本发明属于无线通信
技术领域：
，涉及一种STDMAMesh网络的资源分配方法，具体涉及一种基于GASE的STDMAMesh网络的功率分配和时隙分配方法。
背景技术：
：无线Mesh网络能够动态自组织与自配置，网络中的节点能够自主地建立与维持网络的连接。无线Mesh网络通信时通常采用时分多址接入机制(TDMA)，因为采用时分多址接入机制时每个用户都有一个自己的时隙，所以资源的利用率很低。为了提高资源的利用率，使用空间时分复用接入技术(STDMA)，STDMA是TDMA协议的扩展，在空间上相隔较远的节点可以复用时隙，提高了资源的利用率。面积频谱效率GASE准则是整个有效遍历容量与受影响面积的比值，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，可以有效地衡量无线通信系统的能量效率。为了合理地利用STDMAMesh网络的资源，需要对STDMAMesh网络进行资源分配，资源分配主要包括功率分配、时隙分配和子载波分配，现有资源分配方法包括基于最大化吞吐量的资源分配方法、基于最小化调度间隔的资源分配方法、基于服务质量的资源分配方法、基于用户公平性的资源分配方法和基于能量效率度量准则的资源分配方法等。其中基于能量效率度量准则的资源分配方法，是通过将频谱效率、功率效率、比特效率和时隙效率等能量效率度量准则作为优化目标，通过优化目标建立资源分配模型，并通过求解资源分配模型中目标函数的最大值来实现资源分配。基于能量效率度量准则的资源分配方法没有考虑整个STDMA无线Mesh网络的能量效率，所以STDMA无线Mesh网络的资源利用率不高。例如，Chen,W等人2016年在IEEETransactionsonVehicularTechnology上发表的《ANode-BasedTimeSlotAssignmentAlgorithmforSTDMAWirelessMeshNetworks》，提出了一种对节点的时隙分配方法，每个时隙中的调度是为节点完成的。由于一个节点有多条链路，可以利用多用户的多样性，即不同的链路有不同的流量和衰落特性来分配时隙，以实现降低干扰的同时提高时隙效率，但STDMA无线Mesh网络的资源利用率不高。技术实现要素：本发明本的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种基于GASE的STDMAMesh网络资源分配方法，旨在提高STDMAMesh网络的资源利用率。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：(1)建立基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型：(1a)定义基于GASE的STDMAMesh网络的链路集合E包括K条链路，E中的链路m和链路n构成并行链路，链路m的收节点为S1，发节点D1，链路n的收节点为S2，发节点D2；定义基于GASE的STDMAMesh网络的时隙分配因子为ymnt，当ymnt的取值为1时，表示将时隙集合T中的时隙t分配给并行链路m与链路n，当ymnt的取值为0时，表示不给并行链路m与链路n分配时隙；(1b)采用基于GASE的STDMAMesh网络中并行链路m与链路n构成的X信道的遍历容量除以受影响面积得到第t个时隙并行链路m与链路n的GASE表达式Lmnt，其中Lmnt为以功率Pmn为变量的函数；(1c)通过Lmnt和ymnt建立基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型的目标函数：其中ymnt的约束为：每个时隙一次只能分配一个链路对，时隙分配因子ymnt只能取0或1，时隙分配要保证每条链路的传输速率要求，其中Lmnt的约束为每个时隙内每条链路上分配的功率不超过发送节点功率的最大阈值；(2)假设基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型中的时隙分配因子ymnt不变，求解基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型中的功率分配(2a)对基于GASE的STDMAMesh网络中的K条链路进行两两组合，得到由Nall个链路对组成的链路对矩阵其中(2b)将在链路对矩阵LinkAll中查找出的S1与S2不重合且D1与D2不重合的Lcom个链路对，组成链路对矩阵LinkCom；(2c)在链路对矩阵LinkAll中查找出基于GASE的STDMAMesh网络的第一条链路所对应的各链路对，分别将每个链路对中两条链路间的距离dij代入GASE表达式Lmnt中，并采用内点罚函数法和非线性单纯形法计算GASE的最大值，GASE最大值对应的链路作为第一条链路的最优链路对，GASE最大值对应的功率作为第一条链路的最优分配功率Pmn；(2d)按照步骤(2c)的方法，依次获取基于GASE的STDMAMesh网络除第一条链路外的K-1条链路所对应的最优链路对和K-1条链路所对应的最优分配功率；(2e)将步骤(2c)中的第一条链路的最优链路对和步骤(2d)中K-1条链路所对应的最优链路对组成K条链路的最优链路对集合，将步骤(2c)中的第一条链路的最优分配功率和步骤(2d)中K-1条链路所对应的最优分配功率组成K条链路的最优功率分配矩阵(3)求解基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型中的时隙分配Y：将功率分配矩阵代入基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型的目标函数中，得到基于GASE的STDMAMesh网络时隙分配模型的目标函数并采用分支定界法求解时隙分配模型，得到时隙分配矩阵其中ymnt的约束为：每个时隙一次只能分配一个链路对，时隙分配因子ymnt只能取0或1，时隙分配要保证每条链路的传输速率要求；(3)将最优功率分配矩阵和时隙分配矩阵Y代入基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型的目标函数中，可求得的最大值即完成了资源分配。本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明在建立STDMAMesh网络资源分配模型时引入GASE准则，该准则考虑了传输功率所影响的面积大小，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，通过最大化面积频谱效率GASE值来分配STDMAMesh网络资源，同时在求解资源分配模型时给相邻链路分配不同时隙以降低干扰，从而提高整个STDMAMesh网络资源利用效率。附图说明图1是本发明的实现流程图。图2是本发明的STDMAMesh网络与现有TDMAMesh网络在时隙数相同节点数不同时，GASE值随噪声变化的仿真图。图3是本发明的STDMAMesh网络与现有TDMAMesh网络在时隙数不同节点数相同时，GASE值随噪声变化的仿真图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细说明:参照图1，本发明的实现步骤如下：步骤1)，建立基于GASE的STDMA无线Mesh网络资源分配模型：步骤1a)定义基于GASE的STDMAMesh网络的链路集合E包括28条链路，E中的链路m和链路n构成并行链路，链路m的收节点为S1，发节点D1，链路n的收节点为S2，发节点D2；定义基于GASE的STDMAMesh网络的时隙分配因子为ymnt，当ymnt的取值为1时，表示将时隙集合T中的时隙t分配给并行链路m与链路n，当ymnt的取值为0时，表示不给并行链路m与链路n分配时隙；步骤1b)采用基于GASE的STDMAMesh网络中并行链路m与链路n构成的X信道的遍历容量除以受影响面积得到第t个时隙并行链路m与链路n的GASE表达式Lmnt，其中Lmnt为以功率Pmn为变量的函数；式中λmm是链路m的信噪比，其表达式为Pmn是并行链路m与链路n上相同的传输功率，N0是热噪声功率，dmm是链路m发送端S1到链路m接收端D1的距离，α是依赖于传播环境的路径损耗指数；ρm是链路发射端到干扰终端的距离与链路发射端到目的终端的距离比值，当m＝1时，ρ1＝(d21/d11)α，表示链路m发射端到干扰终端的距离与链路m发射端到目的终端的距离比值，m＝2时，ρ2＝(d12/d22)α，表示链路n发射端到干扰终端的距离与链路n发射端到目的终端的距离比值，其中d11为S1到D1的距离，d12为S1到D2的距离，d21为S2到D1的距离，d22为S2到D2的距离；指数积分函数r1是链路m发送端S1辐射面积的半径，r2是链路n发送端S2辐射面积的半径，d0是S1与S2之间的距离，θ是r1与d0之间的夹角，r2与r1之间的关系为Pmin是链路m与链路n接受功率的最小阈值；Pt是链路m与链路n的传输功率；步骤1c)通过Lmnt和ymnt建立基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型的目标函数：其中ymnt的约束为：每个时隙一次只能分配一个链路对，时隙分配因子ymnt只能取0或1，时隙分配要保证每条链路的传输速率要求，其中Lmnt的约束为每个时隙内每条链路上分配的功率不超过发送节点功率的最大阈值。步骤2，假设基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型中的时隙分配因子ymnt不变，求解基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型中的功率分配步骤2a)对基于GASE的STDMAMesh网络中的K条链路进行两两组合，得到由Nall个链路对组成的链路对矩阵其中步骤2b)将在链路对矩阵LinkAll中查找出的S1与S2不重合且D1与D2不重合的Lcom个链路对，组成链路对矩阵LinkCom，即相链链路分配不同时隙，从而降低干扰；步骤2c)在链路对矩阵LinkAll中查找出基于GASE的STDMAMesh网络的第一条链路所对应的各链路对，分别将每个链路对中两条链路间的距离dij代入GASE表达式Lmnt中，得到功率分配模型的目标函数，Lmnt的约束为每个时隙内每条链路上分配的功率不超过发送节点功率的最大阈值，由于功率分配模型是一个非线性优化模型，所以采用内点罚函数法和非线性单纯形法求解，算法步骤如下：步骤2c1)初始化内点罚函数法与非线性单纯形法的参数：功率为罚因子为μ，缩小系数为ν，精度为ε且ε＞0，迭代数为k且k＝0；步骤2c2)利用基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型的目标函数和罚因子μ构造增广目标函数其中为惩罚函数，步骤2c3)将代入步骤(2c2)的增广目标函数中，判断是否小于ε，若是，将代入GASE的表达式Lmnt中，得到GASE的最大值，选择GASE最大值对应的链路作为第一条链路的最优链路对，将GASE最大值代入表达式Lmnt中，将GASE最大值对应的功率作为第一条链路的最优分配功率Pmn；否则令μ＝ν*μ，k＝k+1，并执行步骤(2c2)；步骤2d)按照步骤(2c)的方法，从第二条链路开始，依次获取基于GASE的STDMAMesh网络除第一条链路外的K-1条链路所对应的最优链路对和K-1条链路所对应的最优分配功率；步骤2e)将步骤(2c)中的第一条链路的最优链路对和步骤(2d)中K-1条链路所对应的最优链路对组成K条链路的最优链路对集合，将步骤(2c)中的第一条链路的最优分配功率和步骤(2d)中K-1条链路所对应的最优分配功率组成K条链路的最优功率分配矩阵步骤3，求解基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型中的时隙分配Y：将功率分配矩阵代入基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型的目标函数中，得到基于GASE的STDMAMesh网络时隙分配模型的目标函数其中ymnt的约束为：每个时隙一次只能分配一个链路对，时隙分配因子ymnt只能取0或1，时隙分配要保证每条链路的传输速率要求。由于时隙分配模型为0-1整数规划模型，所以采用分支定界法求解，具体步骤如下：步骤3a)对基于GASE的STDMAMesh网络时隙分配模型的第三条约束即时隙分配要保证每条链路的传输速率要求进行松弛，使不等式约束变为等式约束，该模型成为标准的0-1线性整数规划模型，采用分支定界法求基于GASE的STDMAMesh网络时隙分配模型的目标函数的最大值，将得到的目标函数的最大值代入目标函数表达式中，得到分配变量；步骤3b)判断分配变量是否全部为整数，若是，将分配变量组成的矩阵作为时隙分配模型的求解结果，即时隙分配矩阵Y，且否则将第一个不为整数的分配变量分别固定为0和1，得到两个新约束，并执行步骤(3c)；步骤3c)将两个新约束添加到基于GASE的STDMAMesh网络时隙分配模型中，得到两个子资源的分配问题，再分别求解这两个子资源的分配问题，得到新分配变量；步骤3d)判断新分配变量值是否全部为整数，若是，将新分配变量组成的矩阵作为时隙分配模型的求解结果，即时隙分配矩阵Y，且否则将第一个不为整数的新分配变量分别固定为0和1，得到两个新约束，并执行步骤(3c)。步骤4，将最优功率分配矩阵和时隙分配矩阵Y代入基于GASE的STDMAMesh网络资源分配模型的目标函数中，可求得的最大值即完成了资源分配。以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。1仿真条件：本发明的仿真平台是MATLAB，STDMAMesh网络中8个节点随机分布在1km×1km的方形区域内，所述网络有28条链路。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：表1γ2.5Pmax30mWPmin-100dBmα42仿真内容与结果分析：仿真1，图2(a)是STDMAMesh网络的面积频谱效率GASE值在时隙数相同，节点数不同时随噪声变化的仿真图，图2(b)是TDMAMesh网络的面积频谱效率GASE值在时隙数相同，节点数不同时随噪声变化的仿真图。从图2(a)可以看出节点数的增加可以带来GASE值的显著提升，即节点数越多，网络的能量效率越高；对比图2(a)与图2(b)可以看出STDMAMesh网络的面积频谱效率GASE值比TDMAMesh网络的面积频谱效率GASE值大，即网络资源的利用率更高。仿真2，图3(a)是STDMAMesh网络的面积频谱效率GASE值在时隙数不同，节点数相同时随噪声变化的仿真图，图3(b)是TDMAMesh网络的面积频谱效率GASE值在时隙数不同，节点数相同时随噪声变化的仿真图。从图3(a)可以看出时隙的增加可以带来GASE值的显著提升，即时隙数越多，网络的能量效率越高；对比图3(a)与图3(b)可以看出STDMAMesh网络的面积频谱效率GASE值比TDMAMesh网络的面积频谱效率GASE值大，即网络资源的利用率更高。当前第1页1 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