[发明专利]一种基于多目标的多跳无线网络拓扑优化方法

权利要求书

1.一种基于多目标的多跳无线网络拓扑优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设多跳无线网络有N个节点，并利用式(1)建立图论模型G：

式(1)中，A表示多跳无线网络的节点集合；a_n表示第n个节点；E表示图论模型G的邻接矩阵，e_n,m表示第n个节点a_n与第m个节点a_m形成的邻接矩阵E的边，其中第n个节点a_n为发送节点，第m个节点a_m为接收节点，若e_n,m＝1，则表示第n个节点a_n与第m个节点a_m间形成通信链路，若e_n,m＝0，则表示第n个节点a_n与第m个节点a_m间无通信链路；表示第n个节点a_n与第m个节点a_m间的欧式距离；d_n表示第n个节点a_n的传输距离；

步骤2，建立多跳无线网络的传输延时函数T_net：

步骤2.1，利用式(2)建立节点信道竞争过程的马尔科夫链转移概率函数：

式(2)中，λ表示数据包的到达率；T_slot表示一个时隙间隔；P_g表示当前节点的缓存区为空时有数据包产生的概率；β表示当前节点信道检测为忙的概率；Ng表示当前节点的邻节点个数；P_f表示当前节点发送数据包失败的概率；

步骤2.2，利用式(3)建立节点信道竞争过程的马尔科夫链稳态概率分布方程：

式(3)中，π_idle表示当前节点处于空闲状态的稳态概率；π_(i,j)表示当前节点处在第i次退避阶段且退避计数器值为j状态的稳态概率；W_i表示第i次退避阶段的退避竞争窗口值；R表示退避阶段最大值；i∈[0,R]；j∈[0,W_i+1]；

步骤2.3，利用式(4)得到当前节点的第i次退避阶段平均退避时间T_bi和邻节点间的信道竞争访问延时T_mac：

式(4)中，t_s表示节点在第i次退避阶段，退避计数器值由j减到j-1所用的时间；

步骤2.4，利用式(5)得到数据包的平均传输时间T_tr：

T_tr＝T_mac+(1-P_f)T_tx (5)

式(5)中，T_tx＝L/v，表示数据包在节点竞争信道成功后的传输时间，L表示数据包的大小；v表示网络带宽；

步骤2.5，假设当前节点服从数据包处理率为μ＝1/T_tr，且数据包到达率为λ的泊松过程，依据M/M/1队列理论，利用式(6)得到数据包的平均队列延时T_q：

步骤2.6，定义节点单跳延时T_node为数据包的平均传输时间T_tr和平均队列延时T_q之和；定义端到端延时T_ete为通信路径各节点单跳延时之和；定义多跳无线网络传输延时T_net为多跳无线网络中所有节点至汇聚节点的端到端延时之和，其中，第n个节点a_n至汇聚节点的端到端延时记为

步骤3，建立多跳无线网络传输功耗函数E_net：

步骤3.1，设每个节点的接收信号强度为常数且均相等，依据对数路径损耗模型，利用式(7)建立节点传输距离和节点发射功耗的函数：

P_t＝10k log₁₀(d)+P_r+P_L(d₀)-X_σ (7)

式(7)中，P_r为接收节点接收信号的强度；P_t为发送节点的发射功耗；P_L(d₀)为路径损耗参考值，参考距离为d₀；d为发送节点与接收节点之间的欧式距离；k为路径损耗指数；X_σ为多径效应对接收信号的影响，且服从均值为0，方差为的高斯分布；

步骤3.2，定义多跳无线网络传输功耗E_net为所有节点的发射功耗之和，即其中，第n个节点a_n的发射功耗记为P_tⁿ；

步骤4，建立多目标粒子群算法的目标函数min{T_net,E_net}，并设置约束条件；

所述约束条件为多跳无线网络端到端延时需求约束和使多跳无线网络不存在孤点的传输距离约束，并分别利用式(9)和式(10)得到：

d_min＜D＜d_max,D＝{d₁,d₂,…,d_n,…,d_N-1} (10)

式(9)和式(10)中，T_st表示多跳无线网络端到端延时需求；d_min表示多跳无线网络不存在孤点时节点最短的传输距离；d_max表示节点最大发射功耗时的传输距离；D表示所有节点的传输距离的集合；

步骤5、初始化多目标粒子群的参数，优化各节点的传输距离，从而得到最优的拓扑结构。