+更新乘子;
步骤5:判断乘子a的梯度是否满足误差条件,若满足则迭代结束;否则按照公式更新乘子,并将乘子a通过Beacon帧广播给其他节点;
步骤6:节点在获取更新后的乘子a、b、c,以及通过Beacon帧得到的其他节点的乘子a后更新节点发送速率、功率和负载长度,并通过Beacon将本节点的发送功率通知链路上的其他节点,更新公式为
3.如权利要求2所述的适用于无线Mesh网的链路功率、速率和负载长度控制方法,其特征在于:步骤2中,信噪比计算公式为其中η为噪声,链路容量计算公式为C=Wlog(1+SINR)。
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