基于GASE的TDMA无线Mesh网络资源分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于面积频谱效率GASE的TDMA无线Mesh网络的资源分配方法，主要解决无线网络能耗的激增所引起的网络能量效率低的问题。其技术方案是：以面积频谱效率为优化目标，建立优化模型；将模型分解为功率分配模型和时隙分配模型；采用非线性单纯形法和内点罚函数法求解功率分配模型，在功率分配的基础上采用分支定界法求解时隙分配模型，完成对时隙的分配，即对资源的分配。本发明在实现TDMA无线Mesh网络的资源分配的同时，考虑了功率分配，从而提高了网络的能量利用效率，降低了网络的能耗，可用于TDMA无线Mesh网络。
【专利说明】
基于GA化的TDMA无线Mesh网络资源分配方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别设及一种网络资源分配方法，可用于TDMA无 线Mesh网络。
【背景技术】
[0002] 无线Mesh网络是近几年一项越来越引人关注的新兴技术，是一个能够动态自组织 与自配置的网络。基于TDMA的无线Mesh网络在高竞争的网络环境下能够更大限度地提高无 线信道利用率，高效地分配信道资源，因此可W提供更高的网络容量。
[0003] Mesh网络节点之间有很多冗余的路径，链路之间的干扰比较复杂，现有的无线 Mesh网络对时隙的调度，主要是W提高吞吐量或者减少时隙长度为目标，很少考虑到整个 网络的能量利用率。
[0004] 申请号为201510906203.1的发明专利公开了一种基于TDMA的无线ME甜网络分布 式资源分配的方法。具体地，利用邻居节点之间的信息交互获取两跳范围内各个节点的时 隙申请情况，在时隙申请过程中加入节点负载参数，在时隙分配过程中采用优化的优先级 列表给各个节点的分配时隙，在数据传输过程中根据各条数据流的路径选择节点发送时隙 顺序。该方法中只考虑了时隙分配，W降低时延和提高时隙复用度，没有考虑到整个网络的 能量效率。
[0005] 申请号为201410539932.3的发明专利公开了一种适用于多跳无线mesh网络的资 源分配方法。具体地，获取多跳路径上每个节点的参数，计算多跳路径中的每一跳链路针对 不同速率和不同帖长的特征参数，W时隙占用最小为最优化目标，端到端分组错误率pm?为 约束条件建立多选择背包问题的数学模型。该方法可减少资源分配的复杂度，但是只考虑 了时隙分配最优，并没有考虑到传输功率的利用效率，无法提高网络的能量利用率。
[0006] 因此需要选择合适的衡量能效的准则，作为链路调度优化的目标。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于面积频谱效率GASE 的时分多址TDMA无线Mesh网络资源分配方法，W提高网络的能效，合理配置Mesh网络的资 源。
[000引本发明的技术方案是运样实现的：
[0009] 一.技术原理：
[0010] 面积频谱效率GASE准则的定义是整个有效遍历容量与受影响面积的比值。受影响 面积是指在某范围内不允许同频道并行传输并在其中会受到发射功率的影响。受影响面积 的大小取决于很多方面，如传输功率、传播环境W及接收机的敏感度。GASE描述了在达到每 单位带宽的吞吐量时传输功率的利用效率，所W它能作为衡量无线通信系统能效的一种合 适的量化准则。
[0011] 面积频谱效率GASE刻画了在达到每单位带宽的吞吐量时传输功率的利用效率，本 发明将GASE准则应用到TDMA无线Mesh网络的资源分配中，通过调度每个时隙上传输数据的 链路，达到所有链路GASE的总和最大，其中每条链路W所分配的功率发送数据，且每一条链 路满足业务传输的速率要求，功率应当满足口限值的约束。
[001 ^ 二.实现方案：
[0013] 根据上述原理，本发明基于GASE的TDMA无线Mesh网络资源分配方法，包括如下步 骤：
[0014] (1)根据面积频谱效率GASE的表达式Kit，建立TDMA无线Mesh网络的优化模型：
[0015]
[0016] 式中，η为点到点信道的面积频谱效率，xit为链路1的时隙分配因子，取值为0-1的 二值变量;E为链路的集合，T为时隙的集合，Kit鱼点到点信道中链路1的面积频谱效率值。
[0017] 上述优化模型约束条件为:每个时隙只能分配给一条链路;时隙的分配要满足每 条链路传输速率的要求;第i个节点和第j节点构成的链路（i，j)上的信号与干扰加噪声比 SINR应大于或等于系统给定的阔值，W保证在每个时隙上的服务质量满足要求;每个时隙 每条链路上分配的功率不超过系统发送的最大阔值;每个时隙每条链路上分配的功率不小 于系统接收的最小阔值；
[0018] (2)将上述优化模型分解为功率分配模型和时隙分配模型两部分：
[0019] 他)建立功率分配模型:max Kit化t)，其中链路1面积频谱效率Kit是功率Pit的函 数，该分配模型有两条约束:每个时隙每条链路上分配的功率不应超过系统发送的最大阔 值，每个时隙每条链路上分配的功率不应小于系统接收的最小阔值；
[0020] (2b)采用内点罚函数法和非线性单纯形法对功率分配模型进行求解，得到最大面 积频谱效率矩阵
，m= 1，2···i，n = 1，2…j，m辛η，其中i，j为链路中的节点， Lnum表示网络中的链路数；
[0021] (2c)基于上述功率分配的结果，建立时隙分配模型
巧为 点到点信道的面积频谱效率;该时隙分配模型有Ξ条约束：（I)每个时隙只能分配给一条链 路，（II)时隙的分配满足每条链路的传输速率要求，（Ill)xit是取值为0或1的二值变量；
[0022] (2d )采用分支定界法对时隙分配模型进行求解，得到时隙分配矩阵：
中t表示时隙数，矩阵的元素均为0或1，将矩阵的元素代入
可求得η的最大值rWx，即完成Mesh网络中对资源的分配。
[0023] 本发明与现有技术相比具有W下优点：
[0024] 第一，为了降低网络的能耗，合理配置Mesh网络的资源，本发明提出W面积频谱效 率运一能量效率准则作为目标来优化TDMA无线Mesh网络的资源分配，该准则综合考虑了影 响能耗的吞吐量、功率及覆盖面积等因素。
[0025] 第二，本发明对优化模型进行分解，在分配功率时采用非线性单纯形法和内点罚 函数法进行求解，而在分配时隙时，采用分支定界法。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明的实现流程图。
[0027] 图2是本发明中用8个节点两两相连构成的网络拓扑图。
[0028] 图3是本发明中路径损耗指数α对非线性单纯形法复杂度的影响。
[0029] 图4是本发明在时隙数不同，节点数相同的条件下，TDMA无线Mesh网络面积频谱效 率随噪声的变化图。
[0030] 图5是本发明在时隙数相同，节点数不同的条件下，TDMA无线Mesh网络面积频谱效 率GASE随噪声的变化图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明做进一步的描述：
[0032] 参照图1，本发明的实现步骤如下：
[0033] 步骤1，建立基于面积频谱效率GASE的TDMA无线Mesh网络的资源分配模型。
[0034] (la)计算网络中所有可W相互连接的节点对的个数，即可行的链路个数:假设网 络中有8个节点，即node = 8，得出链路数Lmm = (node2-node)/2 = 28;
[0035] Qb)假设第i个发送节点的坐标为(xi，yi)，第j个接收节点的坐标为(xj，yj)，求出
链路l = (i，j)收发节点之间的距离： 其中leE，ijeV; i
[0036] (Ic) W链路的距离du作为矩阵元素，生成距离矩阵D:
[0037]
[003引当i含j时，dij = 0，node为节点数；
[0039] 该距离矩阵D是一个维数为8X8的矩阵，行与列均代表网络中的节点，对角线上的 元素均为0,运是因为在网络通信图中当收端与发端是相同的节点时无法形成一条链路。而 计算收发端之间的距离时链路是无向的，因此对角线W上的元素也均为0,其他的非零元 素，比如du表示节点i和节点j之间的距离。矩阵D不仅给出了每条链路的距离，还将链路与 对应的收发节点之间的关系呈现了出来；
[0040] (Id)对距离矩阵D作变形，得到链路矩构
：其中m = 2,3-'node，n =1，2-，11〇(16-1，111<11，运个矩阵中的元素是由距离矩阵0中所有不等于0的元素组成的；
[0041 ] (le)求t时刻每条链路面积频谱效率：
[0042]由于网络中不存在对当前传输链路的干扰链路，只存在热噪声的干扰，因此可W W点到点信道作为当前的场景，将每条链路的面积频谱效率GASE作为优化模型的目标函 数，当考虑功率控制时，在t时刻每条链路的面积频谱效率GASE表达式为：
[0043]
[0044] 式中，d是收发端之间的距离，α是依赖于传播环境的路径损耗指数，NO是总的热噪 声功率，Pmin是系统接受功率的最小阔值，Pit是链路1上的功率，6 (-V) =_Γ 是指数积分函 数，Γ (.)是Gamma函数。在运里只要链路1的节点位置固定，则距离d是一个定值，Κ的取值就 只与Pit有关。而Pit的取值与时间无关，功率分配成功后，在后续的时隙上保持不变；
[0045] (If)将链路矩阵LM中的每个元素 du代入K的表达式，得到面积频谱效率矩阵 焉=化。。)14胃，Kit与链路矩阵LM维数相同，其中kmn是W功率为变量的函数；
[0046] (Ig)根据求解的Kit建立优化模型：
[0047] 我们的目标是使所有时隙内传输数据的链路GASE之和达到最大，相应的优化模型 表述如下：
[004引
[0049] 式中，η为点到点信道的面积频谱效率，Xit为链路1的时隙分配因子，取值为0-1的 二值变量;E为链路的集合，T为时隙的集合，Kit鱼点到点信道中链路1的面积频谱效率值。
[0050] 该优化模型共有六条约束:每个时隙只能分配给一条链路;时隙的分配要满足每 条链路传输速率的要求;第i个节点和第j节点构成的链路（i，j)上的信号与干扰加噪声比 SINR应大于或等于系统给定的阔值，W保证在每个时隙上的服务质量满足要求;每个时隙 每条链路上分配的功率不超过系统发送的最大阔值;每个时隙每条链路上分配的功率不小 于系统接收的最小阔值。
[0051] 对于不同的时隙分配因子xit和功率Pit,η的值不同，因此我们要寻找到最优的功 率分配和时隙分配方案，使所有时隙之内的GASE之和达到最大。由于当前时隙内只有一条 链路传输数据，因此不会有其他的链路对当前链路产生干扰，只存在热噪声干扰。
[0052] 步骤2，分解并求解上述优化模型。
[00对观察该优化模型，功率变量Pit是连续变量而时隙分配因子Xit是0-1变量，目标函 数是较为复杂的非线性函数。因此可W看出运一优化问题是一个非线性混合整数规划。在 求解该优化模型时，并非对功率变量和时隙分配因子做联合优化，而是采取先固定某一变 量再求解的方法。我们将问题分解为功率分配模型和时隙分配模型两部分：
[0054] (2a)建立功率分配模型
其中链路1的 面积频谱效率Kit是功率Pit的函数，该分配模型有两条约束:每个时隙每条链路上分配的功 率不应超过系统发送的最大阔值，每个时隙每条链路上分配的功率不应小于系统接收的最 小阔值；
[0055] (2b)采用内点罚函数法和非线性单纯形法对功率分配模型进行求解，具体步骤如 下：
[0056] (化l)给定初始点巧^^罚因子μ，缩小系数v及精度ε>0，设k=l;
[0057] (化2)构造增广目标函数F(Pit)=n(Pit)+地化t)，其中
其 中gl(Plt)=Pmax-Plt，g2(Plt)=Plt-Pmin，Pmin是系统接受功率的最小阔值，Pmax是系统发射功 率的最大阔值；
[005引（2b3)用非线性单纯形法，Wifi为初始点求解maxF(Pu)，设最优解为《:，若 //公巧/-)<€，则停止迭代，输出使得F(Plt)取到最大值的巧，代入Kit的表达式求得Kmax，完成 功率分配模型的求解，否则令μ = ν*μ，k = k+1转到(2b2);
[0059] 由此可W得到最大面积频谱效率矩阵
，m=l，2.''node，n = l，2··· node, m辛η，其中node为链路中的节点，Lnum表示网络中的链路数。
[0060] (2c)基于上述功率分配的结果，建立时隙分配模型
巧为 点到点信道的面积频谱效率;该时隙分配模型有Ξ条约束：（I)每个时隙只能分配给一条链 路，（II)时隙的分配满足每条链路的传输速率要求，（Ill)xit是取值为0或1的二值变量；
[0061] (2d)采用分支定界法对时隙分配模型进行求解，具体步骤如下：
[0062] (2dl)松弛(2d)目标函数的约束III，通过单纯性算法最大化(2d)的目标函数，得 到分配变量；
[0063] (2d2)判断分配变量的值:若分配变量的值都是整数，则目标函数已最大化，得到 时隙分配矩阵；否则，执行(2d3);
[0064] (2d3)选择分配变量中第一个不为整数的变量，将它的取值分别固定成0和1，形成 两个新的约束，将运两个新约束添加到（2d)的目标函数中，得到要求解的两个子资源分配 模型，依次求解运两个子资源分配模型；
[0065] (2d4)根据子资源分配模型的求解结果进行不同操作：
[0066] 若求解运两个子资源分配模型无法获得可行的分配变量值，则结束对该子资源分 配模型的分支操作；
[0067] 若求解运两个子资源分配模型获得的分配变量的值不全是整数，则返(2d3);
[0068] 若求解运两个子资源分配模型获得的分配变量的值都是整数，则结束对该子资源 分配模型的分支操作，并存储其整数分配变量和目标函数值，找出最大的目标函数值，它对 应的整数分配变量即时隙分配矩阵
i中t表示时隙数，矩阵的元 素均为0或1，将矩阵的元素代；
可求得η的最大值rWx，即完成Mesh网络中对 资源的分配。
[0069] 本发明的效果可通过W下仿真进一步的说明。
[0070] 1仿真条件：
[0071] 本发明的仿真平台是MATLAB，假设无线Mesh网络中有8个节点且随机分布化kmX 1km的方形区域内，图1是8个节点两两相连构成的网络拓扑图，本发明的分析是基于运个网 络中所有的28条链路。
[0072] 假设传输的信号经历路径损耗和多径衰落效应，且传输是在瑞利衰落环境下进行 的。仿真时用到的参数如下表1所示：
[0073] 表1仿真参数
[0074] _
[0075] 2仿真内容与结果分析：
[0076] 仿真1，按照上述的仿真条件，对本发明8个节点两两相连构成的网络拓扑图进行 仿真，结果如图2。
[0077] 仿真2,按照上述的仿真条件，对本发明中非线性单纯形法复杂度随路径损耗指数 α的变化进行仿真，结果如图3。
[0078] 从图3可W看出：在分配功率时，不同的路径损耗指数下，用非线性单纯形法求解 无约束优化问题的复杂度不同，路径损耗指数α越大，复杂度越高。
[0079] 仿真3,按照上述的仿真条件，对本发明TDMA无线Mesh网络面积频谱效率GASE在时 隙数不同，节点数相同的条件下随噪声的变化进行仿真，结果如图4。
[0080] 从图4可W看出：GASE随噪声的增加而下降，因为噪声限制了网络容量的大小。并 且网络中的可调度的时隙数增多时，GASE也会随之增加。
[0081] 仿真4,按照上述的仿真条件，对本发明TDMA无线Mesh网络面积频谱效率GASE在时 隙数相同，节点数不同的条件下随噪声的变化进行仿真，结果如图5。
[0082] 从图5可W看出：当节点数为別寸，网络中共有28条链路，节点数增加至卵寸，网络中 的链路增加到了36条，由仿真图5可知，链路数的增加可W带来GASE的显著提升，但运是W 增加网络的复杂性为代价的。
【主权项】
1. 基于GASE的TDMA无线Mesh网络资源分配方法，包括： (1) 根据面积频谱效率GASE的表达式Kit，建立TDMA无线Mesh网络的优化模型：式中，η为点到点信道的面积频谱效率，xit为链路1的时隙分配因子，取值为0-1的二值 变量;E为链路的集合，T为时隙的集合，Klt^点到点信道中链路1的面积频谱效率值。 上述优化模型约束条件为:每个时隙只能分配给一条链路;时隙的分配要满足每条链 路传输速率的要求;第i个节点和第j节点构成的链路（i，j)上的信号与干扰加噪声比SINR 应大于或等于系统给定的阈值，以保证在每个时隙上的服务质量满足要求;每个时隙每条 链路上分配的功率不超过系统发送的最大阈值;每个时隙每条链路上分配的功率不小于系 统接收的最小阈值； (2) 将上述优化模型分解为功率分配模型和时隙分配模型两部分： (2a)建立功率分配模型:max Kit(Pit)，其中链路1面积频谱效率Kit是功率Pit的函数，该 分配模型有两条约束:每个时隙每条链路上分配的功率不应超过系统发送的最大阈值，每 个时隙每条链路上分配的功率不应小于系统接收的最小阈值； (2b)采用内点罚函数法和非线性单纯形法对功率分配模型进行求解，得到最大面积频 谱效率矩阵：果肺=，111=1，2'" 110如，11 = 1，2'"110如，111关11，其中 110如为链路中的节 点，Lnum表示网络中的链路数； (2c)基于上述功率分配的结果，建立时隙分配模型1为点到 点信道的面积频谱效率;该时隙分配模型有三条约束：（I)每个时隙只能分配给一条链路， (II)时隙的分配满足每条链路的传输速率要求，（III)是取值为〇或1的二值变量； (2 d )采用分支定界法对时隙分配模型进行求解，得到时隙分配矩阵：，其中t表示时隙数，矩阵的元素均为0或1，将矩阵的元素代入 m) 0 = 11? &可求得η的最大值rw，即完成Mesh网络中对资源的分配。 !eE t^T2. 根据权利要求1所述的基于面积频谱效率的TDMA无线Mesh网络的资源分配方法，其 中步骤(1)中建立TDMA无线Mesh网络优化模型，按如下步骤进行： (1 a)计算网络中的链路数:L_ = (node2_node) /2，其中node为节点数，L_为链路数； (1 b)假设第i个发送节点的坐标为(xi，yi)，第j个接收节点的坐标为(Xj，yj)，求出链路1 =(i，j)收发节点之间的距离.中1 EE，i，j eV; (lc)以链路收发节点之间的距离du作为矩阵元素，生成距离矩阵D:当i 2 j时，dij = 0，node为节点数； (ld) 对距离矩阵D作变形，得到链路矩阵，其中m = 2,3-_node，n=l， 2***node-l ,m<n； (le) 根据链路矩阵求t时刻每条链路面积频谱效率：式中，d是收发节点之间的距离，α是依赖于传播环境的路径损耗指数，NO是总的热噪声 功率，Pmin是系统接受功率的最小阈值，Pit是链路1上的功率，￡#) =1'$//是指数积分函数， Γ (·)是Gamma函数； (lf) 将链路矩阵中的每个元素 du代入K的表达式中，对应得到一个与LM维数相同的面 积频谱效率矩阵&?;?)1><1_'，其中111 = 2,3'"11〇(16，11 = 1，2'"11〇(16-1，111〈11〇3. 根据权利要求1所述的基于面积频谱效率的TDMA无线Mesh网络的资源分配方法，其 中步骤(2b)对功率分配模型的求解，按如下步骤进行： (2bl)给定初始点if，罚因子μ，缩小系数v及精度ε>0,设k=l; (2b2)构造增广目标函数F(Plt) =n(Pit)+yB(Plt)，其Η其中gl (Pit) = Ρ·χ-Ρ??，g2 ( Pit) = PlfPmin，P-是系统接受功率的最小阈值，P應是系统发射功率的 最大阈值； (2b3)用非线性单纯形法，以if1为初始点求解maxF(Plt)，设最优解为#，若 ) <￡，则停止迭代，输出使得F(Plt)取到最大值的，代入Klt的表达式求得K max，完成 功率分配模型的求解，否则令μ = ν*μ，k = k+Ι转到(2b2)。4. 根据权利要求1所述的基于面积频谱效率的TDMA无线Mesh网络的资源分配方法，其 中步骤(2d)对时隙分配模型的求解，按如下步骤进行： (2dl)松弛(2d)目标函数的约束III，通过单纯性算法最大化(2d)的目标函数，得到分 配变量； (2d2)判断分配变量的值:若分配变量的值都是整数，则目标函数已最大化，得到时隙 分配矩阵；否则，执行(2d3); (2d3)选择分配变量中第一个不为整数的变量，将它的取值分别固定成0和1，形成两个 新的约束，将这两个新约束添加到(2d)的目标函数中，得到要求解的两个子资源分配模型， 依次求解这两个子资源分配模型； (2d4)根据子资源分配模型的求解结果进行不同操作： 若求解这两个子资源分配模型无法获得可行的分配变量值，则结束对该子资源分配模 型的分支操作； 若求解这两个子资源分配模型获得的分配变量的值不全是整数，则返(2d3); 若求解这两个子资源分配模型获得的分配变量的值都是整数，则结束对该子资源分配 模型的分支操作，并存储其整数分配变量和目标函数值，找出最大的目标函数值，它对应的 整数分配变量即时隙分配矩阵X。
【文档编号】H04W72/04GK105873219SQ201610369308
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】卢小峰, 许源, 杨玉洁, 张海林
【申请人】西安电子科技大学