一种毫米波网络中基于流网络的回传路径规划方法与流程

技术特征：

1.一种毫米波网络中基于流网络的回传路径规划方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：构建毫米波回传网络的无向多图，并通过步骤1.1、1.2将无向多图转化为有向多图，之后转入步骤2；令表示毫米波回传网络，其中表示网络中的微基站和网关集合，表示网络中相邻微基站之间的边集合，步骤1.1和步骤1.2详细描述如下：

步骤1.1：将无向多图中所有相连的两点分别变换为由入节点和出节点组成的节点集之后转入步骤1.2，令其中，是回传网络中基站的接收模块，是基站的发送模块，N为毫米波微基站的个数；

步骤1.2：连接由入节点到出节点的有向边由入节点到出节点的有向边令删除原间的无向边同时连接由出节点到入节点的有向边由出节点到入节点的有向边即形成有向边边集之后转入步骤2，其中，对应于回传网络中基站各自的接收模块到发送模块的物理线路；

步骤2：将有向多图转化为有向简单图

首先按照步骤2.1为有向多图中的各节点添加虚拟流入节点和虚拟流出节点，并对应的连接虚拟流入节点到该节点的边和该节点到其虚拟流出节点的边，其次按照步骤2.2进行边的转化，之后转入步骤3，其具体变换步骤如下：

步骤2.1：为有向多图中的节点添加k个虚拟流入节点令为节点分别添加k个虚拟流出节点之后转入步骤2.2；

令其中，增加的k个分别对应于回传网络中形成k个波束的射频模块；

步骤2.2：删除节点到节点的有向边同时连接由节点到节点的有向边由节点到节点的有向边和由节点到节点的有向边即组成的边集为删除节点到节点的有向边同时连接由节点到节点的有向边由节点到节点的有向边和节点到节点的有向边即组成的边集为之后转入步骤3；

令：

其中，的元素是回传网络中基站各自的发送模块到射频模块的部分，中的元素即代表回传网络中相邻两基站间的k条毫米波链路；

步骤3：基于步骤2所得到的有向简单图构建流网络图，并计算流网络图的最小花费最大流；

首先，根据步骤3.1增加虚拟源节点、虚拟目的节点及相应的虚拟边，其次根据步骤3.2和步骤3.3对各边的容量、费用属性赋值并计算流网络图的最小花费最大流，之后转入步骤4；

基于有向简单图构建流网络图过程的具体步骤如下：

步骤3.1：在有向简单图中增加虚拟源节点x和虚拟目的节点y，同时添加x到的边和网关节点g_j的虚拟出节点到y的边之后转入步骤3.2；令：其中，M是网关节点个数；

将虚拟源节点x看作是回传网络中所有用户合并而成的一个点，该点负责向各发送各自所产生回传负载；将y看作核心网，从而将中的元素认为是用户至各个基站的接入链路，将中的元素认为是网关到核心网的光纤链路，将转化后的有向简单图表示为其中：

x、y表示网络的虚拟源节点和虚拟汇节点，表示毫米波微基站s_i(1≤i≤N)的虚拟出节点集合，表示毫米波微基站s_i(1≤i≤N)的虚拟入节点集合，表示网关节点g_j(1≤j≤M)的虚拟出节点集合，表示网关节点g_j(1≤j≤M)的虚拟入节点集合；

表示毫米波微基站s_i(1≤i≤N)的第k条毫米波链路上的虚拟流出节点集合，表示毫米波微基站s_i(1≤i≤N)的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点集合，表示网关节点g_j(1≤j≤M)的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点集合，表示由网络虚拟源节点x到毫米波微基站的虚拟入节点的边集合，表示毫米波微基站虚拟入节点与虚拟出节点之间的边集合，表示由毫米波微基站的虚拟出节点到其第k条毫米波链路上的虚拟出节点的边集合，表示毫米波微基站的第k条毫米波链路上的虚拟流出节点与虚拟流入节点的边集合，表示由毫米波微基站的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点到各自虚拟入节点的边集合，表示由毫米波微基站s_i的第k条毫米波链路上的虚拟流出节点到网关节点g_j的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点的边集合，表示由网关节点g_j的第k条毫米波链路上的虚拟流入节点到虚拟入节点的边集合，网关节点g_j的虚拟入节点到虚拟出节点的边集合，表示有网关节点g_j的虚拟出节点到网络虚拟汇聚节点y的边集合；

步骤3.2：根据图中各点的位置及距离，计算网络中相邻节点之间的路径损耗L_loss、信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)和传输能耗，之后转入步骤3.3；其中，相邻节点间毫米波链路的路径损耗L_loss计算方式为：

$L_{loss}=20*{\log }_{10}^{(4*\mathrm{\π}*\frac{\mathrm{\λ}}{d})}$

式中，λ是毫米波波长，d是相邻毫米波微基站间的距离；

节点信噪比SNR的计算方式为：

$SNR=10*{\log }_{10}^{(2^{\frac{R}{B}}-1)}$

其中，B为毫米波通信带宽，单位为赫兹Hz，R为相邻节点间的毫米波链路上的传输速率，根据传输损耗L_loss及SNR计算相邻节点间毫米波链路的传输功耗P的公式为：P＝SNR+L_loss+I_L+N_th+N_F-G_t-G_r，其中，I_L为实现损耗，N_th为热噪声损耗，N_F为路损指数，G_t为发送天线增益，G_r为接收天线增益；

步骤3.3：流网络图中边具有表示容量、花费和流三个属性值，而在回传网络中它们分别代表毫米波回传链路所能够回传的最大数据量、每比特数据量所消耗的能量以及该回传链路所承载的回传数据量，因此，对获得的有向简单图的每个边的属性赋值时，根据各边在回传网络中代表的物理意义进行赋值，之后转入转入步骤3.4；

对中各个元素的容量和花费分别赋值为：

$\left\{\begin{array}{c}a\left(e_{x\→s_{i^{in}}}\right)=L_i\\ c\left(e_{x\→s_{i^{in}}}\right)=0\end{array}\right.$

L_i为各个毫米波微基站产生的回传负载量，对中各个元素的容量和花费赋值为：

$\left\{\begin{array}{c}a\left(e_{s_{i^{out}}\→s_{i^{out}}^k}\right)=a\left(e_{s_{i^{in}}^k\→s_{i^{in}}}\right)=a\left(e_{g_{j^{in}}^k\→g_{j^{in}}}\right)=a\left(e_{s_{i^{in}}\→s_{i^{out}}}\right)=a\left(e_{g_{j^{in}}\→g_{j^{out}}}\right)=Inf\\ c\left(e_{s_{i^{out}}\→s_{i^{out}}^k}\right)=c\left(e_{s_{i^{in}}^k\→s_{i^{in}}}\right)=c\left(e_{g_{j^{in}}^k\→g_{j^{in}}}\right)=c\left(e_{s_{i^{in}}\→s_{i^{out}}}\right)=c\left(e_{g_{j^{in}}\→g_{j^{out}}}\right)=0\end{array}\right.$

其中，Inf代表无穷大；

分别对中元素的容量和花费赋值为：

$\left\{\begin{array}{cc}a\left(e_{s_{i_1^{out}}^k\→s_{i_2^{in}}^k}\right)=T_{i_1{i}_2}^k*R_{i_1{i}_2}^k,& a\left(e_{s_i\→g_j}^k\right)=T_{ij}^k*R_{ij}^k\\ c\left(e_{s_{i_1^{out}}^k\→s_{i_2^{in}}^k}\right)={\mathrm{\η}}_{i_1{i}_2}^k,& c\left(e_{s_i\→g_j}^k\right)={\mathrm{\η}}_{ij}^k\end{array}\right.$

其中为任意两个毫米波微基站之间第k条毫米波链路上的最大可用时隙数，为任意毫米波微基站与其相邻网关之间第k条毫米波链路上的最大时隙数；为任意两个毫米波微基站之间第k条毫米波链路上单位时隙内传输的数据量，为任意毫米波微基站与其相邻网关之间的第k条毫米波链路上单位时隙内传输的数据量；为任意两个毫米波微基站之间第k条毫米波链路上单位传输时隙内传输数据所消耗的能量，为任意毫米波微基站之间与其相邻网关之间的第k条毫米波链路上单位传输时隙内传输数据所消耗的能量，对中元素的容量和花费赋值为：

$\left\{\begin{array}{c}a\left(e_{g_{j^{out}}\→y}\right)=S_j\\ c\left(e_{g_{j^{out}}\→y}\right)=0\end{array}\right.$

其中，S_j为网关与核心网络之间的光纤回传容量；

步骤3.4：对于各边属性赋值后的流网络，利用Push-Relabel法求解最小花费最大流的各边流值之后转入步骤4；

步骤4：确定回传网络中的回传路径

根据步骤3求得的最小花费最大流的各边流值，确定相邻毫米波微基站之间的k条毫米波链路上回传时隙和回传业务量及网络能耗，之后算法结束，具体步骤如下：

步骤4.1：根据求得的最小花费最大流的各边流值计算各毫米波微基站之间及毫米波微基站与网关之间的毫米波链路上的回传时隙数，之后转入步骤4.2，计算各毫米波链路上回传时隙数的公式如下：

其中，即为相邻毫米波微基站间第k条毫米波回传链路上的实际回传时隙数，为相邻毫米波微基站间第k条毫米波回传链路上的回传数据量，为相邻毫米波微基站第k条毫米波回传链路在单位时隙内传输的数据量，为毫米波微基站与相邻网关间第k条毫米波回传链路上的实际回传时隙数，为毫米波微基站与相邻网关之间第k条毫米波回传链路上的回传数据量，为毫米波微基站与相邻网关之间第k条毫米波回传链路在单位时隙内传输的数据量；

步骤4.2：根据各毫米波链路上获得的回传时隙和各自的传输速率计算网络回传业务量d_max和回传能耗P_min，之后任务结束；

其中d_max、P_min的计算方式如下：

$d_{max}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{t}_{ij}^k*R_{ij}^k$

$P_{\min }=\underset{i_1=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i_2=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{i_1{i}_2}^k*P_{i_1{i}_2}^k+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{ij}^k*P_{ij}^k$

其中，回传业务量d_max即全网毫米波微基站回传至所有网关的总数据量，为毫米波微基站与相邻网关间第k条毫米波回传链路在单位时隙内的回传数据量，回传能耗P_min即全网毫米波微基站回传数据时所消耗的总能耗，为相邻毫米波微基站间第k条毫米波回传链路在传输单位时隙数据量消耗的能耗，为毫米波微基站与相邻网关间第k条毫米波回传链路传输单位时隙数据量消耗的能耗。