一種多目標(biāo)關(guān)注的無(wú)線Mesh路由器部署優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種多目標(biāo)關(guān)注的無(wú)線Mesh路由器部署優(yōu)化方法，即在制造物聯(lián)環(huán)境中部署Mesh路由器，除要考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬需求外，還需要考實(shí)現(xiàn)更健壯的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、更少的傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗、Mesh路由器的負(fù)載均衡等特殊需要，而這導(dǎo)致Mesh路由器的部署成為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，本發(fā)明的制作物聯(lián)網(wǎng)中多目標(biāo)關(guān)注的無(wú)線Mesh路由器部署優(yōu)化方法在保障接入節(jié)點(diǎn)覆蓋與網(wǎng)絡(luò)整體連通性的前提下，以盡可能小的部署成本，在網(wǎng)絡(luò)傳輸吞吐量、傳感器能耗以及Mesh路由器負(fù)載均衡方面達(dá)到盡可能好的性能，進(jìn)而提供盡可能好的網(wǎng)絡(luò)性能，并提出了相應(yīng)的無(wú)線Mesh路由器部署多目標(biāo)優(yōu)化模型與尋優(yōu)求解算法。
【專利說(shuō)明】一種多目標(biāo)關(guān)注的無(wú)線Mesh路由器部署優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及制造物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種制造物聯(lián)網(wǎng)中多目標(biāo)關(guān)注的無(wú) 線Mesh路由器部署優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 制造物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中大規(guī)模分布著各類無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)，而如何對(duì)大規(guī)模分布式無(wú)線 感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效組織，構(gòu)建高性能的制造物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能， 是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快捷、低能耗的感知數(shù)據(jù)獲取的重要基礎(chǔ)?？紤]傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)解決方案和基 于無(wú)線AP(ACCeSS Point)的網(wǎng)絡(luò)解決方案由于受到諸如車間場(chǎng)地限制、制造資源移動(dòng)性強(qiáng) 和通訊盲點(diǎn)等問(wèn)題，并不適用于在復(fù)雜車間環(huán)境中動(dòng)態(tài)制造信息的傳輸，為此，可構(gòu)建具備 垂直分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制造物聯(lián)傳輸網(wǎng)絡(luò)。骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)由高性能無(wú)線Mesh路由器構(gòu)建的 高速多跳傳輸網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。下層為cluster層，Mesh路由器負(fù)責(zé)本地cluster范圍內(nèi)無(wú) 線節(jié)點(diǎn)的管理以及上下行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。
[0003] 為構(gòu)建該分層網(wǎng)絡(luò)，需解決的基本問(wèn)題即是：給定下層接入節(jié)點(diǎn)集合及其地理位 置，如何在合適位置部署無(wú)線Mesh路由器，以盡可能低的部署成本保障接入節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)覆 蓋與網(wǎng)絡(luò)整體連通性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力、能耗、實(shí)時(shí)性、吞吐量、可靠性 等各個(gè)方面的性能?，F(xiàn)有針對(duì)該問(wèn)題的相關(guān)技術(shù)成果較少，論文"無(wú)線Mesh網(wǎng)中費(fèi)用最 小且QoS約束的網(wǎng)關(guān)部署算法研究"公開(kāi)了一種滿足QoS約束且費(fèi)用最小的無(wú)線Mesh網(wǎng) 網(wǎng)關(guān)優(yōu)化部署方法，把該問(wèn)題歸結(jié)為圖的最小權(quán)有限支配集的問(wèn)題進(jìn)行求解。論文"無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò)中滿足帶寬需求的路由器部署方法"公開(kāi)了一種基于網(wǎng)絡(luò)流的MR部署貪心算法 NF Greedy，該算法以迭代的方式從MR候選位置集中選擇權(quán)重最大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)點(diǎn) 部署。
[0004] 盡管上述研究成果提出了不同的部署優(yōu)化目標(biāo)，但其優(yōu)化目標(biāo)還比較片面，不能 涵蓋制造物聯(lián)網(wǎng)中Mesh路由器部署所需考慮的優(yōu)化目標(biāo)。事實(shí)上，在制造物聯(lián)環(huán)境中部署 Mesh路由器時(shí)，除要考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬需求外，還需要考慮實(shí)現(xiàn)更健壯的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、更少的傳感 器節(jié)點(diǎn)能量消耗、Mesh路由器的負(fù)載均衡等特殊需要，而這導(dǎo)致Mesh路由器的部署成為一 個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種制作物聯(lián)網(wǎng)中多目標(biāo)關(guān)注的無(wú)線 Mesh路由器部署優(yōu)化方法，在保障接入節(jié)點(diǎn)覆蓋與網(wǎng)絡(luò)整體連通性的前提下，以盡可能小 的部署成本，在網(wǎng)絡(luò)傳輸吞吐量、傳感器能耗以及Mesh路由器負(fù)載均衡方面達(dá)到盡可能好 的性能。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] 根據(jù)圖1所描述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先做如下定義：
[0008] 定義S= 表示可部署Mesh路由器的位置（CL)集合，T= {l，...，n}表 示制造物聯(lián)網(wǎng)中分布的無(wú)線終端（T)集合。無(wú)線路由器部署在位置CLj的成本為Cj，在該位 置部署無(wú)線Mesh網(wǎng)關(guān)的額外成本為Pj，則在位置CLj部署無(wú)線Mesh網(wǎng)關(guān)的總成本為 Cj+Pj. [0009] 定義Cli為終端Ti產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量，Un為位置Ch與CL1之間無(wú)線鏈路的流量容量 (如果兩部署位置之間能通過(guò)一條無(wú)線鏈路雙向連通）。如位置CLj部署有路由器，假定其 無(wú)線接口訪問(wèn)容量為Vj. M代表無(wú)線Mesh網(wǎng)關(guān)能承載的上限流量。定義aij = 1表示無(wú)線 終端Ti與位置CLj之間可通過(guò)一條無(wú)線鏈路雙向連通；I3jl代表位置集合中各個(gè)候選部署位 置的無(wú)線連接參數(shù)，若位置CLj與CL1可通過(guò)一條無(wú)線鏈路雙向連通，則I3jl = I ;〇ik代表各 個(gè)無(wú)線終端間的連接參數(shù)，若〇ik = 1，則表示無(wú)線終端Ti與Tk間可通過(guò)一條無(wú)線鏈路雙向 連通。
[0010] 考慮部分無(wú)線終端需通過(guò)多跳連接到Mesh路由器或網(wǎng)關(guān)，假定其J^pathij為終端 Ti與部署于位置CLj的Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)之間的最短路徑（假如存在，最短路徑需不包含 任何其他Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)），則定義Lij = hop ^pathij)，否則Lij = 0。若相鄰Mesh路 由器/網(wǎng)關(guān)部署位置分別為CLj, CL1，則從CLj到CL1數(shù)據(jù)流量表示為fp Fj表示由部署在 位置CLj的Mesh網(wǎng)關(guān)到互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量。
[0011] 基于以上參數(shù)定義，那么求解Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)部署問(wèn)題，即為求解以下決策變 量：1)分簇決策變量Xij，當(dāng)無(wú)線終端凡被分配到位置CLj時(shí)，Xij= 1，否則為0;2)Mesh路 由器/網(wǎng)關(guān)部署決策變量當(dāng)位置CLj部署有一個(gè)Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)，rj = 1，否則為0 ; 3)Mesh網(wǎng)關(guān)部署決策變量e」，當(dāng)位置CLj部署有一個(gè)Mesh網(wǎng)關(guān)時(shí)，e」=1，否則為0 ;4)無(wú) 線Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)連接決策變量yjl，當(dāng)位置CL』、CL1部署有Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)，且h =1時(shí)，則Yj1 = 1，否則為〇。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)部署的原則：保障接入節(jié)點(diǎn)覆蓋與網(wǎng)絡(luò)整體連通性 的前提下，以盡可能小的部署成本，在網(wǎng)絡(luò)傳輸吞吐量、傳感器能耗以及Mesh路由器負(fù)載 均衡方面達(dá)到盡可能好的性能。建立各項(xiàng)優(yōu)化目標(biāo)數(shù)學(xué)描述模型：
[0013] 1)部署成本模型

【權(quán)利要求】
1. 一種多目標(biāo)關(guān)注的無(wú)線Mesh路由器部署優(yōu)化方法，其部署原則是：保障接入節(jié)點(diǎn)覆 蓋與網(wǎng)絡(luò)整體連通性的前提下，以小的部署成本，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋健壯性、網(wǎng)絡(luò)傳輸吞吐量、傳 感器能耗以及Mesh路由器負(fù)載均衡方面達(dá)到好的性能；其特征在于， 令網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可部署Mesh路由器位置CL的集合為S = {1，...，m}，制造物聯(lián)網(wǎng)中分布的無(wú) 線終端T的集合為T(mén) = {1，...，η}，無(wú)線路由器部署在位置CLj的成本為Cj，在該位置部署 無(wú)線Mesh網(wǎng)關(guān)的額外成本為P j，則在位置CLj部署無(wú)線Mesh網(wǎng)關(guān)的總成本為Cj+Pj ; 無(wú)線終端Ti產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量為屯，當(dāng)位置CLj與CL1之間能通過(guò)一條無(wú)線鏈路雙向連 通，則兩部署位置之間無(wú)線鏈路的流量容量為Ujl，位置CLj部署有路由器，其無(wú)線接口訪問(wèn) 容量為 Vj，M代表無(wú)線Mesh網(wǎng)關(guān)能承載的上限流量；au = 1表示無(wú)線終端Ti與位置CLj之 間通過(guò)一條無(wú)線鏈路雙向連通；I3jl代表位置集合中各個(gè)候選部署位置的無(wú)線連接參數(shù)，當(dāng) 位置Ch與CL 1間能夠通過(guò)一條無(wú)線鏈路雙向連通，則h = I ;〇ik代表各個(gè)無(wú)線終端間的 連接參數(shù)，若〇ik = 1，則表示無(wú)線終端Ti與Tk間能夠通過(guò)一條無(wú)線鏈路雙向連通； 考慮部分無(wú)線終端需通過(guò)多跳連接到Mesh路由器或網(wǎng)關(guān)，無(wú)線終端Ti與部署于位置 CLj的Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)之間的最短路徑為s+pathij，當(dāng)存在最短路徑，貝U定義Lij = hop (s_ Pathij)，否則Lij = 0 ;若相鄰Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)部署位置分別為CLj, CL1，則從CLj到CLi 數(shù)據(jù)流量表示為fp Fj表示由部署在位置CLj的Mesh網(wǎng)關(guān)到互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量； 基于以上參數(shù)定義，那么求解Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)部署問(wèn)題，即為求解以下決策變量：1) 分簇決策變量Xij，當(dāng)無(wú)線終端Ti被分配到位置CLj時(shí)，Xij = 1，否則為0 ;2)Mesh路由器/ 網(wǎng)關(guān)部署決策變量當(dāng)位置CLj部署有一個(gè)Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)，rj = 1，否則為0 ;3)Mesh 網(wǎng)關(guān)部署決策變量ej，當(dāng)位置CLj部署有一個(gè)Mesh網(wǎng)關(guān)時(shí)，ej = 1，否則為0;4)無(wú)線Mesh 路由器/網(wǎng)關(guān)連接決策變量yjl，當(dāng)位置CL』、CL1部署有Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)，且I 3jl = 1時(shí)， 則5^ = 1，否則為〇; 建立各項(xiàng)優(yōu)化目標(biāo)數(shù)學(xué)描述模型為： 1) 部署成本模型
fsj+fji ^ιιβ)\β W./eS, Fj < Mej V/ e S, )>,, <r,, VjS < η, V0 <b}, Y/./e S, Xii^r^ Vi^ei € Uhl} Vi€ € f5 2) 網(wǎng)絡(luò)覆蓋健壯性模型 f2 (x) = subject to :
^表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)能連上至少一個(gè)以上MR/MG ; W e Kri = 1，表示每個(gè)MR/MG能連上至少一個(gè)以上MR/MG ; 3) 網(wǎng)絡(luò)傳輸吞吐量模型
4) 傳感器能耗模型
5. Mesh路由器/網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡模型
結(jié)合上述模型，將Mesh路由器部署問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)多目標(biāo)尋優(yōu)的求解問(wèn)題： f (X) = F (minf J (x), maxf2 (x), maxf3 (x), Iiiinf4 (x), maxf5 (x)) 將max函數(shù)可以轉(zhuǎn)化為min函數(shù)，用加權(quán)法求得綜合尋優(yōu)函數(shù)為：
其中Wi為相應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)值，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解，尋找最優(yōu)近似 解，再進(jìn)行無(wú)線Mesh路由器的部署。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多目標(biāo)關(guān)注的無(wú)線Mesh路由器部署優(yōu)化方法，其特征在于， 在部署無(wú)線Mesh路由器前，先獲取車間場(chǎng)景與傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)際部署位置數(shù)據(jù)，建立傳感器 節(jié)點(diǎn)地理位置分布圖；根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)通信范圍計(jì)算得到傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線鏈路連接參數(shù) 〇 ik，進(jìn)而構(gòu)建其拓?fù)溥B接圖；將車間按平面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格對(duì)角長(zhǎng)度為Mesh路由 器通信距離，Mesh路由器候選部署位置為每個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)，得到候選部署位置無(wú)線鏈路連 接參數(shù);根據(jù)候選部署位置以及傳感器節(jié)點(diǎn)位置，結(jié)合Mesh路由器與傳感節(jié)點(diǎn)通信范 圍，計(jì)算a ijt)
【文檔編號(hào)】H04W16/18GK104394537SQ201410767428
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】王濤, 程良倫 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)