一种能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通讯技术领域，更具体地，涉及一种能量可再生无线Mesh网络绿 色通信方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着科学技术的飞速发展，无线网络技术也取得了高速的发展，例如：无 线通信技术推陈出新、无线网络标准不断更新以及新的无线网络架构和技术不断提出。 CDMA、M頂0、OFDM等技术不断创新，WLAN网络、WiMax网络、3G网络、LTE网络不断演进，正 朝大数据速率高吞吐量方向发展，而无线Mesh网络（Wireless Mesh Network，WMN)正是在 这样的背景下发展起来的。
[0003] 与传统的无线局域网（WLAN)、Ad Hoc网络相比，无线Mesh网络具有巨大的优 势。无线Mesh网络的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号，传统的 WLAN -直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题迎刃而解。在WLAN中，每个客户端均通 过一条与接入点（Access Point，以下简称AP)相连的无线链路来访问网络，如果用户之间 要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的AP，然后通过AP的连接和协调进行通信。 而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点 都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。如果最 近的AP由于流量过大而导致拥塞，数据包可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下 一个节点进行传输，直至到达最终目的地为止，这是传统无线网络不具备的。另外，在无线 Mesh网络里，如果要添加新的设备，只需要简单地接上电源，就可以自动进行自我配置，并 确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通 信路由，以获取最有效的传输路径，这也是传统无线网络无法实现的。
[0004] 无线Mesh网络的巨大优势使得人们对其研究和技术投入越来越多，有关无线 Mesh网络的应用也越来越普遍，这要求进一步提高无线Mesh网络的性能来满足日益纷繁 的应用需求。另一方面，网络传输消耗的能量越来越大，大量的能量由于路由分配的不合理 而浪费，能量危机的出现促使人们关心网络节能问题，于是将可再生能源应用于无线Mesh 网络供电，针对无线Mesh网络的吞吐率优化和能量优化问题逐渐提上日程。太阳能供电的 无线Mesh网络节点结构如图1所示。每一个路由节点都配备一个大型太阳能电池板，用于 接收太阳能并将其转换为电能。由于可再生能源来源不稳定，为了无线路由节点能够稳定 的得到电能供应，还为每一个节点配备一个电池组。太阳能通过太阳能电池板转化为电能， 然后电能经过能量控制中心存储到电池组中，最后被用来给接入点AP供电。太阳能电池板 始终通过能量控制中心与电池组相连接，而无线Mesh网络节点AP则通过能量控制中心与 电池组连接，但能量控制中心可断开AP与电池组的连接，这样AP将进入休眠状态而无法工 作，电池组则可以补充可再生能源。
[0005] 然而，由于可再生能源的来源不稳定，其路由调度和功率分配问题仍然制约着其 使用范围。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种能量可再生无线Mesh网 络绿色通信方法，即能量感知多径路由算法，利用本发明可以大大减少路由、速率和功率联 合控制的计算时间，避免网络时延过大而使信息传输失败等问题的发生，提高可再生能源 的利用率。
[0007] 本发明提供一种能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1将网络中的每条数据流划分为由多条单位流组成，所述单位流的数据速率 大小固定，且不可进行分支；
[0009] 步骤2为网络中的每一条链路构造一个与能耗成正比，与电池电量水平成反比的 链路权值V 1:
[0010]
[0011] 其中，^表示链路1的速率；δ表示单位流的数据速率；σ2表示周围环境的高斯 噪声功率;WjP G冷别表示链路的带宽和信道增益；P _表示节点的接受功率；T表示每一 时隙的长度；
表示节点的剩余能量水平；81表示节点i的剩余电池能量；M表 示节点的总数；s(l)和d(l)分别表示链路的起始端节点和终止端节点；
[0012] 步骤3每一时隙开始的时候，设定所有链路的数据速率都为0,然后计算各链路权 值，使用Dijkstra算法计算每一条数据流的最短路径，并分配单位流；
[0013] 步骤4判断所有的单位流是否分配完毕，是则流程结束，否则执行步骤2。
[0014] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0015] 本发明可以大大减少路由、速率和功率联合控制的计算时间，避免网络时延过大 而使信息传输失败等问题的发生，且计算精度可控，算法复杂度较低，更适合于在实践中广 泛应用。
【附图说明】
[0016] 图1为为现有技术中太阳能供电的无线Mesh网络节点结构示意图；
[0017] 图2为本发明能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0019] 图2所示为本发明能量可再生无线Mesh网络绿色通信方法的流程图，具体包括以 下步骤：
[0020] 步骤1将网络中的每条数据流分成多条单位流，单位流的数量决定数据流的流速 率，单位流的传输路径决定数据流的路由路径。其中，单位流是一种抽象的数据流，其数据 速率大小固定，且不可进行分支，即所有的单位流都是单径的，且具有相同的数据速率。在 本发明实施例中，把每一条数据流看做由多条单位流组成，数据流的流速率等于组成该数 据流的单位流的条数乘以单位流的数据速率，把数据流沿着不同路径进行多径传输看做组 成该数据流的不同单位流沿着相应路径进行传输。用δ表示单位流的数据速率，若数据流 f拥有N (f)条单位流，则数据流f的流速率为：
[0021]
[0022] 如此，对数据流的路由分配问题变成了对单位流的最短路径分配问题，而单位流 是不可分支的，可以使用例如Di jkstra算法寻找最短路径。对数据流的速率分配问题变成 了单位流经过各链路的条数问题。确定了组成数据流的所有单位流的路径，就确定了数据 流的路由和数据流在各条链路上的数据速率。
[0023] 步骤2为每条链路构造权值。众所周知，利用Dijkstra算法可以求出带权有向图 中从一点到另一点的最短路径。因此，只要为无线Mesh网络中的每一条潜在链路构造一个 权值，即可求出任意一条数据流从起点到终点的最短路径。在本发明实施例中，考虑到联合 调度的目标，要求链路权值具有如下特性：
[0024] (1)链路的权值能反映数据在该链路上传输时的能耗情况；
[0025] (2)链路的权值应与该链路对应节点剩余能量成反比，即节点剩余能量越多，对应 链路权值越小。
[0026] 以上两条属性反映了选择路由的方式：优先选择消耗能量少且其剩余能量较多的 链路进行传输。根据以上权值属性，链路的权值可以设计为：
[0027]
(2)
[0028] 其中，P1表示节点发射功率；P _表示节点的接受功率；T表示每一时隙的长度；
表示节点的剩余能量水平；81表示节点i的剩余电池能量；M表示AP节点的 总数；s(l)和d(l)分别表示链路的起始端节点和终止端节点。如此，公式（2)中分子表示 能量消耗量，分母表示节点剩余能量水平，因此权值Vl能够反映数据在该链路上传输时的 能耗情况，同时链路1对应节点的电池能量水平AJP A j也会对链路1的权值产生影响。用 这种权值求得的网络中的一条最短路径，就是两个节点间的传输耗能较小且避开了电池能 量较少的节点的最优路由。
[0029] 如公式（2)所示，为了获得链路权值，需计算发射功率。由香农公式变换得：
[0030]
(3)
[0031] 其中，r' ι=Γι+δ表示当速率为ri的链路1再分配一个单位流后的预期链路速 率；S表示单位流的数据速率；〇2表示周围环境的高斯噪声功率;W G 别表示链路的 带宽和信道增益。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)计算每一条链路的权值，表示链路成功分配一个单位流后的能耗与 电池能量水平的比值。
[0034] 步骤3分配单位流。有了链路权值后，就可以使用Di jkstra算法计算每一条数据 流的最短路径了。
[0035] 每一时隙开始的时候，设定所有链路的数据速率都为0,根据公式（4)计算各链路 权值，然后求每条数据流的最短路径。假如网络中有s条数据流，求出的各条数据流的最短 路径分别为（Path 1, Path2, ...，Pathf, ...，PathJ，接下来求各条数据流最短路径的链路权 值之和，并找出其中最小的一个，假如Pathf的链路权值之和最小，则为路径Path f分配一条 数据流f的单位流，数据流f拥有的单位流数量减1。最后，更新Pathf上所有链路的数据 速率，重新计算其链路权值。接下来进入下一次循环，每次循环分配一个单位流，直到所有 数据流的单位流分配完毕为止。
[0036] 分配完单位流后，统计归纳属于同一条数据流的单位流，即可获得该数据流的路 由和在各链路上的数据速率。由于属于同一条数据流的单位流可能流经不同的路径，这条 数据流就表现为多径，其在各链路上的速率大小由各链路上的单位流数量