Mimo無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的分布式跨層優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及到無(wú)線通信傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體是MIM0(MultipleInputMultiple Output)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)凸牡姆植际娇鐚觾?yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種分布式、自治、多跳網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中沒有固定的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)，可以在不利用或者不方便利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如移動(dòng)基站、AP等）的情況下，建立無(wú) 線通信網(wǎng)絡(luò)為節(jié)點(diǎn)提供通信服務(wù)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以在無(wú)基 礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的情況下進(jìn)行無(wú)線通信，從而解決了在移動(dòng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)遭到破壞或無(wú)移動(dòng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的 情況下進(jìn)行無(wú)線通信的問題。
[0003] MHTO技術(shù)是利用抽象數(shù)學(xué)模型來(lái)描述的多天線無(wú)線通信技術(shù)，該技術(shù)的實(shí)質(zhì)是： 發(fā)射端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過相互獨(dú)立的多根天線發(fā)送無(wú)線信號(hào)，與此同時(shí)接收端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過多 根天線接收無(wú)線信號(hào)并恢復(fù)原信息。當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了MMO技術(shù)時(shí)，該技術(shù)能夠在不 增加頻帶資源的情況下成倍提高信道容量，即提高信息傳輸速率。發(fā)送節(jié)點(diǎn)將無(wú)線信道分 割為多個(gè)容量較低的子信道，不同的子信道利用相同的頻帶資源發(fā)送數(shù)據(jù)。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn) 與接收節(jié)點(diǎn)的不同天線之間構(gòu)成的空域子信道不相同，即在空間煒度上使得不同發(fā)射天線 的信號(hào)能夠區(qū)分開，則無(wú)需提供額外的頻帶資源便可提高信道容量。MMO技術(shù)利用空間復(fù) 用能夠在信噪比較高的情況下大幅提高信道容量，且發(fā)射節(jié)點(diǎn)可在不能夠感知信道狀態(tài)的 情況下使用該技術(shù)。
[0004] 近年來(lái)，諸如無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、mesh網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)自組織（AdHoc)網(wǎng)絡(luò)等多跳無(wú)線網(wǎng) 絡(luò)成為了熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)比其他網(wǎng)絡(luò)有更多優(yōu)勢(shì)，如：網(wǎng)絡(luò)容易搭建和維護(hù)， 網(wǎng)絡(luò)連通具有魯棒性，網(wǎng)絡(luò)容易拓展覆蓋范圍等。在頻譜資源一定的情況下，MIMO系統(tǒng)能 夠提高頻譜使用效率，增加信道容量，提高傳輸可靠性與傳輸距離。所以，將M頂0技術(shù)用于 無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)性能。目前，人們對(duì)MMO多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中 于物理層和MAC層，然而，在多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，路由是一個(gè)影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。因此， 由于其潛在的應(yīng)用價(jià)值，我們有必要對(duì)這種跨層優(yōu)化問題進(jìn)行研究。
[0005] 在實(shí)際應(yīng)用中，AdHoc網(wǎng)絡(luò)的性能是由網(wǎng)絡(luò)傳輸層、物理層和鏈路層協(xié)調(diào)決定 的。功率約束和頻譜利用率是除了傳統(tǒng)的PHY層性能外的]的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。文獻(xiàn) [E.Biglieri,R.Calderbank,A.Constantinides,A.Goldsmith,A.Paulraj,andH.V.Poor. MIMOWirelessCommunications[M].CambridgeUniversityPress, 2007.]研究了點(diǎn)到 點(diǎn)MMO通信與蜂窩MMO通信。AdHoc網(wǎng)絡(luò)的性能是由網(wǎng)絡(luò)傳輸層、物理層和鏈路層協(xié)調(diào) 決定的。在文南犬[J.H.Winters.Smartantennatechniquesandtheirapplicationto wirelessadhocnetworks[J].IEEEWirelessCommunications, 2006,13(4):77-83.]中， Winters舉例證明了當(dāng)MIMO技術(shù)被不恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用于AdHoc網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)性能下降 而不是提高。近年來(lái)，文南犬[R.BhatiaandL.Li.Throughputoptimizationofwireless meshnet-workswithMIMOlinks[C].inProc.IEEEINF0C0M,Anchorage,AK,May 6-12,2007:2326-2330.]探討了MMO跨層優(yōu)化在單跳與多跳AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢(shì)。然而 文獻(xiàn)的系統(tǒng)模型沒有發(fā)送功率限制和功率分配。這就促使我們?cè)O(shè)計(jì)分布式算法來(lái)解決包含 功率限制和功率分配的多跳MHTOAdHoc網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化問題，從而得到全局最優(yōu)解或者局 部最優(yōu)解。本發(fā)明針對(duì)MMO無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)提供一種接近最優(yōu)性能的且低復(fù)雜度的分布式 求解方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)---M頂0無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的技術(shù)不足，提 供一種MMO無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的分布式跨層優(yōu)化方法，該方法能在保證網(wǎng)絡(luò)效用的前提下， 優(yōu)化帶寬分配，降低能量消耗。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種MMO無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的分布式 跨層優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0008] 第一步：設(shè)定MMO無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的總功率約束目標(biāo)C，％，鏈路帶寬',叫， 信道干擾矩陣!!_:，vZVS1，信道矩陣Hv，網(wǎng)絡(luò)中的會(huì)話流數(shù)F，其中S1表示次用戶（SU)鏈 路，P]表示主用戶（PU)鏈路；并初始化如下變量：迭代次數(shù)1^= 0,拉格朗日對(duì)偶變量
[0009] 第二步：MIM0無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的每條會(huì)話的流量需求為sf>0,V/，則根據(jù)節(jié)點(diǎn) 流守恒定律，可以得到：
[0010]
[0011] 其中4表示會(huì)話f在鏈路S1的分配的流量，：TfW表示次用戶（SU)節(jié)點(diǎn)ns作為 接收節(jié)點(diǎn)的所有鏈路集合，〇(?)表示節(jié)Ans的所有發(fā)送鏈路的集合，&.的表達(dá)式如下所 示：
[0012]
[0013] 其中src(f)表示會(huì)話f的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，dst(f)表示會(huì)話f的目的節(jié)點(diǎn)；
[0014] 在每個(gè)會(huì)話流f?的源節(jié)點(diǎn)src(f)處通過求解網(wǎng)絡(luò)傳輸層子問題：
[0015]
[0016] 得到最優(yōu)解卜p)，即網(wǎng)絡(luò)傳輸層的路由選擇。其中，定義
Uf (Sf)代表會(huì)話f?的效用公平函數(shù)，％表示在鏈路S1對(duì)應(yīng) sJ. 的拉格朗日因子，而L表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械目傛溌窋?shù)；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸層子問題，獲取對(duì)偶信息 后，每條會(huì)話f?的源節(jié)點(diǎn)src(f)在本地計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸層子問題后更新流速率信息Sf與 路由信息xf，每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的路由信息Xf來(lái)中繼發(fā)送數(shù)據(jù)流sf;
[0017] 第三步：節(jié)點(diǎn)1^的發(fā)送功率約束限制可表示為：
[0018]
[0019] 其中Qsi表示鏈路S1的發(fā)送向量％的協(xié)方差矩陣，也就是，Qs, 是埃爾米特共輒矩陣且是半正定（PSD,positivesemi-definite)矩陣。Qst物理上表示鏈 路S1的發(fā)送節(jié)點(diǎn)分配給鏈路si的各個(gè)天線的功率。Ka為小于1的固定常數(shù)，其表示節(jié)點(diǎn) 實(shí)際可以使用的功率與總功率的比例。4表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)ns的最大發(fā)送功率。
[0020] 鏈路S1的信道容量巾,如下所示：
[0022] 在上式中，表示在PU節(jié)點(diǎn)&處的噪聲功率普密度，I為單位矩陣， 表示來(lái)自PU的干擾，其中表示分配給鏈路81的帶寬，共同影響著A(A，Q」，也就是說(shuō)帶寬分配與多天線的功率分配對(duì)提高信道容量起著重要作用。
[0023] 節(jié)點(diǎn)1的所有發(fā)送鏈路的帶寬之和不能超過PU分配給節(jié)點(diǎn)ns使用的帶寬見：
[0024]
[0025] 依據(jù)對(duì)偶分解和上述約束可得到物理鏈路層子問題如下：
[0026]
[0027] 其中Q' 全[Qs，Vs,eC> (?J]，W"a 全[WveC1 (%)]。
[0028] 在每個(gè)節(jié)點(diǎn)ns處通過交替迭代更新算法來(lái)求解物理鏈路層問題，即物理層的多天 線功率控制與鏈路層的帶寬分配，得到可行解
[0029] 第四步：令4=1^+1，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)ns處通過下式更新拉格朗日對(duì)偶變量循環(huán) 從步驟1開始執(zhí)行，直至結(jié)果收斂，得到整個(gè)MMO無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化問題的解，在實(shí)際MHTO無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)得出的解設(shè)定的值運(yùn)行，可以保障網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)傳輸率和網(wǎng)絡(luò)效用的同時(shí)，減少網(wǎng)絡(luò)中的能量損耗。
[0031] 其中[Z] + =max(0,z)，A=1表示正數(shù)步長(zhǎng)，表示次梯度且通過下式獲得：
[0033] 其中冒;與分別為第二步的網(wǎng)絡(luò)傳輸層子問題和第三步物理鏈路層子 問題的解。
[0034] 進(jìn)一步地，在第1^次迭代時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)ns通過交替迭代更新算法來(lái)求解物理鏈路 層子問題得到可行解，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)\上具體包括以下子步驟：
[0035] 步驟3-1、初始化如下變量：迭代次數(shù)k2= 0,鏈路帶寬1，功率協(xié)方差矩陣 Qi'
[0036] 步驟3-2、固定'為W,, =WIm，物理鏈路層子問題只剩下變量Q,,，其轉(zhuǎn)化為凸 問題。通過求解該問題得到QlJh
[0037] 步驟3-3、固定Qfts為久=Qf，物理鏈路層子問題只剩下變量，其轉(zhuǎn)化為線 性規(guī)劃問題。通過求解該問題得到W,。
[0038] 步驟3_4、令k2=k2+1，循環(huán)執(zhí)行步驟3-2和步驟3-3,直至結(jié)果收斂，得到物理鏈 路層子問題的解。
[0039] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性條件的約束下，建立了 MMO無(wú)線多跳 網(wǎng)絡(luò)的效用和能量?jī)?yōu)化問題，在保障網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)效用的同時(shí)， 減少網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，使得該系統(tǒng)可以在實(shí)際系統(tǒng)中具有應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1分布式實(shí)施與信息交互圖；