專(zhuān)利名稱(chēng)：基于粒子群的無(wú)線Mesh網(wǎng)快速信道分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線Mesh組網(wǎng)通信和信道分配技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于無(wú)線Mesh網(wǎng)的快速信道分配方法。
背景技術(shù)：
無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network,簡(jiǎn)稱(chēng)WMN)作為新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，以其特有的優(yōu)勢(shì)，自組織、自適應(yīng)的組網(wǎng)方式，提供快捷、穩(wěn)定的通信帶寬，從而更好地滿足社會(huì)的需求。而對(duì)于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的信道分配(Channel Assignment)則是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，即對(duì)WMN中的單個(gè)節(jié)點(diǎn)上每個(gè)無(wú)線接口，分配合適的信道，以提高節(jié)點(diǎn)吞吐量，改善網(wǎng)絡(luò)整體性能，充分利用頻譜資源，使其無(wú)沖突的傳輸數(shù)據(jù)。在實(shí)際生活中，人們經(jīng)常會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題有多個(gè)解決方案的情況，如何在滿足約束條件下選擇一個(gè)最優(yōu)的方案，這就是最優(yōu)化問(wèn)題。經(jīng)典的優(yōu)化方法大多數(shù)是針對(duì)某些特定問(wèn)題的，對(duì)搜索空間的要求比較嚴(yán)格，求解問(wèn)題的依賴性較高，有的還需要被優(yōu)化問(wèn)題的導(dǎo)數(shù)信息。隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，優(yōu)化問(wèn)題也變得異常復(fù)雜，有的問(wèn)題根本無(wú)法用函數(shù)表達(dá)，對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，采用傳統(tǒng)方法，很難獲得滿意的結(jié)果。因此需要進(jìn)一步的研究和探索新的優(yōu)化思想和優(yōu)化方法。國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局2012-2-15公布的CN102355670A，名稱(chēng):一種多信道無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配方法，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)干擾較大、網(wǎng)絡(luò)性能較差的不足，提出一種混合信道分配方法，以充分利用IEEE提供的多個(gè)非重疊信道，降低節(jié)點(diǎn)之間的干擾，提高吞吐量等網(wǎng)絡(luò)性能。通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)干擾度，將節(jié)點(diǎn)的通信世界分為廣播時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)隙，建立一個(gè)通訊周期，分別發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。最終較好地解決了動(dòng)態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)連接性和干擾之間的平衡問(wèn)題，降低了干擾度，改善了吞吐量、時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能。國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局2012-12-12公布的CN102821394A，名稱(chēng):無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中的信道分配方法及裝置，出于提高無(wú)線信道資源利用率，減少網(wǎng)絡(luò)干擾，提高網(wǎng)絡(luò)容量，平衡信道分配的公平性的目的，提出了一種通過(guò)對(duì)劃分的mesh小區(qū)預(yù)分配信道集合，在一定的時(shí)隙周期，采用時(shí)隙信道分配方法，將信道集合中的信道分配mesh小區(qū)的相關(guān)鏈路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上述目的?！段㈦娮訉W(xué)與計(jì)算機(jī)》于2011-1刊印了名稱(chēng)“基于自適應(yīng)粒子群算法的目標(biāo)定位方法研究”，作者:姚金杰、韓焱。介紹了一種在迭代過(guò)程中指數(shù)更新慣性權(quán)重，擇優(yōu)選擇粒子，并根據(jù)種群適應(yīng)度方差值自適應(yīng)地調(diào)整變異概率的大小，增強(qiáng)算法跳出局部最優(yōu)的能力。仿真結(jié)果表明該方法能有效地提高目標(biāo)的定位精度，在隨即噪聲干擾下，仍能保持較高的定位精度。但上述文獻(xiàn)對(duì)于如何盡快地投入合適的信道，進(jìn)而最優(yōu)化地實(shí)現(xiàn)鏈接則沒(méi)有提出較理想的解決方案
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種面對(duì)復(fù)雜干擾環(huán)境下，更快、更優(yōu)化的基于粒子群優(yōu)化的無(wú)線Mesh網(wǎng)的信道分配方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:按以下步驟進(jìn)行，I)、初始化各個(gè)參數(shù)；設(shè)信道數(shù)是K，粒子群數(shù)為N，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇镚，所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰的鄰域拓?fù)湓跊_突域?yàn)橐惶鴷r(shí)為Ge，所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰有E條邊，設(shè)定最大迭代次數(shù)閾值；根據(jù)前述設(shè)定條件，粒子群初始化為EXN的矩陣，而每個(gè)粒子根據(jù)信道數(shù)的范圍初始化為EXl的矩陣；隨機(jī)產(chǎn)生的矩陣即為初始化的隨機(jī)信道分配方式，在地址空間中隨機(jī)選擇一個(gè)坐標(biāo)為粒子群的初始位置；2)、速度和位置的更新；采用迭代算法進(jìn)行粒子群速度和位置的更新；當(dāng)目前給出的信道不滿足沖突度最小的話，就要對(duì)粒子群根據(jù)迭代方法進(jìn)行速度和位置的更新；用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行信道分配的目的是找到合適的信道，所為合適就是首先確保信道無(wú)沖突，其次還要使信道的利用率提高；3)、判斷迭代次數(shù)是否超過(guò)閾值，是，則轉(zhuǎn)步驟6 ;否則，進(jìn)行沖突域的判斷，就要看它是否滿足特定范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)所分配信道互相不沖突的約束條件，粒子群相互學(xué)習(xí)后確定更新方向和速度，進(jìn)行粒子群位置更新；粒子的新位置變換后，判斷所述粒子是否滿足約束條件；所述約束條件為觀測(cè)信道是否發(fā)生沖突，防止產(chǎn)生同道干擾和鄰道干擾，主要通過(guò)所述沖突鄰域矩陣Ge來(lái)判斷，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)信道為0，同時(shí)定義一個(gè)沖突度數(shù)；采用沖突度數(shù)作為選擇最佳信道分配方式的依據(jù)；4)、更新比較判斷；每個(gè)粒子判斷自己是否達(dá)到最佳速度和位置，判斷是否滿足條件，若不滿足，記錄當(dāng)前的空間位置，迭代次數(shù)加1，轉(zhuǎn)步驟3 ;若滿足，繼續(xù)；5)、找到滿足條件的信道分配方案，完畢；6 )、未找到滿足條件的信道分配方案，結(jié)束。步驟3)中沖突的判斷采用一 flag矩陣,所述flag矩陣為當(dāng)每發(fā)生一次沖突,對(duì)應(yīng)的沖突度數(shù)就加十；經(jīng)過(guò)若干次迭代之后，最終選擇沖突度為0的信道分配方式進(jìn)行分配，即可達(dá)到優(yōu)化的目的。本發(fā)明沖突域的構(gòu)建主要參考無(wú)線電波信道之間的干擾情況。通過(guò)追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)值來(lái)尋找全局最優(yōu)，在有效的迭代次數(shù)內(nèi)可以很快的找到合適的信道。本發(fā)明的有益效果是:一、在經(jīng)典的信道分配算法上研究了一種基于粒子群優(yōu)化的無(wú)線Mesh網(wǎng)的信道分配方法，并對(duì)其迭代次數(shù)和粒子群的數(shù)目進(jìn)行了分析。粒子群優(yōu)化算法(PSO)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的進(jìn)化算法，大大降低了計(jì)算復(fù)雜度。在信道分配方面收斂速度是最快的，無(wú)沖突，動(dòng)態(tài)的指導(dǎo)信道的分配，且在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)增大粒子群的數(shù)目，可以減少粒子群的迭代次數(shù)，使鏈路較快的得到合適的信道。二、通過(guò)追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)值來(lái)尋找全局最優(yōu)，在有效的的迭代次數(shù)內(nèi)可以很快的找到合適的信道。另外粒子群優(yōu)化算法的參數(shù)較少，參數(shù)的調(diào)整和設(shè)置較為方便，易于實(shí)施。


圖1為本發(fā)明所使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟唬粓D2為本發(fā)明中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟凰鶎?duì)應(yīng)的鄰域拓?fù)鋱D(各個(gè)鏈路之間的沖突關(guān)系)；圖3為本發(fā)明所使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠D4為本發(fā)明中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠鶎?duì)應(yīng)的鄰域拓?fù)鋱D(各個(gè)鏈路之間的沖突關(guān)系)；圖5為本發(fā)明所使用的基于粒子群優(yōu)化的無(wú)線Mesh的信道分配方法的流程圖。圖中a e為各節(jié)點(diǎn)，I 7為邊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。粒子群優(yōu)化算法主要是通過(guò)迭代來(lái)找到信道分配問(wèn)題的最優(yōu)解，因此基于粒子群優(yōu)化的無(wú)線Mesh網(wǎng)信道分配方法也是根據(jù)粒子群優(yōu)化算法的步驟通過(guò)一步一步找到各個(gè)鏈路上最合適的信道。粒子群算法它是通過(guò)各個(gè)粒子的迭代來(lái)找到的，同樣在信道分配時(shí)，也是通過(guò)粒子來(lái)找到合適的信道?；诹Ｗ尤旱臒o(wú)線Mesh網(wǎng)快速信道分配方法，按以下步驟進(jìn)行:步驟1:初始化各個(gè)參數(shù)；信道數(shù)是K，粒子群數(shù)為N，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇镚，它的鄰域拓?fù)?沖突域?yàn)橐惶?為Ge，G有E條邊，設(shè)定最大迭代次數(shù)閾值。根據(jù)上面的假設(shè)條件，粒子群初始化就為E*N的矩陣,而每個(gè)粒子根據(jù)信道數(shù)的范圍初始化為E*1的矩陣；這里產(chǎn)生的矩陣即為初始化的隨機(jī)信道分配方式，在地址空間中隨機(jī)選擇一個(gè)坐標(biāo)為粒子群的初始位置；步驟2:迭代開(kāi)始(速度和位置的更新);本發(fā)明采用迭代算法進(jìn)行粒子群速度和位置的更新。即就是若目前給出的信道不滿足沖突度最小的話，就要對(duì)粒子群(信道分配給出的方法)根據(jù)迭代方法進(jìn)行速度和位置的更新。需要注意的是:用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行信道分配的目的是找到合適的信道，所為合適就是首先確保信道無(wú)沖突，其次還要使信道的利用率提聞;速度更新要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行選擇，粒子要朝著比較適合信道的方向去選擇，比如當(dāng)此時(shí)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的鏈路發(fā)生了沖突時(shí)，即信道為0時(shí)，這時(shí)速度只能為O、I或2，當(dāng)信道為I時(shí)這時(shí)我們就可以為_(kāi)1、0、1或2 了，以此類(lèi)推。速度的最大范圍在[-2，2]中，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定。步驟3:判斷迭代次數(shù)是否超過(guò)閾值，是，則轉(zhuǎn)步驟6 ;否則，進(jìn)行沖突域的判斷；就要看它是否滿足特定范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)所分配信道互相不沖突的約束條件，粒子群相互學(xué)習(xí)后確定更新方向和速度，進(jìn)行粒子群位置更新。在這里所謂的約束條件主要就是看信道是否會(huì)發(fā)生沖突，防止它產(chǎn)生同道干擾和鄰道干擾，主要通過(guò)此前說(shuō)過(guò)的沖突鄰域矩陣c來(lái)判斷，當(dāng)它發(fā)生沖突時(shí)不僅此時(shí)的信道為0，而且此時(shí)可以同時(shí)定義一個(gè)沖突度數(shù)。本發(fā)明中采用的是一個(gè)名為flag的矩陣，當(dāng)每發(fā)生一次沖突，它對(duì)應(yīng)的沖突度數(shù)就加十。定義這樣一個(gè)沖突度數(shù)的作用，是為后面判斷最合適的信道數(shù)做一選擇，最終選擇沖突度為0的信道分配方式作為最優(yōu)選擇。步驟4:更新比較判斷。每個(gè)粒子判斷自己是否達(dá)到最佳速度和位置，判斷是否滿足條件，若滿足轉(zhuǎn)步驟5 ;若不滿足，記錄當(dāng)前的空間位置，迭代次數(shù)加1，轉(zhuǎn)步驟3。步驟5:找到滿足條件的信道分配方案，完畢。步驟6:未找到滿足條件的信道分配方案，結(jié)束。本發(fā)明所采用的基于粒子群優(yōu)化的無(wú)線Mesh的信道分配方法流程圖如圖5所示。下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明:
本發(fā)明中采用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，拓?fù)湟坏木W(wǎng)絡(luò)矩陣為G1，鄰域矩陣拓?fù)銰cl如圖1、2所示。拓?fù)涠木W(wǎng)絡(luò)矩陣為G2，鄰域矩陣為Gc2，拓?fù)鋱D如圖3、4所示。拓?fù)湟挥镁仃嚤聿粸?G1=
Gcl=
拓?fù)涠镁仃嚤硎緸?G2=
Gc2=
就這樣通過(guò)粒子群的迭代再加上信道分配的約束條件，最終總會(huì)在有限的迭代次數(shù)內(nèi)找到合適的信道。由于初始化的過(guò)程是隨機(jī)的，同時(shí)在速度的更新中它也是在一定的范圍內(nèi)隨機(jī)的選擇，因此它的結(jié)果也是隨機(jī)的。下面就信道某次分配的結(jié)果做一分析:I)單個(gè)結(jié)果的分析此次采用粒子群數(shù)目為10，拓?fù)?，拓?fù)?的信道數(shù)均假設(shè)為5，最大迭代次數(shù)為100。具體實(shí)施過(guò)程如下:步驟1:初始化各個(gè)參數(shù)；此時(shí)信道數(shù)是K=5，粒子群數(shù)為N=10，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇镚，由5個(gè)通信結(jié)點(diǎn)組成，它的鄰域拓?fù)?沖突域?yàn)橐惶?為Ge，G有E條邊，其中E=7。根據(jù)上面的假設(shè)條件，粒子群初始化就為7*5的矩陣，而每個(gè)粒子根據(jù)信道數(shù)的范圍初始化為7*1的矩陣，在地址空間中隨機(jī)選擇一個(gè)坐標(biāo)為粒子群的初始位置；步驟2:迭代開(kāi)始(速度和位置的更新);本發(fā)明采用迭代算法進(jìn)行粒子群速度和位置的更新。步驟3:判斷迭代次數(shù)是否超過(guò)閾值，是，則轉(zhuǎn)步驟6 ;否則，進(jìn)行沖突域的判斷，就要看它是否滿足特定范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)所分配信道互相不沖突的約束條件，粒子群相互學(xué)習(xí)后確定更新方向和速度，進(jìn)行粒子群位置更新。步驟4:更新比較判斷。每個(gè)粒子判斷自己是否達(dá)到最佳速度和位置，判斷是否滿足條件，若滿足轉(zhuǎn)步驟5 ;若不滿足，記錄當(dāng)前的空間位置，迭代次數(shù)加1，轉(zhuǎn)步驟3。步驟5:找到滿足條件的信道分配方案，完畢。步驟6:未找到滿足條件的信道分配方案，結(jié)束。下面就算法的結(jié)果做一簡(jiǎn)要的分析。拓?fù)湟坏乃惴ńY(jié)果如下:表I拓?fù)湟恍诺婪峙浣Y(jié)果
權(quán)利要求
1.基于粒子群的無(wú)線Mesh網(wǎng)快速信道分配方法，其特征在于，按以下步驟進(jìn)行， 1)、初始化各個(gè)參數(shù)；設(shè)信道數(shù)是K，粒子群數(shù)為N，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇镚，所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰的鄰域拓?fù)湓跊_突域?yàn)橐惶鴷r(shí)為Ge，所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰有E條邊，設(shè)定最大迭代次數(shù)閾值；根據(jù)前述設(shè)定條件，粒子群初始化為EXN的矩陣，而每個(gè)粒子根據(jù)信道數(shù)的范圍初始化為EX I的矩陣；隨機(jī)產(chǎn)生的矩陣即為初始化的隨機(jī)信道分配方式，在地址空間中隨機(jī)選擇一個(gè)坐標(biāo)為粒子群的初始位置； 2)、速度和位置的更新；采用迭代算法進(jìn)行粒子群速度和位置的更新；當(dāng)目前給出的信道不滿足沖突度最小的話，就要對(duì)粒子群根據(jù)迭代方法進(jìn)行速度和位置的更新；用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行信道分配的目的是找到合適的信道，所為合適就是首先確保信道無(wú)沖突，其次還要使信道的利用率提高； 3)、判斷迭代次數(shù)是否超過(guò)閾值，是，則轉(zhuǎn)步驟6;否則，進(jìn)行沖突域的判斷，就要看它是否滿足特定范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)所分配信道互相不沖突的約束條件，粒子群相互學(xué)習(xí)后確定更新方向和速度，進(jìn)行粒子群位置更新；粒子的新位置變換后，判斷所述粒子是否滿足約束條件；所述約束條件為觀測(cè)信道是否發(fā)生沖突，防止產(chǎn)生同道干擾和鄰道干擾，主要通過(guò)所述沖突鄰域矩陣Ge來(lái)判斷，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)信道為O，同時(shí)定義一個(gè)沖突度數(shù)；采用沖突度數(shù)作為選擇最佳信道分配方式的依據(jù)； 4)、更新比較判斷；每個(gè)粒子判斷自己是否達(dá)到最佳速度和位置，判斷是否滿足條件，若不滿足，記錄當(dāng)前的空間位置，迭代次數(shù)加1，轉(zhuǎn)步驟3 ;若滿足，繼續(xù)； 5)、找到滿足條件的信道分配方案，完畢； 6)、未找到滿足條件的信道分配方案，結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于粒子群的無(wú)線Mesh網(wǎng)快速信道分配方法，其特征在于，步驟3)中沖突的判斷采用一 flag矩陣，所述flag矩陣為當(dāng)每發(fā)生一次沖突，對(duì)應(yīng)的沖突度數(shù)就加十；經(jīng)過(guò)若干次迭代之后，最終選擇沖突度為O的信道分配方式進(jìn)行分配，即可達(dá)到優(yōu)化的目的。
全文摘要
基于粒子群的無(wú)線Mesh網(wǎng)快速信道分配方法。屬于無(wú)線Mesh組網(wǎng)通信和信道分配技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種面對(duì)復(fù)雜干擾環(huán)境下，更快、更優(yōu)化的基于粒子群優(yōu)化的無(wú)線Mesh網(wǎng)的信道分配方法。按以下步驟進(jìn)行，1)、初始化各個(gè)參數(shù)；2)、速度和位置的更新；3)、判斷迭代次數(shù)是否超過(guò)閾值；4)、更新比較判斷；5)、找到滿足條件的信道分配方案，完畢；6)、未找到滿足條件的信道分配方案，結(jié)束。本發(fā)明的有益效果是一、可以減少粒子群的迭代次數(shù)，使鏈路較快的得到合適的信道。二、通過(guò)追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)值來(lái)尋找全局最優(yōu)，在有效的迭代次數(shù)內(nèi)可以很快的找到合適的信道。
文檔編號(hào)H04W72/04GK103108397SQ20131007513
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者周平, 趙太飛, 張愛(ài)利, 曹沅, 胡生瑋, 梁翠萍, 李瓊 申請(qǐng)人:揚(yáng)州萬(wàn)方電子技術(shù)有限責(zé)任公司