一種能量可再生無線Mesh網(wǎng)絡(luò)綠色通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通訊技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種能量可再生無線Mesh網(wǎng)絡(luò)綠 色通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也取得了高速的發(fā)展，例如：無 線通信技術(shù)推陳出新、無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不斷更新以及新的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)不斷提出。 CDMA、M頂0、OFDM等技術(shù)不斷創(chuàng)新，WLAN網(wǎng)絡(luò)、WiMax網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)不斷演進，正 朝大數(shù)據(jù)速率高吞吐量方向發(fā)展，而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Network，WMN)正是在 這樣的背景下發(fā)展起來的。
[0003] 與傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)（WLAN)、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有巨大的優(yōu) 勢。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心指導(dǎo)思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，傳統(tǒng)的 WLAN -直存在的可伸縮性低和健壯性差等諸多問題迎刃而解。在WLAN中，每個客戶端均通 過一條與接入點（Access Point，以下簡稱AP)相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò)，如果用戶之間 要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的AP，然后通過AP的連接和協(xié)調(diào)進行通信。 而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點都可以同時作為AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點 都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信。如果最 近的AP由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣?，?shù)據(jù)包可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下 一個節(jié)點進行傳輸，直至到達最終目的地為止，這是傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)不具備的。另外，在無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)里，如果要添加新的設(shè)備，只需要簡單地接上電源，就可以自動進行自我配置，并 確定最佳的多跳傳輸路徑。添加或移動設(shè)備時，網(wǎng)絡(luò)能夠自動發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓?，并自動調(diào)整通 信路由，以獲取最有效的傳輸路徑，這也是傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)的。
[0004] 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的巨大優(yōu)勢使得人們對其研究和技術(shù)投入越來越多，有關(guān)無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也越來越普遍，這要求進一步提高無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的性能來滿足日益紛繁 的應(yīng)用需求。另一方面，網(wǎng)絡(luò)傳輸消耗的能量越來越大，大量的能量由于路由分配的不合理 而浪費，能量危機的出現(xiàn)促使人們關(guān)心網(wǎng)絡(luò)節(jié)能問題，于是將可再生能源應(yīng)用于無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)供電，針對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的吞吐率優(yōu)化和能量優(yōu)化問題逐漸提上日程。太陽能供電的 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示。每一個路由節(jié)點都配備一個大型太陽能電池板，用于 接收太陽能并將其轉(zhuǎn)換為電能。由于可再生能源來源不穩(wěn)定，為了無線路由節(jié)點能夠穩(wěn)定 的得到電能供應(yīng)，還為每一個節(jié)點配備一個電池組。太陽能通過太陽能電池板轉(zhuǎn)化為電能， 然后電能經(jīng)過能量控制中心存儲到電池組中，最后被用來給接入點AP供電。太陽能電池板 始終通過能量控制中心與電池組相連接，而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點AP則通過能量控制中心與 電池組連接，但能量控制中心可斷開AP與電池組的連接，這樣AP將進入休眠狀態(tài)而無法工 作，電池組則可以補充可再生能源。
[0005] 然而，由于可再生能源的來源不穩(wěn)定，其路由調(diào)度和功率分配問題仍然制約著其 使用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供一種能量可再生無線Mesh網(wǎng) 絡(luò)綠色通信方法，即能量感知多徑路由算法，利用本發(fā)明可以大大減少路由、速率和功率聯(lián) 合控制的計算時間，避免網(wǎng)絡(luò)時延過大而使信息傳輸失敗等問題的發(fā)生，提高可再生能源 的利用率。
[0007] 本發(fā)明提供一種能量可再生無線Mesh網(wǎng)絡(luò)綠色通信方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1將網(wǎng)絡(luò)中的每條數(shù)據(jù)流劃分為由多條單位流組成，所述單位流的數(shù)據(jù)速率 大小固定，且不可進行分支；
[0009] 步驟2為網(wǎng)絡(luò)中的每一條鏈路構(gòu)造一個與能耗成正比，與電池電量水平成反比的 鏈路權(quán)值V 1:
[0010]
[0011] 其中，^表示鏈路1的速率；δ表示單位流的數(shù)據(jù)速率；σ2表示周圍環(huán)境的高斯 噪聲功率;WjP G冷別表示鏈路的帶寬和信道增益；P _表示節(jié)點的接受功率；T表示每一 時隙的長度；
表示節(jié)點的剩余能量水平；81表示節(jié)點i的剩余電池能量；M表 示節(jié)點的總數(shù)；s(l)和d(l)分別表示鏈路的起始端節(jié)點和終止端節(jié)點；
[0012] 步驟3每一時隙開始的時候，設(shè)定所有鏈路的數(shù)據(jù)速率都為0,然后計算各鏈路權(quán) 值，使用Dijkstra算法計算每一條數(shù)據(jù)流的最短路徑，并分配單位流；
[0013] 步驟4判斷所有的單位流是否分配完畢，是則流程結(jié)束，否則執(zhí)行步驟2。
[0014] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：
[0015] 本發(fā)明可以大大減少路由、速率和功率聯(lián)合控制的計算時間，避免網(wǎng)絡(luò)時延過大 而使信息傳輸失敗等問題的發(fā)生，且計算精度可控，算法復(fù)雜度較低，更適合于在實踐中廣 泛應(yīng)用。
【附圖說明】
[0016] 圖1為為現(xiàn)有技術(shù)中太陽能供電的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明能量可再生無線Mesh網(wǎng)絡(luò)綠色通信方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0019] 圖2所示為本發(fā)明能量可再生無線Mesh網(wǎng)絡(luò)綠色通信方法的流程圖，具體包括以 下步驟：
[0020] 步驟1將網(wǎng)絡(luò)中的每條數(shù)據(jù)流分成多條單位流，單位流的數(shù)量決定數(shù)據(jù)流的流速 率，單位流的傳輸路徑?jīng)Q定數(shù)據(jù)流的路由路徑。其中，單位流是一種抽象的數(shù)據(jù)流，其數(shù)據(jù) 速率大小固定，且不可進行分支，即所有的單位流都是單徑的，且具有相同的數(shù)據(jù)速率。在 本發(fā)明實施例中，把每一條數(shù)據(jù)流看做由多條單位流組成，數(shù)據(jù)流的流速率等于組成該數(shù) 據(jù)流的單位流的條數(shù)乘以單位流的數(shù)據(jù)速率，把數(shù)據(jù)流沿著不同路徑進行多徑傳輸看做組 成該數(shù)據(jù)流的不同單位流沿著相應(yīng)路徑進行傳輸。用δ表示單位流的數(shù)據(jù)速率，若數(shù)據(jù)流 f擁有N (f)條單位流，則數(shù)據(jù)流f的流速率為：
[0021]
[0022] 如此，對數(shù)據(jù)流的路由分配問題變成了對單位流的最短路徑分配問題，而單位流 是不可分支的，可以使用例如Di jkstra算法尋找最短路徑。對數(shù)據(jù)流的速率分配問題變成 了單位流經(jīng)過各鏈路的條數(shù)問題。確定了組成數(shù)據(jù)流的所有單位流的路徑，就確定了數(shù)據(jù) 流的路由和數(shù)據(jù)流在各條鏈路上的數(shù)據(jù)速率。
[0023] 步驟2為每條鏈路構(gòu)造權(quán)值。眾所周知，利用Dijkstra算法可以求出帶權(quán)有向圖 中從一點到另一點的最短路徑。因此，只要為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的每一條潛在鏈路構(gòu)造一個 權(quán)值，即可求出任意一條數(shù)據(jù)流從起點到終點的最短路徑。在本發(fā)明實施例中，考慮到聯(lián)合 調(diào)度的目標(biāo)，要求鏈路權(quán)值具有如下特性：
[0024] (1)鏈路的權(quán)值能反映數(shù)據(jù)在該鏈路上傳輸時的能耗情況；
[0025] (2)鏈路的權(quán)值應(yīng)與該鏈路對應(yīng)節(jié)點剩余能量成反比，即節(jié)點剩余能量越多，對應(yīng) 鏈路權(quán)值越小。
[0026] 以上兩條屬性反映了選擇路由的方式：優(yōu)先選擇消耗能量少且其剩余能量較多的 鏈路進行傳輸。根據(jù)以上權(quán)值屬性，鏈路的權(quán)值可以設(shè)計為：
[0027]
(2)
[0028] 其中，P1表示節(jié)點發(fā)射功率；P _表示節(jié)點的接受功率；T表示每一時隙的長度；
表示節(jié)點的剩余能量水平；81表示節(jié)點i的剩余電池能量；M表示AP節(jié)點的 總數(shù)；s(l)和d(l)分別表示鏈路的起始端節(jié)點和終止端節(jié)點。如此，公式（2)中分子表示 能量消耗量，分母表示節(jié)點剩余能量水平，因此權(quán)值Vl能夠反映數(shù)據(jù)在該鏈路上傳輸時的 能耗情況，同時鏈路1對應(yīng)節(jié)點的電池能量水平AJP A j也會對鏈路1的權(quán)值產(chǎn)生影響。用 這種權(quán)值求得的網(wǎng)絡(luò)中的一條最短路徑，就是兩個節(jié)點間的傳輸耗能較小且避開了電池能 量較少的節(jié)點的最優(yōu)路由。
[0029] 如公式（2)所示，為了獲得鏈路權(quán)值，需計算發(fā)射功率。由香農(nóng)公式變換得：
[0030]
(3)
[0031] 其中，r' ι=Γι+δ表示當(dāng)速率為ri的鏈路1再分配一個單位流后的預(yù)期鏈路速 率；S表示單位流的數(shù)據(jù)速率；〇2表示周圍環(huán)境的高斯噪聲功率;W G 別表示鏈路的 帶寬和信道增益。合并公式（2)和（3)得： LlN 丄U01ZU0U丄 A yJ^ rVJ 4/0 JM
[0032]
(4)
[0033] 使用公式（4)計算每一條鏈路的權(quán)值，表示鏈路成功分配一個單位流后的能耗與 電池能量水平的比值。
[0034] 步驟3分配單位流。有了鏈路權(quán)值后，就可以使用Di jkstra算法計算每一條數(shù)據(jù) 流的最短路徑了。
[0035] 每一時隙開始的時候，設(shè)定所有鏈路的數(shù)據(jù)速率都為0,根據(jù)公式（4)計算各鏈路 權(quán)值，然后求每條數(shù)據(jù)流的最短路徑。假如網(wǎng)絡(luò)中有s條數(shù)據(jù)流，求出的各條數(shù)據(jù)流的最短 路徑分別為（Path 1, Path2, ...，Pathf, ...，PathJ，接下來求各條數(shù)據(jù)流最短路徑的鏈路權(quán) 值之和，并找出其中最小的一個，假如Pathf的鏈路權(quán)值之和最小，則為路徑Path f分配一條 數(shù)據(jù)流f的單位流，數(shù)據(jù)流f擁有的單位流數(shù)量減1。最后，更新Pathf上所有鏈路的數(shù)據(jù) 速率，重新計算其鏈路權(quán)值。接下來進入下一次循環(huán)，每次循環(huán)分配一個單位流，直到所有 數(shù)據(jù)流的單位流分配完畢為止。
[0036] 分配完單位流后，統(tǒng)計歸納屬于同一條數(shù)據(jù)流的單位流，即可獲得該數(shù)據(jù)流的路 由和在各鏈路上的數(shù)據(jù)速率。由于屬于同一條數(shù)據(jù)流的單位流可能流經(jīng)不同的路徑，這條 數(shù)據(jù)流就表現(xiàn)為多徑，其在各鏈路上的速率大小由各鏈路上的單位流數(shù)量