Mimo無線多跳網絡的分布式跨層優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及到無線通信傳輸技術領域，具體是MIM0(MultipleInputMultiple Output)無線多跳網絡中節點數據傳輸低功耗的分布式跨層優化方法。
【背景技術】
[0002] AdHoc網絡是一種分布式、自治、多跳網絡，整個網絡中沒有固定的基礎網絡節 點，可以在不利用或者不方便利用現有的網絡節點（如移動基站、AP等）的情況下，建立無 線通信網絡為節點提供通信服務。AdHoc網絡利用移動節點的路由轉發功能，可以在無基 礎網絡的情況下進行無線通信，從而解決了在移動基礎網絡遭到破壞或無移動基礎網絡的 情況下進行無線通信的問題。
[0003] MHTO技術是利用抽象數學模型來描述的多天線無線通信技術，該技術的實質是： 發射端網絡節點通過相互獨立的多根天線發送無線信號，與此同時接收端網絡節點通過多 根天線接收無線信號并恢復原信息。當無線網絡系統采用了MMO技術時，該技術能夠在不 增加頻帶資源的情況下成倍提高信道容量，即提高信息傳輸速率。發送節點將無線信道分 割為多個容量較低的子信道，不同的子信道利用相同的頻帶資源發送數據。如果發送節點 與接收節點的不同天線之間構成的空域子信道不相同，即在空間煒度上使得不同發射天線 的信號能夠區分開，則無需提供額外的頻帶資源便可提高信道容量。MMO技術利用空間復 用能夠在信噪比較高的情況下大幅提高信道容量，且發射節點可在不能夠感知信道狀態的 情況下使用該技術。
[0004] 近年來，諸如無線傳感網絡、mesh網絡、移動自組織（AdHoc)網絡等多跳無線網 絡成為了熱點研究領域。無線多跳網絡比其他網絡有更多優勢，如：網絡容易搭建和維護， 網絡連通具有魯棒性，網絡容易拓展覆蓋范圍等。在頻譜資源一定的情況下，MIMO系統能 夠提高頻譜使用效率，增加信道容量，提高傳輸可靠性與傳輸距離。所以，將M頂0技術用于 無線多跳網絡可以極大地提高網絡性能。目前，人們對MMO多跳無線網絡的研究主要集中 于物理層和MAC層，然而，在多跳網絡系統中，路由是一個影響網絡性能的重要因素。因此， 由于其潛在的應用價值，我們有必要對這種跨層優化問題進行研究。
[0005] 在實際應用中，AdHoc網絡的性能是由網絡傳輸層、物理層和鏈路層協調決定 的。功率約束和頻譜利用率是除了傳統的PHY層性能外的]的一項重要性能指標。文獻 [E.Biglieri,R.Calderbank,A.Constantinides,A.Goldsmith,A.Paulraj,andH.V.Poor. MIMOWirelessCommunications[M].CambridgeUniversityPress, 2007.]研究了點到 點MMO通信與蜂窩MMO通信。AdHoc網絡的性能是由網絡傳輸層、物理層和鏈路層協調 決定的。在文南犬[J.H.Winters.Smartantennatechniquesandtheirapplicationto wirelessadhocnetworks[J].IEEEWirelessCommunications, 2006,13(4):77-83.]中， Winters舉例證明了當MIMO技術被不恰當的應用于AdHoc網絡時，會造成網絡性能下降 而不是提高。近年來，文南犬[R.BhatiaandL.Li.Throughputoptimizationofwireless meshnet-workswithMIMOlinks[C].inProc.IEEEINF0C0M,Anchorage,AK,May 6-12,2007:2326-2330.]探討了MMO跨層優化在單跳與多跳AdHoc網絡中的優勢。然而 文獻的系統模型沒有發送功率限制和功率分配。這就促使我們設計分布式算法來解決包含 功率限制和功率分配的多跳MHTOAdHoc網絡跨層優化問題，從而得到全局最優解或者局 部最優解。本發明針對MMO無線多跳網絡提供一種接近最優性能的且低復雜度的分布式 求解方法。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于針對現在的研究熱點---M頂0無線多跳網絡中的技術不足，提 供一種MMO無線多跳網絡中的分布式跨層優化方法，該方法能在保證網絡效用的前提下， 優化帶寬分配，降低能量消耗。
[0007] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種MMO無線多跳網絡的分布式 跨層優化方法，包括以下步驟：
[0008] 第一步：設定MMO無線多跳網絡中的總功率約束目標C，％，鏈路帶寬',叫， 信道干擾矩陣!!_:，vZVS1，信道矩陣Hv，網絡中的會話流數F，其中S1表示次用戶（SU)鏈 路，P]表示主用戶（PU)鏈路；并初始化如下變量：迭代次數1^= 0,拉格朗日對偶變量
[0009] 第二步：MIM0無線多跳網絡中的每條會話的流量需求為sf>0,V/，則根據節點 流守恒定律，可以得到：
[0010]
[0011] 其中4表示會話f在鏈路S1的分配的流量，：TfW表示次用戶（SU)節點ns作為 接收節點的所有鏈路集合，〇(?)表示節Ans的所有發送鏈路的集合，&.的表達式如下所 示：
[0012]
[0013] 其中src(f)表示會話f的發送節點，dst(f)表示會話f的目的節點；
[0014] 在每個會話流f?的源節點src(f)處通過求解網絡傳輸層子問題：
[0015]
[0016] 得到最優解卜p)，即網絡傳輸層的路由選擇。其中，定義
Uf (Sf)代表會話f?的效用公平函數，％表示在鏈路S1對應 sJ. 的拉格朗日因子，而L表示網絡拓撲中的總鏈路數；對于網絡傳輸層子問題，獲取對偶信息 后，每條會話f?的源節點src(f)在本地計算網絡傳輸層子問題后更新流速率信息Sf與 路由信息xf，每個中間節點根據源節點的路由信息Xf來中繼發送數據流sf;
[0017] 第三步：節點1^的發送功率約束限制可表示為：
[0018]
[0019] 其中Qsi表示鏈路S1的發送向量％的協方差矩陣，也就是，Qs, 是埃爾米特共輒矩陣且是半正定（PSD,positivesemi-definite)矩陣。Qst物理上表示鏈 路S1的發送節點分配給鏈路si的各個天線的功率。Ka為小于1的固定常數，其表示節點 實際可以使用的功率與總功率的比例。4表示網絡中節點ns的最大發送功率。
[0020] 鏈路S1的信道容量巾,如下所示：
[0022] 在上式中，表示在PU節點&處的噪聲功率普密度，I為單位矩陣， 表示來自PU的干擾，其中表示分配給鏈路81的帶寬，共同影響著A(A，Q」，也就是說帶寬分配與多天線的功率分配對提高信道容量起著重要作用。
[0023] 節點1的所有發送鏈路的帶寬之和不能超過PU分配給節點ns使用的帶寬見：
[0024]
[0025] 依據對偶分解和上述約束可得到物理鏈路層子問題如下：
[0026]
[0027] 其中Q' 全[Qs，Vs,eC> (?J]，W"a 全[WveC1 (%)]。
[0028] 在每個節點ns處通過交替迭代更新算法來求解物理鏈路層問題，即物理層的多天 線功率控制與鏈路層的帶寬分配，得到可行解
[0029] 第四步：令4=1^+1，在每個節點ns處通過下式更新拉格朗日對偶變量循環 從步驟1開始執行，直至結果收斂，得到整個MMO無線多跳網絡跨層優化問題的解，在實際MHTO無線多跳網絡中，各個節點根據得出的解設定的值運行，可以保障網絡中各個節點的 數據傳輸率和網絡效用的同時，減少網絡中的能量損耗。
[0031] 其中[Z] + =max(0,z)，A=1表示正數步長，表示次梯度且通過下式獲得：
[0033] 其中冒;與分別為第二步的網絡傳輸層子問題和第三步物理鏈路層子 問題的解。
[0034] 進一步地，在第1^次迭代時，每個節點ns通過交替迭代更新算法來求解物理鏈路 層子問題得到可行解，在每個節點\上具體包括以下子步驟：
[0035] 步驟3-1、初始化如下變量：迭代次數k2= 0,鏈路帶寬1，功率協方差矩陣 Qi'
[0036] 步驟3-2、固定'為W,, =WIm，物理鏈路層子問題只剩下變量Q,,，其轉化為凸 問題。通過求解該問題得到QlJh
[0037] 步驟3-3、固定Qfts為久=Qf，物理鏈路層子問題只剩下變量，其轉化為線 性規劃問題。通過求解該問題得到W,。
[0038] 步驟3_4、令k2=k2+1，循環執行步驟3-2和步驟3-3,直至結果收斂，得到物理鏈 路層子問題的解。
[0039] 本發明的有益效果是，本發明在網絡穩定性條件的約束下，建立了 MMO無線多跳 網絡的效用和能量優化問題，在保障網絡中所有節點的數據傳輸速率和網絡效用的同時， 減少網絡中的能量消耗，使得該系統可以在實際系統中具有應用價值。
【附圖說明】
[0040] 圖1分布式實施與信息交互圖；