一种无线网状网中的联合协作路由与信道分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线网络中协作路由和信道分配技术，特别是指在多并发流无线网状 网中的联合协作路由和信道分配方法。
【背景技术】
[0002] 无线网状网是一种动态自组织的多跳网络，它能够在城市环境中为用户提供廉价 的高带宽网络服务。但由于密集的楼宇和复杂的建筑结构使得无线网状网面临严重的多径 衰减效应，极大影响了无线信号的传输质量。协作通信技术作为一种克服信道衰落，提高无 线传输容量和降低传输能耗的有效方法，近年来得到越来越多地关注，将其与无线网状网 融合成为未来无线网络发展的一种趋势。
[0003] 协作通信技术通过将多用户环境下的单天线用户组成虚拟的MM0系统来取得空 间分集增益。协作路由则是将物理层协作通信技术和网络层路由选择结合起来的跨层路由 方案，它通过选择合适的协作中继结点参与路由中的某一跳或某几跳传输，提高无线传输 的容量或降低传输的能耗，为无线用户提供更好的网络服务。
[0004] 举例说明协作通信的基本思想：协作通信的本质是发射端将同一信息的多个复本 通过不同的路径发送给接收端来获取分集增益。图1显示了经典的三点协作传输模型，S，R 和D分别表示发送结点，中继协作结点和接收结点。S在向D发送信号过程中，R会监听到 同样的信号，然后R也会将发送给D，最终，D会将来自S和R的两路信号按照最大比率组合 的方式合成一束更强的信号。因此，协作通信在发送功率固定的情况下，可以带来更高的链 路传输速率。协作通信有多种实现方式，其中，相比其它协作通信实现方式，AF-RAKE可以 在提升链路传输容量同时最小化同信道干扰，因此，本发明也采用基于AF-RAKE的协作传 输模式。此外，由于协作中继结点的参与，协作通信除了能提高无线传输速率以外，还会增 加传输的干扰范围。在直接传输中，只有源结点S和目的结点D参与传输，整个传输的干扰 范围是S和D的干扰范围的并集，如图2 (a)。而在协作传输中，整个传输的干扰范围是S， R和D三个结点的干扰范围的并集，如图2(b)。因此，在相同的网络环境中，相较于直接传 输，协作传输的干扰范围会有所扩大。
[0005] 相对于传统路由，协作路由在增强无线网络性能方面具有诸多优势，但是，无线传 输的同信道干扰引起的传输冲突会造成数据的丢失和重传，严重制约了协作路由对多跳无 线网状网吞吐量的提高。而多射频多信道技术可以降低同信道干扰，将其与协作通信技术 相结合，可以在充分利用协作通信带来的分集增益同时，降低无线传输的同信道干扰，提升 网络整体吞吐量。此外，随着无线网卡成本的降低和对高网络带宽的需求，配置多射频路由 结点的无线网状网开始被大量部署，因此，研究多射频多信道下的协作路由对于提高无线 网状网中的吞吐量具有重要理论意义和应用价值。
[0006] 在多射频无线网状网中，协作路由和信道分配策略的选择决定了网络的性能。现 有的协作路由方法没有考虑结点射频和信道数量限制下的信道分配问题，无法充分利用多 射频多信道的优势，而已有的信道分配方法主要是针对直接传输网络，没有考虑协作传输 的特性，无法直接扩展到协作传输网络。因此，如何在两者之中取得一个平衡是将协作通信 技术应用到无线网状网中需要解决的重要问题。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种无线网状网中的联 合协作路由与信道分配方法，通过为每条业务流确定最优的协作路由和信道分配方案来最 大化网络整体吞吐量。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种无线网状网中的联合协 作路由与信道分配方法，包括以下步骤：
[0009] 1)根据网络结点的广播信息，获取整个网络的原始拓扑结构和链路状态信息；
[0010] 2)根据协作模块虚拟化的方法构建基于虚拟结点和虚拟链路的新的网络拓扑结 构。
[0011] 3)新的网络拓扑图建立多并发流下无线网状网中各条业务流满意度之和的目标 函数模型，初步确定业务流的协作传输路径和传输路径上链路的工作信道；
[0012] 4)对步骤3)的结果进行局部的信道调整，使得所有的结点分配到的信道数量都 不超过其配置的射频数量，并为业务流确定最终的协作路由和信道分配方案。
[0013] 本发明具体实现过程如下：
[0014] 1)用G(V，E)表示一个无线网状网拓扑图，V表示结点集合，E表示链路集合；
[0015] 2)利用基于协作通信模块虚拟化的方法，将每个协作通信模块可能发生的协作传 输链路加入到网络拓扑图中，为G中的每个协作通信模块增加虚拟结点和虚拟链路，构建 新的网络拓扑图G' ；
[0016] 3)基于新的网络拓扑图G'建立多并发流下无线网状网中各条业务流满意度之和 的目标函数模型：
【主权项】
1. 一种无线网状网中的联合协作路由与信道分配方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 根据网络结点的广播信息，获取整个网络的原始拓扑结构和链路状态信息； 2) 根据协作模块虚拟化的方法构建基于虚拟结点和虚拟链路的新的网络拓扑图； 3) 新的网络拓扑图建立多并发流下无线网状网中各条业务流满意度之和的目标函数 模型，初步确定业务流的协作传输路径和传输路径上链路的工作信道； 4) 对步骤3)的结果进行局部的信道调整，使得所有的结点分配到的信道数量都不超 过其配置的射频数量，并为业务流确定最终的协作路由和信道分配方案。
2. 根据权利要求1所述的无线网状网中的联合协作路由与信道分配方法，其特征在 于，该方法具体实现过程如下： 1) 用G(V，E)表示一个无线网状网拓扑图，V表示结点集合，E表示链路集合； 2) 利用基于协作通信模块虚拟化的方法，将每个协作通信模块可能发生的协作传输链 路加入到网络拓扑图中，为G中的每个协作通信模块增加虚拟结点和虚拟链路，构建新的 网络拓扑图G' ； 3) 基于新的网络拓扑图G'建立多并发流下无线网状网中各条业务流满意度之和的目 标函数模型：
其中，s. t表示约束条件；ch (u, V，k, c)表示链路（u, V)在信道c上业务流k的速率， s(k)表示业务流k的源结点，d(k)表示业务流k的目的结点,r(k)表示业务流k最终的转发 速率，C (u，V)表示链路（u，V)的传输速率：C (t，w)表示链路（t，w)的传输速率；CH表示正 交信道集合；F表示业务流集合；I (u)表示结点配置的射频数量；IR(u, V)表示链路（u, V) 干扰范围内的链路集合；VS表示虚拟结点集合，E s表示虚拟链路集合； 4) 对上述目标函数模型求最优解，如果最优解中ch (u, V，k, c) >0,就代表链路（u, V)使 用信道c为业务流k的数据，通过ch(U，V，k，c)的解得到每条业务流的传输链路以及使用 的正交信道，从而确定业务流的协作路由和信道分配初步方案； 5) 对于初步方案中分配到的信道数量超过其配置的射频数量的结点进行局部信道调 整，具体过程为： (a) 选择出境速率最大并且信道数量超过射频数量的结点u ; (b) 从u的信道列表中，选择两个信道C1, C2进行合并：用_〃夂)表示Ec(U)中的链路 在信道C上的使用率之和，即：
C1, C2就是值最小的两个信道，将相关链路的信 道从C1调整成C2; (C)如果网络中还有结点的信道数量超过射频数量，重复步骤（a)和步骤（b)，直至所 有结点的信道数量不超过射频数量。
【专利摘要】本发明公开了一种无线网状网中的联合协作路由与信道分配方法，包括以下步骤：根据网络结点的广播信息，获取整个网络的原始拓扑结构和链路状态信息；根据协作模块虚拟化的方法构建基于虚拟结点和虚拟链路的新的网络拓扑结构。新的网络拓扑图建立多并发流下无线网状网中各条业务流满意度之和的目标函数模型，初步确定业务流的协作传输路径和传输路径上链路的工作信道；对结果进行局部的信道调整，使得所有的结点分配到的信道数量都不超过其配置的射频数量，并为业务流确定最终的协作路由和信道分配方案。本发明的方法在充分利用协作通信带来的空间分集增益的同时，能有效降低同信道干扰，达到最大化网路整体吞吐量的目的。
【IPC分类】H04W72-04, H04W40-24
【公开号】CN104684045
【申请号】CN201510069482
【发明人】张大方, 乔宏, 谢鲲, 何施茗, 张继
【申请人】湖南大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月10日