一种基于无线多跳网络的跨层优化算法.pdf

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1、第203174卷年1期月Journal安of徽An师hu范iNo大rm学alU学ni报vers(it自y然(N科at学ur版al)Science)V01．37No．1Jan．2014一种基于无线多跳网络的跨层优化算法曾捷(深圳大学信息工程学院，深圳518060)摘要：针对无线多跳网络目前存在的问题，提出了一种较完善的跨层优化调度算法，在兼顾优先级较高的实时性业务的同时，有效扩展节点覆盖范围，提升了系统整体容量．对系统的吞吐量和延迟性能指标进行了仿真比较分析．关键词：无线多跳网络；吞吐量；延迟；仿真中图分类号：TN911．6文献标志码：A文章

2、编号：1001—2443(2014)01—0039—04无线多跳网络是指具有分布式特性和多跳特性的无线网络，主要应用包括：分布式WLAN、移动Ad—Hoc网、无线Mesh网、WSN(wirelesssensornetwork，无线传感器网络)、无线中继网络、3GLTE的混合网络等．无线多跳网络通过定向通信技术能进一步增大覆盖范围，具有良好的开发应用前景．为了得到更大的网络吞吐量，高层协议需要充分利用低层协议的潜能，跨层优化设计对进一步优化无线多跳网络技术十分必要[11．近年来许多学者对多跳网络跨层优化设计进行了相关的研究．清华大学的Juan

3、Liu等人考虑了实时可伸缩的通信业务，通过跨层优化和机会调度相结合，来提升系统性能J．国防科技大学的王建新、魏急波等人提出了一种基于位置信息的波束调整机制L3J，可以灵活地加载于路由层与MAC层的算法之中，对采用定向天线传输的多种路由策略进行仿真评估．华中科技大学的李之棠等人提出了采用了智能天线的多跳MAC协议DMH．MAC[，使用波束跟踪天线，经过较少的跳数传递数据包，从而改善网络性能．西南交通大学的冯军焕提出基于邻居意识的定向天线控制方法(NEM，IAc)[5j，让Ad．Hoc网络中的每个节点了解当前信道的使用情况，相应地调整定向天线的

4、波束角度，以此来提高空间信道的使用率．以上文献虽然对网络延时、抖动和吞吐量等性能有较好的改进，但无法解决如下突出的问题：第一、通过现有的扫描方法来估算小区内节点的角度信息有需要改善的空间．全向天线覆盖范围较窄；单波束的圆周扫描耗时较长；物理层DOA估算，复杂度和硬件成本都较高L6J．‘第二、传统方法没有考虑用户的移动性或者突变性，从而导致小区划分不合理．例如，将小区划分固定宽度的扇区以获得更高的网络资源复用，往往由于不能灵活适应不稳定和不均匀的移动节点分布，结果小区内有的地方因负荷太大引起了中断，而有的地方流量比较小通信资源闲置¨7_．为了

5、解决上述问题，本文提出一种多跳网络的跨层优化调度算法，有效地弥补了目前系统的不足之处，尤其是在系统吞吐量和延迟测试中取得较好的效果．1系统结构采用OPNET结合MATLAB来构建仿真平台．MATLAB负责物理层算法实现，OPNET主要负责物理层以上协议层的通信协议构建，同时通过OPNET构建和MATLAB实时通信的软件接口L8J．本文所提出的实验平台系统结构如图1所示．作为接收端时，天线阵列接收到信号后，通过A／D模块变换到基带，通过不同扇区的波束权值向量滤波后，将不同扇区的信号区分开，经过解码和判决输出得到最终的信号；作为发送端时，发送信

6、号经过编码后，通过不同扇区的波束权值向量预处理后叠加，通过A／D变换到高频后，再通过天线阵列发送出去．需要指出的是，为了满足多个正交波束能对小区进行完整的覆盖，我们假设天线个数M收稿日期：2013—04一O7基金项目：国家自然科学基金项目(61171071)；深圳大学实验室与设备管理研究基金项目(2011045)．作者简介：曾捷(1975一)，男，汉族，讲师，硕士，主要研究方向为宽带无线网络通信．引用格式：曾捷．一种基于无线多跳网络的跨层优化算法[J]．安徽师范大学学报：自然科学版，2014，37(1)：39—42安徽师范大学学报(自然科学

7、版)2014经是大于扇区个数N的，这在实际通信中是很容易满足的上层确定扇区个数和节点角度信息自适应多波束权值向量计算判决输出／扇区l权值=解码，编码发送信号[二二[=二二判决输出／扇区2权值l：：解码／编码发送信号／Z，加判决输出／扇区脓值}=：解码，编码发送信号图1系统结构图—r—2多跳网络跨层优化调度算法MAC层系统所使用的跨层优化调度结构如图2所示．在物+理层，通过正交多波束技术实现最优扇区化的基础上，在MAC层对每个扇区的输出进行监控，以网络整体系物理层统容量为优化目标，建立每个扇区的目标函数，设计高效的优化调度算法，避免盲区和隐藏

8、节点的产生，来充分利用多波束技术带来的高空间信道复用率潜力，达到大幅度提升系统吞吐量的目的9．图2物理层和MAC层之间的优化调度优化调度算法流程图如图3所示．(1)初始化系统，确