无线网络中的转发方法、确定转发策略的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及无线网络中的数据传输，具体涉及用于确定无线网络中的转发策 略的方法和设备，以及无线网络中的转发方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，诸如无线自组织网络、无线传感器网络等无线网络迅速兴起，在研究领域 和工业产业领域获得了越来越多的关注。在部署有无线网络的大型会议、展览会、音乐会的 场景下，用户常常需要利用无线网络中的无线通信设备（如手机，pad)以及支持无线通信 的打印机或扫描仪等来传送数据。对于这种无线网络中的通信，如何保证端到端的服务质 量（QoS)是一个关键问题。
[0003] 常用的QoS参数，包括网络吞吐量、端到端延迟、延迟抖动和能量消耗等。就用户 而言，往往希望在进行数据通信时，各个QoS参数均有很好的性能。然而，这些QoS参数之 间是相互依赖、相互竞争的，因此单独优化其中某一个参数的性能，有可能导致另外一个参 数的性能降低。例如，通过提高发送功率来扩大通信范围可以提高网络吞吐量，但是另一方 面提高发送功率会导致能量消耗的增加。因此，如何进行数据传输以同时满足用户的多个 QoS参数的要求是一个需要解决的问题。
[0004] 上述问题实际上是一个多目标优化的问题。多目标优化是一个较为复杂的问题， 其与单目标优化有很大的差异。对于单目标优化问题，由于只有一个目标函数，因此能够求 得最好的解，其通常是全局最大或最小，即全局最优解。而对于多目标优化问题，多个目标 函数需要同时进行优化，由于目标之间无法比较，又存在矛盾冲突，导致不一定存在同时满 足所有目标函数的最优解。例如，某个解可能在一个目标上是最优的但在另一个目标上是 最差的。因此，多目标问题通常存在一个解的集合，它们之间不能简单地比较好坏，这种解 的集合即所谓的pareto最优解集。
[0005] 在传统的利用多目标优化方法确定数据传输策略的技术中，通常是通过向各个目 标函数分配权重值而将多目标优化问题转化为单目标优化问题，然后采用单目标优化技术 来求解。
[0006] 例如，美国专利申请No. 20090016224中公开了一种在多跳无线自组织和传感器 网络中选择下一跳转发节点的方法。在该方法中，首先通过为包括最大传输距离和包成功 传输率的多个决策参数分配权重值，而将该多个决策参数映射成一个虚拟指标，然后根据 该虚拟指标将节点进行排序，并选择排序靠前的节点作为转发节点。
[0007] 再比如，在非专利文献，Xuedong Liang等人的文章 "A novel cooperative communication protocol for QoS provisioning in wireless sensor networks"， （Testbeds and Research Infrastructures for the Development of Networks & Communities and Workshops，2009 年4 月 6-8 日）中，介绍了一种无线传感器 网络中的端到端延迟QoS需求保证的多跳网状网络合作通信机制。在该文献中，建立反映 延迟、数据包成功发送率等多个QoS参数的Q(S，A)函数，并选择具有最高函数值Q的节点 作为转发节点。其中，在建立Q(S，A)函数的过程中需要为各个QoS参数分配阈值。
[0008] 然而，在这种解决方法中，权重值是人为地根据各个目标函数的重要程度凭借经 验设定的，因此带有很大的主观性而且往往并不准确，从而作为目标优化结果而得到的数 据传输策略很可能不是最佳的。
【发明内容】
[0009] 根据本发明的一个实施例，提供了一种确定无线网络中的转发策略的方法，包括： 选择至少一组候选转发节点，每组候选转发节点包括至少一个转发节点；对于每组候选转 发节点设定一组或多组转发参数以形成N个候选的转发策略，其中N是自然数，一组候选转 发节点及其一组转发参数形成一个候选的转发策略；以预设的多个服务质量目标函数作为 优化目标，通过多目标优化算法对N个候选的转发策略进行优化，以得到当所述多目标优 化算法收敛时的候选的转发策略，作为最终的转发策略。
[0010] 根据本发明的另一实施例，提供了一种确定无线网络中的转发策略的设备，包括： 节点选择单元，配置为选择至少一组候选转发节点，每组候选转发节点包括至少一个转发 节点；参数设定单元，配置为对于每组候选转发节点设定一组或多组转发参数以形成N个 候选的转发策略，其中N是自然数，一组候选转发节点及其一组转发参数形成一个候选的 转发策略；转发策略确定单元，配置为以预设的多个服务质量目标函数作为优化目标，通过 多目标优化算法对N个候选的转发策略进行优化，以得到当所述多目标优化算法收敛时的 候选的转发策略，作为最终的转发策略。
[0011] 根据本发明实施例的用于确定无线网络中的转发策略的技术采用多目标优化方 法来确定最终的转发策略，而不需要预先为各个优化目标分配权重，因而能够得到最佳的 转发策略，并且其在确定转发策略时考虑了进行转发的信道和节点的转发概率，从而能够 减小或消除信道物理干扰，进而提高了网络性能。
[0012] 根据本发明的又一实施例，提供了一种无线网络中的转发方法，包括：响应于接收 到需要转发的数据，转发节点生成一个随机变量x rand e [0, 1]作为阈值；将该随机变量与 该转发节点的转发概率进行比较；如果随机变量大于所述转发概率，则该转发节点在转发 信道上转发所述数据。其中所述转发概率和转发信道是从以预设的多个服务质量目标函数 作为优化目标、通过多目标优化算法对N个候选的转发策略进行优化而得到的当所述多目 标优化算法收敛时的候选的转发策略中获得的，N为自然数，其中每个转发策略包括一组转 发节点及该组转发节点的一组转发概率和转发信道。
[0013] 在根据本实施例的用于在无线网络中进行转发的方法中，转发节点并不直接转发 接收到的数据，而是应用预先确定的能够满足用户的多个QoS需求的转发概率和转发信道 进行转发，从而使得所述转发能够满足多个QoS需求。
【附图说明】
[0014] 图1示出了示例性的无线网络的示意图。
[0015] 图2示出了根据本发明第一实施例的用于确定无线网络中的转发策略的方法的 流程图。
[0016] 图3例示了利用非支配排序遗传算法进行优化时迭代执行的处理的流程图。
[0017] 图4示出了另一个示例性的无线网络的示意图。
[0018] 图5示出了根据本发明第一实施例的方法所确定的转发策略对应的理论pareto 最优边界以及通过仿真实验得到的仿真pareto优化边界。
[0019] 图6示出了根据本发明第二实施例的无线网络中的转发方法的流程图。
[0020] 图7示出了根据本发明实施例的用于确定无线网络中的转发策略的设备的功能 配置框图。
[0021] 图8示出了根据本发明实施例的无线网络中的转发节点的硬件配置框图。
【具体实施方式】
[0022] 为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和【具体实施方式】对本发 明作进一步详细说明。
[0023] 图1示出了示例性的无线网络的示意图。如图1所示，当在该无线网络中的诸如 手机、pad等的源节点（S)和目的节点（D)之间进行数据通信时，最为直接的方式是源节点 通过直接传输方式向目的节点发送数据，而不经过中继转发节点（R)转发数据。具体的，当 源节点到目的节点的信干噪比SINR大于目的节点处预先设定的接收阈值（例如，2db)，并 且数据传输满足用户的QoS需求的下限时，可以采用该直接传输方式。所述QoS需求即上 文中提到的诸如网络吞吐量、端到端延迟、延迟抖动和能量消耗等QoS参数的需求，其中数 据传输的各个QoS参数的值可以通过基于SINR获得的信道概率计算得到。然而，很多时候 直接传输无法满足数据传输的要求，例如源节点到目的节点的信干噪比SINR小于目的节 点处的接收阈值、或者数据传输未达到用户的QoS需求的下限。此时，需要利用转发节点， 通过转发数据来完成数据的传输以满足用户的QoS需求。本发明主要针对利用节点转发方 式来进行保证端到端的QoS的数据传输的情形。
[0024] 在具体描述本发明之前，首先对本发明涉及的一些概念和术语进行简单的说明。
[0025] 信道概率是信道正确传输数据的概率，其可以如下所述计算得到。
[0026] 在信道u，节点i到节点j的SINR为
[0028] 其中，《是干扰功率，N。是噪声功率，&lj为节点i到j的路径传播衰减，其是节点 i到j距离的函数。
[0029] 对给定的SINR值γ，包错误率柯/办)=!-[〗~狀/?(对'_'，其中\是一个数据包 的大小（单位：bit) ;BER(Y)是对于给定的SINR值γ的位错误率，它取决于物理层采 用的技术和信道的统计特征。对于加性高斯白噪声AWGN信道和BPSK无编码调制方式，
[0030] 对于任意信道u，节点接入信道是随机的，取决于该节点的发送概率疗 > 为了获得 平均信道概率，计算图模型中（i，j，u)边上的平均干扰功率，需