無線網絡中的轉發方法、確定轉發策略的方法和設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明總體涉及無線網絡中的數據傳輸，具體涉及用于確定無線網絡中的轉發策 略的方法和設備，以及無線網絡中的轉發方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，諸如無線自組織網絡、無線傳感器網絡等無線網絡迅速興起，在研究領域 和工業產業領域獲得了越來越多的關注。在部署有無線網絡的大型會議、展覽會、音樂會的 場景下，用戶常常需要利用無線網絡中的無線通信設備（如手機，pad)以及支持無線通信 的打印機或掃描儀等來傳送數據。對于這種無線網絡中的通信，如何保證端到端的服務質 量（QoS)是一個關鍵問題。
[0003] 常用的QoS參數，包括網絡吞吐量、端到端延遲、延遲抖動和能量消耗等。就用戶 而言，往往希望在進行數據通信時，各個QoS參數均有很好的性能。然而，這些QoS參數之 間是相互依賴、相互競爭的，因此單獨優化其中某一個參數的性能，有可能導致另外一個參 數的性能降低。例如，通過提高發送功率來擴大通信范圍可以提高網絡吞吐量，但是另一方 面提高發送功率會導致能量消耗的增加。因此，如何進行數據傳輸以同時滿足用戶的多個 QoS參數的要求是一個需要解決的問題。
[0004] 上述問題實際上是一個多目標優化的問題。多目標優化是一個較為復雜的問題， 其與單目標優化有很大的差異。對于單目標優化問題，由于只有一個目標函數，因此能夠求 得最好的解，其通常是全局最大或最小，即全局最優解。而對于多目標優化問題，多個目標 函數需要同時進行優化，由于目標之間無法比較，又存在矛盾沖突，導致不一定存在同時滿 足所有目標函數的最優解。例如，某個解可能在一個目標上是最優的但在另一個目標上是 最差的。因此，多目標問題通常存在一個解的集合，它們之間不能簡單地比較好壞，這種解 的集合即所謂的pareto最優解集。
[0005] 在傳統的利用多目標優化方法確定數據傳輸策略的技術中，通常是通過向各個目 標函數分配權重值而將多目標優化問題轉化為單目標優化問題，然后采用單目標優化技術 來求解。
[0006] 例如，美國專利申請No. 20090016224中公開了一種在多跳無線自組織和傳感器 網絡中選擇下一跳轉發節點的方法。在該方法中，首先通過為包括最大傳輸距離和包成功 傳輸率的多個決策參數分配權重值，而將該多個決策參數映射成一個虛擬指標，然后根據 該虛擬指標將節點進行排序，并選擇排序靠前的節點作為轉發節點。
[0007] 再比如，在非專利文獻，Xuedong Liang等人的文章 "A novel cooperative communication protocol for QoS provisioning in wireless sensor networks"， （Testbeds and Research Infrastructures for the Development of Networks & Communities and Workshops，2009 年4 月 6-8 日）中，介紹了一種無線傳感器 網絡中的端到端延遲QoS需求保證的多跳網狀網絡合作通信機制。在該文獻中，建立反映 延遲、數據包成功發送率等多個QoS參數的Q(S，A)函數，并選擇具有最高函數值Q的節點 作為轉發節點。其中，在建立Q(S，A)函數的過程中需要為各個QoS參數分配閾值。
[0008] 然而，在這種解決方法中，權重值是人為地根據各個目標函數的重要程度憑借經 驗設定的，因此帶有很大的主觀性而且往往并不準確，從而作為目標優化結果而得到的數 據傳輸策略很可能不是最佳的。
【發明內容】
[0009] 根據本發明的一個實施例，提供了一種確定無線網絡中的轉發策略的方法，包括： 選擇至少一組候選轉發節點，每組候選轉發節點包括至少一個轉發節點；對于每組候選轉 發節點設定一組或多組轉發參數以形成N個候選的轉發策略，其中N是自然數，一組候選轉 發節點及其一組轉發參數形成一個候選的轉發策略；以預設的多個服務質量目標函數作為 優化目標，通過多目標優化算法對N個候選的轉發策略進行優化，以得到當所述多目標優 化算法收斂時的候選的轉發策略，作為最終的轉發策略。
[0010] 根據本發明的另一實施例，提供了一種確定無線網絡中的轉發策略的設備，包括： 節點選擇單元，配置為選擇至少一組候選轉發節點，每組候選轉發節點包括至少一個轉發 節點；參數設定單元，配置為對于每組候選轉發節點設定一組或多組轉發參數以形成N個 候選的轉發策略，其中N是自然數，一組候選轉發節點及其一組轉發參數形成一個候選的 轉發策略；轉發策略確定單元，配置為以預設的多個服務質量目標函數作為優化目標，通過 多目標優化算法對N個候選的轉發策略進行優化，以得到當所述多目標優化算法收斂時的 候選的轉發策略，作為最終的轉發策略。
[0011] 根據本發明實施例的用于確定無線網絡中的轉發策略的技術采用多目標優化方 法來確定最終的轉發策略，而不需要預先為各個優化目標分配權重，因而能夠得到最佳的 轉發策略，并且其在確定轉發策略時考慮了進行轉發的信道和節點的轉發概率，從而能夠 減小或消除信道物理干擾，進而提高了網絡性能。
[0012] 根據本發明的又一實施例，提供了一種無線網絡中的轉發方法，包括：響應于接收 到需要轉發的數據，轉發節點生成一個隨機變量x rand e [0, 1]作為閾值；將該隨機變量與 該轉發節點的轉發概率進行比較；如果隨機變量大于所述轉發概率，則該轉發節點在轉發 信道上轉發所述數據。其中所述轉發概率和轉發信道是從以預設的多個服務質量目標函數 作為優化目標、通過多目標優化算法對N個候選的轉發策略進行優化而得到的當所述多目 標優化算法收斂時的候選的轉發策略中獲得的，N為自然數，其中每個轉發策略包括一組轉 發節點及該組轉發節點的一組轉發概率和轉發信道。
[0013] 在根據本實施例的用于在無線網絡中進行轉發的方法中，轉發節點并不直接轉發 接收到的數據，而是應用預先確定的能夠滿足用戶的多個QoS需求的轉發概率和轉發信道 進行轉發，從而使得所述轉發能夠滿足多個QoS需求。
【附圖說明】
[0014] 圖1示出了示例性的無線網絡的示意圖。
[0015] 圖2示出了根據本發明第一實施例的用于確定無線網絡中的轉發策略的方法的 流程圖。
[0016] 圖3例示了利用非支配排序遺傳算法進行優化時迭代執行的處理的流程圖。
[0017] 圖4示出了另一個示例性的無線網絡的示意圖。
[0018] 圖5示出了根據本發明第一實施例的方法所確定的轉發策略對應的理論pareto 最優邊界以及通過仿真實驗得到的仿真pareto優化邊界。
[0019] 圖6示出了根據本發明第二實施例的無線網絡中的轉發方法的流程圖。
[0020] 圖7示出了根據本發明實施例的用于確定無線網絡中的轉發策略的設備的功能 配置框圖。
[0021] 圖8示出了根據本發明實施例的無線網絡中的轉發節點的硬件配置框圖。
【具體實施方式】
[0022] 為了使本領域技術人員更好地理解本發明，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發 明作進一步詳細說明。
[0023] 圖1示出了示例性的無線網絡的示意圖。如圖1所示，當在該無線網絡中的諸如 手機、pad等的源節點（S)和目的節點（D)之間進行數據通信時，最為直接的方式是源節點 通過直接傳輸方式向目的節點發送數據，而不經過中繼轉發節點（R)轉發數據。具體的，當 源節點到目的節點的信干噪比SINR大于目的節點處預先設定的接收閾值（例如，2db)，并 且數據傳輸滿足用戶的QoS需求的下限時，可以采用該直接傳輸方式。所述QoS需求即上 文中提到的諸如網絡吞吐量、端到端延遲、延遲抖動和能量消耗等QoS參數的需求，其中數 據傳輸的各個QoS參數的值可以通過基于SINR獲得的信道概率計算得到。然而，很多時候 直接傳輸無法滿足數據傳輸的要求，例如源節點到目的節點的信干噪比SINR小于目的節 點處的接收閾值、或者數據傳輸未達到用戶的QoS需求的下限。此時，需要利用轉發節點， 通過轉發數據來完成數據的傳輸以滿足用戶的QoS需求。本發明主要針對利用節點轉發方 式來進行保證端到端的QoS的數據傳輸的情形。
[0024] 在具體描述本發明之前，首先對本發明涉及的一些概念和術語進行簡單的說明。
[0025] 信道概率是信道正確傳輸數據的概率，其可以如下所述計算得到。
[0026] 在信道u，節點i到節點j的SINR為
[0028] 其中，《是干擾功率，N。是噪聲功率，&lj為節點i到j的路徑傳播衰減，其是節點 i到j距離的函數。
[0029] 對給定的SINR值γ，包錯誤率柯/辦)=!-[〗~狀/?(對'_'，其中\是一個數據包 的大小（單位：bit) ;BER(Y)是對于給定的SINR值γ的位錯誤率，它取決于物理層采 用的技術和信道的統計特征。對于加性高斯白噪聲AWGN信道和BPSK無編碼調制方式，
[0030] 對于任意信道u，節點接入信道是隨機的，取決于該節點的發送概率療 > 為了獲得 平均信道概率，計算圖模型中（i，j，u)邊上的平均干擾功率，需