CN106507465A - 一种无线mesh网络的安全功率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对网络资源难以实现灵活优化管理问题，通过建立满足最低服务质量的SINR约束模型和网络功率优化模型，以及MAC监视策略，实现无线mesh网络的能量资源优化管理。

Description

一种无线mesh网络的安全功率优化方法

技术领域

本发明涉及通信网络领域，特别是涉及功率控制，以及优化理论。

背景技术

无线Mesh网络作为一种基于TCP/IP的无线宽带接入技术，它融合了WLAN和Ad Hoc两者的优势，支持多对多的网络节点结构，具有自管理、自组织、多跳路由、自修复、移动宽带、无线定位等特点，是一种高速率、大容量、广覆盖的分布式网络。从某种意义上来说，WMN更注重的是一种无中心的网络构建机制，其结构如图1所示。

近年来,无线mesh网络中的功率控制和传输调度一直是学术界讨论的热点问题。在无线mesh网络中,网关节点经常需要广播一个数据包到主干网中的所有mesh路由器,而降低整体广播时延则可以很好地提升业务质量。基于功率控制的最小时延广播实际上是给每个节点分配合适的发送功率,并且计算出每个节点传输数据包的起始时间使得网关节点发送数据包到所有mesh路由器的总时间最短。之所以考虑功率控制是因为其产生的干扰问题如果我们给节点分配较高的发送功率,则节点可以以较高的速率进行广播,其孩子节点可以在较短的时间内收到包并且转发给下一层孩子节点,但与此同时,此节点的干扰范围也会增大,总的广播时延会增加。反过来,如果我们降低节点的发送功率,节点的干扰范围也随之减小,系统的并行度增加,但这是以牺牲节点的传输时间为代价的功率控制和传输调度相结合来提高网络性能一直是学者研究的焦点问题。部分学者基于TDMA模式提出两步式的算法来最大化网络吞吐量且最小化所有节点的总能耗,第一步,先找出网络中最多可以并行传输的节点的数目,第二步,给这些节点分配发送功率满足每个接收端的SINR的要求。部分学者在上述文献的基础上提出了一个分步式的算法来分配发送功率,降低网络中的干扰，并将联合功率控制和传输调度问题描述成一个混合整数规划问题(Mixed IntegerLinear Programming,MILP),此问题是一个NP难问题,所以需使用标准的数学工具来求最优解。

因此，有必要设计一种满足无线mesh网络传输需求的功率优化方法，实现网络能量资源的优化利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：通过建立满足最低服务质量的SINR约束模型和网络功率优化模型，以及MAC监视策略，实现无线mesh网络的能量资源优化管理。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案包括以下步骤，如图2所示：

A、建立满足最低服务质量的SINR模型；

B、建立网络功率优化模型和MAC监视策略。

所述步骤A中，具体为：

所述步骤B中，具体为：

min ΔP_ref

将网络分为多个小区，{1,2,3,...,J}为小区集合，{1,2,3,...,M_j}为第j个小区的用户集合，{1,2,3,...,R}为可用频率资源块集合，G_j,j,m为第j个小区基站与第j个小区内第m个用户之间的信道增益，P_j,r为分配给第j个小区内第r个频率块的传输功率，为分配给第j个小区内第m个用户的第r个频率块所产生的干扰功率，i_x,j,m为决策变量，若第x个小区的无线信号对第j个小区内第m个用户产生干扰则i_x,j,m＝1，反之则i_x,j,m＝0，P_min为接收端灵敏度门限，PT_j为第j个小区的可用功率，M_j为第j个小区内的用户数，R为可用频率块数目，u_j,m,r为决策变量，若第r个频率块被分配给第j个小区内的第m个用户则u_j,m,r＝1，反之则u_j,m,r＝0，ΔP_ref为确保优化模型存在可行解的松弛变量，SERF为满足最低服务质量的SINR，N_j,r为第j个小区的第r个频率块所产生的噪声，IPN_j,m,r为分配给第j个小区内第m个用户的第r个频率块所产生的干扰权重因。

所述步骤B中，MAC监视策略具体为：a.进行系统初始化设置；b.监视节点接收其余节点发送的PREQ；c.监视节点取出该帧的ψ个字节路径MAC字段与被监视节点MAC地址进行异或运算，其结果为Φ；d.判断Φ是否等于监视节点的MAC地址，若是则转至步骤e，反之则转至步骤h；e.被监视节点转发来至监视节点的PREQ，并转至步骤f；f.监视节点对该帧进行字段检查，并转至步骤g；g.判断被监视节点是否存在帧中字段是否存在被修改行为，若是则转至步骤g，反之则结束；g.监视接点解除与被监视节点的关联关系；h.被监视节点转发来至来自非监视节点的PREQ；i.解除监视节点对该帧进行字段检查的行为。

附图说明

图1无线mesh网络示意图

图2无线mesh网络的功率优化流程示意图

具体实施方式

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

第一步，建立满足最低服务质量的SINR约束模型，具体为：

第二步，建立网络功率优化模型，具体为：

min ΔP_ref

将网络分为多个小区，{1,2,3,...,J}为小区集合，{1,2,3,...,M_j}为第j个小区的用户集合，{1,2,3,...,R}为可用频率资源块集合，G_j,j,m为第j个小区基站与第j个小区内第m个用户之间的信道增益，P_j,r为分配给第j个小区内第r个频率块的传输功率，为分配给第j个小区内第m个用户的第r个频率块所产生的干扰功率，i_x,j,m为决策变量，若第x个小区的无线信号对第j个小区内第m个用户产生干扰则i_x,j,m＝1，反之则i_x,j,m＝0，P_min为接收端灵敏度门限，PT_j为第j个小区的可用功率，M_j为第j个小区内的用户数，R为可用频率块数目，u_j,m,r为决策变量，若第r个频率块被分配给第j个小区内的第m个用户则u_j,m,r＝1，反之则u_j,m,r＝0，ΔP_ref为确保优化模型存在可行解的松弛变量，SERF为满足最低服务质量的SINR，N_j,r为第j个小区的第r个频率块所产生的噪声，IPN_j,m,r为分配给第j个小区内第m个用户的第r个频率块所产生的干扰权重因子。

第三步，MAC监视策略具体为：a.进行系统初始化设置；b.监视节点接收其余节点发送的PREQ；c.监视节点取出该帧的ψ个字节路径MAC字段与被监视节点MAC地址进行异或运算，其结果为Φ；d.判断Φ是否等于监视节点的MAC地址，若是则转至步骤e，反之则转至步骤h；e.被监视节点转发来至监视节点的PREQ，并转至步骤f；f.监视节点对该帧进行字段检查，并转至步骤g；g.判断被监视节点是否存在帧中字段是否存在被修改行为，若是则转至步骤g，反之则结束；g.监视接点解除与被监视节点的关联关系；h.被监视节点转发来至来自非监视节点的PREQ；i.解除监视节点对该帧进行字段检查的行为。

本发明提出了一种无线mesh网络的安全功率优化方法，通过建立满足最低服务质量的SINR约束模型和网络功率优化模型，以及MAC监视策略，实现无线mesh网络的能量资源优化管理。

Claims (4)

1.一种无线mesh网络的安全功率优化方法，通过建立满足最低服务质量的SINR约束模型和网络功率优化模型，以及MAC监视策略，实现无线mesh网络的能量资源优化管理，包括如下步骤：

A、建立满足最低服务质量的SINR模型；

B、建立网络功率优化模型和MAC监视策略。

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：具体为：

${\mathrm{SINR}}_{j,m,r}=\frac{G_{j,j,m}\·P_{j,r}}{N_{j,r}+{\mathrm{INTERF}}_{j,m,r}}$

${\mathrm{INTERF}}_{j,m,r}=\underset{x=1}{\overset{J}{\Σ}}{i}_{x,j,m}\·G_{x,j,m}\·P_{x,r}$

${\mathrm{SINR}}_{j,m,r}=\frac{G_{j,j,m}\·P_{j,r}}{N_{j,r}+{\Σ}_{x=1}^j{i}_{x,j,m}\·G_{x,j,m}\·P_{x,r}}$

$\frac{G_{j,j,m}\·(P_{j,r}+{\mathrm{\ΔP}}_{ref})}{N_{j,r}+\underset{x=1}{\overset{J}{\Σ}}{i}_{x,j,m}\·G_{x,j,m}\·P_{x,r}}\≥{\mathrm{SERF}}_{j,m}.$

3.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：具体为：

$min\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}\underset{r=1}{\overset{R}{\Σ}}{P}_{j,r}$

minΔP_ref

$\begin{array}{cc}0\≤\underset{r=1}{\overset{R}{\Σ}}{P}_{j,r}\≤{\mathrm{PT}}_j& \∀\left(j\right)\end{array}$

$\begin{array}{cc}{u}_{j,m,r}\·(G_{j,j,m}{P}_{j,r}-P_{\min })\≥0& \∀(j,m,r)\end{array}$

$\begin{array}{cc}\underset{m=1}{\overset{M_j}{\Σ}}{u}_{j,m,r}\≤1& \∀(j,r)\end{array}$

$\begin{array}{cc}0\≤\underset{r=1}{\overset{R}{\Σ}}{P}_{j,r}\≤{\mathrm{PT}}_j& \∀\left(j\right)\end{array}$

$\begin{array}{cc}{u}_{j,m,r}\·(G_{j,j,m}\·P_{j,r}-P_{\min })\≥0& \∀(j,m,r)\end{array}$

$\begin{array}{cc}\underset{r=1}{\overset{R}{\Σ}}{u}_{j,m,r}\≥1& \∀(j,m)\end{array}$

$\begin{array}{cc}\[G_{j,j,m}\·\left(P_{j,r}+{\mathrm{\ΔP}}_{ref}\right)-\left({\mathrm{IPN}}_{j,m,r}\·{\mathrm{SREF}}_{{\mathrm{req}}_{j,m}}\right)\]\·u_{j,m,r}\≥0& \∀(j,m,r)\end{array}$

$\begin{array}{cc}{u}_{j,m,r}=\{0,1\}& \∀(j,m,r)\end{array}$

将网络分为多个小区，{1,2,3,...,J}为小区集合，{1,2,3,...,M_j}为第j个小区的用户集合，{1,2,3,...,R}为可用频率资源块集合，G_j,j,m为第j个小区基站与第j个小区内第m个用户之间的信道增益，P_j,r为分配给第j个小区内第r个频率块的传输功率，为分配给第j个小区内第m个用户的第r个频率块所产生的干扰功率，i_x,j,m为决策变量，若第x个小区的无线信号对第j个小区内第m个用户产生干扰则i_x,j,m＝1，反之则i_x,j,m＝0，P_min为接收端灵敏度门限，PT_j为第j个小区的可用功率，M_j为第j个小区内的用户数，R为可用频率块数目，u_j,m,r为决策变量，若第r个频率块被分配给第j个小区内的第m个用户则u_j,m,r＝1，反之则u_j,m,r＝0，ΔP_ref为确保优化模型存在可行解的松弛变量，SERF为满足最低服务质量的SINR，N_j,r为第j个小区的第r个频率块所产生的噪声，IPN_j,m,r为分配给第j个小区内第m个用户的第r个频率块所产生的干扰权重因子。

4.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：MAC监视策略具体为：a.进行系统初始化设置；b.监视节点接收其余节点发送的PREQ；c.监视节点取出该帧的ψ个字节路径MAC字段与被监视节点MAC地址进行异或运算，其结果为Φ；d.判断Φ是否等于监视节点的MAC地址，若是则转至步骤e，反之则转至步骤h；e.被监视节点转发来至监视节点的PREQ，并转至步骤f；f.监视节点对该帧进行字段检查，并转至步骤g；g.判断被监视节点是否存在帧中字段是否存在被修改行为，若是则转至步骤g，反之则结束；g.监视接点解除与被监视节点的关联关系；h.被监视节点转发来至来自非监视节点的PREQ；i.解除监视节点对该帧进行字段检查的行为。