CN113115422B - 一种无线自组网并发传输协议联合优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线自组网并发传输协议联合优化设计方法，该方法在大规模网络干扰模型下，得出无线自组网中通信链路周围存在的干扰总量。通过分析理想网络环境的各项参数，给出网络目标函数，然后基于约束优化求解基本的网络容量。随后本发明将无线自组网中的并发传输问题转换为联合功率控制与链路调度的优化问题，通过引入双链路通信架构来求解最优功率问题。本发明利用主从传输，在基于功率控制的基础上可以确定性调度出所有可同时进行信息传输的通信链路，即最优并发传输设计方法，为无线自组网的并发传输技术提供了重要的参考。

Description

一种无线自组网并发传输协议联合优化设计方法

技术领域

本发明涉及无线自组网并发传输领域，尤其涉及一种无线自组网并发传输协议联合优化设计方法。

背景技术

在军事领域中，无线自组织网络的能效一直是一个非常重要的问题。如何有效分配网络资源显得尤为重要，例如如何在链路调度，路由，信道分配和功率控制方面合理分配网络资源，以此来提高通信网络的整体性能。通常情况下，网络中不同的资源都是耦合在一起的，这对我们单独确定某项性能的最优性造成困难，这就需要采用联合优化的方法来提出一种新的解决方案。另外，为了满足流量需求的快速增长，无线自组织网络的结构也开始变得越来越复杂。因此，联合优化方案也成为一个十分具有挑战性的问题，这就要求我们建立有效的自组织网络，以有效利用无线电频谱并使能耗最小化。为了有效利用无线电频谱并减少能耗，应适当确定每条链路的传输功率以及目标干扰功率，从而在功率控制的基础上联合调度来实现最高效的并发传输。这就促使我们要开发出更加高效的联合优化方案，将优化变量视为传输功率控制和链路调度等资源分配策略的组合。

发明内容

发明目的：针对上述基于联合优化方案的并发传输场景，本发明提出一种无线自组网并发传输协议联合优化设计方法。对网络区域中的通信链路进行最优传输功率与目标干扰功率分析，基于约束优化获取理论最优值。然后，提出基于主传输和从传输的调度方案，通过功率控制实现最接近理论最优值的实际传输功率和目标干扰功率，进而完成最佳的链路调度方案，充分利用网络资源，实现最高效的并发传输。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种无线自组网并发传输协议联合优化设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：分析基于联合调度与功率控制的无线自组网并发传输方案，给出模型结构，计算通信链路相应的信干噪比值SINR，给出网络目标函数；

步骤2：分析理想网络环境的各项参数，其中包括：无限大对称网络区域中干扰链路的源节点到其相邻链路的目的节点之间的距离d，无限大对称网络区域中目标节点处的信干噪比SINR，无限大对称网络区域中单条链路所占据的区域大小S，无限大对称网络区域中每传输一比特数据所消耗的能量E，借助上述参数分析，转换步骤1中的网络目标函数，以理想无限大对称网络区域中的能耗和信干噪比为约束条件来求解基本的网络容量；

步骤3：在理想网络环境的基础上引入实际双链路通信网络架构，计算实际无线自组网中通信节点间的相互干扰，以能耗及所需信干噪比为约束条件，计算最优的功率值；

步骤4：表述主/从传输概念，根据网络信息确定主/从传输链路，基于最优解，给出通信链路调度规则，主传输调度从传输链路，确定相应的并发传输集合，实现节能高效的并发传输。

进一步，分析基于联合调度与功率控制的无线自组网并发传输方案，给出模型结构，计算通信链路相应的信干噪比值SINR，给出网络目标函数其具体步骤如下：

步骤1-1：此设计方法为每个通信节点设计了一种信息表来记录邻居节点的相关信息，称为邻居节点信息表(Neighbor Note List，NNL)，NNL(i)中记录着节点i周围即将发送或接收数据的节点的信息，包括：

1)节点u的地址；

2)节点i与u之间的信道增益：d_iu表示节点i与节点u之间的距离，对应的信道增益为h_iu＝cd_iu ^-α，其中c为常数，α为路径损耗指数；

3)节点u的目标干扰功率：I_u(t)表示节点u接收信息时可以承受的最大干扰；

4)节点u和v之间的数据传输时间和ACK应答时间；

步骤1-2：设定多个节点随机分布在网络区域中，这些节点都是使用同一个无线信道来进行信息传输，d_lk表示链路l的发送节点到链路k的目的节点之间的距离，计算时隙t时被调度链路l目的节点处的信干噪比值SINR：

其中N₀为背景噪声功率，∑_l≠kP_lth_kl为时隙t时链路l目的节点处所受到的干扰功率，P_lt为链路l的发送节点在时隙t时的传输功率水平，h_ll为链路l发送节点到接收节点之间的信道增益；

步骤1-3：计算被调度链路l的发送节点和目的节点在时隙t时的能耗之和：

τ_lt＝(2ξ_c+sP_lt) (2)

其中ξ_c+sP_lt为节点处于发送状态时的功率消耗，s为放大器功效的倒数，节点处于接收或者空闲时功率消耗也为ξ_c；

步骤1-4：依据上述步骤，得出网络目标函数：

其中R_l表示链路l的平均数据速率，E_l表示链路l每传输一比特数据所消耗的平均能量，R_lmax表示链路l所要求的最大数据速率，E_lmax表示链路l约束的每传输一比特数据的最大能量消耗，并发传输协议联合优化方案就是找到一个最优的链路调度集合和传输功率。

进一步，分析理想网络环境的各项参数，其中包括：无限大对称网络区域中干扰链路的源节点到其相邻链路的目的节点之间的距离d，无限大对称网络区域中目标节点处的信干噪比SINR，无限大对称网络区域中单条链路所占据的区域大小S，无限大对称网络区域中每传输一比特数据所消耗的能量E，借助上述参数分析，转换步骤1中的网络目标函数，以理想无限大对称网络区域中的能耗和信干噪比为约束条件来求解基本的网络容量基于约束优化求解基本的网络容量的具体步骤为：

步骤2-1：考虑一个无限大的网络区域，分析网络区域中存在的通信链路彼此间产生的干扰量，网络区域中，通信链路对称分布，假设每条通信链路在空间上都占据一个半径为r的圆形区域，链路的发送节点与目的节点之间的距离为d，计算网络区域中一条干扰链路的源节点到中心链路的目的节点之间的距离：

其中，(x，y)∈{...，-1，0，1，...}²，(x，y)≠(0，0)，对于不同的链路位置，x和y的值也不同；

步骤2-2：计算目的节点处的信干噪比SINR，假定干扰功率I远远大于背景噪声功率N₀，可得出：

其中本方法假定理想状态下，发送节点都采用功率P进行数据传输，

为一条链路的目的节点所受到的周围所有链路发送节点的干扰总和，c为常数，α为路径损耗指数；

步骤2-3：计算一条通信链路所占据的空间：

S＝πr² (6)

其中，r为链路所占圆形区域的半径；

步骤2-4：计算单位网络中总的数据速率(bit/s/Hz)：

其中，S为链路所占区域面积，P为节点发射功率，d为链路中发送节点与接收节点之间的距离；

步骤2-5：计算网络中每传输一比特数据所消耗的能量：

其中，R为单位网络中的数据速率，ξ_c为电路的功率消耗，s为放大器功效的倒数，P为节点发射功率；

步骤2-6：转换网络目标函数，以能耗和信干噪比为约束条件来最大化每单位网络区域内的总数据速率：

其中，E_lmax为链路l约束的每传输一比特数据的最大能量消耗，SINR_min为信息传输成功完成时目标节点在调度链路中所需的最小信干噪比；从网络目标函数中可以看出，寻求最优的调度和传输功率控制，也是在求解一个最佳的链路区域大小和发射功率大小，在满足目的节点正常接收信息的前提下，采用较小的发射功率可以降低链路之间的干扰，从而多条通信链路在空间上的距离也可以更近，使得同一时刻能在同一网络区域中调度出更多的链路进行并发传输。

进一步，在理想网络环境的基础上引入实际双链路通信网络架构，计算实际无线自组网中通信节点间的相互干扰，以能耗及所需信干噪比为约束条件，计算最优的功率值，步骤如下：

步骤3-1：分析双链路通信网络架构，获取调度链路时所要求的约束条件，在双链路通信网络架构中，两条通信链路随机分布在网络区域中，链路中发送节点和目标节点之间的距离也会动态变化，这与实际的网络环境相符，两条链路在传输信息时，其各自的发送节点都会给对方链路的接收节点产生干扰，要调度出这两条通信链路进行并发传输，其干扰功率的约束条件为：

其中，I_l为链路l目的节点处所受到的链路k发送节点对其产生的实际干扰功率，P_k为链路k发送节点的传输功率，d_lk为链路l目的节点到链路k发送节点之间的距离，I_l(*)为链路l的最佳目标干扰功率，(l，k)∈{(1，2)，(2，1)}，c为常数，α为路径损耗指数，链路间产生的干扰功率越接近此目标干扰功率，则就能调度出在空间上距离更近的两条链路，同一网络区域的并发效率也就随之提高；

步骤3-2：计算链路l目的节点到链路k发送节点之间的距离：

其中，d_ss为两条链路中发送节点之间的距离，d_kk为链路k的发送节点到其目的节点之间的距离，β_k为链路k发送节点到其目的节点与链路k发送节点到链路l发送节点之间所形成夹角的角度大小；

步骤3-3：根据对双链路通信网络架构干扰功率的分析，定义函数F(r，d)＝SINR，即信干噪比SINR的大小与链路所占区域以及通信距离大小有关，同时借助双链路通信架构中所得的实际干扰功率I_l，转换得出链路l的数据速率：

其中，P_l为链路l的发射功率，I_l为链路l目的节点所受到的干扰功率，d_ll为链路l中发送节点到目的节点的距离；式(12)便是实际网络环境中的目标函数，在约束条件下最大化此网络目标函数来获取最优的传输及目标干扰功率；

步骤3-4：计算双链路通信网络架构下链路l每传输一比特数据的能量消耗：

其中，P_l为链路l的发射功率，I_l为链路l目的节点处所受到的干扰功率，d_ll为链路l发送节点与目的节点之间的距离；

步骤3-5：确定双链路通信网络架构下最优的传输功率和目标干扰功率：

其中P_l(*)和I_l(*)为最优的传输及目标干扰功率；对于每个链路，添加约束条件P_l×I_l＝ρ，通过使二者乘积保持固定值，可以确保当源节点的发送功率较小时，提高目标干扰功率，这样可以调度出彼此间距离更近的两条链路同时进行数据传输，以使目标节点处的实际干扰功率更加接近我们所求得的目标干扰功率。

进一步，表述主/从传输概念，根据网络信息确定主/从传输链路，基于最优解，给出通信链路调度规则，主传输调度从传输链路，确定相应的并发传输集合，实现节能高效的并发传输的步骤如下：

步骤4-1：确定主传输，如果某条通信链路的发送节点S和目的节点D在分别发送RTS和CTS帧时，其相邻的通信节点中没有要发送/接收数据或者正在传输数据的节点，则将此条通信链路定义为主传输链路，并且此方法只要求主传输链路的发送节点和目的节点在交换控制消息期间，其对应的邻居节点信息表NNL为空，并不需要它们的NNL始终保持为空；

步骤4-2：确定从传输，如果某条通信链路的发送节点S和目的节点D在交换控制消息时，其周围存在着数据传输请求，即发送节点和目的节点的邻居节点信息表NNL中至少存在一个不是空的，则将此条链路定义为从传输链路；

步骤4-3：链路调度规则，当时隙t时链路l的发射功率不小于最佳发射功率，此时的实际干扰功率不大于目标干扰功率，并且此时的数据速率也不大于链路l所要求的最大数据速率，这是我们调度出该条链路的条件，即：

P_lt≥P_l(*)，I_lt≤I_l(*)，R_lt≤R_lmax (15)

其中，R_lt表示时隙t时链路l发送节点处实际传输功率，并且此链路所产生的干扰也不会破坏之前调度出的链路，I_lt表示时隙t时链路l受到的实际干扰功率，R_lt表示时隙t时链路l的平均数据速率；我们调度出链路l的规则为：

其中，实际干扰功率与目标干扰功率之比I_lt/I_l(*)和最佳传输功率与链路l的传输功率之比P_l(*)/P_lt，这两个比值共同决定了所调度出的链路在空间上与主传输链路之间的距离，其比值越大，代表着二者相对占用空间就越小，即我们可以调度出同一网络区域中更多的链路实现并发传输；因此，在调度链路的过程中基于最大化这两个比率的乘积来调度从传输链路；

步骤4-4：顺序调度机制，主传输链路确定后，会在其数据传输前引入一段时隙，在此时隙中主传输链路根据其所对应的邻居节点信息表NNL中的数据信息来计算并调度能够进行并发传输的从传输链路，依据给出的调度目标函数，主传输链路将顺序地调度其周围满足要求的从传输链路，在遍历主传输的所有相邻链路之前，这一轮调度不会结束，直到找到所有满足要求的从传输链路，然后执行并发传输；对于此轮中不可调度的从传输链路，将及时更新其所对应的邻居节点信息表NNL，对于成功进行数据传输的链路，其相应的发送节点和目的节点可以在发送DATA/ACK消息后及时更新相应的NNL；对于不进行数据传输的节点，在其收到其他节点的DATA/ACK数据后，再更新其所对应的NNL；第一轮并发传输完成后将启动新一轮的调度。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有显著优点：

(1)本发明提出大规模网络干扰模型，考虑到实际无线自组网中通信链路周围存在的干扰总量。

(2)本发明将无线自组网中的并发传输问题转换为联合功率控制与链路调度的优化问题，通过引入双链路通信架构来求解最优功率问题。

(3)本发明利用主从传输，在基于功率控制的基础上可以确定性调度出所有可同时进行信息传输的通信链路，即最优并发传输设计方法，为无线自组网的并发传输技术提供了重要的参考。

附图说明

图1是本发明的主流程图；

图2是本发明的大规模网络干扰模型；

图3是双链路通信网络架构；

图4是随机网络拓扑场景；

图5是不同链路距离下最优传输功率与目标干扰功率与能耗约束间的关系；

图6是不同数据速率不同节点数下不同协议的系统吞吐量变化图；

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种无线自组网并发传输协议联合优化设计方法已经在matlab中实现，仿真结果验证了本方案的优越性，下面给出本发明的具体实施步骤：

步骤1：分析基于联合调度与功率控制的无线自组网并发传输方案，给出模型结构，计算通信链路相应的信干噪比值SINR，给出网络目标函数；

步骤2：分析理想网络环境的各项参数，其中包括：无限大对称网络区域中干扰链路的源节点到其相邻链路的目的节点之间的距离d，无限大对称网络区域中目标节点处的信干噪比SINR，无限大对称网络区域中单条链路所占据的区域大小S，无限大对称网络区域中每传输一比特数据所消耗的能量E，借助上述参数分析，转换步骤1中的网络目标函数，以理想无限大对称网络区域中的能耗和信干噪比为约束条件来求解基本的网络容量；

步骤3：在理想网络环境的基础上引入实际双链路通信网络架构，计算实际无线自组网中通信节点间的相互干扰，以能耗及所需信干噪比为约束条件，计算最优的功率值；

步骤4：表述主/从传输概念，根据网络信息确定主/从传输链路，基于最优解，给出通信链路调度规则，主传输调度从传输链路，确定相应的并发传输集合，实现节能高效的并发传输。

分析基于联合调度与功率控制的无线自组网并发传输方案，给出模型结构，计算通信链路相应的信干噪比值SINR，给出网络目标函数其具体步骤如下：

步骤1-1：此设计方法为每个通信节点设计了一种信息表来记录邻居节点的相关信息，称为邻居节点信息表(Neighbor Note List，NNL)，NNL(i)中记录着节点i周围即将发送或接收数据的节点的信息，包括：

1)节点u的地址；

2)节点i与u之间的信道增益：d_iu表示节点i与节点u之间的距离，对应的信道增益为h_iu＝cd_iu ^-α，其中c为常数，α为路径损耗指数；

3)节点u的目标干扰功率：I_u(t)表示节点u接收信息时可以承受的最大干扰；

4)节点u和v之间的数据传输时间和ACK应答时间；

步骤1-2：设定多个节点随机分布在网络区域中，这些节点都是使用同一个无线信道来进行信息传输，d_lk表示链路l的发送节点到链路k的目的节点之间的距离，计算时隙t时被调度链路l目的节点处的信干噪比值SINR：

其中N₀为背景噪声功率，∑_l≠kP_lth_kl为时隙t时链路l目的节点处所受到的干扰功率，P_lt为链路l的发送节点在时隙t时的传输功率水平，h_ll为链路l发送节点到接收节点之间的信道增益；

步骤1-3：计算被调度链路l的发送节点和目的节点在时隙t时的能耗之和：

τ_lt＝(2ξ_c+sP_lt) (18)

其中ξ_c+sP_lt为节点处于发送状态时的功率消耗，s为放大器功效的倒数，节点处于接收或者空闲时功率消耗也为ξ_c；

步骤1-4：依据上述步骤，得出网络目标函数：

其中R_l表示链路l的平均数据速率，E_l表示链路l每传输一比特数据所消耗的平均能量，R_lmax表示链路l所要求的最大数据速率，E_lmax表示链路l约束的每传输一比特数据的最大能量消耗，并发传输协议联合优化方案就是找到一个最优的链路调度集合和传输功率。

分析理想网络环境的各项参数，其中包括：无限大对称网络区域中干扰链路的源节点到其相邻链路的目的节点之间的距离d，无限大对称网络区域中目标节点处的信干噪比SINR，无限大对称网络区域中单条链路所占据的区域大小S，无限大对称网络区域中每传输一比特数据所消耗的能量E，借助上述参数分析，转换步骤1中的网络目标函数，以理想无限大对称网络区域中的能耗和信干噪比为约束条件来求解基本的网络容量基于约束优化求解基本的网络容量的具体步骤为：

步骤2-1：考虑一个无限大的网络区域，如图2(我们此处只画出了中心链路分布，外围链路以相同方式分布于其中)，分析网络区域中存在的通信链路彼此间产生的干扰量，网络区域中，通信链路对称分布，假设每条通信链路在空间上都占据一个半径为r的圆形区域，链路的发送节点与目的节点之间的距离为d，计算网络区域中一条干扰链路的源节点到中心链路的目的节点之间的距离：

其中，(x，y)∈{...，-1，0，1，...}²，(x，y)≠(0，0)，对于不同的链路位置，x和y的值也不同；

步骤2-2：计算目的节点处的信干噪比SINR，假定干扰功率I远远大于背景噪声功率N₀，可得出：

其中本方法假定理想状态下，发送节点都采用功率P进行数据传输，

为一条链路的目的节点所受到的周围所有链路发送节点的干扰总和，c为常数，α为路径损耗指数；

步骤2-3：计算一条通信链路所占据的空间：

S＝πr² (22)

其中，r为链路所占圆形区域的半径；

步骤2-4：计算单位网络中总的数据速率(bit/s/Hz)：

其中，S为链路所占区域面积，P为节点发射功率，d为链路中发送节点与接收节点之间的距离；

步骤2-5：计算网络中每传输一比特数据所消耗的能量：

其中，R为单位网络中的数据速率，ξ_c为电路的功率消耗，s为放大器功效的倒数，P为节点发射功率；

步骤2-6：转换网络目标函数，以能耗和信干噪比为约束条件来最大化每单位网络区域内的总数据速率：

其中，E_lmax为链路l约束的每传输一比特数据的最大能量消耗，SINR_min为信息传输成功完成时目标节点在调度链路中所需的最小信干噪比；从网络目标函数中可以看出，寻求最优的调度和传输功率控制，也是在求解一个最佳的链路区域大小和发射功率大小，在满足目的节点正常接收信息的前提下，采用较小的发射功率可以降低链路之间的干扰，从而多条通信链路在空间上的距离也可以更近，使得同一时刻能在同一网络区域中调度出更多的链路进行并发传输。

在理想网络环境的基础上引入实际双链路通信网络架构，计算实际无线自组网中通信节点间的相互干扰，以能耗及所需信干噪比为约束条件，计算最优的功率值，步骤如下：

步骤3-1：分析如图3所示的双链路通信网络架构，获取调度链路时所要求的约束条件，在双链路通信网络架构中，两条通信链路随机分布在网络区域中，链路中发送节点和目标节点之间的距离也会动态变化，这与实际的网络环境相符，两条链路在传输信息时，其各自的发送节点都会给对方链路的接收节点产生干扰，要调度出这两条通信链路进行并发传输，其干扰功率的约束条件为：

其中，I_l为链路l目的节点处所受到的链路k发送节点对其产生的实际干扰功率，P_k为链路k发送节点的传输功率，d_lk为链路l目的节点到链路k发送节点之间的距离，I_l(*)为链路l的最佳目标干扰功率，(l，k)∈{(1，2)，(2，1)}，c为常数，α为路径损耗指数，链路间产生的干扰功率越接近此目标干扰功率，则就能调度出在空间上距离更近的两条链路，同一网络区域的并发效率也就随之提高；

步骤3-2：计算链路l目的节点到链路k发送节点之间的距离：

其中，d_ss为两条链路中发送节点之间的距离，d_kk为链路k的发送节点到其目的节点之间的距离，β_k为链路k发送节点到其目的节点与链路k发送节点到链路l发送节点之间所形成夹角的角度大小；

步骤3-3：根据对双链路通信网络架构干扰功率的分析，定义函数F(r，d)＝SINR，即信干噪比SINR的大小与链路所占区域以及通信距离大小有关，同时借助双链路通信架构中所得的实际干扰功率I_l，转换得出链路l的数据速率：

其中，P_l为链路l的发射功率，I_l为链路l目的节点所受到的干扰功率，d_ll为链路l中发送节点到目的节点的距离；式(28)便是实际网络环境中的目标函数，在约束条件下最大化此网络目标函数来获取最优的传输及目标干扰功率；

步骤3-4：计算双链路通信网络架构下链路l每传输一比特数据的能量消耗：

其中，P_l为链路l的发射功率，I_l为链路l目的节点处所受到的干扰功率，d_ll为链路l发送节点与目的节点之间的距离；

步骤3-5：确定双链路通信网络架构下最优的传输功率和目标干扰功率：

其中P_l(*)和I_l(*)为最优的传输及目标干扰功率；对于每个链路，添加约束条件P_l×I_l＝ρ，通过使二者乘积保持固定值，如图4，较高的传输功率对应着较低的目标干扰功率，较低的传输功率对应着较高的目标干扰功率，这样可以确保当源节点的发送功率较小时，提高目标干扰功率，这样可以调度出彼此间距离更近的两条链路同时进行数据传输，以使目标节点处的实际干扰功率更加接近我们所求得的目标干扰功率。

表述主/从传输概念，根据网络信息确定主/从传输链路，基于最优解，给出通信链路调度规则，主传输调度从传输链路，确定相应的并发传输集合，实现节能高效的并发传输的步骤如下：

步骤4-1：确定主传输，如果某条通信链路的发送节点S和目的节点D在分别发送RTS和CTS帧时，其相邻的通信节点中没有要发送/接收数据或者正在传输数据的节点，则将此条通信链路定义为主传输链路，并且此方法只要求主传输链路的发送节点和目的节点在交换控制消息期间，其对应的邻居节点信息表NNL为空，并不需要它们的NNL始终保持为空；

步骤4-2：确定从传输，如果某条通信链路的发送节点S和目的节点D在交换控制消息时，其周围存在着数据传输请求，即发送节点和目的节点的邻居节点信息表NNL中至少存在一个不是空的，则将此条链路定义为从传输链路；

步骤4-3：链路调度规则，当时隙t时链路l的发射功率不小于最佳发射功率，此时的实际干扰功率不大于目标干扰功率，并且此时的数据速率也不大于链路l所要求的最大数据速率，这是我们调度出该条链路的条件，即：

P_lt≥P_l(*)，I_lt≤I_l(*)，R_lt≤R_lmax (31)

其中，P_lt表示时隙t时链路l发送节点处实际传输功率，并且此链路所产生的干扰也不会破坏之前调度出的链路，I_lt表示时隙t时链路l受到的实际干扰功率，R_lt表示时隙t时链路l的平均数据速率；我们调度出链路l的规则为：

其中，实际干扰功率与目标干扰功率之比I_lt/I_l(*)和最佳传输功率与链路l的传输功率之比P_l(*)/P_lt，这两个比值共同决定了所调度出的链路在空间上与主传输链路之间的距离，其比值越大，代表着二者相对占用空间就越小，即我们可以调度出同一网络区域中更多的链路实现并发传输；因此，在调度链路的过程中基于最大化这两个比率的乘积来调度从传输链路；

步骤4-4：顺序调度机制，主传输链路确定后，会在其数据传输前引入一段时隙，在此时隙中主传输链路根据其所对应的邻居节点信息表NNL中的数据信息来计算并调度能够进行并发传输的从传输链路，依据给出的调度目标函数，主传输链路将顺序地调度其周围满足要求的从传输链路，在遍历主传输的所有相邻链路之前，这一轮调度不会结束，直到找到所有满足要求的从传输链路，然后执行并发传输；对于此轮中不可调度的从传输链路，将及时更新其所对应的邻居节点信息表NNL，对于成功进行数据传输的链路，其相应的发送节点和目的节点可以在发送DATA/ACK消息后及时更新相应的NNL；对于不进行数据传输的节点，在其收到其他节点的DATA/ACK数据后，再更新其所对应的NNL；第一轮并发传输完成后将启动新一轮的调度。我们在如图5所示的随机网络拓扑结构下验证所提协议的性能，方形区域中存在大量随机分布的通信节点，由图6可以看出，采用所提协议方案，系统吞吐量可以得到显著提升。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种无线自组网并发传输协议联合优化设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：分析基于联合调度与功率控制的无线自组网并发传输方案，给出模型结构，计算通信链路相应的信干噪比值SINR，给出网络目标函数，具体方法为：

步骤1-1：为每个通信节点设计一种信息表来记录邻居节点的信息，称为邻居节点信息表(Neighbor Note List，NNL)，NNL(i)中记录着节点i周围即将发送或接收数据的节点的信息，包括：

1)节点u的地址；

2)节点i与u之间的信道增益：d_iu表示节点i与节点u之间的距离，对应的信道增益为h_iu＝cd_iu ^-α，其中c为常数，α为路径损耗指数；

3)节点u的目标干扰功率：I_u(t)表示节点u接收信息时可以承受的最大干扰；

4)节点u和节点v之间的数据传输时间和ACK应答时间；

步骤1-2：设定多个节点随机分布在网络区域中，这些节点都是使用同一个无线信道来进行信息传输，d_lk表示链路l的发送节点到链路k的目的节点之间的距离，计算时隙t时被调度链路l目的节点处的信干噪比值SINR为：

其中N₀为背景噪声功率，∑_l≠kP_lth_kl为时隙t时链路l目的节点处所受到的干扰功率，P_lt为链路l的发送节点在时隙t时的传输功率水平，h_ll为链路l发送节点到接收节点之间的信道增益；

步骤1-3：计算被调度链路l的发送节点和目的节点在时隙t时的能耗之和：

τ_lt＝(2ξ_c+sP_lt) (2)

其中ξ_c+sP_lt为节点处于发送状态时的功率消耗，s为放大器功效的倒数，节点处于接收或者空闲时功率消耗也为ξ_c；

步骤1-4：得出网络目标函数：

s.t.R_l≤R_{l max}，E_l≤E_{l max}，l∈{1，2，3，...，L} (3)

其中R_l表示链路l的平均数据速率，E_l表示链路l每传输一比特数据所消耗的平均能量，R_{l max}表示链路l所要求的最大数据速率，E_{l max}表示链路l约束的每传输一比特数据的最大能量消耗，并发传输协议联合优化方案的目标是找到一个最优的链路调度集合和传输功率；

步骤2：分析理想网络环境的各项参数，包括：无限大对称网络区域中干扰链路的源节点到其相邻链路的目的节点之间的距离d，无限大对称网络区域中目标节点处的信干噪比SINR，无限大对称网络区域中单条链路所占据的区域大小S，无限大对称网络区域中每传输一比特数据所消耗的能量E；以理想无限大对称网络区域中的能耗和信干噪比为约束条件来求解基本的网络容量，具体方法为：

步骤2-1：考虑一个无限大的网络区域，分析网络区域中存在的通信链路彼此间产生的干扰量，网络区域中，通信链路对称分布，假设每条通信链路在空间上都占据一个半径为r的圆形区域，链路的发送节点与目的节点之间的距离为d，计算网络区域中一条干扰链路的源节点到中心链路的目的节点之间的距离：

其中，(x，y)∈{...，-1，0，1，...}²，(x，y)≠(0，0)，对于不同的链路位置，x和y的值也不同；

步骤2-2：计算目的节点处的信干噪比SINR，假定干扰功率I远远大于背景噪声功率N₀，可得出：

其中本方法假定理想状态下，发送节点都采用功率P进行数据传输，

为一条链路的目的节点所受到的周围所有链路发送节点的干扰总和，c为常数，α为路径损耗指数；

步骤2-3：计算一条通信链路所占据的空间：

S＝πr² (6)

其中，r为链路所占圆形区域的半径；

步骤2-4：计算单位网络中总的数据速率(bit/s/Hz)：

其中，S为链路所占区域面积，P为节点发射功率，d为链路中发送节点与接收节点之间的距离；

步骤2-5：计算网络中每传输一比特数据所消耗的能量：

其中，R为单位网络中的数据速率，ξ_c为电路的功率消耗，s为放大器功效的倒数，P为节点发射功率；

步骤2-6：转换网络目标函数，以能耗和信干噪比为约束条件来最大化每单位网络区域内的总数据速率：

其中，E_{l max}为链路l约束的每传输一比特数据的最大能量消耗，SINR_min为信息传输成功完成时目标节点在调度链路中所需的最小信干噪比；从网络目标函数中可以看出，寻求最优的调度和传输功率控制，也是在求解一个最佳的链路区域大小和发射功率大小，在满足目的节点正常接收信息的前提下，采用较小的发射功率可以降低链路之间的干扰，从而多条通信链路在空间上的距离也可以更近，使得同一时刻能在同一网络区域中调度出更多的链路进行并发传输；

步骤3：在理想网络环境的基础上引入实际双链路通信网络架构，计算实际无线自组网中通信节点间的相互干扰，以能耗及所需信干噪比为约束条件，计算最优的功率值，具体方法为：

步骤3-1：分析双链路通信网络架构，获取调度链路时所要求的约束条件，在双链路通信网络架构中，两条通信链路随机分布在网络区域中，链路中发送节点和目标节点之间的距离也会动态变化，两条链路在传输信息时，其各自的发送节点都会给对方链路的接收节点产生干扰，要调度出这两条通信链路进行并发传输，其干扰功率的约束条件为：

其中，I_l为链路l目的节点处所受到的链路k发送节点对其产生的实际干扰功率，P_k为链路k发送节点的传输功率，d_lk为链路l目的节点到链路k发送节点之间的距离，I_l(*)为链路l的最佳目标干扰功率，(l，k)∈{(1，2)，(2，1)}，链路间产生的干扰功率越接近此目标干扰功率，则就能调度出在空间上距离更近的两条链路，同一网络区域的并发效率也就随之提高；

步骤3-2：计算链路l目的节点到链路k发送节点之间的距离：

其中，d_ss为两条链路中发送节点之间的距离，d_kk为链路k的发送节点到其目的节点之间的距离，β_k为链路k发送节点到其目的节点与链路k发送节点到链路l发送节点之间所形成夹角的角度大小；

步骤3-3：根据对双链路通信网络架构干扰功率的分析，定义函数F(r，d)＝SINR，即信干噪比SINR的大小与链路所占区域以及通信距离大小有关，同时借助双链路通信架构中所得的实际干扰功率I_l，转换得出链路l的数据速率：

其中，R_l为链路l的发射功率，I_l为链路l目的节点所受到的干扰功率，d_ll为链路l中发送节点到目的节点的距离；式(12)便是实际网络环境中的目标函数，在约束条件下最大化此网络目标函数来获取最优的传输及目标干扰功率；

步骤3-4：计算双链路通信网络架构下链路l每传输一比特数据的能量消耗：

其中，P_l为链路l的发射功率，I_l为链路l目的节点处所受到的干扰功率，d_ll为链路l发送节点与目的节点之间的距离；

步骤3-5：确定双链路通信网络架构下最优的传输功率和目标干扰功率：

其中P_l(*)和I_l(*)为最优的传输及目标干扰功率；对于每个链路，添加约束条件P_l×I_l＝ρ，通过使二者乘积保持固定值，可以确保当源节点的发送功率较小时，提高目标干扰功率，这样可以调度出彼此间距离更近的两条链路同时进行数据传输，以使目标节点处的实际干扰功率更加接近所求得的目标干扰功率；

步骤4：表述主/从传输概念，根据网络信息确定主/从传输链路，基于最优解，给出通信链路调度规则，主传输调度从传输链路，确定相应的并发传输集合，实现节能高效的并发传输，具体方法为：

步骤4-1：确定主传输，如果某条通信链路的发送节点S和目的节点D在分别发送RTS和CTS帧时，其相邻的通信节点中没有要发送/接收数据或者正在传输数据的节点，则将此条通信链路定义为主传输链路，并且此方法只要求主传输链路的发送节点和目的节点在交换控制消息期间，其对应的邻居节点信息表NNL为空，并不需要它们的NNL始终保持为空；

步骤4-2：确定从传输，如果某条通信链路的发送节点S和目的节点D在交换控制消息时，其周围存在着数据传输请求，即发送节点和目的节点的邻居节点信息表NNL中至少存在一个不是空的，则将此条链路定义为从传输链路；

步骤4-3：链路调度规则，当时隙t时链路l的发射功率不小于最佳发射功率，此时的实际干扰功率不大于目标干扰功率，并且此时的数据速率也不大于链路l所要求的最大数据速率，这是调度出该条链路的条件，即：

P_lt≥P_l(*)，I_lt≤I_l(*)，R_lt≤R_{l max} (15)

其中，P_lt表示时隙t时链路l发送节点处实际传输功率，并且此链路所产生的干扰也不会破坏之前调度出的链路，I_lt表示时隙t时链路l受到的实际干扰功率，R_lt表示时隙t时链路l的平均数据速率；调度出链路l的规则为：

s.t.P_lt≥P_l(*)，I_lt≤I_l(*)，R_lt≤R_{l max} (16)

其中，实际干扰功率与目标干扰功率之比I_lt/I_l(*)和最佳传输功率与链路l的传输功率之比P_l(*)/P_lt，这两个比值共同决定了所调度出的链路在空间上与主传输链路之间的距离，其比值越大，代表着二者相对占用空间就越小，即可以调度出同一网络区域中更多的链路实现并发传输；因此，在调度链路的过程中基于最大化这两个比率的乘积来调度从传输链路；

步骤4-4：顺序调度机制，主传输链路确定后，会在其数据传输前引入一段时隙，在此时隙中主传输链路根据其所对应的邻居节点信息表NNL中的数据信息来计算并调度能够进行并发传输的从传输链路，依据给出的调度目标函数，主传输链路将顺序地调度其周围满足要求的从传输链路，在遍历主传输的所有相邻链路之前，这一轮调度不会结束，直到找到所有满足要求的从传输链路，然后执行并发传输；对于此轮中不可调度的从传输链路，将及时更新其所对应的邻居节点信息表NNL，对于成功进行数据传输的链路，其相应的发送节点和目的节点可以在发送DATA/ACK消息后及时更新相应的NNL；对于不进行数据传输的节点，在其收到其他节点的DATA/ACK数据后，再更新其所对应的NNL；第一轮并发传输完成后将启动新一轮的调度。

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