本发明专利技术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。本发明专利技术在实现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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信
，特别涉及一种网络资源分配方法，可用于TDMA无线Mesh网络。
技术介绍
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，因此可以提供更高的网络容量。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，主要是以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。申请号为201510906203.1的专利技术专利公开了一种基于TDMA的无线MESH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，以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。申请号为201410539932.3的专利技术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帧长的特征参数，以时隙占用最小为最优化目标，端到端分组错误率PER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。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。
技术实现思路
本专利技术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，以提高网络的能效，合理配置Mesh网络的资源。本专利技术的技术方案是这样实现的：一.技术原理：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、传播环境以及接收机的敏感度。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，所以它能作为衡量无线通信系统能效的一种合适的量化准则。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，本专利技术将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，其中每条链路以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，功率应当满足门限值的约束。二.实现方案：根据上述原理,本专利技术基于GASE的TDMA无线Mesh网络资源分配方法,包括如下步骤：(1)根据面积频谱效率GASE的表达式Klt,建立TDMA无线Mesh网络的优化模型：maxη=Σl∈EΣt∈Txlt·Klt]]>式中,η为点到点信道的面积频谱效率，xlt为链路l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为点到点信道中链路l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 Klt(Plt)，其中链路l面积频谱效率Klt是功率Plt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：m＝1,2…i,n＝1,2…j,m≠n，其中i,j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：η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)xlt是取值为0或1的二值变量；(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：其中t表示时隙数，矩阵的元素均为0或1，将矩阵的元素代入可求得η的最大值ηmax，即完成Mesh网络中对资源的分配。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，为了降低网络的能耗，合理配置Mesh网络的资源，本专利技术提出以面积频谱效率这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。第二，本专利技术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。附图说明图1是本专利技术的实现流程图。图2是本专利技术中用8个节点两两相连构成的网络拓扑图。图3是本专利技术中路径损耗指数α对非线性单纯形法复杂度的影响。图4是本专利技术在时隙数不同，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。图5是本专利技术在时隙数相同，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。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的描述:参照图1，本专利技术的实现步骤如下：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。(1a)计算网络中所有可以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Lnum＝(node2-node)/2＝28；(1b)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l∈E，i,j∈V；(1c)以链路的距离dij作为矩阵元素，生成距离矩阵D：当i≥j时,dij＝0，node为节点数；该距离矩阵D是一个维数为8×8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，这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，因此对角线以上的元素也均为0，其他的非零元素，比如dij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；(1d)对距离矩阵D作变形，得到链路矩阵其中m＝2,3…node,n＝1,2…node-1,m<n，这个矩阵中的元素是由距离矩阵D中所有不等于0的元素组成的；(1e)求t时刻每条链路面积频谱效率：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，因此可以
以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：K本文档来自技高网...
【技术保护点】
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Klt,建立TDMA无线Mesh网络的优化模型：maxη=Σl∈EΣt∈Txlt·Klt]]>式中,η为点到点信道的面积频谱效率，xlt为链路l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为点到点信道中链路l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 Klt(Plt)，其中链路l面积频谱效率Klt是功率Plt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：m＝1,2…node,n＝1,2…node,m≠n，其中node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：η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)xlt是取值为0或1的二值变量；(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：其中t表示时隙数，矩阵的元素均为0或1，将矩阵的元素代入可求得η的最大值ηmax，即完成Mesh网络中对资源的分配。...
【技术特征摘要】
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Klt,建立TDMA无线Mesh网络的优化模型：maxη=Σl∈EΣt∈Txlt·Klt]]>式中,η为点到点信道的面积频谱效率，xlt为链路l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为点到点信道中链路l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 Klt(Plt)，其中链路l面积频谱效率Klt是功率Plt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：m＝1,2…node,n＝1,2…node,m≠n，其中node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：η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)xlt是取值为0或1的二值变量；(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：其中t表示时隙数，矩阵的元素均为0或1，将矩阵的元素代入可求得η的最大值ηmax，即完成Mesh网络中对资源的分配。2.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：(1a)计算网络中的链路数：Lnum＝(node2-node)/2，其中node为节点数，Lnum为链路数；(1b)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l∈E，i,j∈V；(1c)以链路收发节点之间的距离dij作为矩阵元素，生成距离矩阵D：当i≥j时,dij＝0，node为节点数；(1d)对距离矩阵D作变形，...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢小峰，许源，杨玉洁，张海林，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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