本發(fā)明涉及通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別是涉及排隊論，以及優(yōu)化理論。

背景技術(shù)：

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的概念最早源于光纖網(wǎng)的網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。2002年Mesh網(wǎng)絡(luò)開始廣泛地應用于無線接入網(wǎng)。Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之所以能嶄露頭角，很大程度上應歸功于Intel公司對其技術(shù)應用上的推動，以及MeshNetwork、Tropos等公司的相關(guān)產(chǎn)品的推出。傳統(tǒng)的無線終端通常通過WLAN技術(shù)接入AP來訪問因特網(wǎng)。這種接入方式具有集中性的特點，其不足之處在于覆蓋范圍小，部署位置相對固定，擴展不便，組合方式不夠靈活，特別是在“最后一公里”的接入問題上。而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，是由無線通信節(jié)點構(gòu)成的，具有能自我組織、自我配置的特點。

構(gòu)成WMN的無線通信節(jié)點既包括主機節(jié)點，也包括能動態(tài)建立網(wǎng)絡(luò)并維護其連通的路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。由于自身的自組織和自維護的特性，WMN與傳統(tǒng)組網(wǎng)方式相比，在網(wǎng)絡(luò)配置方面更加方便靈活，且更易于維護，在成本上具有較好的優(yōu)勢。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)可以看做是互聯(lián)網(wǎng)的“無線版本”。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是由Mesh路由器、Mesh終端及網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成的多跳無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。Mesh路由器是構(gòu)成無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的主網(wǎng)絡(luò)，它是具有路由功能的Mesh站點，主要功能是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和終端的接入，Mesh路由器通常配置多個無線接口以加強Mesh網(wǎng)絡(luò)的靈活性，不同類型的接口用于兼容不同類型的網(wǎng)絡(luò)。Mesh終端是用戶直接使用的設(shè)備，通過Mesh路由器接入Internet或訪問其他終端，必要時Mesh終端也可以被設(shè)計成具備路由及信息轉(zhuǎn)發(fā)功能的類型，能夠承擔路由器的作用，但Mesh終端通常不具有網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋功能。網(wǎng)關(guān)節(jié)點是指WMN與其他類型網(wǎng)絡(luò)間的連接點，提供路由器和網(wǎng)關(guān)功能，在一個無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中可存在多個網(wǎng)關(guān)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型一般為基礎(chǔ)(骨干)網(wǎng)接入式、終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)三類,其中混合無線mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

路由協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵問題直接影響到無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以繼承傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)部分的協(xié)議但又不能完全適用，因此需要針對Mesh網(wǎng)絡(luò)的特殊性設(shè)計獨特又合適的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議傳統(tǒng)的分類主要分為4大類：一種是先驗式路由協(xié)議，即節(jié)點平時維護一個路由表，當網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時便直接使用；另一種是反應式路由協(xié)議，即當網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時才開始準備路由的建立；最后兩種是混合路由協(xié)議和機會路由協(xié)議。然而由于無線路由協(xié)議發(fā)展迅速，改進型的路由協(xié)議和路徑優(yōu)化策略也越來越多。

因此，為提升無線mesh網(wǎng)絡(luò)的傳輸效能，有必要設(shè)計一種高效的路徑優(yōu)化方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：通過建立業(yè)務(wù)匯聚節(jié)點與傳輸節(jié)點間的距離優(yōu)化模型和設(shè)置最小信號干擾最小的信標發(fā)送策略，實現(xiàn)無線mesh網(wǎng)絡(luò)的路徑優(yōu)化規(guī)劃。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟，如圖2所示：

A、建立業(yè)務(wù)匯聚節(jié)點與傳輸節(jié)點間的距離優(yōu)化模型；

B、設(shè)置最小信號干擾最小的信標發(fā)送策略，最小信號干擾的信標發(fā)送策略由節(jié)點端策略和網(wǎng)關(guān)端策略兩部分組成。

所述步驟A中，優(yōu)化模型具體為：

$min\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=\mathrm{\γ}+1}{\overset{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{ij}\·{\mathrm{\μ}}_{ij}^2$

$s.t.\underset{i=\mathrm{\γ}+1}{\overset{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{ij}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{\γ}-j+1}-1,\∀j\∈\[1,\mathrm{...},\mathrm{\γ}-1\],$

$\underset{i=\mathrm{\γ}+1}{\overset{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{ij}\≤{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\γ}},$

$\underset{j=1}{\overset{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{ij}=1,\∀i\∈\[\mathrm{\γ}+1,\mathrm{...},\mathrm{\κ}\]$

其中φ_ij為節(jié)點M_i與節(jié)點M_j之間的信息量，μ_ij為節(jié)點M_i與節(jié)點M_j之間的距離，γ為簇總數(shù)，η_i為簇i所能支持的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上限，N_sen為網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點數(shù)目，E_RX為接收端能量，為發(fā)送端能量，D為網(wǎng)絡(luò)中的簇間平均距離，κ為網(wǎng)絡(luò)中的鏈路數(shù)。

所述步驟A中，獲得能量消耗模型

所述步驟B中，節(jié)點端策略為：a.進行系統(tǒng)初始化處理，并獲取臨近節(jié)點的epoch信息，然后進行系統(tǒng)時鐘同步處理；b.判斷epoch信息是否為0，若是則轉(zhuǎn)至子步驟g，反之則轉(zhuǎn)至子步驟c；c.判斷T mod T_o＝0是否成立，若是則轉(zhuǎn)至子步驟g，反之則轉(zhuǎn)至子步驟d；d選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點用于讀取W(x)；e.判斷是否使用網(wǎng)關(guān)宣布錯誤分支，若是則轉(zhuǎn)至子步驟f，反之則轉(zhuǎn)至子步驟b；f.使epoch為0；g.計算w(x)＝BW(x)，并廣播w(x)；h.結(jié)束，其中epoch為在節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間基于廣度優(yōu)先搜索算法的路由選擇機制的搜索時間上限，T為當前時間戳，T_o為期望時間戳，B為網(wǎng)絡(luò)中的帶寬矩陣，W(x)為業(yè)務(wù)請求量，w(x)為傳輸業(yè)務(wù)期望值，如圖3所示。

所述步驟B中，網(wǎng)關(guān)端策略具體為：a.進行系統(tǒng)初始化設(shè)置，b判斷是否為錯誤網(wǎng)關(guān)，若是則轉(zhuǎn)至子步驟f，反之則轉(zhuǎn)至子步驟c；c.從基站收集節(jié)點狀態(tài)信息，并記錄網(wǎng)關(guān)狀態(tài)信息，轉(zhuǎn)至步驟d；d.判斷網(wǎng)絡(luò)中的錯誤分支是否找到，若是則轉(zhuǎn)至子步驟e，反之則轉(zhuǎn)至子步驟b；e.設(shè)置epoch為0，并廣播epoch信息；f.結(jié)束，如圖4所示。

附圖說明

圖1混合無線mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2無線mesh網(wǎng)絡(luò)的路徑優(yōu)化流程示意圖

圖3節(jié)點端策略示意圖

圖4網(wǎng)關(guān)端策略示意圖

具體實施方式

為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

第一步，建立業(yè)務(wù)匯聚節(jié)點與傳輸節(jié)點間的距離優(yōu)化模型，優(yōu)化模型具體為：

$min\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=\mathrm{\γ}+1}{\overset{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{ij}\·{\mathrm{\μ}}_{ij}^2$

$s.t.\underset{i=\mathrm{\γ}+1}{\overset{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{ij}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{\γ}-j+1}-1,\∀j\∈\[1,\mathrm{...},\mathrm{\γ}-1\],$

$\underset{i=\mathrm{\γ}+1}{\overset{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{ij}\≤{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\γ}},$

$\underset{j=1}{\overset{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{ij}=1,\∀i\∈\[\mathrm{\γ}+1,\mathrm{...},\mathrm{\κ}\]$

2^γ-1<κ+1<2^γ

其中φ_ij為節(jié)點M_i與節(jié)點M_j之間的信息量，μ_ij為節(jié)點M_i與節(jié)點M_j之間的距離，γ為簇總數(shù)，η_i為簇i所能支持的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上限，N_sen為網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點數(shù)目，E_RX為接收端能量，為發(fā)送端能量，D為簇間平均距離，獲得能量消耗模型

第二步，設(shè)置最小信號干擾最小的信標發(fā)送策略，節(jié)點端策略為：a.進行系統(tǒng)初始化處理，并獲取臨近節(jié)點的epoch信息，然后進行系統(tǒng)時鐘同步處理；b.判斷epoch！是否為0，若是則轉(zhuǎn)至子步驟g，反之則轉(zhuǎn)至子步驟c；c.判斷T mod T_o＝0是否成立，若是則轉(zhuǎn)至子步驟g，反之則轉(zhuǎn)至子步驟d；d選擇和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點用于讀取x；e.判斷是否使用網(wǎng)關(guān)宣布錯誤分支，若是則轉(zhuǎn)至子步驟f，反之則轉(zhuǎn)至子步驟b；f.使epoch為0；g.計算w(x)＝BW(x)，并廣播w(x)；h.結(jié)束，其中epoch為在節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間基于廣度優(yōu)先搜索算法的路由選擇機制的搜索時間上限；網(wǎng)關(guān)端策略具體為：a.系統(tǒng)初始化設(shè)置，b判斷是否為錯誤網(wǎng)關(guān)，若是則轉(zhuǎn)至子步驟f，反之則轉(zhuǎn)至子步驟c；c.從基站收集節(jié)點狀態(tài)信息，并記錄網(wǎng)關(guān)狀態(tài)信息；d.判斷網(wǎng)絡(luò)中的錯誤分支是否找到，若是則轉(zhuǎn)至子步驟e，反之則轉(zhuǎn)至子步驟b；e.設(shè)置epoch為0，并廣播epoch信息；f.結(jié)束。

本發(fā)明提出了一種無線mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)優(yōu)化布置方法，通過建立網(wǎng)關(guān)間距離優(yōu)化模型和優(yōu)化設(shè)置吞吐量和信道利用率，實現(xiàn)無線mesh網(wǎng)絡(luò)的資源利用效能提升。